油田采出液超聲強化破乳技術研究

于惠娟 劉海麗 劉東杰 劉慧英 房旭

1中石化石油工程設計有限公司

2中國石油渤海鉆探第一鉆井工程分公司

在油田開發過程中，一次采油和二次采油采出的乳化原油多是油包水型，采用常規電化學聯合破乳的方法可實現油水分離。目前，大部分油田已進入高含水開發期，三次采油技術逐漸被應用，采出液多為水包油乳狀液或水包油與油包水交替出現的復雜乳狀液，界面膜強度高，乳狀液非常穩定[1]，單獨采用常規和新合成的破乳劑均難以達到滿意的破乳效果，采出液處理難度和成本增加。另外，部分聯合站采用在進站井排加破乳劑的工藝，由于井排來液含水較高，溫度低，大部分破乳劑加入后隨水流失，很難有效分散到乳化液油水界面，同時僅靠藥劑破乳效果有限，脫水率仍較低。

超聲波脫水技術具有能耗低、對原油無污染、清潔高效等特點，特別是為黏度較高的稠油乳化油脫水提供了有效、經濟的途徑[2]。國內外對超聲波輔助破乳展開了深入研究，且已將超聲波輔助破乳應用于原油、污油、老化油、落地油泥處理中[3-8]。介質置于超聲場中能受到超聲場的機械作用、空化作用和熱學作用等[9]。超聲波破乳是基于超聲波作用于性質不同的流體介質產生的位移效應來實現的，由于超聲波在油和水中均具有較好的傳導性，這種方法適用于各種類型的乳狀液[10]，可快速實現原油的破乳，并大幅度提高脫水效率。

影響超聲波破乳效果的因素很多，如聲強、超聲波頻率、聲波作用時間及作用面積、體系溫度等[11]。本文采用超聲波技術對原油采出液進行了脫水處理，研究了超聲強度、作用半徑、作用時間及溫度等對破乳效果的影響。并與現場藥劑破乳效果進行了對比。

1 超聲破乳技術及其影響因素

建設了一套處理量50 L/h、功率1.5 kW 超聲強化破乳試驗裝置，以稠油（密度0.978 1 g/cm3，50 ℃黏度1 887 mm2/s）為處理對象開展試驗，測試不同超聲強度（即振幅）、作用半徑、作用時間、溫度下超聲強化破乳分水效果，對工藝參數進行優化。

1.1 超聲強度的影響

超聲波聲強是超聲波破乳工藝中一個重要的影響因素。不同乳狀液體最優的破乳超聲波聲強也不一樣，存在一個臨界超聲波聲強值。當超聲波聲強大于臨界超聲波聲強時，乳化表面膜會被破壞，這時石油粒子會進行結合；當超聲波聲強小于臨界超聲波聲強時，由于聲強強度不夠，乳化表面膜不會被破壞，石油粒子無法進行結合。在固定頻率及作用液體條件下，聲強與振幅平方成正比，因此本試驗以調整振幅的方式實現超聲強度的變化。

圖1、圖2 分別為作用半徑20 mm 和40 mm 處在不同超聲振幅下沉降2 h 試驗的脫水率（作用時間80s，初始含水率約50%）。由圖1、圖2 可知，隨著超聲強度即超聲振幅的增加，原油破乳脫水率增大，但超過40 μm 振幅后，脫水率反而下降。這是因為超過一定強度后，聲波對原油乳狀液的作用變為以空化為主，使本已破乳聚合的水“粒子”又重新分散，發生乳化，影響分水效果。由于采出液本身性質各不相同，其最優超聲強度可能不同。

圖1 作用半徑20 mm 處超聲強度對脫水率的影響Fig.1 Effect of ultrasonic intensity on dehydration rate at 20 mm action radius

圖2 作用半徑40 mm 處超聲強度對脫水率的影響Fig.2 Effect of ultrasonic intensity on dehydration rate at 40 mm action radius

1.2 超聲作用半徑的影響

圖3、圖4 為不同作用半徑下原油乳狀液沉降2 h 的脫水率。振幅40 μm 時，作用半徑為0～40 mm，脫水率相對較高，超過40 mm 后脫水率迅速下降；振幅60 μm 時較優的作用半徑仍為0～40 mm，且低于40 μm 振幅下同等作用半徑時的脫水率，而50 mm、60 mm 處的脫水率反而超過了40 μm 振幅下同等作用半徑時的脫水率。這是因為超聲強度較大，在相同作用半徑的振幅也較大，促進了破乳。

圖3 振幅40 μm 時超聲作用半徑對脫水率的影響Fig.3 Effect of ultrasonic radius on dehydration rate at 40 μm amplitude

圖4 振幅60 μm 時超聲作用半徑對脫水率的影響Fig.4 Effect of ultrasonic radius on dehydration rate at 60 μm amplitude

1.3 超聲作用時間的影響

超聲波作用時間對原油破乳有一定影響，但不成正比，在一定的作用時間范圍內破乳脫水效果好。原油破乳超聲波的作用時間并非越長越好，存在最佳的作用時間。圖5、圖6 為不同超聲作用時間下原油乳狀液沉降2 h 的脫水率。超聲破乳處理時間過短，“位移效應”沒有完全體現，液滴碰撞、聚并沒有結束，不能有效破乳及脫水；處理時間過長，將分離出來的油水重新乳化，生成更穩定的乳狀液，脫水效果變差。本試驗中最佳處理時間為80 s。

圖5 作用半徑20 mm 處超聲作用時間對脫水率的影響Fig.5 Effect of ultrasonic action time on dehydration rate at 20 mm action radius

圖6 作用半徑40 mm 處超聲作用時間對脫水率的影響Fig.6 Effect of ultrasonic action time on dehydration rate at 40 mm action radius

作用時間是指使待處理原油進入超聲有效作用半徑（超聲破乳區間）的時間，這個時間受超聲功率大小、處理油樣多少、試驗器具大小等影響。比如同一個超聲設備，當試驗油樣量不同時所需的作用時間也不同，所以這個作用時間必須折算成相同標準才有意義。為指導工業放大試驗，可將工業應用時的作用時間定義為功率為1 kW 的超聲發生器處理1 m3原油所需的時間。本次試驗結果是：最佳超聲時間80 s，超聲功率1.5 kW，處理油樣30 L，折算成處理時間為4 000 s。

1.4 破乳溫度的影響

以上試驗同時考察了溫度（50 ℃～60 ℃）對脫水率的影響，溫度升高，脫水效果提升。溫度是乳化油脫水的敏感因素，使用超聲波處理含水油可降低含水油處理溫度，減少能耗，降低成本。

2 “超聲波-破乳劑”強化破乳

為提高高含水采出液分水效率，減少后續重力沉降所需的加熱負荷，采用超聲波-破乳劑耦合強化破乳技術。在破乳劑作用的基礎上，通過超波聲的擴散效應使破乳劑在油層快速滲透到達界面膜，超聲本身還具有促進液滴聚并、削弱界面膜強度的作用，可以強化破乳，減少破乳劑用量。超聲波-破乳劑耦合強化破乳用于原油脫水有著良好的發展前景，特別是對于用常規脫水方式難以處理的原油乳狀液破乳脫水。

圖7 為施加不同超聲波作用時間時原油乳狀液的微觀圖。由圖7 可知，施加超聲波后，與單純破乳劑相比，會起到一定破乳作用，宏觀脫水效果明顯提高。超聲短時作用即可使破乳劑快速均勻分散，且分散后不再施加超聲波，破乳劑仍能保持長時間的分散穩定狀態。但超聲作用時間過長、強度過大會出現過乳化現象，反而對破乳聚并產生負作用，因此還需要根據油品性質，選取最優作用時間、作用強度等參數。

圖7 施加不同超聲作用時間時原油乳狀液的微觀圖Fig.7 Micrograph of crude oil emulsion under different ultrasonic action time

在超聲影響因素的試驗基礎上，開展了稠油在破乳劑、超聲及“超聲+破乳劑”等三種因素作用下的原油脫水試驗。

由表1 可知，在初始含水率相對較高時，超聲單獨作用效果優于破乳劑單獨作用效果；在初始含水率較低時，超聲單獨作用效果低于破乳劑單獨作用效果。在“破乳劑+超聲”雙重作用下，乳狀液發生了良好的破乳及聚并，脫出水量及脫水率最高。初始含水率為45%時，室內沉降2 h 脫水率可達48.5%，初始含水率為23%時，脫水率可達61.3%，較破乳劑單獨作用提高了約15～20 個百分點，且初始含水率越高，這種優勢越明顯。

表1 超聲波-破乳劑耦合強化破乳脫水試驗結果Tab.1 Test results of ultrasonic-demulsifier coupling to enharce demulsification and dehydration

為驗證該技術對中質原油的處理效果，以某站來液為處理對象（密度919 kg/m3，工況黏度190 mm2/s），開展了脫水試驗，試驗結果見表2，處理后含水率＜1%。

表2 中質油脫水試驗結果Tab.2 Dehydration test results of medium oil

3 結論

采用超聲波技術對稠油采出液進行了脫水處理。試驗條件下，最佳超聲振幅為40 μm，作用半徑為40 mm，作用時間為80 s。振幅過大、作用時間過長均會對破乳產生不利影響，作用半徑超過40 mm 后脫水率迅速下降。超聲脫水的技術參數根據原油性質的差異而發生變化。超聲波-破乳劑耦合強化破乳與破乳劑單獨作用相比，可增強破乳效果，提高脫水率約15～20 個百分點。研究表明，將超聲技術應用于油水分離，可減少能耗，降低成本，該技術有著良好的發展前景。