一種新型的實驗室用老化油電脫水裝置

牛俊邦，王建軍，曾雄飛

（1.中國石油大學（華東）機電學院，山東 東營 257100；2.中國石油大學（華東）機電裝備教學實習總廠，山東 東營 257061；3.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司勘探開發研究院，新疆 烏魯木齊 830013）

0 引言

隨著油田開發的深人,各種化學增油措施已占據了采油技術的很大分量，雖然提高了油氣產量，但同時也使得油氣處理難度逐漸增大：即老化原油處理難度大已成為制約著集輸技術進步的瓶頸[1]。文獻[2]則給出了老化油的定義：廣義上講，老化油就是現有技術手段難以處理的原油。

近十年時間過去了，油田老化油的處理問題仍未得到很好解決。文獻[3]認為：老化油就是現有技術手段難以處理的原油，其中乳狀液成分復雜含有許多導電性較強的黏土和FeS等機械雜質。因此，老化油的處理也就成了迫在眉睫需要解決的生產實際問題[4]。這里所說的處理就是對老化油進行脫水、去渣。

本文研制了一種矩形波交流原油電脫水裝置，對來自勝利、大慶、吉林、新疆、江漢油田等單位不同種類的老化油在實驗室范圍內進行了電脫水實驗，具有脫水質量高，脫水速度快，脫水成本低的效果。該裝置放大后可用于油田現場的老化油處理。

1 實驗室用矩形波交流原油電脫水裝置簡介

矩形波交流脈沖電脫水裝置由電源控制柜、防爆型寬頻帶高壓變壓器、脫水電極共三部分組成。

1.1 電源控制柜

首先把交流220V的電網電壓經全橋整流后變成直流，再把該直流經斬波電路變成20～150V連續可調的直流；該連續可調的直流經全橋逆變電路轉換成交流矩形波電壓輸出，且電壓的幅值、頻率、脈寬連續可調，電源基本參數如下：

電源供電電壓：單相交流220V/50Hz

最大輸出功率：800W

最大輸出電流：10A

輸出峰值電壓：20～100V連續可調

脈寬比調節范圍：20%～85%連續可調

頻率調節范圍：400Hz～5kHz連續可調

效率：＞90%

外型尺寸： 600×470×780

重量：25kg

如圖1所示，脈寬比定義為：

圖1 矩形波波形圖Fig.1 Rectangular waveform graph

1.2 防爆型寬頻帶高壓變壓器

本文專門的矩形波交流電源控制柜配套研制的防爆型寬頻帶高壓變壓器，本質上也是一種大功率的寬頻帶變壓器，基本參數如下：

輸入電壓波形：單相矩形波交流

輸入電壓幅值：20～220V

輸入電壓最大脈寬：85%

原邊最大工作電流：15A

輸出電壓：2～10kV

工作頻率范圍：400～5000Hz

最大輸出功率：≥2kW

效率：η≥85%

外型尺寸： 550×450×750

重量：100kg

寬頻帶高壓變壓器的研制中，如何有效降低分布電容的影響是其制作的關鍵。 普通降壓變壓器,基本上不用考慮分布電容的影響,只要盡量把漏感降低到一定值即可。高頻高壓變壓器則有其特殊要求，次級繞組多、電壓高,漏感和分布電容對其性能有決定性影響，不但要求盡可能減小漏感，還要求盡可能減小分布電容的數值。

分布電容主要是指繞組層與層之間、匝與匝之間、繞組與磁芯之間所組成等效電容的總和。降低分布電容的一個有效方法就是減小繞組匝數以及增加層間距和匝間距。減小匝數與升壓變壓器要求有較高的變比存在矛盾，這里的變比指的是副邊匝數與原邊匝數的比值；增加繞組的層、匝間距會使得變壓器的漏感提高。解決這些矛盾的一個有效辦法就是增加變壓器磁心的橫截面積以及選用高磁通密度材料，再考慮到絕緣強度、爬電距離、安全距離的要求，其結果就使得這種寬頻帶高壓變壓器的體積與重量，比相同功率的普通變壓器大得多。

1.3 密閉式脫水電極

實驗室中的原油電脫水裝置分為靜、動態兩種類型。針對靜態型，本文研制了一種專門處理老化油的密閉式脫水電極。

如圖2所示，不銹鋼壓力釜與密封蓋由螺栓緊固在一起就形成了一個密閉式結構，原油乳化液從上面的開口倒入；之后插入內電極，由螺紋蓋把內電極壓緊。內電極由聚四氟乙烯空心桿內含導電銅棒。不銹鋼壓力釜的容積最小為1.2L，最大的為20L，接地后可直接作為外電極，也可在壓力釜內懸掛一個網狀的金屬套筒作外電極。

壓力釜的底部裝有放液閥，其外圍安裝加熱瓦、溫度傳感器。密封蓋的上部安裝有放氣閥和壓力傳感器，分別連接壓力控制器和壓力表。

圖2 密閉式脫水電極示意圖Fig.2 Schematic diagram of closed type dewatering electrode

該脫水電極在密閉狀態下進行通電脫水，可以實現油樣的加熱和脫水時溫度恒定；其耐壓可達1Mpa，加熱溫度從室溫到150℃連續可控。

實驗室應用結果表明，這種密閉式脫水電極，對各種類型的老化油以及難處理的原油乳化液進行脫水處理都會得到良好的應用效果。

但對于另外一種的老化油：大量的實驗結果表明，含有微固體顆粒的老化油非常頑固，這類老化油一般含水都大于10%，含有微量的輕組分，并同時含有較多的膠質和瀝青質；下面給出來自江漢油田的這種老化油電脫水實驗結果。

2 老化油脫水實驗

實驗前首先用蒸餾法進行原始油樣含水率的標定，連續進行3次，結果如表1所示，含水率的平均值為14.2%。

表1 原始含水率測定數據Tab.1 The original water content

然后取1000mL的含水老化油，利用額定容積1200mL的密閉式脫水電極進行電脫水，電壓4500V，電流0.9A，頻率3800Hz，加熱溫度80℃，通電時間50分鐘，不用任何破乳劑。

之后，斷開電源，約20分鐘后自然冷卻到50℃，打開下面的放液閥，放到1000mL的玻璃杯中。再靜置10分鐘后，就能看到玻璃杯中分成了3層，如圖3所示：最底層為黑色沉淀物，中層為透明的水，上層為脫水后的原油。

圖3 電脫水后的老化油Fig.3 Oil electric dehydration after aging

用不同的加熱溫度重復上述的電脫過程，對玻璃杯中上層脫水后的原油用蒸餾法測定含水率，結果如表2。

當加熱溫度低于70℃時，透明的水層逐漸變薄直至消失，這時玻璃杯中的油可分為兩層，含水小于0.5%的上層和高含水的下層。

表2 不同加熱溫度下的脫水效果Tab.2 The dehydration effect under the different heating temperature

圖4 黑色沉淀物透射電鏡照片Fig.4 The black precipitate the TEM photographs

用透射電鏡觀察最底層的黑色沉淀物，放大3萬倍的照片見圖4。可以看出，粉末粒子的粒徑在10μm以下，以納米級粒子居多。

3 結論

（1）矩形波交流原油脫水電源電場由零開始瞬間躍變到極大值，使水珠中的正、負離子得到最大限度的加速，對乳化膜形成最為強烈的沖擊；破乳能力強，更適合油田難處理原油的電脫水。

（2）老化油中以微固體顆粒為核心，由瀝青質、膠制質組成的膠團懸浮在原油乳化液中，阻止小水珠的下沉，是老化油難處理的根本原因。

（3）矩形波交流電源的躍變電場所產生的振蕩效應，能把老化油中的膠團與水珠的結合面切割分離，從而實現油水快速分離的目的。

[1]高海軍，周敬偉，張自清.高效破乳技術在老化油處理中的應用[J].工業計量,2003（增刊）.

[2]衡英杰，潘永梅，袁國英.油田開發后期老化油的構成及現場處理效果分析[J].石油天然氣學報，2005，6.

[3]尚飛飛，廖克儉，王洪國.遼河油田稠油及老化油物性分析[J].石油化工高等學校學報.2011，5.

[4]楊忠平，王憲中，田喜軍.吉林油田聯合站老化原油成因與脫水方法研究[J].油田化學，2010，3.