馮小剛 黃大勇 葉俊華 宋多培 張志龍 賈玉庭 王偉 李建財 胡新玉

中國石油新疆油田分公司吉慶油田作業(yè)區(qū)

吉木薩爾頁巖油2021年原油產(chǎn)量將達100×104t，2025 年達到200×104t。頁巖油地面原油密度為0.875 8～0.932 1 g/cm3，平均為0.892 4 g/cm3；50 ℃黏度為31.0～489.9 mPa·s，平均為103.5 mPa·s；含蠟量質(zhì)量分數(shù)為3.7%～24.1%，平均為8.8%；凝固點為19～37.0 ℃；析蠟點為30～39 ℃，平均為35 ℃；屬于高凝點、高含蠟量、高析蠟點原油。根據(jù)前期室內(nèi)乳狀液穩(wěn)定性評價結(jié)果，頁巖油乳化程度高，破乳脫水困難。原油乳狀液穩(wěn)定，在溫度60～85 ℃不加破乳劑的情況下，采出液在24 h 脫水率為零。含水率50%的原油乳狀液無法分離出游離水?，F(xiàn)有的熱化學(xué)原油脫水工藝，處理流程長、不密閉，處理成本高，油氣損耗大，存在環(huán)保風(fēng)險高的問題。常規(guī)的電脫水工藝可對含水率在30%以下的低含水原油進行有效脫水，但對于高含水原油電脫水處理效果較差。因此，急需采用處理工藝密閉、處理流程短，能耗低，處理成本低的原油處理工藝實現(xiàn)頁巖油高效處理。

新疆油田提出了高頻脈沖原油脫水技術(shù)處理頁巖油的思路，一是為了簡化頁巖油處理工藝，實現(xiàn)密閉處理和在線動態(tài)交油，減小油氣損耗，降低原油處理單耗；二是實現(xiàn)邊遠小區(qū)塊原油就地處理，低含水原油拉運至聯(lián)合站處理，降低原油拉運成本，實現(xiàn)脫出水就地處理回注，減少清水用量。通過前期試驗研究和現(xiàn)場成功應(yīng)用，驗證了原油含水范圍在15%～100%的原油處理效果，確定了高頻脈沖原油處理裝置的最大處理規(guī)模、最低處理溫度、藥劑最佳投加濃度等運行參數(shù)[1]，為原油處理工藝簡化優(yōu)化和密閉高效處理提供了技術(shù)支撐。

1 高頻脈沖原油處理技術(shù)原理

高頻脈沖原油脫水裝置包括罐體、脈沖破乳電源、高壓脈沖電源。其中，罐體內(nèi)部裝有多組脈沖破乳電極板和多組高壓脈沖電極板，脈沖破乳電極板沿水平方向陣列，高壓脈沖電極板沿豎直方向陣列。高壓脈沖電極板并聯(lián)后在罐體上設(shè)置高壓脈沖電極接線口，脈沖破乳電極并聯(lián)后在罐體上設(shè)置脈沖破乳電極接線口。高壓脈沖電極接線口與高壓脈沖電源連接，脈沖破乳電極接線口與脈沖破乳電源連接。裝置結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，能耗低。處理后的原油含水率和污水含油量低。

1.1 電磁輻射降黏原理

磁場作用于原油時，會使原油產(chǎn)生誘導(dǎo)磁矩，抑制蠟晶形成和聚結(jié)，使蠟晶以小顆粒形式存在于原油中，同時原油中的石蠟、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等抗磁性物質(zhì)會進行有序排列，增強了流動性。脈沖磁場可破壞各烴類分子間的作用力，分子通過自身振蕩而受到磁感共振，使分子振動增強、分子間相互作用減弱，導(dǎo)致分子的聚集狀態(tài)發(fā)生改變，使分子的聚合力減弱，其中的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)以分散相而非締結(jié)相溶解在油中，從而使油黏度降低，增加流動性。通俗形容為石蠟、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等物質(zhì)由不規(guī)則的跟著原油走，變成了分散開、有規(guī)則地分布于原油中。

1.2 脈沖破乳原理

脈沖電磁場使乳化小水珠在電場中產(chǎn)生振動、變形。當(dāng)外加電場頻率接近界面膜諧振頻率時兩者形成共振，界面膜因振動、變形幅度增大而破裂，實現(xiàn)破乳。該技術(shù)可在不添加破乳劑的條件下，通過電場頻率調(diào)節(jié)形成共振的物理方法破壞油水乳狀液穩(wěn)定性，實現(xiàn)采出液的破乳。

1.3 高頻電場聚結(jié)脫水原理

根據(jù)電介質(zhì)（原油乳狀液）的擊穿伏秒特性，通過調(diào)整高頻脈沖輸出頻率和占空比（脈沖時間），使高頻脈沖輸出時間小于原油乳狀液在電極間形成短路擊穿時間，在擊穿形成前關(guān)閉脈沖輸出，待絕緣恢復(fù)后再發(fā)下一個脈沖，利用高頻脈沖的特性在電極間加較高的電場又可避免短路擊穿現(xiàn)象，從而建立起穩(wěn)定的高頻高壓電場。油中小水珠在電場作用下產(chǎn)生變形、振動，相互碰撞快速聚結(jié)成大水珠，通過重力沉降分離。電極間水鏈與極板連通前關(guān)閉脈沖，電流達到短路電流前關(guān)閉脈沖。高頻脈沖電流電壓隨時間變化如圖1和圖2所示。

圖1 脈沖電流電壓變化演示圖Fig.1 Pulse current and voltage variation diagram

圖2 實測電流電壓運行圖Fig.2 Measured current and voltage operation diagram

2 室內(nèi)研究

吉木薩爾頁巖油屬于高凝點、高含蠟量、高析蠟點原油，原油物性見表1。將含水率在45%～50%的頁巖油混合樣（1 號拉油點、吉251-H 井、吉32 井）加入到高頻脈沖實驗儀器中，加熱到實驗溫度，設(shè)置高頻脈沖的電壓、頻率、占空比等電參數(shù)，確定針對頁巖油的最佳處理參數(shù)。

表1 吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組油藏地面原油性質(zhì)參數(shù)Tab.1 Surface crude oil property parameters of Permian Lucaogou Formation Reservoir in Jimusar Depression

2.1 電場強度對原油脫水效果的影響

設(shè)置高頻脈沖的頻率為13 000 Hz，占空比為65%，溫度為聯(lián)合站電脫水器的處理溫度70 ℃，停留時間為2.5 h，破乳劑質(zhì)量濃度為150 mg/L，評價高頻脈沖不同電場強度下（1.5、1.65、1.8、1.95、2.1、2.175、2.25 和2.4 kV/cm）對頁巖油含水率的影響，實驗結(jié)果如圖3 所示。

圖3 電場強度對頁巖油脫水效果影響折線Fig.3 Broken line of the influence of electric field intensity on shale oil dehydration effect

由圖3 可知，隨著電場強度的增加頁巖油含水率先降低后升高，當(dāng)電場強度為2.175 kV/cm 時含水率最低。隨著電場強度的增加，液滴之間的靜電作用增大，增強了液滴的變形度，進而使油水界面膜的機械強度降低，使相鄰水顆粒發(fā)生碰撞聚結(jié)[2]。在此階段，乳化液脫水率隨電場增強而升高。但達到一定電場強度后，過強的電場力會使水顆粒過度變形而破碎形成若干小水滴，抑制了水顆粒的聚結(jié)分離，破乳反而變得困難，含水率也隨之增加。

2.2 電場頻率對原油脫水效果的影響

保持最佳電場強度2.175 kV/cm，占空比為65%，溫度為現(xiàn)場處理溫度70 ℃，停留時間為2.5 h，破乳劑質(zhì)量濃度為150 mg/L，評價高頻脈沖不同頻率（6 000、7 000、8 000、9 000、10 000、110 000、12 000、13 000 和14 000 Hz）對頁巖油含水率的影響[3]，實驗結(jié)果如圖4 所示。

圖4 電場頻率對頁巖油脫水效果影響折線Fig.4 Broken line of the influence of electric field frequency on shale oil dehydration effect

由圖4 可知，當(dāng)電場頻率從6 000 Hz 增加到14 000 Hz，隨著電場頻率的增加頁巖油含水率先降低后升高，當(dāng)頻率為10 000 Hz 時含水率最低，脫水效果最好。電場頻率增加到一個最優(yōu)頻率值時，液滴變形度達到最大，最有利于水滴之間碰撞聚結(jié)。當(dāng)頻率超過這一值后[4]，電場交變過快，液滴在電場作用下，拉伸變形量還沒有達到最大值就受到相反的作用力，抑制了水顆粒的極化，影響了聚結(jié)速率，從而導(dǎo)致含水率上升。

2.3 占空比對原油脫水效果的影響

保持最佳電場強度為2.175 kV/cm，最佳頻率為10 000 Hz，溫度為現(xiàn)場處理溫度70 ℃，停留時間為2.5 h，破乳劑質(zhì)量濃度為150 mg/L，評價高頻脈沖不同占空比（30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%）對頁巖油含水率的影響，實驗結(jié)果如圖5 所示。

圖5 占空比對頁巖油脫水效果影響折線Fig.5 Broken line of the influence of duty ratio on shale oil dehydration effect

由圖5 可知，當(dāng)高頻脈沖占空比從30%增加到90%時，隨著占空比增加，頁巖油含水率呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，當(dāng)占空比為60%時含水率最低，脫水效果最好。原因在于，當(dāng)占空比較低時，單個周期內(nèi)電場作用于乳狀液的時間小，液滴間偶極作用克服連續(xù)相的黏滯阻力而相互靠近的速率較慢，靠近的液滴難以完成液膜破裂，因此液滴群的聚結(jié)效果較差。隨著占空比增加，乳狀液中液滴所受的電場作用時間及電場能均有效增加，液滴的聚結(jié)率有效提高[5]。但當(dāng)占空比過大時，單周期脈沖寬度時間內(nèi)形成的水鏈在較短的脈沖休止階段難以充分消散，電場能經(jīng)水鏈泄漏，導(dǎo)致乳狀液中液滴的聚結(jié)率低，原油含水率反而升高。

2.4 停留時間對原油脫水效果的影響

保持最佳電壓值1 450 V，最佳頻率10 000 Hz，最佳占空比60%，溫度為現(xiàn)場處理溫度70℃，破乳劑濃度為150 mg/L，評價高頻脈沖不同停留時間（0.5、1、1.5、2、2.5、3、4 和5 h）對頁巖油含水率的影響[6]，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 停留時間對頁巖油脫水效果影響折線Fig.6 Broken line of the influence of residence time on shale oil dehydration effect

由圖6 可看出，隨著停留時間的增加，頁巖油含水率逐漸減小。隨停留時間的增加，乳狀液在高壓高頻脈沖電場下的作用時間增加，作用于分散相水滴的電場能增大，水滴的碰撞聚結(jié)效應(yīng)變強，脫水效果變強。當(dāng)停留時間超過2 h 后，含水率基本保持不變，因此頁巖油在高頻脈沖電場的最佳停留時間為2 h[7]。

2.5 最佳處理溫度和破乳劑濃度的確定

保持最佳電參數(shù)（電壓值為1 450 V，頻率10 000 Hz，占空比60%）、最佳停留時間2 h，確定高頻脈沖處理頁巖油的最佳處理溫度和破乳劑濃度，實驗數(shù)據(jù)如圖7 所示。

圖7 不同溫度和破乳劑濃度脫水后的原油含水率（處理時間2 h）Fig.7 Water content of crude oil dehydrated at different temperature and demulsifier concentration(2-hour treatment time)

通過室內(nèi)破乳劑的評價，最佳破乳劑加藥量在50～60 mg/L，最佳處理溫度在50 ℃左右。通過高頻脈沖室內(nèi)脫水效果評價，有必要進一步開展現(xiàn)場應(yīng)用，評價其對頁巖油的處理效果和處理成本[8]。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 工藝流程及技術(shù)參數(shù)

通過高頻脈沖和電脫水技術(shù)在吉木薩爾頁巖油的處理效果對比，來論證高頻脈沖技術(shù)的可行性和可靠性。處理工藝為全密閉流程，油區(qū)來液先進高頻脈沖原油脫水裝置進行油水分離，出口原油（原油含水率≤1%）直接在線交油，脫出水進污水除油處理裝置進行處理，達到注水指標進行回注（圖8）。

圖8 高頻脈沖原油處理工藝流程Fig.8 Process flow of high frequency pulse crude oil treatment

現(xiàn)場進行了頁巖油處理液量在600、800 和1 000 m3/d，處理溫度在70 ℃、60 ℃和55 ℃，進口含水率在46%～50%，破乳劑加藥量在50 mg/L時，高頻電磁脈沖和電脫水橇的原油處理效果實驗。

3.2 原油處理效果

3.2.1 出口原油含水率

在不同處理液量和不同處理溫度下，處理量越大，溫度越低，高頻脈沖出油原油含水率的處理效果比電脫水橇出口的處理效果優(yōu)勢越明顯（圖9）。在處理液量1 000 m3/d 時，處理溫度從70 ℃調(diào)整到55 ℃時，高頻脈沖的出口原油含水率從0.26%上升到0.38%，上升幅度僅為0.12%，而電脫橇出原油含水率從0.32%上升到0.64%，上升幅度為0.32%。在55 ℃時，高頻脈沖的原油處理效果要優(yōu)于電脫水橇的處理效果，電脫水橇的出口原油含水率已超過0.5%的交油含水率指標要求。

圖9 高頻脈沖和電脫水橇出口原油含水率分析Fig.9 Analysis of water content of crude oil exported by high frequency pulse and electric dehydration skid-mounted unit

3.2.2 出水含油量

在不同處理液量和不同處理溫度下，處理量越大，溫度越低的情況下，高頻脈沖出水含油率的處理效果比電脫水橇的處理效果優(yōu)勢越明顯（圖10）。在處理液量1 000 m3/d 時，處理溫度從70 ℃下調(diào)到55 ℃時，高頻脈沖的出水含油濃度從236 mg/L 上升到410 mg/L，僅上升了174 mg/L，而電脫水橇出水含油濃度從615 mg/L 上升到1 100 mg/L，出水含油濃度上升了485 mg/L，電脫水橇的出水含油濃度已超過1 000 mg/L的污水進油含油設(shè)計指標要求，高頻脈沖的原油處理效果要優(yōu)于電脫水橇的處理效果。

圖10 高頻脈沖和電脫水橇出水含油率分析Fig.10 Analysis of oil content of water exported by high frequency pulse and electric dehydration skid-mounted unit

3.2.3 處理能耗

在不同處理溫度和處理液量下，高頻脈沖脫水的噸液耗電量在0.12～0.15 kWh，電脫水橇的噸液耗電量在0.24～0.27 kWh，高頻脈沖的噸液耗電量僅為傳統(tǒng)電脫水工藝的50%左右（圖11），高頻脈沖脫水技術(shù)有效地降低了原油脫水的噸液耗電量。

圖11 高頻脈沖和電脫水噸液耗電量分析Fig.11 Power consumption analysis of per ton of liquid of high frequency pulse and electric dehydration

3.2.4 處理工藝優(yōu)化簡化

常規(guī)的熱化學(xué)原油脫水工藝處理流程長，油氣處理流程不密閉，油氣損耗大，處理成本高，能耗大，存在環(huán)保風(fēng)險高的問題。通過成功應(yīng)用壓力密閉式高頻脈沖脫水技術(shù)，實現(xiàn)了油氣密閉處理，減少了機泵和大罐沉降環(huán)節(jié)，優(yōu)化簡化了原油處理工藝流程（圖12），降低了聯(lián)合站原油處理設(shè)施的日常維護工作量[9]。

圖12 常規(guī)原油處理工藝和高頻脈沖密閉處理工藝對比示意圖Fig.12 Schematic diagram of the comparison between conventional crude oil treatment process and high frequency pulse sealing treatment process

4 結(jié)論

（1）高頻脈沖在頁巖油處理中，在相同加藥濃度和處理液量下，高頻脈沖比常規(guī)電脫水工藝的脫水溫度低5～10 ℃。

（2）在不同的處理液量和處理溫度下，高頻脈沖處理后的原油含水率和出水含油率更低，原油含水率穩(wěn)定地控制在0.5%以下，出水含油濃度控制在500 mg/L 以下，較電脫水處理原油含水率和出水含油濃度大幅下降，均達到設(shè)計指標要求。

（3）高頻脈沖原油處理技術(shù)的噸液耗電量達到0.15 kWh/t 以下，是常規(guī)電脫水處理工藝噸液耗電量的50%左右，有效降低了用電能耗。

（4）高頻脈沖原油處理技術(shù)實現(xiàn)了原油系統(tǒng)密閉處理，解決了油氣在大氣中的損耗，縮短了處理流程，節(jié)省了凈化油罐，優(yōu)化簡化了原油處理工藝，高頻脈沖處理后的原油含水率直接達到交油指標，實現(xiàn)了動態(tài)在線交油。