塔河油田酸化油高频脉冲电脱水实验研究及现场应用

2020-05-20张倩赵毅周勇李琰磊

油气田地面工程 2020年5期

张倩赵毅周勇李琰磊

1中国石化西北油田分公司采油二厂

2中国石化西北油田分公司工程技术研究院

3中国石油新疆油田公司风城油田作业区

近年来，随着塔河油田生产规模的不断扩大，单井措施、大型酸压工艺不断增多，加之各类采油助剂的规模应用，产生大量的酸化油、老化油，早期直接进入联合站处理系统，对原油处理系统造成较大的冲击。2014 年，出于优化成本、安全环保角度考虑，西北油田分公司采油二厂实施了二号联酸化油处理系统改造，将二号联3#罐、6#罐、首站1#罐改造为酸化油/老化油处理流程，替代了TK1210、T7-444 污油处理站和TK620 卸油站。酸化油、老化油不再进入联合站系统，有效地保障了原油处理的平稳运行。

二号联酸化油处理系统采用热化学重力沉降脱水工艺，其主要依靠高温、高浓度药剂和长时间沉降。二号联酸化油处理系统在2014 年改造之后取得了巨大的安全、环保和经济效益，但是由于处理工艺相对简单，占用资源较大，系统仍然存在很大的优化空间。与常规原油处理相比，现有酸化油处理工艺所需的沉降时间为20～30天，效率低，在措施井集中开井的情况下会存在压库情况，影响生产。现有酸化油处理工艺的破乳剂加药浓度为1 000 mg/L，是常规原油破乳剂加量的5 倍，吨油处理消耗药剂成本较高。现有酸化油处理工艺占用二号联3#罐、6#罐和首站1#罐，共计罐容3.5×104m3，日处理吨油占用罐容130 m3，比常规原油处理的占用罐容（6～7 m3）高出20 倍左右。储罐利用率不高，导致联合站原油储备能力降低，抗风险能力削弱。由于现有酸化油处理工艺所需的沉降时间长、脱水温度高，需要单独建立热媒油系统为其加热，成本较高。

针对二号联目前采用的酸化油处理工艺存在的优化潜力，为提高处理效率、降低成本费用，开展了一系列技术研发和实验研究，提出了以高频脉冲原油脱水器为核心的酸化油脱水新技术。高频脉冲原油脱水器是新一代油田采出液油、气、水一体化分离处理设备，该设备集成了脉冲破乳、电磁聚结脉冲脱水等技术，具有处理效率高、能耗低、适应范围广、性能稳定的特点[1-5]。首先在室内评价了脉冲电脱水对塔河酸化油的适应性，并优选实验条件，然后开展了现场工业试验。

1 实验

1.1 原料和仪器

原料和仪器包括塔河油田酸化油、老化油等，电脱水仪，电子分析天平，蒸馏法水含量分析仪。DTS 型电脱水仪由胜利油田胜利化工有限责任公司提供，由矩形波脉冲脱水电源、变压器和静态脱水仪组成（图1）。

图1 高频脉冲电脱水装置示意图Fig.1 High frequency pulse electric dehydration device

1.2 实验方法

将一定含水率的酸化油或者老化油加入到电脱水仪器中，加热到实验温度，设置电压、频率、脉宽比等参数，开启电源开始电脱水。脱水完成后打开排空阀，防止气流在釜体内搅动，然后从釜体底部放出游离水及部分原油，再取中间位置原油分析其含水率。

2 结果与讨论

与交流、直流和交-直流电脱水不同，高压高频脉冲电脱水存在电压幅值、电场频率和脉冲宽度比三个重要的电场参数，这些参数对电脱水的效率及能耗有显著的影响[6]。另外考察了温度和停留时间等操作参数对电脱水的影响。

2.1 电压对含水率的影响

电场频率为16 kHz，脉宽比为70%，温度为现场温度80 ℃，停留时间为5 h，考察了电压对脱水效果的影响，实验结果如图2所示。

图2 电压对酸化油脱水效果的影响曲线Fig.2 Effect curve of voltage on dehydration of acid oil

由图2可知，随着脱水电压的增加原油含水率先降低后增加，当电压为1 300 V 时含水率最低。随着电压的增大，脱水器内电极之间的电场强度随之升高，水滴之间的极化作用增强，水滴之间碰撞的概率增加，酸化油更加容易破乳，含水率降低。然而当电压超过一个临界值之后，随着电压的继续增加，酸化油中已经凝聚好的水滴在电场作用下，被逐渐拉伸变长、变细，水滴极点处的界面张力不能抵抗静电拉应力，水滴又分散成若干个小水滴，就会发生电分散现象，增加水滴在酸化油中的分散程度，破乳变得更加困难，含水率也随之增加。可见，在一定范围内提高静态脱水器的电压，可增强分散相水滴的极化引力，提高脱水效率；当脱水电压过高时会发生过度极化及电分散现象，反而会降低乳状液的脱水效果[7]。当电压在1 300 V时，塔河酸化油脱水效果最好，因此，后续实验选在脱水电压为1 300 V。

2.2 频率对含水率的影响

电压为1 300 V，脉宽比为70%，温度为现场温度80 ℃，停留时间为5 h，考察了频率对脱水效果的影响，实验结果如图3所示。

由图3 可知，当电场频率由12 kHz 上升至22 kHz 时，静态脱水器的脱水效率呈现出先增大、后减小的趋势，电场频率为16 kHz 时脱水效果最好。在高频电场的电场力作用下，水滴会发生极化和振动现象。当电场的频率过高，脉冲周期小于水滴极化的响应时间，水滴不能较好地吸收电场极化的能量，从而导致破乳效率降低，能量利用率降低。相反，如果电场频率太低，容易导致电分散现象。只有当水滴与电场发生共振时，此时水滴的极化效果最好，变形程度和振幅达到最大，乳状液的破乳效果最好。

图3 电场频率对含水率的影响曲线Fig.3 Effect curve of electric field frequency on water content

2.3 脉宽比对含水率的影响

电压为1 300 V，电场频率为16 kHz，温度为现场温度80 ℃，停留时间为5 h，考察了脉宽比对脱水效果的影响，实验结果如图4所示。

图4 脉宽比对脱水率的影响曲线Fig.4 Effect curve of pulse width ratio on dehydration rate

所谓脉宽比就是指单个脉冲所持续的时间与脉冲周期的比值[6，8]。通常情况下脉宽比也存在一个最优值。如图4所示，随着脉宽比的增加，含水率先是降低再升高，破乳效率先增加再降低，当脉宽比为70%达到最佳。

当脉宽比太小时，脉冲持续时间太短，作用于油水乳状液的电场能过低，水滴极化电荷没有足够的时间转向、极化，水滴的静电极化作用极弱，水滴静电聚并速率极低，乳状液的静态电脱水效率最低。随脉宽比的增加，作用于乳状液的电场能增加，水滴静电极化效果提升。当脉宽比过大时，水滴虽然能够吸收足够的能量，但部分电场能经水链泄漏，脱水效果有所降低，而且容易产生电分散现象，甚至发生电脱水器内电极间击穿、跨电场现象，因此，存在一个最佳的脉宽比。

2.4 温度对含水率的影响

电压为1 300 V，电场频率为16 kHz，脉宽比为70%，停留时间为5 h，考察了温度对脱水效果的影响，实验结果如图5所示。

图5 温度对含水率的影响曲线Fig.5 Effect curve of temperature on water content

由图5 可以看出，随着温度的升高，油样含水率不断降低。这是因为随着温度的升高，原油的黏度降低，塔河原油属于超稠油，温度的升高使得黏度、油水界面膜的强度大幅降低，水滴受电场极化作用更容易聚并，而且水滴受到的内摩擦和运动阻力也会大幅减小；随着温度的升高，原油密度也会降低，增加了油水密度差，也加速了水滴的沉降速率[9]。当温度从70 ℃升高到120 ℃时，原油含水率从0.77%下降到0.12%，都低于1%的外输要求，经综合考虑，确定实验温度为80 ℃，完全可以满足现场要求。

2.5 停留时间对含水率的影响

电压为1 300 V，电场频率设置为16 kHz，脉宽比为70%，温度为现场温度80 ℃，考察了停留时间对脱水效果的影响，实验结果如图6所示。

图6 停留时间对含水率的影响曲线Fig.6 Effect curve of standing time on water content

由图6可知，随着停留时间的增加，酸化油中的含水率随之降低。随停留时间的增加，油水乳状液在高压高频脉冲电场下的作用时间增加，作用于分散相水滴的电场能增大，水滴的静电极化和碰撞聚并效应更为明显，乳状液的破乳脱水效果更佳[10]。当停留时间超过2 h 以后，原油含水率降低到1%以下，4 h以后含水率已经降低到0.3%，再继续延长停留时间，含水率降低幅度较小。因此，选择停留时间为3 h，完全满足现场需要。

2.6 对不同油的适应性

上述研究表明，脉冲电脱水对塔河酸化油具有较好的脱水效果。接下来考察高频脉冲电脱水对塔河油田酸化油、老化油、污油等的脱水效果。

由表1可知，高频脉冲电脱水对塔河油田酸化油、老化油、污油都具有较好的脱水效果。经过高频脉冲电脱水之后，含水率都降低到1%以下，说明高频脉冲电脱水对不同的酸化油、老化油都具有较好的普适性，而且即便原油含水率达到70%以上，仍然具有较好的脱水效果。

表1 不同地点油样脱水实验数据Tab.1 Experimental data of oil sample dehydration at different locations

3 现场试验

新型脉冲原油脱水器工业试验装置于2017 年11 月在二号联合站现场开始安装并进行配套流程建设，设计处理量为0.5～1.0 m3/h，12 月中旬开始进行现场工业试验，12 月30 日现场工业试验结束。在工业试验过程中，为了评价新型脉冲原油脱水器的处理效果，分别采用7-3卸油站酸化油、二号联合站老污油池老化油，以及酸化油和老化油等比例混合三种试验模式对处理效果进行分析，相关数据见表2、表3及表4。

现场试验表明，高频脉冲电脱水对塔河油田酸化油、老化油都具有较好的脱水效果，经过高频脉冲电脱水之后，平均含水率都能达到0.5%以下，具有良好的破乳脱水效果。

表2 单独处理7-3卸油站酸化油工业试验数据Tab.2 Industrial test data of acid oil treated separately by 7-3 unloading station

表3 单独处理老污油池老化油工业试验数据Tab.3 Industrial test data of aging oil treated separately by old dirty oil pools

表4 7-3卸油站酸化油与老污油池老化油等比例混合试验数据Tab.4 Mixing test data of equivalent proportion of acid oil from 7-3 Unloading Station and ageing oil from old dirty oil pools

高频脉冲电脱水装置在现场连续运行12 天，电气、仪表控制系统和全套装置未发生异常和故障，设备运行稳定可靠。高频脉冲电脱水技术效果的主要影响因素是运行负荷和处理温度。当处理液量超出1.0 m3/h 时，脱水后原油含水率不能完全保证达标；该装置合适的工作温度在75 ℃左右，当温度超过90 ℃时会产生大量气泡，严重影响设备的油水分离效果，当温度过低时油品黏度增加，脱水效果相应变差。

高频脉冲电脱水技术节能效果显著，工业试验时处理量0.5 m3/h，运行功率为0.87 kW左右，处理吨液电耗为1.74 kWh。由于一次脱水合格，省去了6#罐、首站1#罐利用余热蒸汽加热的费用27.18元/t，与目前现场热化学重力沉降脱水工艺相对，效率大幅提高。