曹振興，李春賢，鄭曉鵬，申明周，王春升

（1．中石化煉化工程（集團(tuán)）股份有限公司洛陽(yáng)技術(shù)研發(fā)中心，河南洛陽(yáng)471003；2．中海油研究總院，北京100027）

LD16-1海洋稠油油水分離研究*

曹振興1，李春賢1，鄭曉鵬2，申明周1，王春升2

（1．中石化煉化工程（集團(tuán)）股份有限公司洛陽(yáng)技術(shù)研發(fā)中心，河南洛陽(yáng)471003；2．中海油研究總院，北京100027）

針對(duì)海上稠油油水分離效率低的問(wèn)題，研究了靜電聚結(jié)脫水技術(shù)在此領(lǐng)域的應(yīng)用。通過(guò)檢測(cè)LD16-1采出液及原油性質(zhì)，詳細(xì)分析了稠油油水分離動(dòng)力，并考察了靜電聚結(jié)參數(shù)對(duì)油水分離工藝的影響。研究表明：靜電聚結(jié)技術(shù)的使用有利于稠油中水滴的聚結(jié)及沉降析出，同時(shí)能夠適應(yīng)多種高含水條件下的工況，稠油脫后含水滿足后期工藝要求；水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52%的LD16-1乳化液在溫度90℃、破乳劑用量100μg／g、電壓2 500 V和停留時(shí)間40 min等優(yōu)化條件下，脫后稠油中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于20%；脫水溫度對(duì)稠油的油水分離過(guò)程影響較大。

稠油 油水分離 靜電聚結(jié) 電脫水

動(dòng)力黏度大于400 mPa·s（50℃）的原油，國(guó)內(nèi)的稠油劃分標(biāo)準(zhǔn)有普通稠油、特稠油和超稠油之分，而國(guó)外則統(tǒng)稱為重質(zhì)原油［1］。隨著石油資源的日益匱乏和稠油開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展，稠油開(kāi)發(fā)得到充分重視，但是稠油脫水問(wèn)題也變得越來(lái)越突出。與常規(guī)原油的油水分離過(guò)程相比，稠油由于其黏度高和油水密度差小的原因往往導(dǎo)致水滴沉降速度緩慢，油水分離困難，特別是進(jìn)入油田開(kāi)采后期，隨著水含量的升高，稠油的油水分離難題進(jìn)一步加劇，脫水成本升高。

靜電聚結(jié)脫水技術(shù)［2-5］作為高含水原油乳狀液油水分離處理的代表性技術(shù)，其采用復(fù)合電極進(jìn)行有效電場(chǎng)的建立，可以避免類似金屬電極在高含水工況下的電場(chǎng)垮塌、電流激增等不利現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)油水的分離或滿足后期電脫水罐工藝處理要求。以LD16-1油田采出液為研究對(duì)象，分析探討了稠油的油水分離動(dòng)力，研究了海上稠油油水分離過(guò)程的靜電聚結(jié)參數(shù)，為后期稠油油井開(kāi)發(fā)提供技術(shù)參考。

1 原料油性質(zhì)

試驗(yàn)所用原油樣品為L(zhǎng)D16-1油田采出液，其主要性質(zhì)見(jiàn)表1。從表1可以看出：LD16-1油田采出的乳狀液具有密度大、黏度高及含水高等特點(diǎn)，其形成的乳化液性質(zhì)非常穩(wěn)定。

表1 LD16-1油田采出液主要性質(zhì)

2 試驗(yàn)儀器與方法

2．1 試驗(yàn)儀器

電脫水試驗(yàn)儀、萬(wàn)能擊穿裝置、具塞量筒、下排水不銹鋼罐、尼康TS100F顯微系統(tǒng)和SYP型智能玻璃恒溫水浴。

2．2 試驗(yàn)方法

（1）靜電聚結(jié)電脫水方法

將配置好的油樣和破乳劑加入試驗(yàn)罐內(nèi)，在試驗(yàn)溫度下預(yù)熱15 min，然后混合100次，進(jìn)行各種條件的脫水試驗(yàn)；試驗(yàn)完成后，從下部排出水并進(jìn)行稱質(zhì)量，最后計(jì)算出油中水含量。

（2）乳狀液制備方法

含水高的乳狀液制備方法：以水質(zhì)量分?jǐn)?shù)52%的乳化原油為基礎(chǔ)，在鋼質(zhì)罐內(nèi)加入適量的油樣，然后加入計(jì)量好的蒸餾水，在試驗(yàn)溫度下預(yù)熱15 min，手工振蕩混合100次，配制水質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為60%，80%和90%的試驗(yàn)用油。

（3）水含量計(jì)算方法

脫后油中水含量按式（1）計(jì)算：

式中：C為脫后油中水質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；W1為脫前油中水質(zhì)量，g；W2為脫后罐底排水量，g；W為試樣總質(zhì)量，g。

3 沉降動(dòng)力分析

3．1 沉降原理

水滴在油連續(xù)相中的沉降速度可以用Stoke公式表示：

式中：VS為沉降速度，m／s；d為水滴直徑，m；ρw為水的密度，kg／m3；ρo為油相的密度，kg／m3；g為重力加速度，m／s2；μ為油相的動(dòng)力黏度，Pa·s。

從式（2）可以看出：水滴的沉降速度與水滴直徑、油水密度差成正比，而與連續(xù)相的黏度成反比。因此原油密度大、水含量低和黏度高是導(dǎo)致油水分離效率低的直接原因。

3．2 LD16-1原油的油水分離動(dòng)力分析

LD16-1采出液經(jīng)多級(jí)高溫脫水后的原油性質(zhì)見(jiàn)表2。從表2可以看出：經(jīng)多級(jí)電脫水后，LD16-1原油水質(zhì)量分?jǐn)?shù)1．72%。與采出液性質(zhì)相比，密度變化不大，而黏度（80℃）則大幅降低，降幅比例達(dá)78．2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），但是數(shù)值仍然較大，達(dá)到496．2 mm2／s，不易于水滴的沉降過(guò)程。

表2 LD16-1原油性質(zhì)

利用瓦斯特公式［6-7］（Walther-ASTM）對(duì)LD16-1原油進(jìn)行了黏度計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 LD16-1原油黏度和溫度之間的關(guān)系

通過(guò)對(duì) Stoke因子［8-9］（即（ρw－ρo）μ－1）繪圖，見(jiàn)圖1。LD16-1原油理論脫水溫度宜選擇在80～120℃，此溫度區(qū)間內(nèi)黏度降低值較大并保有可觀的密度差，脫水速度較快。

圖1 不同溫度下LD16-1原油的Stoke因子

4 結(jié)果與討論

4．1 自然沉降

試驗(yàn)方法：稱取一定量的油樣倒入具塞量筒內(nèi)，將其放入恒溫水浴中預(yù)熱15 min，觀察、記錄一定時(shí)間內(nèi)的出水量。

具體試驗(yàn)條件：70 g采出液，預(yù)熱15 min，靜置40 min。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 自然沉降試驗(yàn)結(jié)果

從表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52%的LD16-1乳化液，單靠自然沉降，溫度120℃以下，幾乎沒(méi)有水沉降出來(lái)，即使溫度升高到140℃，脫水效果非常差，脫后水質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍高達(dá)46．9%，形成的乳化液性質(zhì)穩(wěn)定。

4．2 靜電聚結(jié)脫水試驗(yàn)

（1）不同溫度

試驗(yàn)條件：預(yù)熱15 min，加電壓2 000 V，時(shí)間40 min。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同溫度下的脫水對(duì)比

從圖2可以看出：水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52%的LD16-1乳化液，采用靜電聚結(jié)技術(shù)后，油水分離速度明顯加快，溫度越高，油水分離越快，130℃時(shí)脫后水質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至16．58%。

（2）不同電壓

試驗(yàn)條件：70 g采出液，溫度90℃，預(yù)熱15 min，通電40 min。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 脫后水含量與施加電壓的關(guān)系

從圖3可以看出：在相同試驗(yàn)條件下，水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52%的LD16-1乳化液的脫后含水隨施加電壓的增大開(kāi)始降低，2 000 V之前脫后含水降低幅度不大，較之前水質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低27．9%，當(dāng)電壓加大至2 500 V之后，脫后含水出現(xiàn)了一個(gè)較大的變化幅度，脫后水質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低57．4%。隨電壓進(jìn)一步加大，此變化幅度基本保持不變。

（3）不同停留時(shí)間

試驗(yàn)條件：70 g采出液，溫度90℃，預(yù)熱15 min，加電壓2 500 V，時(shí)間40 min。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4可以看出：在相同試驗(yàn)條件下，水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52%的LD16-1乳化液的脫后含水隨停留時(shí)間的增加而降低。停留時(shí)間在大于40 min時(shí)，脫后水質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本在20%左右，較停留時(shí)間在20 min時(shí)的46．37%脫后水質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化較大，所以停留時(shí)間應(yīng)選擇在40 min以上。

（4）不同破乳劑用量

試驗(yàn)條件：70 g采出液，溫度80℃和90℃，預(yù)熱15 min，混合100次，加電壓2 500 V，時(shí)間40 min。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 脫后水含量與破乳劑使用量的關(guān)系

從圖5可以看出：在靜電聚結(jié)試驗(yàn)過(guò)程中，破乳劑對(duì)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52%的LD16-1乳化液的脫水效果有較大的促進(jìn)作用。在相同條件下，脫后含水隨破乳劑使用量的增加而降低；靜電聚結(jié)脫水溫度由80℃提高至90℃時(shí)，破乳劑對(duì)脫水效果的提升明顯占優(yōu)，脫后含水率出現(xiàn)直線下降趨勢(shì)。

4．3 高含水稠油靜電聚結(jié)脫水模擬試驗(yàn)

以水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52%的采出液為基礎(chǔ)，通過(guò)加水剪切乳化分別制備水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%，80%，70%和60%的乳化液進(jìn)行靜電脫水試驗(yàn)，油水分離結(jié)果見(jiàn)圖6。從圖6可以看出，靜電聚結(jié)技術(shù)有利于稠油乳化液的油水分離，即使面臨開(kāi)采后期稠油含水量的提高仍可使脫后水質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在20%左右，滿足后期電脫水裝置處理工藝的進(jìn)料要求（水質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于30%［10］）。

圖6 靜電聚結(jié)脫水技術(shù)油水分離效果

5 結(jié) 論

通過(guò)研究靜電聚結(jié)脫水技術(shù)在海上稠油油水分離過(guò)程中的應(yīng)用，得到以下結(jié)論：

（1）LD16-1稠油由于具有密度大、黏度高、含水高和乳狀液穩(wěn)定等特點(diǎn)，造成常規(guī)油水分離技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)有效的油水分離，效率低下。

（2）靜電聚結(jié)技術(shù)可以加速稠油中水滴的聚結(jié)及沉降析出。水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52%的LD16-1乳化液在優(yōu)化工藝下：溫度90℃、破乳劑用量100 μg／g、電壓2 500 V、停留時(shí)間40 min，脫后水質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于20%。

（3）在相同試驗(yàn)條件下，提升脫水溫度、停留時(shí)間、電壓和破乳劑用量對(duì)稠油的靜電聚結(jié)脫水有較大促進(jìn)作用。其中，提高脫水溫度的作用相對(duì)突出。

（4）靜電聚結(jié)脫水技術(shù)能夠應(yīng)對(duì)開(kāi)采后期稠油含水量升高的問(wèn)題，適應(yīng)工況變化能力突出。

［1］ 張兵強(qiáng)．中原油田毛8區(qū)塊稠油乳化特性及脫水工藝研究［D］．成都：西南石油大學(xué)，2013．

［2］ 崔新安，彭松梓，申明周，等．靜電聚結(jié)原油脫水技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用［J］．石油化工腐蝕與防護(hù)，2013，30（3）：44-47．

［3］ 彭松梓，崔新安，王春升，等．靜電聚結(jié)原油脫水試驗(yàn)研究［J］．石油化工腐蝕與防護(hù)，2012，29（5）：3-6．

［4］ Erik Sellman，Pavan K Mandewalkar，Gary W Sams．Compact Electrostatic Treaters for Floating Production Systems［C］．Brazil：OTC24303，2013．

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［6］ 楊筱蘅，張國(guó)忠．輸油管道設(shè)計(jì)與管理［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2004：80-87．

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［9］ Erik Sellman，Gary Sams，S．Pavan Kumar Mandewalkar．Improved Crude Oil Dehydration OPEX using Advanced Electrostatic Forces［C］．Kuwait：SPE163305，2012．

［10］國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)．原油電脫水設(shè)計(jì)規(guī)范：SY／T 0045—2008［S］．2008：2．

Study on Oil-water Separation of LD16-1 Offshore Heavy Oil

Cao Zhenxing1，Li Chunxian1，Zheng Xiaopeng2，Shen Mingzhou1，Wang Chunsheng2
（1．SEGLuoyang R＆D Center of Technology，Luoyang 471003，China；2．CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China）

Electrostatic coalescence dehydration technology was applied to address the low efficiency problem of offshore heavy oil oil-water separation．Properties of LD16-1 produced fluid and crude oil were tested，and separation dynamics was analyzed in detail．Influence of electrostatic coalescence parameters on oil-water separation process was also reviewed．The results showed that electrostatic coalescence technology was beneficial to coalescence and precipitation of water droplets in heavy oil，and it could also adapt to various conditions with high water concentration；under the optimum conditions（90℃，100μg／g dosage of emulsion breaker，2 500 V AC，40 min residence time），water content after dehydration decreased from52%to less than 20%；furthermore，dehydration temperature played a major role in the oil-water separation process．

heavy oil，oil-water separation，electrostatic coalescence，electric dehydration

2017-05-24；修改稿收到日期：2017-08-15。

曹振興（1985—），工程師，現(xiàn)從事煉油裝置工藝防腐蝕工作。E-mail：caozx．lpec＠sinopec．com

中海油外委科技項(xiàng)目“旅大16-1油田靜電聚結(jié)脫水實(shí)驗(yàn)研究”（14029C290）。

（編輯 張向陽(yáng)）