海上油田高頻電脫水電極實驗研究

張金鵬 盧大艷 鄒萬勤 梁海波 楊海

1中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司

2西南石油大學

海上開采出的原油多以稠油為主，稠油中瀝青、膠質含量高，原油黏度大，乳化現象嚴重[1]。近年來國內外專家、學者對稠油的油水分離進行了大量的研究，發現針對上述問題最有效的方法就是采用高頻、高壓電脫水的方式實現油水的分離[2-3]。

目前，對于油水乳化液脫水可以通過多種物理、化學方法單獨或組合來實現，例如過濾法、離心法、化學破乳法、熱沉降法、電脫水法等[4]。由于各種脫水方法的脫水原理與適應性不同，被廣泛應用于不同環境。

常規的電脫水工藝可對含水率在30%以下的低含水原油進行高效脫水，但對于高含水原油電脫水處理效果較差。因此，急需一種新型工藝對高含水原油進行高效的電脫水處理。本文所介紹的新型異徑圓柱體電極主要依靠不均勻的高頻電場實現電脫水處理。通過對該種電極的靜態裝置進行試驗驗證表明，裝置對高含水原油的處理具有較好的效果，這也為進一步研制以此為基礎的動態試驗裝置提供了相關依據與參考。

1 高頻試驗電脫水設備

高頻試驗電脫水裝置所使用的電極多以圓柱電極為主，利用絕緣的圓柱電極與外部殼體間形成不均勻電場，使得帶電水滴在電場作用下進行定向運動，實現帶電水滴的聚結；當小水滴聚結成為大水滴之后，大水滴在重力作用下發生自然沉降，從而完成電脫水過程[5]。

目前的電脫水技術與電脫水設備采用圓柱電極與環形負極板形成水平不均勻電場，適用于油水兩相均勻分布的乳化液。但是當原油含水率超過30%時，一方面乳狀液中的水滴間形成液滴鏈，使得電場發生擊穿現象，破壞了電場的穩定性[6]；另一方面，含水率過高，水滴會發生一定的沉降，使得油水分布不均勻。上述現象將導致電能泄漏，造成電能的浪費，脫水效果也因此較差[7-8]。并且，也無法選擇出適宜的電場強度，同時滿足裝置上層與裝置下層的含水乳化液。

基于此，針對高含水原油特點進行相關分析，發現在含水率超過30%時，其自身穩定性就不強，易發生一定程度的自然沉降，總體呈現上層含水率較低、下層含水率較高的特點。對于含水率較低的上層，需要施加較強的高頻電場以實現油水分離；而對于含水率較高的下層，施加較強的高頻電場易發生電場擊穿現象。針對這一特點，構造一種從上層到下層電場強度逐漸減弱的電場，以滿足針對高含水乳化液的電脫水需求[9]。

2 高效電極設計與仿真

結合現有裝置，對圓柱電極與環形負極板電場進行了電場仿真：①完成建模，對物理場進行選擇；②完成圓柱型電極與環形負極板的構建；③進行材料選擇，電極與負極板分別選擇導電材料鋼鐵，中間環形區域設置為空氣；④在物理場內，對電極設置為終端并施加電壓，對環形負極板設置為終端接地；⑤進行網格劃分，完成模型建立；⑥進行計算。計算得到的水平方向的電場分布如圖1所示。

圖1 圓柱型電極電場分布Fig.1 Electric field distribution of cylindrical electrodes

如圖1所示，該電場呈放射狀向外，電場大小環形向外逐漸減小，水平方向上呈現出不均勻電場特點。水滴在不均勻電場內被極化，然后從電場較弱區域向電場較強區域內聚集。當極化水滴聚并為大水滴后將發生重力沉降，完成電脫水過程。

根據圓柱狀電極與高含水原油特性分析可知，電場除了滿足水平方向的不均勻分布外，還要滿足豎直方向上的上強下弱。構造一種從上層到下層電場強度逐漸減弱的電場，根據電場強度等于兩極板電壓與距離的比值這一特點，從電壓強度與極板間距兩方面考慮。由于供電電源對一塊極板進行供電，無法實現同一極板上不同位置電壓值不同，因此從極板間距上進行考慮。外部接地極板由容器的形狀進行確定，因此不便對其進行形狀上的改變，因此考慮設計新型電極以達到這一目的。

新型電極的形狀設計為上端半徑大、下端半徑小的異徑圓柱體[10]。上端半徑大，與極板間間距較小，電場強度較強；下端半徑小，與極板間間距大，電場強度較弱。該設計可以滿足從上層到下層電場強度逐漸減弱的電場構建。

完成電極設計前，先對異徑圓柱電極進行了相關有限元軟件仿真，仿真所得的剖面電場如圖2所示。從圖2中可以看出，異徑圓柱電極所構成的電場沿電極的斜面形狀向外依次減小，同一豎直平面上，上端的電場強度高于下端的電場強度，滿足上端電場強度高、下端電場強度低的設計需求。

圖2 異徑圓柱電極電場截面分布Fig.2 Electric field section distribution of different diameter cylindrical electrodes

但在實際設計過程中，半徑比太大或太小均不利于實現高頻電脫水。因此共設計頂端與底端半徑比為1∶1、1∶1.5、1∶2、1∶2.5 的4 個異徑電極，并將所設計的四種半徑比電極投入到電脫水裝置內進行試驗驗證，篩選出最佳電脫水效果的電極。設計出的4 種異徑圓柱體電極加工實物如圖3所示。

圖3 異徑圓柱電極Fig.3 Different cylindrical electrode

試驗驗證裝置由環形負極板、燒杯、電極、燒杯蓋板等組成（圖4）。其中環形負極板為鐵質圓環，由于該板接地，因此對導電性等材質要求不高。燒杯為玻璃材質，上部的燒杯蓋板為有機玻璃，具有較好的絕緣性。異徑圓柱電極由鋁制金屬棍加工得到。鋁制電極具有導電性好、材質輕、易加工等優點，用于試驗設備制作具有顯著的優勢。試驗時，將電極放入燒杯中，再將燒杯蓋板通過蓋板中心圓孔穿過電極，最終放在燒杯上面，燒杯托住蓋板，實現裝置的穩定。最后將穩定的裝置放入到環形負極板內，整個裝置搭建完成。為實現裝置的恒溫電脫水，再將整個試驗裝置放入到恒溫油浴鍋內，保持裝置內溫度的穩定。

圖4 試驗驗證裝置Fig.4 Experimental verification device

試驗裝置的框圖如圖5 所示，除圖4 所示裝置外，還有電源、變壓器為整個裝置供電，恒溫油浴鍋對整個試驗裝置進行恒溫。電源信號經變壓器變壓后引出兩路，正極施加在異徑電極上，充當電場正極；負極施加在環狀負極上，充當電場負極。整個電脫水裝置放于恒溫油浴鍋內進行電脫水過程中的恒溫。

圖5 試驗裝置框圖Fig.5 Block diagram of test device

3 不同電極棒在不同電壓下電脫水試驗

為驗證該類型電極棒的電脫水效果，尋找最優半徑比實現最高效的高含水原油電脫水處理。針對不同半徑比的電極棒分別進行30 min、45 min的電脫水處理，通過試驗數據對比得到在30 min、45 min下的最佳半徑比電極[11]。

3.1 電脫水30 min

對已有原油進行配比、乳化，使其含水率達到50%左右，分4 組分別加入到4 種不同半徑比的新型電極試驗裝置之中，通過對電壓參數進行不同設置后，對其進行電脫水。由于適當升溫有利于降低稠油黏度，增加高含水原油內水滴的流動性[12]，整個過程中，將裝置放置于恒溫油浴鍋內，裝置溫度恒定在70 ℃左右。在電脫水處理30 min 后對其進行取樣，取樣量約為100 mL，再對取樣的油品進行蒸餾，測試其含水率。為了降低試驗誤差，每一組試驗分別進行3次，得到不同電壓下、不同半徑比的電極在電脫水處理30 min后的平均含水率結果（表1）。

表1 中含水率1 至含水率4 依次為高含水原油在1∶1等徑電極、1∶1.5電極、1∶2電極、1∶2.5電極電脫處理30 min后的原油含水率。由表1相關數據整理可得到圖6所示的不同半徑比異徑圓柱電極電脫水30 min 含水率趨勢圖。從圖6 中可以看出，在電脫水30 min時，半徑比為1∶1.5的電極電脫水效果最佳。各電極均呈現出隨著電壓增加，電脫水后原油含水率先降低后上升的趨勢。

圖6 不同半徑比異徑圓柱電極電脫水30 min趨勢圖Fig.6 Trend diagram of different diameter cylindrical electrode with different radius ratio for 30 minutes

3.2 電脫水45 min

根據中海油高頻電脫工藝標準，電脫水時間在45 min之內均滿足工藝要求。因此，本文也對電脫水處理時間延長進行了相關試驗對比。

試驗流程大致為：與電脫水30 min 試驗類似，先對已有原油進行配比、乳化、分組，之后進行電壓參數設置，再進行電脫水處理。整個過程中，溫度恒定在70 ℃左右。在電脫水處理45 min 后對其進行取樣，測試其含水率。反復進行3次測量，得到高含水原油在不同電壓下、不同半徑比電極電脫水處理后的平均原油含水率結果（表2）。

表2 中含水率1 至含水率4 依次為高含水原油在1∶1等徑電極、1∶1.5電極、1∶2電極、1∶2.5電極裝置經過45 min 電脫水處理后的原油含水率。由表2相關數據整理可得到不同半徑比異徑圓柱電極電脫水45 min 趨勢圖（圖7）。從圖7 中可以看出，在電脫水45 min后，半徑比不同的電極最優電壓出現點存在差異，電脫水后原油含水率最低值是通過半徑比為1∶1.5的電極電脫水后產生的。各電極也呈現出隨著電壓增加，電脫水后原油含水率先降低后上升的趨勢。同時，通過與圖6 對比可以發現，電脫水45 min原油的含水率比電脫水30 min原油含水率有明顯的降低，且半徑比為1∶1.5的電極電脫水效果明顯優于其他三種半徑比的電極。

圖7 不同半徑比異徑圓柱電極電脫水45 min趨勢圖Fig.7 Trend diagram of different diameter cylindrical electrode with different radius ratio for 30 minutes

表1 不同半徑比異徑圓柱電極電脫水30 min后的含水率Tab.1 Water content ratio of different diameter cylindrical electrode with different radius ratio after 30 min of electric dehydration

表2 不同半徑比異徑圓柱電極電脫水45 min后的含水率Tab.2 Water content ratio of different diameter cylindrical electrode with different radius ratio after 40 min of eletric dehydration

4 最優電極棒在不同參數的電脫水試驗

通過前文所述已發現在試驗過程中，半徑比為1∶1.5的電極電脫水效果最佳。因此，選用半徑比為1∶1.5的電極進行不同頻率、不同占空比的試驗驗證，以確定該電極實現最佳電脫水效果的電場最佳參數。

4.1 不同頻率電脫水效果

在充分考慮電極外部形狀特征的基礎上，本裝置還需要選擇最優電源特性參數，以達到新型高頻電脫水裝置的高效運行。在選擇電源最佳頻率參數時，將電壓的占空比等特性參數保持不變。首先將原油進行配比、乳化，使其達到高含水標準；再將乳化后的原油倒入燒杯中，將裝置進行組裝后，調置好電源參數后進行電脫水。電脫水過程中，裝置置于恒溫油浴鍋內，溫度恒定在70 ℃左右。在電脫水30 min、45 min 時對其進行2 次取樣，每次取樣約100 mL，再對取樣的油品進行蒸餾，測試其含水率。反復進行3次測量，得到電脫水后的原油含水率結果如表3所示。

表3 不同頻率電場電脫水后含水率Tab.3 Water content after electric dehydration with different frequency fields

通過表3 數據可以看出，無論電場頻率高低，電脫水后原油含水率均隨著時間的增加而呈現出降低的規律。隨著高頻電場頻率的增加，高含水原油在半徑比為1∶1.5的電極裝置中，電脫水后原油含水率呈現出先降低后增加的規律。在電源頻率為3.6 kHz 左右時，高含水原油經過該裝置時電脫水效果最佳。

4.2 不同占空比電脫水效果

由上述試驗可知，最優電極為半徑比為1∶1.5的鋁質電極，電源最佳電壓參數為5 kV，頻率參數為3.6 kHz。本裝置對電場的要求為高頻電場。除上述特征外，還需對電源的占空比參數進行選擇。同理，首先完成高含水原油乳化液的配置，然后配置完的高含水原油乳化液倒入到燒杯中，完成裝置的組裝，再將整個裝置進行恒溫處理。為得到最佳占空比，需將電源裝置的電壓、頻率參數設置相同，再分別設置占空比為40%、60%、70%、80%、90%，進行5組實驗，結果如表4所示。

表4 不同占空比電脫后含水率Tab.4 Water content after electric dehydration with different duty cycles

表4中含水率是在半徑比為1∶1.5的電極所構成的電脫水裝置中，分別進行電脫水30 min和電脫水45 min 后的原油含水率。通過表4 數據可以看出，在占空比不同的情況下，電脫水后原油含水率均隨著電脫水時間的增加，含水率呈現降低的趨勢。在不同占空比下，隨著占空比的增加，含水率呈現出減小的趨勢。電脫水30 min時，占空比80%與90%電脫水效果相近，但隨著時間的增加，在占空比為80%時，電脫水效果明顯優于占空比為90%的脫水效果。因此，在占空比為80%左右時電脫水效果最佳。

5 結論

通過對高含水原油電脫水的理論進行分析后，對電脫水裝置電極進行了相關設計，使其符合高含水原油水滴分布的特點。最終選擇了異徑圓柱電極與環形負極的方式進行了試驗裝置的設計，并通過試驗選擇最佳半徑比的電極。根據選擇出的最佳半徑比電極進行了最佳電場參數的選擇。在原油含水率為50%、電脫水溫度為70 ℃左右時，得出以下結論：

（1）異徑圓柱電極半徑比為1∶1.5的電極設計最合理，電脫效果最佳。

（2）半徑比為1∶1.5的電極最佳電脫水電壓為5 kV。

（3）隨著電場頻率的增加，脫水效率呈現先增加后降低的趨勢，最佳電脫電場頻率為3.6 kHz左右。

（4）隨著電場的占空比的增加，脫水效率呈現先增加后降低的趨勢，最佳電脫電場占空比為80%左右。

（5）電脫水45 min效果比電脫30 min電脫效果更好。