李 宇
(西安石油大學(xué),陜西 西安 710065)
油田采出水是一種復(fù)雜多項(xiàng)綜合體系,包含有固體雜質(zhì)、液體雜質(zhì)、溶解氣、游離氣和溶解鹽類等。由于各油田地質(zhì)條件、地層性質(zhì)不同,開采的地底原油特征也有差異,對于不同種類的原油分離條件、集數(shù)條件、儲運(yùn)條件也不盡相同。雖然各油氣田地質(zhì)條件、構(gòu)造環(huán)境以及原油性質(zhì)不同,開采出的油田水水質(zhì)也存在明顯差異,但是也存在相同之處。比如,油田采出水含油量高,采出水組分復(fù)雜、礦化度高,同時(shí)油田采出水水溫較高,還可能具有一定的放射性。目前,油田大多數(shù)采出水處理以物理法和化學(xué)法為主,采出水中的乳化油含量高,因?yàn)槠湟兹榛奶匦?,需要破乳工藝來確保油田采出水處理符合生產(chǎn)要求。
油田采出水超聲破乳實(shí)驗(yàn)裝置主要由排水管、進(jìn)水管、超聲波脫油反應(yīng)器、超聲波換能器、超聲波發(fā)生器、反應(yīng)控制箱、電動(dòng)扣油閥、儲油桶、固液分離箱構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)裝置安裝在槽式反應(yīng)器中,使用超聲波功率為1kW,超聲波頻率為2.7×104Hz,超聲波聲強(qiáng)為0.50。整個(gè)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)時(shí)間180s,處理水量12L,溫度控制在45℃以下。這種反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置可以計(jì)算出5.0m3/h油田采出水量。設(shè)置油田采出水超聲破乳反應(yīng)器參數(shù):反應(yīng)器總?cè)莘e為0.45m3,反應(yīng)器過水截面面積為0.280m2,反應(yīng)器有效長、寬、高分別為1.5m、0.7m、0.5m。
實(shí)驗(yàn)方法:首先將油田采出水注入超聲破乳反應(yīng)器中,在油田采出水溫度升到45℃時(shí),開啟超聲波發(fā)生器。待反應(yīng)進(jìn)行一定時(shí)間后,整個(gè)裝置靜置30min,用四氯化碳試劑對水樣進(jìn)行萃取。最后,出油率可通過紅外分光測定儀測定取萃取液的油濃度來計(jì)算。
除了實(shí)驗(yàn)所運(yùn)用的槽式反應(yīng)器,超聲波反應(yīng)器還有筒式、振子式和探頭式等常見的反應(yīng)器類型,不同的超聲波反應(yīng)器有不同的超聲波導(dǎo)入方式,對除油率的影響也各不相同。
在實(shí)際運(yùn)用過程中,槽式反應(yīng)器和筒式反應(yīng)器處理效果較其他兩種反應(yīng)器效果明顯。振子式反應(yīng)器和探頭式反應(yīng)器在使用時(shí),產(chǎn)生的超聲波聲場不勻稱,超聲波能量衰減快,道指最終反應(yīng)效果達(dá)不到預(yù)期。除此之外,探頭式反應(yīng)器的探頭還容易被超聲波自身能量損耗,造成了實(shí)驗(yàn)成本增加。相比之下,筒式反應(yīng)器具有較高的超聲波輻射功率,在短時(shí)間內(nèi)可以達(dá)到較好的破乳效果。但是,筒式反應(yīng)器由于自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在反應(yīng)進(jìn)行時(shí)需要豎立放置,超聲波換能器則安裝在裝置側(cè)板上,油田采出水中的油在上浮過程中容易黏附在反應(yīng)器壁上,形成油層困難,同時(shí)筒式反應(yīng)器耗能大。槽式反應(yīng)器雖然破乳反應(yīng)過程耗時(shí)較長,但是破乳效果較其他反應(yīng)器好,同時(shí)槽式反應(yīng)器總體結(jié)構(gòu)簡單,油層形成和油層分離較容易,所需能耗較低,是四種反應(yīng)器中綜合效果最好的一種。
采用固定變量的方法,保持超聲波功率為1kW、超聲波波強(qiáng)為0.50、整體反應(yīng)時(shí)間為150s、油田采出水水溫為45℃、裝置處理水量為12升的條件時(shí),測試超聲波頻率對破乳除油率存在的影響。結(jié)果得出,當(dāng)超聲波波強(qiáng)較高時(shí),超聲聲波頻率為2.7×104Hz時(shí),油田采出水破乳除油率最大,破乳除油效果最好;當(dāng)超聲波波強(qiáng)在0.5以下時(shí),超聲波頻率對超聲波破乳除油效果的影響微弱。實(shí)驗(yàn)表明,超聲波頻率的大小在一定量級的范圍內(nèi)時(shí),只是影響乳化分子向波谷的移動(dòng)距離或是向波節(jié)的運(yùn)移距離,所以在此量級內(nèi)乳化除油效果不明顯。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出,超聲波強(qiáng)度的衰減程度與超聲波頻率的平方成正比,超聲波的頻率越高,超聲波聲場就越不均勻,超聲波衰減速率就越快。所以,在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)該將超聲波的頻率控制在2.1×104~2.7×104Hz范圍內(nèi)。
在超聲波頻率為2.7×104Hz,超聲波聲波強(qiáng)度為0.50,整體破乳反應(yīng)時(shí)間150s,油田采出水水溫為45℃、油田采出水水量為12L的條件下時(shí),超聲波功率越大,破乳除油率越高,破乳除油效果越好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,當(dāng)超聲波的功率為1kW時(shí),除油率可以達(dá)到90%。
超聲波聲強(qiáng)是超聲波破乳工藝中一個(gè)重要的控制影響因素。不同的乳狀液體最優(yōu)的破乳超聲波聲強(qiáng)也不一樣,存在一個(gè)臨界超聲波聲強(qiáng)值。當(dāng)超聲波聲強(qiáng)大于臨界超聲波聲強(qiáng)時(shí),乳化表面膜會被破壞,這時(shí)石油粒子會進(jìn)行結(jié)合。但是當(dāng)超聲波聲強(qiáng)小于臨界超聲波聲強(qiáng)時(shí),由于超聲波聲強(qiáng)強(qiáng)度不夠,乳化表面膜不會被破壞,石油粒子無法進(jìn)行結(jié)合。固定實(shí)驗(yàn)變量,在超聲波功率為一千瓦,超聲波頻率為2.7×104Hz,整個(gè)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)時(shí)間控制在180s,處理水量12L,溫度控制在45℃條件下進(jìn)行超聲波聲強(qiáng)對破乳除油率的影響實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,最佳破乳除油超聲波聲強(qiáng)值為 0.35~0.60。
控制變量,在超聲波功率為1kW,超聲波頻率為2.7×104Hz,超聲波聲強(qiáng)為0.50,處理水量12L,溫度控制在45℃條件下,進(jìn)行超聲波輻射時(shí)間對破乳除油率的影響實(shí)驗(yàn)。研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明超聲波輻射時(shí)間對破乳除油率有一定影響,但不成正比,在一定的輻射時(shí)間范圍內(nèi)破乳除油效果好。在其他實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下,150s的超聲波輻射時(shí)間對應(yīng)的破乳除油率最高。
在超聲波功率為1kW,超聲波頻率為2.7×104Hz,超聲波聲強(qiáng)為0.50,整個(gè)反應(yīng)時(shí)間在150s,處理水量12L,溫度控制在45℃條件下,實(shí)驗(yàn)油田采出中含油濃度對破乳除油率的影響。研究發(fā)現(xiàn),在實(shí)驗(yàn)的其他條件處于有效范圍內(nèi)時(shí),油田采出水中初始含油濃度與破乳除油速率成正比,原始含油濃度越高,破乳除油的速率越高。油田采出水中乳化油的粒徑分布與破乳除油速率有關(guān)。在其他實(shí)驗(yàn)條件一定時(shí),能夠破壞的乳化油粒存在半徑臨界值,只有乳化油粒半徑大于臨界半徑時(shí),乳化油粒才能結(jié)合,并在重力作用下上浮,最終擺脫溶液。油田采出水中乳化油粒的粒徑分布剛開始是相對穩(wěn)定的,但由于超聲波作用影響,油田采出水中半徑大于臨界半徑的乳化油粒數(shù)目逐漸減少,半徑小于臨界半徑的乳化油粒又無法被破壞,導(dǎo)致破乳速除油速率逐漸降低。
在實(shí)際油田采出水超聲破乳工藝實(shí)驗(yàn)中,主要研究了超聲波破乳反應(yīng)器形式、使用超聲波功率、使用超聲波聲強(qiáng)、使用超聲波頻率、破乳反應(yīng)時(shí)間和污水中油濃度等因素對乳除油率的影響。研究分析認(rèn)為,超聲波聲強(qiáng)以及超聲波頻率對破乳除油速率影響效果最為明顯,超聲波反應(yīng)器類型、超聲波使用功率、超聲波輻射時(shí)間和油田采出水油濃度等因素也對破乳除油速率有著一定影響。在超聲波功率為1kW,超聲波頻率為2.7×104Hz,超聲波聲強(qiáng)為0.50,整個(gè)反應(yīng)時(shí)間在150s,處理水量12L,溫度控制在45℃條件下破乳除油率較高。