海上油田原油静电聚结高效脱水技术研究

尚 超， 王春升， 郑晓鹏， 张 明， 孙 婧， 王海燕

(中海油研究总院，北京 100028)

海上油田原油静电聚结高效脱水技术研究

尚 超， 王春升， 郑晓鹏， 张 明， 孙 婧， 王海燕

(中海油研究总院，北京 100028)

介绍了一种新型高效的原油静电聚结脱水技术，利用电场作用加速油水分离,显著提高原油脱水效率。试验结果表明，静电聚结原油脱水技术可以减小处理设施尺寸和重量，能够适应原油含水率高达95%以上的工况，并且可作为稠油脱水处理的有效技术手段。

高含水原油；脱水；静电聚结；稠油；紧凑高效

0 引 言

目前，海上边际油田开发以及深水浮式平台的应用都对原油处理设备的高效性提出了更高要求，要求缩减平台面积、减轻上部设施重量。而且随着高含水油田的不断增多(原油综合含水率甚至高达98%)，常规原油处理设备需要多级处理，显然会受到平台空间和建造成本的限制，也亟需新型高效的原油处理技术来满足生产需要。另外，我国海上稠油油田储量可观，海上稠油油田的规模开发，必将面临稠油处理技术问题的挑战。稠油通常黏度大、乳化程度高，仅依靠常规技术处理，水力停留时间通常需要10～20h，对于海上油田而言，显然无法接受。因此，稠油处理同样需要新型高效的处理技术以缩短水力停留时间。

为满足海上油田开发对高效紧凑原油处理设备的迫切需求，创新性开展了静电聚结原油脱水技术研究，利用电场作用加速油水分离，并研制了新型高效原油脱水设备，进行了实验室和现场试验研究。本文将结合具体研究内容从静电聚结原理、实验室研究、现场试验研究等方面对静电聚结原油脱水技术进行详细介绍。

1 静电聚结原油脱水技术原理

静电聚结脱水是利用电场作用破坏原油乳化液，加快水滴聚结速度，进而提高分离效率。对于最终依靠重力沉降原理的原油脱水工艺而言，分散相水颗粒在连续油相中的沉降速度Vw符合Stokes定律，其近似计算公式如下：

(1)

式中：g为重力加速度，m/s2；dw为分散相水颗粒的粒径，m；ρo和ρw分别为油相和水相的密度，kg/m3；μo和μw分别为油相和水相的动力黏度，Pa·s。

从式(1)可以看出，原油和水两相的密度差是油水分离的推动力，而分散介质的黏度则是阻力源。油水分离时水颗粒的沉降速度与其自身粒径的平方成正比，水颗粒粒径是最关键的影响因素。当水颗粒的粒径较小时(乳化状态时，甚至是微米量级)，其在连续油相中的重力沉降速度很低。如果仅仅依靠常规重力沉降来完成油水分离过程，所需的停留时间无疑会很长。静电聚结破乳技术的出发点就是引入外加电场，将原油置于高压电场中，利用电场对分散相水颗粒产生的偶极力、电泳力以及介电泳力等电场力的作用，促进小水颗粒碰撞聚结变大，从而加速后续油水分离的进行[1—3]。水颗粒的受力及静电聚结过程如图1所示。

图1 水颗粒受力及静电聚结过程示意图Fig.1 Schematic diagram of water droplet force and electrostatic coalescence process

为了适应高含水原油处理需要，有效防止水颗粒导致的电场短路，需要设置绝缘层[4]。适用于高含水原油处理的带绝缘层的电场强度为[5—6]

Eo=U/(a+tεo/εt)，

(2)

式中：a为电极间距；εt和εo分别为绝缘材料和原油乳化液的介电常数；Eo为电场强度；U为电极之间的电势差(电源电压)。

2 室内实验研究

2.1 渤海某油田原油乳化液静电聚结脱水室内实验研究

室内实验采用渤海某油田原油配置原油乳化液。具体配置是以脱水后的油品为基础，根据目标含水值，在烧杯中称取油样，加入计算好的水量，50℃预热后用剪切乳化机搅拌，制成实验用原油乳化液，保证室温下8h没有明水析出，配置的乳化液分离难度与现场情况接近。渤海某油田原油性质如表1所示。

表1 渤海某油田原油性质Table 1 Crude oil property of an oil field in Bohai

2.1.1不同含水量原油乳化液静电聚结脱水实验

实验条件： 实验温度为80℃，加电场时间20min，电压2000V。配制含水量分别为20%、 30%、 40%、 50%和60%的稳定原油乳化液，考察不同含水量原油乳化液的静电聚结脱水效果。实验结果如图2所示。

图2 脱水效果与原油乳化液含水量关系曲线Fig.2 Dehydration effects with different crude oil water contents

实验结果表明，静电聚结技术对20%～60%的原油乳化液均有较好的脱水率，脱水率均大于80%。在其他条件不变时，随着原油乳化液含水量的增加，脱水后含水量增加，脱水率降低。脱水后含水量从2.15%增加到10.8%，而脱水率从89.3%降低至82%。

2.1.2不同电压原油静电聚结脱水实验

实验条件： 试验温度为80℃，加电场时间20min，原油乳化液含水量40%。考察原油乳化液在400～2800V不同电压下的静电聚结脱水效果。实验结果如图3所示。

图3 脱水效果与电压关系曲线Fig.3 Dehydration effects with different voltages

实验结果表明，在其他条件不变的情况下，随着电压的升高，原油乳化液脱后含水量降低，脱水率升高。当电压大于800V时，含水40%的原油乳化液的脱水率可以达到82%以上；当电压增加至2800V时，脱水率可达91%以上。水是极性分子，当处在电场中时，能够发生偶极聚结、电泳聚结和振荡聚结。在交流电场中以偶极聚结和振荡聚结为主。随着电压的提高，电场强度增大，水滴聚结力增大，水滴聚结量和聚结速度增加，脱水效率明显上升，电压增大至2000V左右时，继续增大电压脱水效率提升不再明显，表明2000V电压产生的聚结力较为适宜，电场强度达到较优区间。不同电场强度影响水滴聚结力强弱的趋势一致，因此其他含水率乳化液脱水受电压影响趋势与此一致，只是最优电压略有不同。限于篇幅，不再一一赘述。

2.1.3不同水力停留时间原油静电聚结脱水实验

实验条件： 实验温度为80℃，加电场时间20min，电压2000V，原油乳化液含水量40%。考察原油乳化液在4～40min水力停留时间下的静电聚结脱水效果。实验结果如图4所示。

图4 脱水效果与水力停留时间关系曲线Fig.4 Dehydration effects with different hydraulic retention time

实验结果表明，随着水力停留时间的增加，含水40%的原油乳化液的脱水后含水量降低，脱水率提高。在静电场作用下，当水力停留时间为10min时，脱水率即可达到80%以上，相比仅靠重力沉降8h无明水析出大大提高了脱水效率。

2.2 渤海某稠油油田原油静电聚结脱水室内实验研究

采用渤海某稠油油田52%含水原油原样进行室内实验。该稠油油田原油为高黏原油，油品具体性质如表2所示。

表2 渤海某稠油油田原油性质Table 2 Crude oil property of a heavy oil field in Bohai

2.2.1不同温度原油静电聚结脱水室内实验

实验条件： 60g乳状液，预热15min，电压2500V，加电时间40min。

图5 稠油脱水效果与加热温度关系曲线Fig.5 Dehydration effects with different temperatures for heavy oil

原油静电聚结和重力沉降脱水效果随温度变化曲线如图5所示。实验结果表明，仅依靠重力沉降，温度升高对原油脱水的促进作用不明显，温度在80～120℃时，静置40min，自然沉降40min，原油没有水析，加热到140℃，原油仅有少量水析出，原油剩余水仍为49.1%。但在同等条件下，经过静电聚结作用后，温度从80℃升至140℃时，原油剩余水从47.17%降至16.58%。

2.2.2不同电压原油静电聚结脱水室内实验

实验条件： 温度90℃，预热15min，加电时间40min。

原油静电聚结脱水效果随电压变化曲线如图6所示。实验结果表明，在其他条件不变的情况下，随着电压的升高，原油乳化液脱水后剩余水量减少，脱水率升高。当电压超过2500V时，原油脱水效果较好，剩余水占比为22.16%以下。

图6 稠油脱水效果与施加电压关系曲线Fig.6 Dehydration effects with different voltages for heavy oil

2.2.3不同停留时间的原油静电聚结脱水室内实验

实验条件： 温度90℃，预热15min，电压2500V，加电时间40min。

原油静电聚结脱水效果随水力停留时间变化曲线如图7所示。实验结果表明，随着水力停留时间的延长，含水52%的原油脱水后含水量快速降低，脱水率提高。当水力停留时间为40min时，剩余水为22.16%，之后继续增加水力停留时间，下降趋势变缓。当水力停留时间为60min时，剩余水为17.95%。总体而言，相较于采用常规处理技术所需十多个小时的脱水时间，原油静电聚结脱水技术的脱水时间大幅缩短，大大提高了脱水效率。

图7 稠油脱水效果与水力停留时间关系曲线Fig.7 Dehydration effects with different hydraulic retention time for heavy oil

3 现场应用试验研究

3.1 试验设备简介

在流花11-1油田现场应用测试的静电聚结设备结构示意如图8所示，其中上部气液分离罐尺寸为Φ800mm×1000mm，下部油水分离罐尺寸为Φ1400mm×3600mm，最大处理量40m3/h。设备整体尺寸4600mm(L)×2500mm(W)×4300mm(H)。

图8 高含水原油静电脱水装置结构示意图Fig.8 Structure diagram of electric coalescence device for high water-cut crude oil dehydration

现场测试中，进入试验设备的取样从测试分离器进料口引出，温度和含水率等参数与三相分离器基本一致。通过与现场三相分离器和电脱水器分离效果综合比较，考察原油静电聚结脱水设备处理效果。

3.2 现场测试结果及分析

水力停留时间为40min时(与现场三相分离器水力停留时间相同)，考察电压对静电聚结脱水效果的影响，具体影响结果如图9所示。可以看出，经静电场作用后，脱水后原油含水率显著降低，与三相分离器相比，明显提高了油水分离效果。电压从5kV升高到8kV，脱水效率提高幅度不明显；继续升高电压，脱水率提升明显，脱水后含水率从8kV时的1.6%降低至10kV时的0.75%。同时，当原油含水率在88%～96%之间波动时，该设备均能将脱水后原油含水率维持在2%以下，说明设备对高含水以及含水量波动工况具有良好的适应性。

图9 脱水效果与电压关系曲线(现场试验)Fig.9 Dehydration effects with different voltages in field test

静电聚结原油脱水率与水力停留时间的关系如图10所示。可以看出，静电聚结脱水效果显著，当水力停留时间为10min时(仅为三相分离器的1/4)，原油脱后含水率为7.8%，仍比自由水分离器的脱水后含水低50%以上(现场自由水分离器出口含水16%)，即相同处理能力下，尺寸大大减小。同时，随着水力停留时间的延长，原油脱水后含水率逐渐降低，水力停留时间为40min时的原油脱水后含水率为1.3%，接近“三相分离器+电脱水器”的组合处理效果。

图10 脱水效果与水力停留时间关系曲线(现场试验)Fig.10 Dehydration effects with different hydraulic retention time in field test

4 结 语

高含水原油静电聚结脱水技术采用绝缘电极用于静电聚结过程，利用电场加速油水分离，同时有效避免极间电流过大和短路的产生。海上试验结果表明，静电聚结脱水技术对原油高含水工况(综合含水率80%以上)具有很强的适应性。

原油静电聚结脱水技术脱水效果好，原油脱后含水可以低至0.7%，并且脱水效率很高。对比结果显示，在相同的处理量下，可使设备体积较常规分离器减小50%以上；在相同体积条件下，比常规分离器处理能力提高50%以上。因此，静电聚结脱水可大大减少设备体积和重量。

相比传统的海上原油处理流程，静电聚结脱水技术油水分离效果出色，不仅可以减少处理设备体积和重量，并可作为稠油脱水工艺的有效技术手段，为将来海上油田稠油储量的大规模动用提供技术支持。

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StudyoftheTechnologyforCrudeOilDehydrationbyElectrostaticCoalescence

SHANG Chao, WANG Chun-sheng, ZHENG Xiao-peng, ZHANG Ming,SUN Jing, WANG Hai-yan

(CNOOCResearchInstitute，Beijing100028，China)

We introduce a new and efficient technology for crude oil dehydration by electrostatic coalescence. This technology accelerates the separation of oil and water by electric field. The experimental results show that this technology can greatly reduce the size and weight of treatment facilities and adapt to the working conditions of water content of crude oil up to 95%. It can also be used as an effective means of heavy oil dehydration.

high water-cut crude oil; dehydration; electric coalescence; heavy oil; compact and effective

2017-04-17

尚超(1984—)，男，硕士，工程师，主要从事海上油气设备设计及研究。

TE624.1

A

2095-7297(2017)05-0260-06