垂直極板電脫水器技術在注聚油田的應用

張鴻凱，翟 東，唐 勇

(中海油能源發展采油服務公司，天津 300457)

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垂直極板電脫水器技術在注聚油田的應用

張鴻凱，翟 東，唐 勇

(中海油能源發展采油服務公司，天津 300457)

針對近年來注聚工藝給原油電脫水系統帶來的諸多影響，從垂直極板技術著手，分析電脫水器設備在注聚油田應用的問題及改造方案，通過現場改造應用驗證了垂直極板電脫水器技術的優勢。

注聚油田；垂直極板；安全高效

目前，海上部分油田已進入開發末期，產量不同程度地遞減，聚合物驅油技術在提高采收率方面發揮著重要作用，保障著油田的穩定生產。但隨著聚合物采油技術的不斷推廣應用，注聚含量也不斷加大，原油工藝處理流程也顯現了諸多不適用性。尤其在原油脫水系統中，出現了電脫水器脫水困難、極板壓塌、運行不穩定及頻繁跳電等不正常現象，嚴重影響了原油處理效果，影響了原油的外輸質量，同時也對現場安全生產提出了挑戰[1-2]。

1 原因分析

電脫水器是原油處理系統中不可或缺的重要設備，其對處理后的成品油質量和污水指標具有決定性影響[3]。其內設有多層極板，外接直流或交流電源經變電器在罐體形成脫水高壓電場，原油流經罐內高壓電場，在電場的作用下，油中水滴的界面膜強度得到削弱，水滴間加速碰撞，聚結成為粒徑較大的水滴，在原油中沉降分離出來。

電場形式和電極板結構形式是電脫水器設備的關鍵?，F有的電脫水器電場普遍采用工頻交流電場和改進型的交直流電場形式，結構形式普遍為水平結構?，F場運行表明，上述電場及結構形式在注聚油田的電脫運行中均有不足。

1.1 電場形式

交流或直流電脫水電源形式存在電耗大，處理能力低，適用性差，易跳電等問題。伴隨酸化、洗井等頻繁修井作業，返排液經沉降分離后仍含有大量的聚合物，使原油乳化嚴重，更加大了脫水難度，使得電脫水器破乳難、脫水效果差，油水界面控制困難，電場運行不穩定，導致頻率“倒電場”現象。有時設備電場強度過高，原油在強電場條件下，油中水滴極易形成水漣，造成短路危險，給正常生產帶來極大的隱患，同時脫水質量下降，污水系統負荷增加，設備運行效率降低[4-6]。

1.2 電極板結構形式

目前在國內油田系統中的電脫水器設備，應用水平極板形式最為普遍,其結構簡單,工藝也較為成熟, 極板布置為2層或3層。電脫水器工作時,極板與罐體間形成弱電場，極板間形成強電場。含水原油經進油管線進入電脫水器，先后經過弱電場及強電場,含水原油中尺寸較大的水滴和尺寸較小的水滴可分別得到分離。這種形式的極板結構可保證含水原油在進入強電場時,不會因其含水率太高引起電擊穿現象。但隨著聚合物的使用,含聚原油的油水界面膜更加牢固，其電導率也顯著增加。這不僅會造成設備脫水效果的降低,而且增加了電極短路的幾率,使得設備頻繁跳電甚至造成電極擊穿。

同時，由于水平極板的固有結構形式，含聚原油極易在極板上吸附形成污垢。并不斷擴大形成污垢沉積，對水平極板的承受力造成極大考驗，嚴重時甚至會造成極板壓塌現象，對現場的安全生產帶來極大隱患。

2 電脫水設備的新技術

電場是影響電脫水器脫水效果的最根本影響因素，電場產生的先決條件又是電源與電極板結構。通過對設備電源及極板結構方面進行研究改進可顯著改善設備運行效果[7]。

通過對設備電源、電極板結構和布局形式以及含水原油的流動特性進行深入分析，最終開發出適用于海上注聚稠油油田的高頻矩形波電源與垂直電極板形式相結合進行脫水的電脫水器新技術[8]。為驗證新技術的脫水效果，需要針對目標含聚油田的油樣建立動態脫水實驗裝置，開展動態脫水實驗，考察新技術在不同脫水因素下的脫水效果。

2.1 實驗裝置的建立

通過對現場工況的模擬，按一定計算比例進行設計，建立垂直極板電脫水器的實驗裝置，其關鍵參數如下。

1)實驗裝置工作壓力為0.3～0.7 MPa，原油加熱溫控范圍為室溫約120 ℃，電源脫水功率小于20 W。

2)電極板設計為8層電極板垂直設置，每隔一層互聯，引出2個高壓脫水電極。

3)脫水電源設計為通過IGBT裝置輸出為高頻矩形波電源，頻率設計為50～2 000 Hz可調，電壓設計為200～300 V/cm可調。

2.2 脫水實驗

實驗油樣選取遼東作業區現場含聚原油，通過進行以原油含水量、聚合物含量和化學藥劑的投放量為變量的正交實驗，驗證該新技術對不同含水注聚原油的適用性、節能性及對脫水處理效果的影響，并對成品設計提供大量基礎數據。

實驗分別模擬靜態原油處理及循環流動的動態原油處理，針對不同特性原油進行交叉實驗。實驗結果表明，應用垂直極板技術的電脫水器設備各情況下均優于傳統電脫水器。

3 新技術現場改造

在模擬實驗成功的基礎上，研制開發適用于含聚原油的電脫水器結構改造方案，在遼東作業區SZ36-1原油處理廠進行改造，配合現場的高頻矩形波電源進行現場應用。改造工作主要有以下幾個關鍵點。

3.1 垂直電極板改造

拆除原設備內部的網狀水平極板結構，改造為垂直極板結構。

原水平極板的電場結構為垂直電場，油流上升與電場為同方向，水滴的碰撞幾率大大減小。水平網狀結構同時容易造成泥沙堆積，堆積到一定量后極板會發生下垂、變形，導致局部電場間距減小，造成電流變大，電場的效率降低。

改造后垂直極板的電場結構為水平電場，油流上升與電場成垂直方向，提高了水滴的碰撞幾率。垂直極板形成的電場分三部分，電極桿與油水界位形成交流弱電場，交流弱電場將大部分水滴脫除，極桿間和極板間分別形成直流中電場和直流強電場，將細小的水滴聚集后進一步脫除。

3.2 進油管改造

將原方形開孔、水平方向的進油管線改造為圓形開孔、垂直向下左右各45°的進油管線。

原進油分配管，油流出口開孔為長方形，流速為0.042 m/s,原油剛出孔后就沿管壁上升，造成原油噴的距離不夠遠，分配不均勻，局部地方的電場未對原油起到脫水作用。

改造后的進油管線垂直向下左右各45°，保證了泥沙不容易堆積在分配管里，也不容易堆積在出口孔上。而且由于原油分配管設計在該界面四等分位置上距中心線800 mm，保證油流出來后能夠在該界面上分配均勻。且改造后的圓形開孔增加了流速至0.74 m/s。

3.3 水沖洗系統改造

增加水沖洗系統，噴嘴采用新型V行噴嘴 。水沖洗接管焊接在罐體中間偏中30度的人孔法蘭蓋上。長期運行后罐內泥沙堆積嚴重，水相沒有足夠的空間，造成排水含油超標。若水界位提高又會造成電場不能正常工作。

改造后新增水沖洗系統，沖洗方向朝排泥口方向，定期沖洗后可將罐內泥沙和聚合物沖洗掉，保證油水界位穩定。V形噴嘴的噴射形狀為鏟狀，能有效沖洗泥沙。通過來料中的泥沙量來確定沖洗周期，一般一周2次，1次30 min。水的壓力大于罐的操作壓力0.4 MPa,流量 60 m3/h。

3.4 改造評估

經過改造后的電脫水器設備經過運行評估，其脫水效果優于傳統設備，處理效果達到了1%處理要求；運行穩定，對注聚原油的適用性較強，基本杜絕了設備頻繁跳電現象的發生；相比傳統設備單臺節能效果達70%以上；從根本上避免了極板上的污垢沉積現象，大大提高了現場生產的安全性。

4 結束語

采用垂直極板的電脫水器裝置配合高頻矩形波電源的電脫水新技術設備對含聚稠油具有很好的適用性、脫水效率優秀，可有效提高原油外輸質量。在設備工作過程中避免了跳電、極板壓塌等潛在風險，提高了工藝系統的安全及穩定性。同時，經過對電量測量對比，新設備顯著節能，可有效減少電站負荷，實現節能降耗。垂直極板電脫水器的改造經過前期研究、實驗模擬、現場應用等完整過程，思路新穎，運行高效，穩定可靠，節約電能，經濟效益明顯。

[1] Afshin Pak, Toraj Mohammadi. Waste water treatment of desalting units[J]. Desalination，2008,(222):249-254.

[2] 馬健偉,宋亞瑞,宋華,等.考慮脫水電流的破乳劑篩選[J].油氣田地面工程,2006,25(10):14.

[3] 王春升.淺談原油電脫水器的設計[J].中國海上油氣(工程),1998,10(5):14-18，23.

[4] 張鴻凱.電脫水器新技術在原油處理中的應用[J].中國造船,2010(A02):287-291.

[5] 肖蘊,趙軍凱,許濤,等.原油電脫水器技術進展[J].石油化工設備,2009,38(6):49-53.

[6] 王明信,李政軍.聚驅采出液電脫水技術[J].油氣田地面工程,2001,20(3):29，34.

[7] 侯衛妮.矩形波交流脈沖脫水電源在海洋平臺上的應用研究[D].東營：中國石油大學，2010.

[8] 張鴻凱,唐勇,王忠波.新型電脫電源的節能應用[J].資源節約與環保,2012(5):508-513.

Application of Electric Dehydrator’s Vertical Plate in Polymer Flooding Oilfield

ZHANG Hong-kai, ZHAI Dong, TANG Yong

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300457, China)

In recent years, polymer flooding process has brought a lot of impact on the electric dehydration system of crude oil. Form technology view of the vertical plate, the problems and reconstruction optimization scheme in the application of the electric dehydrators in the polymer solution were analyzed. Through the field transformation application, the advantages of the vertical plate electric dehydrators were verified.

Polymer flooding field; the vertical plate; safe and efficient

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.008

2016-07-10

中海石油總公司項目(CNOOC-KJ 125 ZDXM 13 LTD*04 NFCY 2011-02)

張鴻凱(1984—)，男，碩士，工程師

U665

A

1671-7953(2016)05-0032-03

修回日期：2016-08-10

研究方向:油田設施、海洋工程

E-mail:zhanghk@cnooc.com.cn