海上油田原油静电聚结高效脱水技术研究

陈景峰，李 辉，丛培征，杨晓波，孙延国

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司 天津 300452)

0 引 言

传统的海上油田原油脱水通常采用“三相分离器+电脱水器”处理工艺，整个流程占地面积大、脱水效率低、能耗高、工作不够稳定，含水量高时易发生垮电场现象。为此，科研人员提出先对油水乳化液进行静电聚结，使油中水颗粒聚结变大，然后通过重力沉降进行脱水，并根据这种原理研制了静电聚结设备。目前，随着海上高含水油田、边际油田、深水油田和绿色开发的不断发展，对原油处理设备有了更加严格的使用标准，并朝着小尺寸、低重量的趋势变化。为了满足这些需求，同时能够更好地处理高含水原油，本文对静电聚结高效脱水技术进行分析，阐述静电聚结原理以及该技术的试验和应用结果，并对该技术进行详细的介绍。

1 原油静电聚结高效脱水技术原理

静电聚结脱水技术是通过电场对原油的作用破坏原油的乳化液、加速水颗粒的聚结速度，从而提高脱水效率和对乳化原油的处理能力。水颗粒在均匀交变电场下的静电聚集机理主要包括偶极聚结和震荡聚结。对于不带电荷的中性水颗粒而言，其会受电场感应而形成诱导偶极，每个诱导偶极两端带等量的异性电荷。当2个诱导偶极非常靠近时，若其相邻端带相反电荷就会相互吸引而发生偶极聚结。与此同时，每个诱导偶极两端因受方向相反、大小相等的 2个吸引力作用而被拉长成椭球体，虽然并不发生宏

观位移，但在交变电场作用下反复的伸缩震荡仍会使得水颗粒表面乳化膜的强度被削弱，最终发生所谓的震荡聚结。对于带电荷的极性水颗粒而言，会受到相反极性电极的引力而向其移动靠近，在均匀交流电场中这种往复移动只能在一个很小的范围内发生，在小范围内促进水颗粒之间的碰撞和聚结，在油水分离之后水会通过重力作用而发生沉降，以此达到分离效果。作为分散相，水颗粒在连续的油相之中的沉降速度设为Vw，根据Stokes定律可以得到：

式中：g为重力加速度；dw是分散相水颗粒的粒径；ρ0和ρw分别是油相和水相的密度；μ0和μw分别是油相和水相的动力黏度[1]。

从上述公式可以得到，油和水之间产生分离动力的主要原因就是两者之间存在一定的密度差异，分散介质的黏度则提供了一定的沉降阻力。油和水在分离过程中水的沉降速度和水的粒径平方值具有正相关关系，可以说水颗粒的大小将直接影响到其沉降速度。当水颗粒较小时(一般是微米级)其沉降速度很小，只依靠重力将很难在短时间内沉降。在这种情况下，如果能够施加一个电场，分散相水颗粒则会因为电场的作用而产生一定的偶极力等电场作用力，导致水颗粒相互接触并结合，粒径也由此增大，从而加快其沉降速度。当然，因为在高含水的原油中加入电场很容易导致短路的情况，所以还需要设置一定的绝 缘层[2]。

2 室内试验结果

2.1 不同电压下的试验结果

在环境温度为80℃的条件下，对含水量为40%的原油乳化液进行试验，施加400～2800V的电场20min，观察在该范围内电压的作用下其静电聚结脱水效果，如图1所示。可以发现电压升高后原油的乳化液含水量大大降低。在电压达到800V以上后原油乳化液脱水率达到了82%；在电压达到2800V以上后原油乳化液脱水率达到了91%。因为水自身的极性，所以其能够在电场中发生多类聚结。在交流电场中，水主要发生偶极聚结和震荡聚结。在电压升高之后，水颗粒将具有更大的凝聚力和沉降速度，但是在2000V左右再继续增大电压，水颗粒的大小和沉降速度将不再改变，此时粒径和速度达到最大。该试验结果具有一般性，不同的电场强度对水滴凝结程度的影响一致[3]。

图1 脱水效果和加入电压的关系 Fig.1 Relationship between dehydration effect and input voltage

2.2 不同含水量的试验结果

在上述相同的环境温度和电场作用时间下，以2000℃为试验电压对含水量为20%～60%的原油乳化液进行试验(试验含水量梯度以10%递增)。结果如图2所示。

图2 脱水效果与含水量的关系曲线 Fig.2 Relation curve between dehydration effect and water content

通过曲线可以得到，该技术对20%～60%含水量的乳化液有着非常好的脱水效果，其脱水率在80%以上。而在相同条件下，原油乳化液含水量增加后其脱水率会降低。

2.3 不同水力停留时间的试验结果

试验条件与上述一致，采用2000V电压和40%含水量的原油乳化液，设置水力停留时间为4～40min，分析该时间范围内的聚结脱水效果，如图3所示。

图3 脱水效果与水力停留的关系曲线 Fig.3 Relation curve between dehydration effect and residence time

通过曲线可以发现，在水力停留时间增加的情况下，40%乳化液的含水量不断降低，脱水率在增加到一定程度后变缓。水力停留时间为10min左右时脱水率就可以达到80%。

3 某油田稠油室内试验结果

该稠油油田内含水原油含水量52%，为高黏原油。取60g乳状液对其进行室内试验(脱水效果与电压的关系、脱水效果与温度的关系和脱水效果与水力停留的关系)，试验结果如下。

①脱水效果与电压的关系。温度为15℃，预热时间15min，通电40min。可以发现在温度和水力停留时间不变的情况下，电压升高时该原油乳化液的脱水量也在不断增加，脱水率持续升高。在电压达到2500V左右时脱水效果达到最高，剩余水的占比降至22%以下。

②脱水效果与温度的关系。在电压2500V、通电时间40min的试验条件下，如果水颗粒的沉降仅仅依靠重力，温度升高后并不会引发脱水效果的增加。温度范围在80～120℃时，在1h内沉降效果并不佳；温度为140℃时，1h内仅有少量的水分析出；而通电之后，其脱水量则大幅增加[4]。

③脱水效果与水力停留时间的关系。温度为 90℃，在2500V电压下通电40min，可以发现在该试验条件下，水力停留时间延长后，试验样品的含水量降低速度较快，脱水率较高，而持续增加水力停留时间后其脱水率增速将放缓。

根据上述3个现场试验结果可以得出，通过原油静电聚结脱水技术来脱水的原油将获得较好的脱水效果，脱水率也很高，比常规处理的脱水技术更加 优越。

3.1 某油田混合油样试验结果

对某油田轻质油和中质油2∶1混合油进行电脱水试验，重点研究电脱水温度、电场场强和加电时间对脱水率的影响，观察并记录使脱水后原油含水率达到＜0.5%时所用的时间。电脱水试验的原油含水率分别为5%、10%、15%、20%、25%、30%。

①脱水试验目的：检测电脱水温度、电场场强和加电时间对脱水率的影响。电脱水温度分别为50、60、70℃；电脱水沉降时间对脱水率的影响，时间范围为5、10、15、20min。

①脱水试验结果：对某油田原油5%～30%乳化含水油进行电脱水试验，在50～70℃(试验点间隔为10℃)分别在0.6、0.8、1.1kV/cm 3种场强电场作用下进行电化学脱水试验，不同乳化油含水率随加电时间的变化率情况见表1～3。

表1 某油田轻质油∶中质油＝2∶1在50℃电脱数据 Tab.1 Electric stripping test data of light oil∶medium oil＝2∶1 at 50℃

表2 某油田轻质油∶中质油＝2∶1在60℃电脱数据 Tab.2 Electric stripping test data of light oil∶medium oil＝2∶1 at 60℃

续表2

表3 某油田轻质油∶中质油＝2∶1在70℃电脱数据 Tab.3 Electric stripping test data of light oil∶medium oil＝2∶1 at 70℃

②电脱水试验结论：在50℃下，15%～30%含水油在0.6kV/cm 场强下加电10～20min，原油含水率均＜0.5%；5%～30%含水油在0.8～1.1kV/cm场强下加电5～20min，原油含水率基本＜0.5%；在60℃下，5%～30%含水油在0.6kV/cm 场强下加电10～20min，原油含水率达标，在0.8～1.1kV/cm场强下加电5～15min，原油含水率均＜0.5%；在70℃下，5%～30%含水油在0.6kV/cm 场强下加电5～20min原油含水率达标，在0.8～1.1kV/cm 场强下加电5～15min，原油含水率均＜0.5%。

3.2 现场应用研究

3.2.1 相关设备

在某油田现场进行试验，采用的静电聚结设备如图4所示。

图4 试验装置结构图 Fig.4 Device diagram

该设备的最大处理量可达40m3/h。实际试验过程中进入该设备的样品将从测试分离器进料口引出，其各项参数与三相分离器基本一致。将三相分离器和电脱水器的试验结果进行对比，以此来考察该脱水技术的实际应用效果。

3.2.2 测试结果

设置水力停留时间为40min，2个设备的水力停留时间相同，由此考察电压对于原油乳化液脱水的实际效果。

从图5可以看出，在静电场作用后可以大幅降低原油的含水量，三相分离器的测试结果远不如测试分离器。在电压提升到8kV后，可以发现其脱水效率提高的幅度并不大，但是继续升高后脱水效果将明显升高。结果表明即使原油的含水量在88%～96%之间，通过该方法也可以有效地将含水量降低至2%及以下，这就体现了静电聚结高效脱水技术的优越性。

图5 脱水效果与电压的关系曲线 Fig.5 Relation curve between dehydration effect and voltage

水力停留时间为10min，仅为三相分离器的1/4，原油脱水后含水率降到了8%以下，而自由水分离器脱水后的含水率则在50%左右。另外，在相同的脱水能力下，静电聚结高效脱水技术设备尺寸和质量要远远小于三相分离器。

原油静电聚结高效脱水技术通过绝缘电极来进行水颗粒的聚集过程，通过电场来加速油和水的分离，一方面加大了水的聚集和沉降速度，另一方面也避免了因电流过大而导致短路的情况。而以脱水效果来看，其脱水能力明显高于同等级体量的三相分离器。综上所述，该技术对于原油高含水的情况有着非常好的处理能力和适应性[5]。

4 结 语

本文探讨了关于原油静电聚结高效脱水技术的相关原理，总结了室内试验、现场室内试验和现场应用3方面的试验结果。此次试验研究证明了静电聚结技术应用于油田现场的可行性，为这些技术应用于油品性质不同的油田积累了经验，对目前国内油田中较难分离的稠油采出液和聚合物驱采出液的脱水处理也有参考价值。可以说，该技术有着非常好的水分离效果，同时还兼具小体积和低重量的优势，是未来海上油田稠油脱水处理的重要技术基础。■