三元采出液油水分離過渡層特性及對電脫水影響研究

霍妍佳

大慶油田有限責任公司第四采油廠

結合生產實際發現，當三元脫水站前端油井壓裂、管道清垢及老化油回收時，電脫水器內過渡層會大量富集，導致電脫水器運行不穩，出現放水發黑甚至跨電場的現象，影響外輸油含水率的穩定達標[1]。為保障電脫水器穩定運行，降低過渡層對脫水系統的影響，現場往往采取兩種管理方式：①加大破乳劑藥量，提高油水分離效果，降低二段放水含油；②加大二段放水量，將過渡層排至沉降罐或事故罐。然而現有藥劑對過渡層處理效果不佳，只能通過底水將電脫水器內過渡層外排[2]。此外，積存在沉降罐內的過渡層在現有老化油處理工藝下無法有效處理，導致過渡層在系統內惡性循環，并對下游水質造成影響。因此，為提升脫水系統的運行穩定性，需要深化過渡層的機理及特性認識，采取有效治理措施，提升電脫水器的抗沖擊能力。

1 電脫水器過渡層特性研究

1.1 宏觀特性

從宏觀上看，過渡層外觀呈黃褐色或灰黑色的稠油狀液體，是懸浮于油水兩相之間的成分復雜的混合物，容易產生掛壁現象（圖1）。此外，與外輸油相比具有高導電性（表1）。

表1 外輸油與過渡層數據對比Tab.1 Comparison of data between external transmission oil and transition layer oil

圖1 過渡層外觀形態Fig.1 Appearance and morphology of the transition layer

1.2 微觀特性

取20 mL 電脫水器過渡層，向其加入60 mL 的120#汽油以及20 mL 的超純水進行水洗，靜沉后移除汽油相進行熒光及鹵素光照射，從微觀形態上可以看出：在顯微鏡下觀察到乳狀液滴界面膜厚度大，形態呈多相圈套式，上層存在較多顆粒狀物質，乳化液滴為W/O 型或W/O/W 型；下層存在較多的絮狀、團簇狀物質和黑色固體物質，同時其上粘附有原油，如圖2、圖3 所示。

圖2 過渡層水洗上層鹵素光/熒光照射Fig.2 Halogen light and fluorescence irradiation to the waterwashed upper layer of the transition layer

圖3 過渡層水洗下層鹵素光/熒光照射Fig.3 Halogen light and fluorescence irradiation to the water-washed lower layer of the transition layer

取過渡層油相放在載玻片上，蓋上蓋玻片輕壓并保證透光性，放入光學顯微鏡進行拍照，其油相平均粒徑為0.88 μm，乳化液滴個數達900 個，油相乳化液滴粒徑分布見表2。

表2 油相乳化液滴粒徑分布Tab.2 Particle size distribution of oil phase emulsion droplets

1.3 組成特性

對電脫水器內過渡層進行組分分析，其中含水量占68.1%，含油量占21.5%，固體雜質占10.4%。通過對過渡層中固體雜質進行差熱-熱重分析，發現固體雜質中無機物含量占比達66.7%，并主要由硅鋁酸鹽和FeS 組成，具體見表3。

表3 過渡層中固體組成Tab.3 Solid composition in the transition layer 質量分數/%

綜合分析認為，硅鋁酸鹽的多孔性和強吸附性造成油質及聚合物在其表面吸附，加之硫化物及微米級固體顆粒乳化作用，形成的絮狀團簇狀物質是形成過渡層的主要組分[3]。此外，經檢測硅鋁酸鹽中硅和鋁的原子數比值為116∶5，說明固體物質中存在大量的硅垢，按照SiO2計算其含量達到46.54%。

結合組成及微觀特性認識可以得出：過渡層是以Pickering 乳狀液（超細固體顆粒作為乳化劑而形成的乳狀液）的形式存在，其中乳狀液滴表面吸附有大量SiO2固體顆粒，導致了油水分離難度大。

1.4 靜沉分離特性

取電脫水器內過渡層靜置分層后的油相100 mL放入55 ℃恒溫水浴，記錄不同時間的析出水量。其中，靜沉20 min 后中間層析出水量0.7 mL；靜沉40 min 后中間層析出水量1.4 mL，油相檢測含水率仍高達5.24%。由靜沉分離試驗結果可以看出過渡層內乳化液滴難以通過沉降有效分離，油水分離難度大[4]。

1.5 離心分離特性

取電脫水器內過渡層靜置分層后的油相100 mL放入離心管中，離心時間20 min，溫度45 ℃，過程中監測不同轉速下離心后的油相含水率。試驗結果顯示：當轉速為1 000 r/min 時油相含水率為4.2%；隨著轉速的提升，當轉速達2 000 r/min 時油相含水率為0.14%；當轉速提升至4 000 r/min 時油相含水率為0.11%。根據離心分離試驗結果可以看出：隨著離心轉速增加，乳化液滴破裂，過渡層處理效果有所提升。

1.6 電場分離特性

向外輸油內加入不同比例的電脫水器過渡層，利用DTS-3 原油智能脫水儀開展室內電場分離試驗。結合現場運行情況設置運行參數。其中，運行溫度為55 ℃，電壓為6 kV，占空比35%，頻率為0.35 kHz，恒流值30 A。試驗結果表明：當過渡層占比為20%時，建立穩定電場需要21 min；當過渡層占比達到30%時，建立穩定電場需要52 min，且電場建立過程中有電流激增的現象，容易導致垮電場現象[5]，如圖4 所示。由此得出，過渡層比重的增加會導致電流激增，嚴重影響電脫水器的平穩運行。

圖4 不同過渡層體積下電壓/電流變化曲線Fig.4 Voltage and current change curves under different transition layer volumes

2 不同物質對電場運行的影響

結合過渡層組分分析結果，發現其固體顆粒中主要含有硅鋁酸鹽和FeS，而地層黏土礦物主要為蒙脫土和SiO2，集輸過程中可能產生Fe2O3。為明確不同固體顆粒對電脫水器穩定的影響程度，進行室內模擬實驗，探究其對電脫水器運行的影響界限[6]。

試驗過程：配制聚合物質量濃度為400 mg/L，表面活性劑質量濃度為180 mg/L，堿質量濃度1 000 mg/L 的三元液88 mL 放入到已預熱712 mL 原油中（含水率11%），分別加入不同濃度的FeS、Fe2O3、鈉基蒙脫土、鈣劑蒙脫土以及SiO2。試驗采用T25D25 型號的高速乳化機，在11 000 r/min 的條件下進行均化10 min，將均化后的樣品放入電脫儀器中，設置頻率為2.0 kHz，高壓1.5 kV，占空比為30%，恒流值為10 A，在該參數下電脫試驗1 h。過程中監測記錄不同時間下電流及電壓的變化以及跨電場情況，摸索不同濃度的腐蝕產物對采出液電脫水器的影響界限[7]。

室內試驗結果顯示：FeS 影響電脫水器運行的邊界濃度為3 g/L（質量濃度，以下簡稱濃度），Fe2O3影響電脫水器運行的邊界濃度為0.1 g/L；鈉基蒙脫土影響電脫水器運行的邊界濃度為0.05 g/L；鈣基蒙脫土影響電脫水器運行的邊界濃度為0.1 g/L；SiO2固體顆粒影響電脫水器運行的邊界濃度為0.1 g/L，具體如圖5～圖9 所示。當固體雜質達到某一臨界值時，會導致電流增大，電脫水器發生垮電場現象。在影響敏感性方面SiO2、鈉基蒙脫土＞鈣基蒙脫土、Fe2O3＞FeS。

圖5 不同濃度FeS 下的室內電脫水器試驗Fig.5 Indoor electric dehydrator test under different concentrations of FeS

圖6 不同濃度Fe2O3下的室內電脫水器試驗Fig.6 Indoor electric dehydrator test under different concentrations of Fe2O3

圖7 不同濃度鈉基蒙脫土下的室內電脫水器試驗Fig.7 Indoor electric dehydrator test under different concentrations of sodium montmorillonite

圖9 不同濃度SiO2下的室內電脫水器試驗Fig.9 Indoor electric dehydrator test under different concentrations of SiO2

3 電脫分離效果影響因素分析

為明確聚合物、表面活性劑、固體顆粒以及過渡層內含水率等因素對脫水效果的影響程度，開展正交試驗評價各因素對電脫分離效果的敏感程度[8]。將分別制備的乳狀液倒入電脫瓶中，按照11 000 r/min 進行均化，將均化后的乳狀液倒入電脫瓶中。固定55 ℃，在1 000、2 000、3 000、4 000、5 000、6 000 V 的設定電壓下進行電場處理，分別脫水8 min，累計脫水48 min，得出各體系的最大運行電流及脫水率，具體數據見表4。

表4 不同因素對電脫水器最終電流的影響Tab.4 Influence of different factors on the final current of electric dehydrator

由以上試驗結果可以看出影響電脫過程中電流大小的各因素的主次順序為：含水率＞聚合物濃度＞固體顆粒濃度＞表面活性劑濃度。

4 結論

（1）宏觀特性上，過渡層是懸浮于油水兩相之間、高導電性的復雜混合物[9-10]。

（2）微觀特性上，過渡層中含有固體微粒及大量粘有原油的團簇狀物質，易于在電場作用下導電，導致電脫垮電場。

（3）原油及有機質硅鋁酸鹽、FeS 等在油水界面膜表面吸附，是產生絮狀團簇狀物質從而形成過渡層的重要原因。

（4）過渡層內乳化液滴難以通過沉降有效分離，油水分離難度大。

（5）隨著離心轉速增加，乳化液滴破裂，過渡層處理效果有所提升。

（6）過渡層占比越大，同時間內電流升高越快，電壓越低，建立穩定電場所需時間越長。

（7）當固體雜質達到某一臨界值時，會導致電流增大，電脫水器發生垮電場現象；影響敏感性方面：SiO2、鈉基蒙脫土＞鈣基蒙脫土、Fe2O3＞FeS。

（8）過渡層中影響電脫過程中電流大小的各因素的主次順序為：含水率＞聚合物濃度＞固體顆粒濃度＞表面活性劑濃度。