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(中海油研究總院， 北京 100028)

深水浮式平臺(tái)新型靜電聚結(jié)原油脫水技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

張明，王春升，鄭曉鵬，尚超，王海燕

(中海油研究總院，北京100028)

研發(fā)的新型原油靜電聚結(jié)脫水技術(shù)，創(chuàng)新性地采用絕緣電極施加電場(chǎng)加速油水分離，能適應(yīng)高含水率原油的脫水工況。將試驗(yàn)樣機(jī)在流花11-1 FPSO和渤中34-1平臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)中試試驗(yàn)，結(jié)果表明：靜電聚結(jié)原油脫水技術(shù)可適應(yīng)高含水原油脫水處理工況，且比常規(guī)自由水分離器效率提高50%以上。未來新型靜電聚結(jié)原油脫水技術(shù)的推廣和應(yīng)用，可大幅降低深水浮式平臺(tái)的尺寸和重量，有力促進(jìn)深水油田的開發(fā)。

深水浮式平臺(tái)；靜電聚結(jié)；原油脫水

ZHANG Ming， WANG Chunsheng， ZHENG Xiaopeng，SHANG Chao， WANG Haiyan

0 引 言

海上油田生產(chǎn)后期普遍進(jìn)入高含水期，井口含水率高達(dá)90%以上。傳統(tǒng)的自由水分離器停留時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備體積龐大。海上平臺(tái)空間緊張，開發(fā)成本較高，尤其對(duì)于深水浮式平臺(tái)來說，平臺(tái)組塊重量控制是深水油田降本增效開發(fā)的關(guān)鍵[1]。因此，研發(fā)緊湊高效的原油處理設(shè)備以減少平臺(tái)空間占用、降低組塊重量、節(jié)約開發(fā)成本，成為迫切需要解決的問題。外加電場(chǎng)等手段可以有效促進(jìn)油水分離，但是傳統(tǒng)的電脫水分離器使用金屬裸電極，在高含水率下工作容易造成電極擊穿，難以正常工作。新型原油靜電聚結(jié)脫水技術(shù)創(chuàng)新性地采用絕緣電極施加電場(chǎng)，利用電場(chǎng)作用破壞原油乳化液，使水滴互相吸引、聚結(jié)，并最終沉降與原油徹底分離。

近年來，國(guó)內(nèi)外一些科研機(jī)構(gòu)也開展了電場(chǎng)作用下原油脫水的相關(guān)研究工作。20世紀(jì)80年代，英國(guó)Bradford大學(xué)的BAILES教授課題組開發(fā)出了靜電破乳器，可適應(yīng)含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)65%以上的脫水工況。1991年， BAILES等[2]開展了W/O 型原油乳化液在高壓脈沖DC電場(chǎng)下的破乳研究，結(jié)果表明，含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)50%的原油乳化液可以在高壓脈沖DC電場(chǎng)中得到較好的處理。ABB研究中心與挪威科技大學(xué)、SINTEF合作，發(fā)明了容器內(nèi)置式靜電聚結(jié)器[3](Vessel Internal Electrostatic Coalescer, VIEC ) 。2003年，VIEC技術(shù)[4]在TrollC采油平臺(tái)的第1級(jí)三相分離器上安裝使用，Aible公司推出了能適應(yīng)150 ℃高溫環(huán)境的VIEC[5]。Vetco Aibel公司研制了處理能力39.7 m3/h 的測(cè)試分離器，對(duì)靜電聚結(jié)模塊組件通電后，可使分離效率由27%提高到97%[6-7]。國(guó)內(nèi)各科研機(jī)構(gòu)在此方面的研究工作普遍處于室內(nèi)研究階段。丁藝等[8]發(fā)明了一種新型原油電脫水、脫鹽設(shè)備，其核心部分為電極組件，采用波紋板狀電極，電極表面均覆蓋絕緣層。張黎明等[9]設(shè)計(jì)出一種絕緣緊湊型電破乳器，采用聚四氟乙烯和環(huán)氧樹脂作為絕緣材料進(jìn)行了試驗(yàn)。何利民等[10]發(fā)明了高效靜電聚結(jié)器，其電極為筒狀電極，外包裹致密絕緣層，筒狀電極間距小，施加電壓后產(chǎn)生高強(qiáng)電場(chǎng)，原油乳狀液中的水滴長(zhǎng)大、沉降速度增大，實(shí)現(xiàn)了油水的快速分離。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)科研機(jī)構(gòu)也進(jìn)行了一些試驗(yàn)和理論研究，驗(yàn)證了電場(chǎng)作用對(duì)原油脫水處理的促進(jìn)作用，但均處于小規(guī)模試驗(yàn)階段。從2010年開始，中海油研究總院聯(lián)合相關(guān)單位，針對(duì)新型靜電聚結(jié)原油脫水技術(shù)開展了技術(shù)研發(fā)，并形成多臺(tái)試驗(yàn)樣機(jī)。在油田現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行小試、中試試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，處理效果較好。通過海上油田現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)原油靜電聚結(jié)脫水裝置的最優(yōu)操作參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證和優(yōu)化，為未來技術(shù)的推廣和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 流花11-1油田現(xiàn)場(chǎng)小試試驗(yàn)

試驗(yàn)地點(diǎn)在流花11-1油田，油品20℃時(shí)的密度為938 kg/m3。流花11-1油田現(xiàn)場(chǎng)井口產(chǎn)出液平均含水率大于80%?，F(xiàn)場(chǎng)一級(jí)三相分離器后，原油含水率可降至16%左右，一級(jí)分離器的沉降時(shí)間為40 min，分離器操作溫度為52 ℃～58 ℃?，F(xiàn)場(chǎng)小試試驗(yàn)設(shè)備整體尺寸為4 600 mm(L)×2 500 mm(W)×4 300 mm(H)，設(shè)計(jì)最大處理量為40 m3/h，操作壓力0.25 MPa。試驗(yàn)裝置由脫氣罐和靜電聚結(jié)分離器組成，采出液在脫氣罐內(nèi)實(shí)現(xiàn)氣液分離，分離后的液相進(jìn)入靜電聚結(jié)分離器完成油水分離。此次試驗(yàn)內(nèi)容主要包括靜電聚結(jié)分離器與現(xiàn)場(chǎng)一級(jí)分離器的處理效果對(duì)比，電壓對(duì)靜電聚結(jié)脫水處理效果的影響和停留時(shí)間對(duì)靜電聚結(jié)脫水處理效果的影響等。系統(tǒng)采用橇裝模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，受生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)條件限制，試驗(yàn)時(shí)間為1周。設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高含水采出液靜電聚結(jié)脫水處理設(shè)備結(jié)構(gòu)

首先在不加電場(chǎng)停留時(shí)間40 min的條件下，開展與現(xiàn)場(chǎng)一級(jí)分離器脫水效果的對(duì)比試驗(yàn)，從而驗(yàn)證靜電聚結(jié)脫水設(shè)備的有效性。試驗(yàn)結(jié)果見表1?，F(xiàn)場(chǎng)的一級(jí)分離器入口含水率為85%左右，沉降時(shí)間40 min，出口原油含水率可達(dá)16%，操作溫度為56 ℃。同樣沉降時(shí)間為40 min，靜電聚結(jié)脫水設(shè)備在不施加電場(chǎng)時(shí)，處理后原油含水率可達(dá)4%左右。這主要是兩個(gè)方面的原因：一是結(jié)構(gòu)上采用了氣液分離和油水分離分開的設(shè)計(jì)，這樣油水分離過程不會(huì)受到氣相的干擾，罐內(nèi)液體波動(dòng)較小，提高了油水自然沉降分離的效果；另一方面設(shè)備采取下進(jìn)上出的進(jìn)料方式和進(jìn)料分布系統(tǒng)，提高了相同空間內(nèi)的油水分離級(jí)數(shù)和油水分離效率。在停留時(shí)間10 min條件下，開展了靜電聚結(jié)分離器不加電場(chǎng)的試驗(yàn)，脫水后原油含水率為16%～22%。為了驗(yàn)證施加電場(chǎng)后的脫水效果，在停留時(shí)間10 min，7 kV電壓下開展了脫水試驗(yàn)，脫水效果大大提升，脫水后含水率達(dá)到7.2%～8.5%。

表1 卷制冷成型鋼管接長(zhǎng)后的最終公差和測(cè)量基準(zhǔn)

在不同電壓條件下開展試驗(yàn)。靜電聚結(jié)脫水分離器在不同電場(chǎng)強(qiáng)度下的脫水效果如圖2所示。由圖2可知：隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，脫水后原油的含水率顯著降低。電壓從5 kV升高到8 kV的作用效果并不十分明顯，隨著繼續(xù)升高電壓，脫水效率明顯提高。在電壓8 kV時(shí)，脫水后原油含水率為1.6%；在電壓為10 kV時(shí)，脫水后原油含水率為0.75%。試驗(yàn)過程中進(jìn)入聚結(jié)分離器的含水率在80%～97%范圍內(nèi)波動(dòng)，沒有對(duì)靜電聚結(jié)脫水設(shè)備的分離效果造成影響，說明該設(shè)備在含水率波動(dòng)較大范圍內(nèi)都具有良好的適應(yīng)性。

圖2 在不同電壓條件下，試驗(yàn)設(shè)備處理效果(停留時(shí)間40 min，處理溫度56℃)

分別在停留時(shí)間為10 min，20 min，30 min，40 min時(shí)開展試驗(yàn)，研究在不同停留時(shí)間下靜電聚結(jié)設(shè)備的處理效果，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：在試驗(yàn)的停留時(shí)間范圍內(nèi)，靜電聚結(jié)脫水分離器均有較好的脫水效果，脫水效果隨著停留時(shí)間的延長(zhǎng)而提高。在停留時(shí)間為10 min時(shí)，設(shè)備出口原油含水率為7.8%；隨著停留時(shí)間延長(zhǎng)，原油脫后含水逐漸降低，在停留時(shí)間為40 min時(shí)，出口原油含水率僅為1.3%。

圖3 不同停留時(shí)間下，試驗(yàn)設(shè)備處理效果(電壓7 kV，處理溫度56℃)

2 渤中34-1油田現(xiàn)場(chǎng)中試試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)中試試驗(yàn)在渤中34-1油田WHPD平臺(tái)開展，設(shè)備制造和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完全按照海上平臺(tái)供貨設(shè)備要求執(zhí)行，設(shè)備擬在WHPD平臺(tái)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，以檢驗(yàn)設(shè)備連續(xù)運(yùn)行的處理效果和可靠性。渤中34-1油田屬于中質(zhì)油，20℃油品密度為893 kg/m3。靜電聚結(jié)原油脫水處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。設(shè)備整體尺寸8 000 mm(L)×2 700 mm(W)×4 496 mm(H)，系統(tǒng)采用橇裝模塊化設(shè)計(jì)。靜電聚結(jié)脫水器的最大液體處理量為60 m3/h，氣體處理量為0.3×104Sm3/d。

圖4 靜電聚結(jié)脫水器中試設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

渤中34-1油田WHPD平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)一級(jí)分離器處理停留時(shí)間為20 min，操作溫度59 ℃，入口含水率在20%左右，油出口含水率為6%～8%，水出口含油量為20～40 mg/L。為了驗(yàn)證處理效果，與WHPD平臺(tái)的一級(jí)分離器開展了對(duì)比試驗(yàn)。

靜電聚結(jié)中試裝置的操作參數(shù)見表2。由表2可知：在與平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)一級(jí)分離器相同的操作條件下，靜電聚結(jié)分離器的油出口含水率為0.2%～0.8%，水出口含油量為32～81 mg/L，大大提高了分離效率。試驗(yàn)設(shè)備連續(xù)運(yùn)行3個(gè)月，達(dá)到了中試試驗(yàn)的目標(biāo)。

表2 靜電聚結(jié)分離器渤中34-1油田現(xiàn)場(chǎng)中試試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

新型原油靜電聚結(jié)脫水技術(shù)能適應(yīng)高含水原油脫水處理工況，與常規(guī)重力沉降式自由水分離器相比，可以大大提高油水分離效率。通過絕緣電極的研發(fā)和室內(nèi)測(cè)試，海上油田現(xiàn)場(chǎng)的小試、中試驗(yàn)證，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，取得了較好的處理效果，研究工作得到的主要結(jié)論如下：

(1) 靜電聚結(jié)原油脫水技術(shù)可適應(yīng)含水率高達(dá)98%的含水原油脫水處理工況，可以用于海上油田高含水井液高效油水分離；

(2) 靜電聚結(jié)脫水設(shè)備比常規(guī)自由水分離器分離效率提高50%以上；

(3) 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，靜電聚結(jié)脫水設(shè)備對(duì)含水率波動(dòng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，且長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行工況下運(yùn)行穩(wěn)定；

(4) 新型靜電聚結(jié)原油脫水設(shè)備經(jīng)過中試試驗(yàn)的驗(yàn)證，具備了推廣應(yīng)用的條件，如未來應(yīng)用于深水浮式平臺(tái)可大幅降低深水油田的開發(fā)成本。

[ 1 ] 《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會(huì). 海洋石油工程設(shè)計(jì)概論與工藝設(shè)計(jì)(海洋石油工程設(shè)計(jì)指南第1冊(cè))[M]. 北京：石油工業(yè)出版社, 2007.

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FieldTestofNewCrudeOilElectrostaticCoalescenceDehydrationTechnologyonDeepwaterFloatingPlatform

( CNOOC Research Institute，Beijing 100028, China)

The new crude oil electrostatic coalescence dehydration technology uses insulated electrodes which can adapt to the high water content crude oil dehydration. The field tests are implemented at LH11-1 FPSO and BZ34-1 platform. In the field test, the electrostatic coalescence dehydration equipment work stability in high water cut crude oil and efficiency is increased by 50% than that of conventional gravity separator. The application of this new technology will greatly reduce the size and weight of deepwater floating platform.

deepwater floating platform; electrostatic coalescence; oil dehydration

TE56

A

2016-05-13

“十三五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)“海上稠油高效開發(fā)新技術(shù)” (2016ZX05025)

張 明(1981-)，男，高級(jí)工程師

1001-4500(2017)05-0049-06