原油靜電聚結脫水效果現場應用驗證

張 明，王春升，尚 超，平朝春，鄭曉鵬，王海燕

（中海油研究總院有限責任公司，北京 100028）

0 引言

海上平臺組塊重量控制是深水油田降本增效開發的關鍵。傳統重力沉降油水分離設備尺寸和重量都較大，研發緊湊高效原油處理設備來減少平臺空間占用具有重要意義。尤其對于深水浮式平臺，降低組塊重量、節省開發成本，已經成為迫切需要解決的問題。

原油處理過程中，原油和水的乳化作用較為嚴重，傳統分離技術主要依靠重力沉降開展油和水的分離，因此分離設備的體積和重量都比較大。重力沉降原油脫水過程中，水滴的沉降速度符合Stokes 定律。油水兩相密度差、黏度、粒徑等因素都會直接影響水滴沉降的速度。分散相水滴在電場的作用下會產生聚結作用，利用電場的作用就可以大大減少沉降分離需要的時間。傳統的電脫水分離器中已經考慮引入了電場脫水技術，并且得到了廣泛的應用和很好的驗證。但是傳統電脫水分離器中使用的是金屬裸電極，金屬裸電極在高含水原油中會發生電極短路，不能正常工作。《原油電脫水設計規范》[1]中推薦進入電脫水器的原油水含量不宜大于30%。本文介紹的新型原油靜電聚結脫水技術創新性采用的是絕緣電極。通過絕緣電極來施加電場，就可以適應高含水的原油脫水條件。在原油脫水過程中充分發揮出電場的作用，從而大幅降低原油脫水設備的尺寸和重量，最終對海上平臺的降本增效具有重要意義。

國外對于靜電聚結器的研究工作開展的比較早，英國Bradford大學Bailes 教授課題組對外報道研發靜電破乳器，可以適應含水率在65%以上原油的脫水工況[2]。Bailes教授在高壓脈沖DC 電場下針對W/O 型原油乳化液開展了相關研究，研究結果表明在高壓脈沖DC 電場下含水率50%的原油乳化液可以得到很好的處理效果。挪威科技大學（NTNU）、ABB 研究中心與SINTEF 合作，發明了內置式的靜電聚結器（Vessel Internal Electrostatic Coalescer，VIEC）[3]。2003 年，VIEC技術在國外的TrollC 采油平臺的三相分離器中安裝并進行了使用[4]。Aible 公司發明了能適應150 ℃高溫環境的VIEC 設備[5]。Vetco Aibel 公司研制了測試分離器，該分離器的處理能力為39.7 m3/h，通過對靜電聚結模塊組件通電，實驗結果證明可使分離效率由27%提高至97%[6-7]。

國內也有學者開展了相關研究工作，陳家慶等[8]發明了介電泳破乳機理的新型原油電脫水設備，電極組件為其核心部件，開發了表面覆蓋絕緣層的波紋板狀電極結構。張龍、熊豪等針對容器內置板式絕緣電極開展了大量研究工作[9-10]。何利民等[11]發明了高效靜電聚結器，電極為筒狀電極，外包裹致密絕緣層，由于筒狀電極間距小，施加電壓后可以產生高強的電場，實現了油水的快速分離。

1 分離器靜電聚結改造

本項目試驗所在平臺的原油油品屬于中質油，密度為870 kg/m3（20 ℃）。在已有設備中，油氣水首先通過氣液旋流分離器進行氣液分離，再進入平臺的二級分離器進一步三相分離，旋流分離器的氣相出口與二級分離器的氣相出口相連接，液相直接進入二級分離器，進一步進行油水分離。原有的二級分離器內部是傳統單堰板形式的三相分離器結構（圖1），分離器內部空間被堰板分隔成混合室和油室，混合室的作用是進行油水分離重力沉降，脫水后含水率比較低的原油通過堰板上部溢流至油室，隨后通過出口送到下游的處理流程進一步處理。二級分離器一共有2 臺，并聯運行，分為分離器A 和分離器B，分離器的尺寸參數為3.6 m（ID）×10 m（T/T）。現場正常運行工況，分離器的操作溫度72～73 ℃，操作壓力為320 kPa。由于上游平臺經常進行各種調整作業，井口參數和工況的波動比較大，單臺二級分離器的處理液量變化范圍約5000～9000 m3/d。通過查找原設計資料，該分離器的原設計最大處理液量為5984 m3/d。

圖1 PUQB 平臺現有二級分離器

本次改造工作通過在二級分離器B 罐體內部增加靜電聚結組件而完成，改造的目的是在常規的分離器內部增加電場聚結破乳功能。通過電場的加入，可以提高油水分離效率。靜電聚結組件使用的是4 層電極結構，上下每2 層分為一組。2 組不同的電極之間能夠實現獨立的控制，這樣能夠根據分離器實際的油水界位高度變化來進行調節。電極重點布置在油相區以及油水界面乳化層的高度，從而發揮電場的破乳作用加快水滴聚結，進一步提高油水分離效率。

2 應用效果與分析

2.1 未投用靜電聚結時分離器處理效果

在原設計中平臺二級分離器A、B 并聯運行，設備調試完成后，為了進一步驗證該技術在高處理量下的處理效果，停用二級分離器A，全部處理液量進入經過靜電聚結改造的二級分離器B 進行處理。共承擔處理油量9800 m3/d，水量約3300～3700 m3/d，換算液相停留時間為7.5～8.5 min。運行溫度75 ℃，操作壓力約340 kPaG，為了對比靜電聚結電極通電前后的處理效果。首先在沒有通電的工況下對二級分離器B 進行處理效果的記錄（表1、圖2）。

圖2 未投用靜電聚結時分離器處理效果

從表1 可以看出，未投用靜電聚結時，分離器入口含水率在30%～38%，平均為34.7%；處理后含水在8%～12%，平均為10.8%。僅靠重力沉降，未投用靜電聚結時平均脫水率約為68.9%。排水含油約59×10-6～70×10-6。

表1 二級分離器B 未投用靜電聚結時處理效果

2.2 投用靜電聚結時分離器處理效果

保持同樣的處理量和操作工況，對靜電聚結組塊上下極板通電，運行穩定后，獲得的處理效果記錄如表2、圖3 所示。分離器進油量約9800 m3/d，進水量為3400～3700 m3/d，換算液相停留時間為7.3～8.0 min。運行溫度75 ℃，操作壓力約320 kPaG。分離器入口原油含水率在34%～40%（均值37%），在上下2 層極板電場共同作用下，出口含水率在1%～3%（均值1.6%），平均脫水率約95.7%。水出口含油為56×10-6～74×10-6，同重力沉降工況近似。

表2 二級分離器B 投用靜電聚結后處理效果

圖3 投用靜電聚結時分離器處理效果

試驗結果發現，在二級分離器B 入口原油含水35%工況下，靜電聚結脫水技術使二級分離器B 出口原油含水從15%（通電前）降低至2%（通電后），很好的證明了靜電聚結技術對原油脫水效率的促進作用。同時在運行測試過程中，停用了并列運行二級分離器A，使靜電聚結改造后的二級分離器處理量翻倍，處理液量達到13 500 m3/d，在入口原油含水37%工況下，出口原油含水仍然保持在3%以內。

3 結論

對某油田海上平臺分離器進行了靜電聚結改造。為驗證靜電聚結技術的脫水效果，開展了靜電聚結組塊通電和不通電工況下的分離器處理效果對比。分離器操作溫度75 ℃，共承擔處理油量9800 m3/d，處理水量為3300～3700 m3/d，換算液相停留時間為7.5～8.5 min。未投用靜電聚結時，分離器入口含水率在30%～38%，平均為34.7%；處理后含水在8%～12%，平均為10.8%。僅靠重力沉降，未投用靜電聚結時平均脫水率約為68.9%。排水含油約59×10-6～70×10-6。保持同樣的處理量和操作工況，對靜電聚結組塊上下極板通電，分離器入口原油含水率在34%～40%之間（均值37%），在上下兩層極板電場共同作用下，出口含水率在1%～3%（均值1.6%），平均脫水率約95.7%，脫水率得到大幅升高。水出口含油為56×10-6～74×10-6，同重力沉降工況近似。本文通過油田現場實際應用驗證了靜電聚結技術可以大幅提高原油脫水效率。靜電聚結高效原油脫水技術可以支持現役平臺分離器的提產改造，也可為新平臺分離器設計尺寸減小、降本增效提供有力的支持。