酸化原油調(diào)頻調(diào)壓脫水實驗研究

吳威 牟楠 張緒強 范琳波(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300452)

酸化原油調(diào)頻調(diào)壓脫水實驗研究

吳威 牟楠 張緒強 范琳波(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300452)

針對SZ36-1的D28井采出酸化油的特性，本文專門研制了一套矩形波交流調(diào)頻調(diào)壓脫水電源。利用這套電源進(jìn)行酸化原油靜態(tài)脫水試驗，評價調(diào)頻調(diào)壓電脫設(shè)備在不同脫水溫度、電壓、頻率、脈寬比、停留時間下的脫水效果。優(yōu)選出酸化原油電脫設(shè)備最經(jīng)濟(jì)的脫水參數(shù)。要求脫水分離后的酸化原油指標(biāo)：油中含水≤5%，水中含油≤1000ppm。

酸化原油；矩形波交流調(diào)頻調(diào)壓電源；脫水；最佳脫水參數(shù)

1 試驗設(shè)備組成：

矩形波交流調(diào)頻調(diào)壓脫水電源控制柜、寬頻帶變壓器、石油密閉脫水儀、高剪切乳化機。指標(biāo)如下：

⑴、矩形波交流調(diào)頻調(diào)壓脫水電源包括電源控制柜和寬頻帶變壓器兩部分。該矩形波交流原油脫水電源具有輸出電壓、頻率、脈寬連續(xù)可調(diào)的功能，可保證酸化原油脫水在最佳電脫參數(shù)下進(jìn)行脫水。與常規(guī)脫水設(shè)備相比，矩形波交流調(diào)頻調(diào)壓脫水電源不僅脫水質(zhì)量好、而且脫水速度快，節(jié)能效果明顯，其基本參數(shù)：

①、供電電源電壓：電壓AC220V±10%，頻率50Hz±5%；

②、寬頻帶變壓器工作頻率：400-5000Hz；

③、脫水電源輸出脈寬比：10%-85%連續(xù)可調(diào)；

④、調(diào)頻調(diào)壓電壓波形：矩形波；

⑤、脫水電源額定輸出功率：800W。

⑵、寬頻帶變壓器：變壓器的輸入端電壓是為10-60V的矩形波交流，頻率范圍：400-5000Hz，高壓輸出在1000-6000V連續(xù)可調(diào)。

⑶、石油密閉脫水儀:實驗時，將酸化油樣品脫水釜體內(nèi)，可在超過100℃的高溫高壓下實現(xiàn)脫水。實驗前設(shè)置好溫度，自動加熱，達(dá)到溫度后就會自動轉(zhuǎn)換到保溫狀態(tài)。脫水過程中原始油樣始終處于密閉狀態(tài)，不暴露在空氣中。因此油品的輕組分不會散失到空氣中，不會產(chǎn)生污染。釜體額定容量為1500毫升。

⑷、原油高剪切乳化機：由高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子與精密的定子工作腔配合，轉(zhuǎn)子以0rpm～10000rpm的高速，產(chǎn)生強勁的液力剪切、離心擠壓、高速切割及碰撞，使油樣充分分散、乳化、均質(zhì)、混合。

2 實驗原理

原油乳化液是由原油與地層水在乳化劑的作用下形成的一種穩(wěn)定的乳化液。含有多種礦物質(zhì)的地層水部分具有一定的導(dǎo)電性，而原油部分是絕緣的。電脫水是在電脫水設(shè)備中設(shè)置脫水電極，在電極上施加高電壓，形成一定強度的電場，原油乳化液置于電場中。在高壓電場的作用下，原油中的小水珠發(fā)生極化，這種極化是連續(xù)的，呈現(xiàn)鏈鎖反應(yīng)，這樣就使相鄰的水珠發(fā)生吸引而聚集成較大的水滴。如圖1所示，水滴形成后在重力的作用下水滴會下降至底部而原油上浮，這樣就達(dá)到了脫水的目的。因此，電脫水過程可概括為三個步驟：水滴極化→水滴聚結(jié)→水滴分離。

圖1、 原油電脫水過程示意圖

當(dāng)兩個相鄰水珠的粒徑大小相等時，凝結(jié)力F的數(shù)值可用公式近似地表示為：

式中ε—原油的介電常數(shù)；E—外加電場強度；γ—表示水珠的半；S—表示兩水珠的中心距。

水珠在電場凝聚力F的作用下發(fā)生偶極聚結(jié)形成大水珠，然后在密度差作用下發(fā)生沉降分離，沉降速度滿足斯托克斯公式，此外原油乳化液在電極板間還會發(fā)生振蕩聚結(jié)。

3 試驗條件

本試驗要求在不同含水率、溫度、占空比、頻率、電壓（場強）、停留時間等條件下對酸化原油進(jìn)行正交靜態(tài)分離試驗，試驗參數(shù)如下：

①、用酸化返排液（含水率10%、20%、30%、40%），評價不同試驗溫度（45℃、60℃、70℃、75℃、80℃、90℃）溫度對油水分離的影響。

②、用酸化返排液（含水率10%、20%、30%、40%），評價不同脈寬比（70%-85%）對油水分離的影響。

③、用酸化返排液（含水率10%、20%、30%、40%），評價不同頻率（400Hz-5000Hz）對油水分離的影響。

④、用酸化返排液（含水率10%、20%、30%、40%），評價不同電壓（場強）（2800～6400V）對油水分離的影響。

圖2、 油樣含水率30%時不同停留時間溫度對脫水效果的影響

⑤、用酸化返排液（含水率10%、20%、30%、40%），評價不同停留時間（30分鐘、40分鐘、50分鐘、60分鐘）對油水分離的影響。

4 部分實驗數(shù)據(jù)

⑴、溫度影響：根據(jù)溫度對原油粘度影響的一般規(guī)律可知，一般情況下，原油粘度隨著溫度的升高而降低，流動性則隨著粘度的降低而提高。以下實驗分別在溫度為45℃～90℃下進(jìn)行。(見圖2)

表1、 脫水參數(shù)及實驗數(shù)據(jù)

實驗數(shù)據(jù)分析：

油樣含水率30%，油樣體積為1100ml，脈寬80%，脫水頻率為3.75KHz，脫水電壓4300V。改變脫水時間、改變脫水溫度為45℃、60℃～90℃。實驗結(jié)果表明，脫水后原油中殘余含水率隨脫水時間的延長而降低；隨著脫水溫度的增加油樣中的殘余含水率在降低。脫水效果受脫水溫度參數(shù)影響比較大，尤其是在80℃及以上，脫水40分鐘后，油樣中殘余含水率就小于5.00%。

（2）脫水電壓（場強）影響：

在油樣含水率為10%～40%、停留時間30～70min及脫水溫度70℃條件下，篩選電壓2200V～6400V、頻率3.75KHz、脈寬比80%下，研究電脫效果的影響因素，找出最佳脫水電壓（場強）。(見圖3)

表2、 脫水參數(shù)及實驗數(shù)據(jù)

實驗數(shù)據(jù)分析：

原始油樣含水率30%，油樣體積1100ml，脫水頻率3.7KHz。實驗在脫水溫度70oC、脫水時間30min～70min、脈寬80%條件下進(jìn)行，只改變電場強度的情況下測試電脫后的油樣含水率，從圖中可以看出，隨著場強的增加，含水率急劇下降。脫水電流隨脫水電壓的增大而增大，脫水后原油中殘余含水率隨脫水時間的延長而降低。脫水時間在50分鐘及以上，脫水電壓在3100V～6400V，脫水后原油的殘余含水都小于5.00%，滿足實驗指標(biāo)要求。其中2800V的脫水電壓的油樣脫水時間在30～70分鐘，脫水后油樣中的殘余含水率都高于5.00%，說明脫水電壓不能過低。

圖3、 油樣含水率30%時不同停留時間下場強對脫水效果的影響

⑶、工作頻率的影響

通過調(diào)整脫水電源的輸出頻率，不僅可以改變原油的振動聚結(jié)效率，同時還會影響原油的有效脫水時間。結(jié)合上面的實驗篩選結(jié)果，本次實驗在脫水溫度70℃、脫水時間30～60min、脈寬80%、脫水電壓（場強）4300V（623v/cm）條件下進(jìn)行，油樣含水率10%～40%，改變脫水頻率實驗結(jié)果如下：

表3、 脫水參數(shù)及實驗數(shù)據(jù)

圖4、 油樣含水率20%時不同停留時間頻率對脫水效果的影響

實驗數(shù)據(jù)分析：油樣含水率20%，油樣體積為1100ml，脫水溫度70℃，脈寬比80%，脫水電壓4300V。變化脫水頻率：3.20KHz～4.90KHz。脫水電流隨脫水頻率的增大而減小。脫水后原油中殘余含水率隨脫水時間的延長而降低。分析該組實驗數(shù)據(jù)，脫水時間在50分鐘及以上，脫水后原油的殘余含水都小于5.00%，滿足實驗指標(biāo)要求。該組實驗數(shù)據(jù)的最佳頻率為3.75KHz。最佳頻率隨油樣含水率的增加而減小。

實驗結(jié)論

利用矩形波交流調(diào)頻調(diào)壓脫水設(shè)備對SZ36-1 D28井采出的酸化原油進(jìn)行電脫水的一系列實驗，都是按照國標(biāo)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的，實驗過程有足夠的理論依據(jù)，經(jīng)過系列實驗得出以下結(jié)論：

⑴、來自于SZ36-1D28井采出的酸化返排液，屬于酸化油，含水率大于30%，電脫出來水的PH值介于1到2之間，同時含有較多的膠質(zhì)和雜質(zhì)。利用矩形波交流脫水電源進(jìn)行電脫水效果良好。矩形波電場由零開始瞬間躍變到極大值，使水珠中的正、負(fù)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，能解決這種酸化油的電脫水問題。

⑵、該酸化油受溫度影響較大，對溫度敏感，隨著溫度的升高處理效率會逐步上升。

⑶、對電脫參數(shù)，隨著通電時間的增加、脫水溫度的上升，脫水率會逐漸上升。

⑷、利用本實驗室研制的矩形波交流調(diào)頻調(diào)壓電脫水設(shè)備完全可以實現(xiàn)對該酸化油的快速脫水處理，可以使原油含水率達(dá)到5.0%以下。

⑸、經(jīng)過系列實驗得出：在以下電脫參數(shù)下進(jìn)行連續(xù)脫水效果相對較佳：脫水電壓（場強）為4300V（623v/cm）、頻率為3.75kHz、脈寬為80%、溫度為80℃、脫水時間為40分鐘。

[1]劉月，趙德智，戴詠川.大榭老化原油脫水工藝實驗研究.應(yīng)用化工,2015(07).

[2]馬躍，黃曉東，唐曉旭，王忠樹，王彥青渤海油田油井酸化返排液對原油脫水的影響油氣田地面工程，2015.11