采出液超声破乳技术应用研究*

于惠娟 刘海丽 刘东杰 张建 韩冰 张舒漫

中石化石油工程设计有限公司

随着油田进入开采后期及三次采油新技术的应用，原油采出液综合含水率高达95%以上，采出液性质更加复杂，粒径更为细小，处理难度更大。采出液多为水包油型，或为水包油与油包水交替存在的复杂乳状液，界面膜强度较高，提升了分水处理难度，对油田生产有极大影响。目前主要采用热化学沉降及电脱水技术对复杂采出液进行脱水，但部分原油如三次采油产出的水包油型乳化原油、老化油及污水回收油等，由于其化学成分和乳状液的结构较为复杂，采用常规油水分离技术和破乳剂均难达到满意的分水效果，且采出液的处理成本大幅升高。如果采用电脱水器进行处理，由于进入电脱水器的乳状液导电性增强，会破坏电场，引起跳闸。此外，井排来液含水率较高，大部分破乳剂加入后随水流失，不能有效分散到乳化液油水界面，仅靠破乳剂的作用，破乳效果有限，脱水率较低。

原油乳状液的破乳是油水界面膜破裂引起的，通常包括分油、絮凝、膜排水、聚结、相分离等过程，其中有些过程（如絮凝）是可逆过程，有些过程（如聚结）则是不可逆过程[1]。复杂原油采出液的处理除了需开发高效低温破乳剂井[2]，还需另辟方法实现。目前研究表明，超声波破乳法是一种极具潜力的新型破乳法。国内外对原油超声波破乳展开了广泛研究，且已将其应用于老化油、落地油泥及污油等的处理[3-5]。

1 超声波破乳技术原理及现状

超声波是一种在媒质中传播的弹性机械波。人耳能听到的声波频率的范围是20 Hz～18 kHz，频率高于20 kHz 的为超声波。

超声波破乳技术具有能耗低、无污染、快速高效等特点，是处理黏度较高的稠油乳化液的有效途径。超声波作用于流体时，会促使介质产生位移及相互碰撞，快速实现破乳，提高脱水效率[6]。超声波对置于超声场中的介质具有机械作用、空化作用和热学作用等。采用超声进行原油破乳脱水主要利用的是超声波对介质的机械作用及热作用。超声波的机械作用可促使介质“粒子”发生位移、相互撞击，使得小液滴聚结成较大液滴，液滴粒径增大并在重力的作用下进行沉降分离；超声波的热效应可以降低原油乳状液油水界面膜的强度以及原油黏度，从而达到破乳脱水的目的[7]。与常规方法相比，超声波破乳技术能够有效降低破乳脱水温度，在常温条件下就可以起到破乳作用，从而减少加热设备的使用（如复杂的高压电脱水器），降低处理能耗。

超声波破乳效果的影响因素包括声强、频率、声波的作用时间、声波的作用面积、温度、原油乳状液的界面张力及黏度、超声波发生器的结构、油田采出水油浓度等[8]。国内外研究认为，对超声波破乳除油速率影响最明显的因素是超声波的声强和频率。

国内外的超声波辅助原油破乳技术主要从超声波发生器的结构、超声波和化学破乳联合、新的联合破乳方法等方面进行研究，并将其逐步使用在更难破乳的污油、老化油等[9]。目前，从一种技术向多种技术的联合破乳是超声波辅助原油破乳技术发展的趋势，例如：超声波发生器的结构从最初的槽式向截锥体、圆柱状、管状等方向转变；超声波的作用方式从与流体的流动方向垂直向与流体的流动方向平行发展；破乳方式从添加破乳剂和超声波同时作用破乳向不添加破乳剂只采用超声波破乳发展等[3]。

超声波在油和水中具有较好的传导性，超声波破乳适用于各种不同类型的原油乳状液。同时，超声波和破乳剂有较好的协同效果，在常规脱水法效果不佳的情况下，超声波的扩散效应可以促进破乳剂的分散，提高其作用效率，快速实现原油破乳，大幅度提高脱水效率。超声波和破乳剂联合用于乳化原油的破乳脱水有较好的发展前景。

2 超声强化破乳实验

为提高高含水采出液分水效率，减少后续加热炉的负荷，开展了超声破乳分水实验，在加入破乳剂的基础上，通过超声波作用使破乳剂快速分散，促进液滴聚并、削弱界面膜强度，达到破乳分水的效果。

实验采用的超声波发生装置频率为20 kHz，振子面表振幅为10～80 μm（可调），油水采出液为500 mL，含水率45%，添加常规油溶性破乳剂200 mg/L。可通过调整振子面表振幅来调节超声波强度。

表1 为44 ℃时的静态脱水实验结果。由表1 可知：不施加超声作用时，由于实验温度较低，无论是否添加破乳剂，都没有分水现象发生；施加超声作用后，分水量明显增大，特别是在破乳剂和超声联合作用下，即使在44 ℃低温时，2 h 的分水量达到了100 mL（分水率44 %），最终分水量为200 mL（分水率88 %）；与作用20 s 相比，超声作用30 s 的分水量明显下降，作用时间过长会影响破乳效果。

表1 温度44 ℃时分水效果对比Tab.1 Comparison of dehydration effect at 44 ℃

实验表明，超声波对破乳剂扩散及破乳起到积极作用，能有效提高低温时的脱水效率。超声作用可使破乳剂在油层快速渗透到达界面膜，其机械、空化及热效应可以削弱界面膜强度，宏观表现出脱水效果较好，但作用时间过长、强度过大将对破乳产生负作用[10]。由于油品性质的差异，超声脱水技术的作用参数将发生变化，实际使用时，应根据具体的油品性质对参数进行调整。

在添加破乳剂、超声波作用及“破乳剂+超声波作用”三种工况下采用稠油采出液（原油密度0.965 kg/m3、工况黏度2 900 mPa·s、乳化油含水率39%）进行分水实验，结果见表2。实验表明：在破乳剂和超声波的双重作用下，油水乳状液发生了良好的破乳及聚并，处理后乳状液的含水率最低，分水率最高；并且初始含水率越高，破乳剂和超声波双重作用的优势越明显。

表2 分水效果对比Tab.2 Comparison of dehydration effect

3 现场试验

目前，大部分针对超声破乳技术的研究都是实验室规模的，真正实现工业应用的较少，一方面由于超声波破乳机理尚不十分清晰，理论分析困难，难于获得合适的数学放大模型；另一方面缺乏适合的超声波破乳装备，影响了工业化应用[11]。本研究加工一套Φ1 600 mm×7 000 mm 超声破乳设备，现场考察了超声破乳装置的分水处理效果，以验证该技术的有效性和抗性波动，并指导技术及装置的工业化放大开发，为进一步现场推广提供技术依据。

3.1 装置情况

超声破乳处分水橇装装置尺寸为9 m（长）×3 m（宽）×4 m（高），功率为32 kW，质量约12 t。该装置设有整流区、超声作用区、聚结沉降区、水储存区、油储存区等，其中超声作用区设置10 个超声振子，单个振子最大功率2 kW（图1）。根据油品性质，选取最优作用时间、作用强度等条件。超声破乳装置上设有油水界面检测及液位检测，根据液位信号控制污水出口电动调节阀的开度，实现恒液位调节。

图1 试验采用的超声振子Fig.1 Ultrasonic vibrator used in the test

3.2 应用效果

某联合站采出液处理原采用“三相分离器+高温沉降”工艺，三相分离器出口原油含水率约为70%，为降低后续加热能耗，采用高频聚结分水装置代替了三相分离器，目前进加热炉的原油含水率虽降低至45%左右，仍有约60%的热量浪费在水的加热上。该站原油密度0.965 kg/m3、工况黏度2 900 mPa·s、乳化油含水率39%。为进一步加强低温下油水的高效分离，将开发的超声破乳装置用于该站生产，降低加热能耗、缩短处理流程，以解决该联合站生产中存在的问题。

试验1：现场测试了井排进液含水率91%、温度38～42 ℃、处理量20 m3/h 时，不同破乳剂使用量下的分水效果，对装置油出口的原油含水率指标进行对比，结果见图2。此时采出液在装置内停留时间约0.5 h，原油在超声作用区停留时间约0.75 h。由图2 可知，在不使用破乳剂及超声作用的条件下，装置出口原油含水率约为60%，处理效果与三相分离器相当。施加超声波作用后，原油含水率可降低至30%左右。在此基础上添加破乳剂50 mg/L时，原油含水率降低至25%以下，破乳剂的使用量增至100 mg/L 时，原油含水率继续下降。

图2 超声破乳装置出口含水率Fig.2 Water content at the outlet of ultrasonic demulsification device

试验2：现场测试了井排进液含水率91%、温度38～42 ℃、破乳剂使用量为50 mg/L 时，处理量为10～20 m3/h 的分水效果（原油在超声作用区停留时间由1.5 h 降至0.75 h），对装置油出口的原油含水率指标进行对比，结果见图3。由图3 可知：在适当范围内，处理量减少（由20 m3/h 降低至15 m3/h），装置出口原油含水率降低（由25% 降低至20%），这是由于超声作用较充分，且超声作用后，装置内的沉降时间增加，分水效果提高；但处理量降低至10 m3/h 时，超声作用时间过长，造成过乳化现象，对破乳聚并产生负作用，脱水效果变差，装置出口原油含水率约为32%。

图3 不同处理量下的出口含水率Fig.3 Water content under different treatment capacity

3.3 经济效益分析

采用超声破乳技术对某联合站稠油采出液进行分水处理，有效提高了油水分离效率，可替代站内油水分离器及一级沉降罐，缩短站内处理流程，减少后续加热能耗。在保证出站原油含水率不变的情况下，加热炉进口原油含水率从45%降至25%，同时加热温度降低6 ℃，加热负荷降低约50%，节省天然气耗量约50%，电负荷较高频聚结分水装置增加2 倍，原油在超声作用区停留时间约0.75 h 时，吨液处理成本整体降低约0.28 元。根据现场试验结果，该技术如进行推广实施，生产单位预计可节省运行费用290 万元/年。

4 结论

超声波对破乳剂分散及破乳起到积极作用，能有效提高井排来液温度下的油水分离效率，分水效果好，但超声作用时间过长、强度过大将对破乳产生负作用。实验表明，在进站温度45 ℃条件下，破乳剂的使用量为50 mg/L，原油在超声作用区停留时间约0.75 h 时，稠油采出液通过超声破乳装置处理后，油中含水率可由91%降低至25%以下，减少后续热化学沉降所需的加热能耗50%左右。将超声技术应用于油水分离，可降低处理能耗，缩减运行成本，有较好的发展潜力。