油田采出水超聲破乳工藝研究

李 宇

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

油田采出水是一種復(fù)雜多項(xiàng)綜合體系，包含有固體雜質(zhì)、液體雜質(zhì)、溶解氣、游離氣和溶解鹽類等。由于各油田地質(zhì)條件、地層性質(zhì)不同，開采的地底原油特征也有差異，對于不同種類的原油分離條件、集數(shù)條件、儲運(yùn)條件也不盡相同。雖然各油氣田地質(zhì)條件、構(gòu)造環(huán)境以及原油性質(zhì)不同，開采出的油田水水質(zhì)也存在明顯差異，但是也存在相同之處。比如，油田采出水含油量高，采出水組分復(fù)雜、礦化度高，同時(shí)油田采出水水溫較高，還可能具有一定的放射性。目前，油田大多數(shù)采出水處理以物理法和化學(xué)法為主，采出水中的乳化油含量高，因?yàn)槠湟兹榛奶匦裕枰迫楣に噥泶_保油田采出水處理符合生產(chǎn)要求。

1 超聲破乳實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)過程

油田采出水超聲破乳實(shí)驗(yàn)裝置主要由排水管、進(jìn)水管、超聲波脫油反應(yīng)器、超聲波換能器、超聲波發(fā)生器、反應(yīng)控制箱、電動扣油閥、儲油桶、固液分離箱構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)裝置安裝在槽式反應(yīng)器中，使用超聲波功率為1kW，超聲波頻率為2.7×104Hz，超聲波聲強(qiáng)為0.50。整個(gè)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)時(shí)間180s，處理水量12L，溫度控制在45℃以下。這種反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置可以計(jì)算出5.0m3/h油田采出水量。設(shè)置油田采出水超聲破乳反應(yīng)器參數(shù):反應(yīng)器總?cè)莘e為0.45m3，反應(yīng)器過水截面面積為0.280m2，反應(yīng)器有效長、寬、高分別為1.5m、0.7m、0.5m。

實(shí)驗(yàn)方法:首先將油田采出水注入超聲破乳反應(yīng)器中，在油田采出水溫度升到45℃時(shí)，開啟超聲波發(fā)生器。待反應(yīng)進(jìn)行一定時(shí)間后，整個(gè)裝置靜置30min，用四氯化碳試劑對水樣進(jìn)行萃取。最后，出油率可通過紅外分光測定儀測定取萃取液的油濃度來計(jì)算。

2 超聲破乳工藝討論

2.1 超聲波脫油反應(yīng)器類型影響破乳除油率

除了實(shí)驗(yàn)所運(yùn)用的槽式反應(yīng)器，超聲波反應(yīng)器還有筒式、振子式和探頭式等常見的反應(yīng)器類型，不同的超聲波反應(yīng)器有不同的超聲波導(dǎo)入方式，對除油率的影響也各不相同。

在實(shí)際運(yùn)用過程中，槽式反應(yīng)器和筒式反應(yīng)器處理效果較其他兩種反應(yīng)器效果明顯。振子式反應(yīng)器和探頭式反應(yīng)器在使用時(shí)，產(chǎn)生的超聲波聲場不勻稱，超聲波能量衰減快，道指最終反應(yīng)效果達(dá)不到預(yù)期。除此之外，探頭式反應(yīng)器的探頭還容易被超聲波自身能量損耗，造成了實(shí)驗(yàn)成本增加。相比之下，筒式反應(yīng)器具有較高的超聲波輻射功率，在短時(shí)間內(nèi)可以達(dá)到較好的破乳效果。但是，筒式反應(yīng)器由于自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在反應(yīng)進(jìn)行時(shí)需要豎立放置，超聲波換能器則安裝在裝置側(cè)板上，油田采出水中的油在上浮過程中容易黏附在反應(yīng)器壁上，形成油層困難，同時(shí)筒式反應(yīng)器耗能大。槽式反應(yīng)器雖然破乳反應(yīng)過程耗時(shí)較長，但是破乳效果較其他反應(yīng)器好，同時(shí)槽式反應(yīng)器總體結(jié)構(gòu)簡單，油層形成和油層分離較容易，所需能耗較低，是四種反應(yīng)器中綜合效果最好的一種。

2.2 超聲波頻率影響破乳除油率

采用固定變量的方法，保持超聲波功率為1kW、超聲波波強(qiáng)為0.50、整體反應(yīng)時(shí)間為150s、油田采出水水溫為45℃、裝置處理水量為12升的條件時(shí)，測試超聲波頻率對破乳除油率存在的影響。結(jié)果得出，當(dāng)超聲波波強(qiáng)較高時(shí)，超聲聲波頻率為2.7×104Hz時(shí)，油田采出水破乳除油率最大，破乳除油效果最好；當(dāng)超聲波波強(qiáng)在0.5以下時(shí)，超聲波頻率對超聲波破乳除油效果的影響微弱。實(shí)驗(yàn)表明，超聲波頻率的大小在一定量級的范圍內(nèi)時(shí)，只是影響乳化分子向波谷的移動距離或是向波節(jié)的運(yùn)移距離，所以在此量級內(nèi)乳化除油效果不明顯。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，超聲波強(qiáng)度的衰減程度與超聲波頻率的平方成正比，超聲波的頻率越高，超聲波聲場就越不均勻，超聲波衰減速率就越快。所以，在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)該將超聲波的頻率控制在2.1×104～2.7×104Hz范圍內(nèi)。

2.3 超聲波功率影響破乳除油率

在超聲波頻率為2.7×104Hz，超聲波聲波強(qiáng)度為0.50，整體破乳反應(yīng)時(shí)間150s，油田采出水水溫為45℃、油田采出水水量為12L的條件下時(shí)，超聲波功率越大，破乳除油率越高，破乳除油效果越好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)超聲波的功率為1kW時(shí)，除油率可以達(dá)到90%。

2.4 超聲波聲強(qiáng)影響破乳除油率

超聲波聲強(qiáng)是超聲波破乳工藝中一個(gè)重要的控制影響因素。不同的乳狀液體最優(yōu)的破乳超聲波聲強(qiáng)也不一樣，存在一個(gè)臨界超聲波聲強(qiáng)值。當(dāng)超聲波聲強(qiáng)大于臨界超聲波聲強(qiáng)時(shí)，乳化表面膜會被破壞，這時(shí)石油粒子會進(jìn)行結(jié)合。但是當(dāng)超聲波聲強(qiáng)小于臨界超聲波聲強(qiáng)時(shí)，由于超聲波聲強(qiáng)強(qiáng)度不夠，乳化表面膜不會被破壞，石油粒子無法進(jìn)行結(jié)合。固定實(shí)驗(yàn)變量，在超聲波功率為一千瓦，超聲波頻率為2.7×104Hz，整個(gè)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)時(shí)間控制在180s，處理水量12L，溫度控制在45℃條件下進(jìn)行超聲波聲強(qiáng)對破乳除油率的影響實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，最佳破乳除油超聲波聲強(qiáng)值為 0.35～0.60。

2.5 超聲波輻射時(shí)間影響破乳除油率

控制變量，在超聲波功率為1kW，超聲波頻率為2.7×104Hz，超聲波聲強(qiáng)為0.50，處理水量12L，溫度控制在45℃條件下，進(jìn)行超聲波輻射時(shí)間對破乳除油率的影響實(shí)驗(yàn)。研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明超聲波輻射時(shí)間對破乳除油率有一定影響，但不成正比，在一定的輻射時(shí)間范圍內(nèi)破乳除油效果好。在其他實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，150s的超聲波輻射時(shí)間對應(yīng)的破乳除油率最高。

2.6 油田采出水中含油濃度影響破乳除油率

在超聲波功率為1kW，超聲波頻率為2.7×104Hz，超聲波聲強(qiáng)為0.50，整個(gè)反應(yīng)時(shí)間在150s，處理水量12L，溫度控制在45℃條件下，實(shí)驗(yàn)油田采出中含油濃度對破乳除油率的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)的其他條件處于有效范圍內(nèi)時(shí)，油田采出水中初始含油濃度與破乳除油速率成正比，原始含油濃度越高，破乳除油的速率越高。油田采出水中乳化油的粒徑分布與破乳除油速率有關(guān)。在其他實(shí)驗(yàn)條件一定時(shí)，能夠破壞的乳化油粒存在半徑臨界值，只有乳化油粒半徑大于臨界半徑時(shí)，乳化油粒才能結(jié)合，并在重力作用下上浮，最終擺脫溶液。油田采出水中乳化油粒的粒徑分布剛開始是相對穩(wěn)定的，但由于超聲波作用影響，油田采出水中半徑大于臨界半徑的乳化油粒數(shù)目逐漸減少，半徑小于臨界半徑的乳化油粒又無法被破壞，導(dǎo)致破乳速除油速率逐漸降低。

3 結(jié)論

在實(shí)際油田采出水超聲破乳工藝實(shí)驗(yàn)中，主要研究了超聲波破乳反應(yīng)器形式、使用超聲波功率、使用超聲波聲強(qiáng)、使用超聲波頻率、破乳反應(yīng)時(shí)間和污水中油濃度等因素對乳除油率的影響。研究分析認(rèn)為，超聲波聲強(qiáng)以及超聲波頻率對破乳除油速率影響效果最為明顯，超聲波反應(yīng)器類型、超聲波使用功率、超聲波輻射時(shí)間和油田采出水油濃度等因素也對破乳除油速率有著一定影響。在超聲波功率為1kW，超聲波頻率為2.7×104Hz，超聲波聲強(qiáng)為0.50，整個(gè)反應(yīng)時(shí)間在150s，處理水量12L，溫度控制在45℃條件下破乳除油率較高。