唐曉旭，張 勇，王秀軍，陳家慶

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300452；2.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室，北京100028；3.中海油研究總院有限責任公司，北京100028；4.北京石油化工學院，北京102617）

我國油田主要是注水開發(fā)，且大部分主力油田已處于高含水開發(fā)階段，采出液中含水量已達70%，甚至是90%以上〔1-2〕。此外，在化學驅(qū)提高主力油田采收率過程中，由于投入了大量的化學藥劑，采出液穩(wěn)定性高〔3〕，對破乳藥劑及分離設備提出了新的挑戰(zhàn)。目前，采用的采出液分離設備主要是三相分離器及常規(guī)電脫水裝置，但由于采出液穩(wěn)定性的增強，使得重力沉降分離效率大大降低。另外，僅靠重力分離會使設備體積增大，這在海上平臺很難實施，且現(xiàn)行在用的兩級串聯(lián)三相分離器出口含水率大于30%，無法滿足常規(guī)電脫入口設計要求〔4-5〕。因此，迫切需要開發(fā)效率高、成本低、流程短、體積小的新型三相分離破乳處理技術(shù)及設備。

進入21世紀以來，原油脫水用緊湊型靜電預聚結(jié)技術(shù)一直是世界海洋石油大國的研究熱點。目前較為知名的產(chǎn)品主要有緊湊型靜電聚結(jié)器（Compact Electrostatic Coalescer，CEC）、在線靜電聚結(jié)器（Inline Electrostatic Coalescer，IEC）、容器內(nèi)置式靜電 聚 結(jié) 器（Vessel Internal Electrostatic Coalescer，VIEC）、低含水量聚結(jié)器（Low Water Content Coalescer，LOWACC）等4種。這些緊湊型靜電預聚結(jié)產(chǎn)品有3個共同特點：一是采用AC電場，二是油水乳化液在其中的流動狀態(tài)為湍流，三是使用帶絕緣涂層的電極（圓筒狀或波紋板狀）。本研究借鑒此思路，將靜電場與三相分離器結(jié)合起來，設計并制造了10 m3/h的電場強化油水分離器，減小了設備占地面積及總體質(zhì)量。在高含水工況下，研究了電場強化化學驅(qū)采出液油水兩相分離的可行性，以期解決化學驅(qū)采出液高效分離技術(shù)缺乏的問題。

1 電場強化油水分離器分離沉降理論模型

三相分離器內(nèi)原油脫水的最終效果取決于破乳聚結(jié)和沉降分離這兩大物理過程。A.A.ALQAHTANI提出了基于α和β2個無量綱因子的分離預測模型〔11〕，α為靜電聚結(jié)效率，受電場參數(shù)的影響；β為沉降分離效率，受流體物性參數(shù)及形狀的影響。丹麥W?rtsil?Oil&Gas Systems公司驗證了該分離性能預測模型可用于不同尺寸三相分離器的性能預測，其結(jié)果符合尺寸無關性〔10〕。計算公式如式（1）、式（2）所示。

式中：TE——乳化液在電場區(qū)域的水力停留時間，s；

Tc——相鄰水顆粒聚結(jié)時間，s；

γ——油水兩相相對介電常數(shù)有關的常數(shù)，且有其中，εo，εw分別為連續(xù)相、分散相水顆粒的相對介電常數(shù)；

φ0——三相分離器入口處油中含水體積分數(shù)，%；

μ——連續(xù)相動力黏度，Pa·s；

tR——三相分離器設計水力停留時間，s；

ts——水顆粒沉降時間，s；

截至2013年年底，全市建成生態(tài)清潔小流域253條，治理水土流失面積3 232km2。主要取得了四大成效：

ρw，ρo——分別為水和油的密度，kg/m3；

d——聚結(jié)后分散相水顆粒粒徑，μm；

H——液滴在油液中的沉降距離，m。

在“高頻/高壓交流電場+絕緣涂層電極”的組合情況下，分散相水顆粒之間以偶極聚結(jié)為主，通過計算可以得到2個分散相水顆粒發(fā)生碰撞聚結(jié)的過程僅需0.82 ms。由此可見，電場作用能夠大幅提高分散相水顆粒之間的碰撞聚結(jié)幾率，從而在極短時間內(nèi)實現(xiàn)高達幾十的粒徑增長倍數(shù)，可極大地促進原油中水顆粒的沉降速度。水顆粒偶極聚結(jié)作用如圖1所示。

圖1 水顆粒偶極聚結(jié)作用示意Fig.1 Illustration of Water-droplet dipolar coalescence

從物理意義上看，α值反映的是圖1所示分散相水顆粒在“高頻/高壓交流電場+絕緣涂層電極”組合情況下，沿流道平行移動過程中與垂直于流動方向截面上分散相水顆粒的碰撞聚結(jié)次數(shù)（或體積增長倍數(shù)）。分散相水顆粒在電場作用下被極化，電性相反的兩端相互吸引、靠近、聚結(jié)，形成的較大的水顆粒相再次相互靠近、聚結(jié)。當乳化液中含水較高時，聚結(jié)的水顆粒相可能會形成“水鏈”，由于水中離子礦化度較高，可導致傳統(tǒng)的裸露金屬及絕緣性能較差的絕緣電極被擊穿，電場強度迅速降低，失去靜電聚結(jié)作用。沉降分離過程符合Stokes公式。

2 電場強化油水分離器試驗樣機制造

電場強化油水分離器現(xiàn)場試驗樣機主要包括電場強化油水分離器撬體、儀表控制系統(tǒng)和高頻電源，主體結(jié)構(gòu)為內(nèi)置靜電聚結(jié)組件的分離器罐體，如圖2所示。靜電聚結(jié)組件由垂直放置的絕緣電極板、間隔放置的不銹鋼電極板和支架組成。內(nèi)置變壓器的輸入端與外部高頻電源相連，經(jīng)升壓后其輸出端的高壓電極與金屬電極板相連，另一端與外部法蘭接口相連，并與不銹鋼電極板、支架與三相分離器罐體連接在一起接地形成接地極。在絕緣電極板和不銹鋼電極板之間形成高頻高壓電場，當原油乳化液通過絕緣電極板和金屬電極板之間形成的垂直流道時，在電場作用下油中水顆粒會發(fā)生聚結(jié)使水顆粒粒徑增大，從而加速油中水顆粒的沉降過程。

圖2 內(nèi)置靜電聚結(jié)內(nèi)部設計示意Fig.2 Schematic of vessel internal electrostatic coalescers（VIEC）

3 電場強化油水分離器礦場試驗

電場強化油水分離器撬體入口連接海上平臺綜合來液預留口，來液為聚合物驅(qū)產(chǎn)出液。試驗期間采出液含水率達到了78%～97%。

3.1 電源頻率對電場強化油水分離器分離效率的影響

試驗條件：將油水腔水位控制在700～750 mm，油腔液位保持在450～650 mm，控制靜電聚結(jié)模塊位于乳化層，進口流量控制在5.3～7.0 m3/h，靜電聚結(jié)器模塊電源電壓為4.98 k V。電源頻率對電場強化油水分離器分離效率的影響如圖3所示。

圖3 電源頻率對電場強化油水分離器分離效率的影響Fig.3 Effect of power frequency on separation efficiency

由圖3可知，隨著電源頻率的增加，油出口含水率先增加后減小，油出口含水相對減少率則增加。當電源頻率增至3 500 Hz時，油出口含水率降至12%，油出口含水相對減少率為85.4%，分離效果顯著。電源頻率在3 500 Hz時，接近原油油包水型乳化液體系中水顆粒相的固有頻率，水顆粒相的振動頻率達到最大，油水界面膜強度降低，相鄰水顆粒相在電場力作用下加速碰撞聚結(jié)，使水顆粒相粒徑增大，加速了重力沉降分離過程。

3.2 電場強化油水分離器分離效率對比試驗

試驗條件：控制入口流量為10 m3/h，靜電聚結(jié)器模塊電源電壓為4.98 k V，電源頻率為3 500 Hz。其中取樣口1、2設置在水層，取樣口3、4設置在乳化層、取樣口5、6設置在油層。加電與不加電情況下，6個采樣口的平均含水率如圖4所示。每個點均取所有測試試樣含水率的平均值。由圖4可知，在不加電工況下，取樣口6處的油中含水率平均值為18%，而在加電工況下其油中含水率平均值為7%，電場強化油水分離器分離效果顯著。在不加電工況下，取樣口5處的油中含水率平均值為28%，而在加電工況下，其油中含水率平均值為12%，也明顯低于不加電的工況。取樣口3和取樣口4是乳化層所在位置，從圖4可以看出，在加電工況下該區(qū)域混合液的含水率要低于不加電工況20%以上。使用內(nèi)置靜電聚結(jié)組件原油破乳可以顯著提高三相分離器的分離效率。

圖4 VIEC模塊對三相分離器分離效果的影響Fig.4 Effect of electric field on separation efficiency

3.3 破乳劑對電場強化油水分離器分離效果的影響

合成了以酚醛樹脂為起始劑的聚醚性破乳劑BX12和以有機胺為起始劑的超支化聚醚反相破乳劑JL2，探究了不同藥劑組合及加量對靜電聚結(jié)脫水效率的影響，結(jié)果如圖5所示。其中取樣口1、2設置在水層，取樣口3、4設置在乳化層、取樣口5、6設置在油層。靜電聚結(jié)器模塊電源電壓為4.98 kV，電源頻率為3 500 Hz。

圖5 破乳劑種類及加藥量對靜電聚結(jié)破乳效果的影響Fig.5 Effect of demulsifier types and their dosage on separation efficiency

試驗結(jié)果表明，在有高頻電場的情況下，單獨應用JL2破乳劑，濃度較高（150 mg/L）時效果較好，可以有效壓制乳化層的厚度，體現(xiàn)在3、4號取樣口的油中含水率較低；與JL2破乳劑對比，BX12破乳劑脫水效率較高，當投加量為120 mg/L時，其脫水效率和JL2投加量為150 mg/L時相當；2種藥劑組合應用，當BX12、JL2投加量分別為80、100 mg/L時，3、4號取樣口含水率最低，乳化層含水率低至5%左右，但5、6號油樣出口最終含水率不降反升。綜合考慮，在電場內(nèi)，BX12單獨應用的效果較為理想。但結(jié)合前述試驗結(jié)果可知，在有破乳劑情況下的破乳效果和單獨應用高頻電場時效果相當，由此可以進一步證明電場強化油水分離器的技術(shù)效果。

4 結(jié)論

（1）在指定的乳化液體系下，電場強化油水分離器在頻率為3 500 Hz時脫水效果最好，油出口含水率降至12%，相對減少率達85.4%。

（2）使用VIEC組件原油破乳可以顯著提高三相分離器的分離效率，其可以適用于高含水工況，單級處理效率高，可減少甚至避免使用破乳劑，節(jié)約了藥劑成本。