王康男，呂 楊，任 禮

（中國石油長慶油田分公司a.第二采油廠；b.第十采油廠，甘肅 慶陽 745100）

超聲波輔助原油脫水技術(shù)由于具備傳統(tǒng)工藝沒有的優(yōu)點，已應(yīng)用于國內(nèi)外許多領(lǐng)域[1]。超聲波主要依賴于其在媒介中傳播時產(chǎn)生的機械效應(yīng)、空化效應(yīng)、熱學作用和活化作用進行原油破乳去水[2]。早在上世紀60 年代，前蘇聯(lián)就利用承載聚焦油的超聲波發(fā)生器產(chǎn)生超聲波促使乳狀液發(fā)生油水分離[3]；美國TeKsonix 公司將18～27kHz 頻率范圍的超聲波作用于油水分散體系，取得了非常好的效果[4]；Khapaev.V.M 等[5]則把焦點放在聲波作用時間上，經(jīng)過室內(nèi)試驗表明：將超聲波作用時間控制在10～15min 是原油脫水的最佳實驗條件; 薄家欣等[6]指出，超聲波的熱效應(yīng)會使原油黏度下降，進而促使油水分子間的黏聚力變小，更利于原油脫水；馮力等[7]評估了在一定條件下超聲-化學相結(jié)合輔助脫水的效果，發(fā)現(xiàn)相比單一輔助脫水，該聯(lián)合工藝脫水效果更好。雖然以上措施從多方面對超聲波原油脫水工藝實施了改進，但目前尚無比較系統(tǒng)的室內(nèi)試驗結(jié)果作為佐證[8-10]。

1 實驗部分

1.1 試劑及儀器

配置含水率42%左右、乳化現(xiàn)象嚴重的原油，（長慶油田某廠）；破乳劑：兩種常用破乳劑（PRⅢ和LE28 四川廣和水處理技術(shù)有限公司）配置而成；二甲苯（MIXED 溫州鼎誠化工有限公司）。

KMD 型超聲波發(fā)生器（頻率為28kHz，威海國創(chuàng)電氣有限公司）；HM 型超聲波換能器（深圳市愛發(fā)奧電子有限公司）；SL 型恒溫水槽（上海保占機械有限公司）；GBT8929 型原油水含量測量儀（精度為0.05mL，上海瞬宇恒平科學儀器）；dB-25C 型水聽器、DS1102E 型示波器（杭州瑞利超聲器件公司）；R30 型電動攪拌器（上海上平儀器有限公司）。

1.2 實驗設(shè)計及步驟

實驗依照國家標準CB / T260-1977《石油產(chǎn)品水分測定》，分析產(chǎn)出水中的含水率[11]。首先，將其它變量設(shè)為定值，單一分析其中一種變量對破乳效果的影響，進而優(yōu)選出各個參數(shù)的最佳原油破乳脫水范圍[12]，最后歸納出最適宜的參數(shù)組合，并通過設(shè)計試驗證明了聲-化相結(jié)合對原油破乳具有積極作用。

2 結(jié)果與討論

超聲波破乳的影響因素包括：超聲波聲強、輻射時間及水浴溫度等[13]，參數(shù)優(yōu)選實驗通過控制變量法逐一選出最適宜的破乳參數(shù)范圍。頻率對原油的脫水作用較為微弱，大量實驗研究表明，頻率達到28kHz時，油水分離效果十分顯著[14]，本實驗即選定在28kHz的頻率下進行參數(shù)試驗研究。

2.1 超聲波聲強

聲強是超聲波破乳工藝中最主要的影響因素之一，在超聲波頻率28kHz、恒溫水浴溫度80°C、超聲波作用時間15min，添加破乳劑30μg·g-1，沉降時間為60min 的工藝環(huán)境下，測得了不同聲強和油水分離的變化關(guān)系，結(jié)果見圖1。

圖1 超聲波聲強-原油含水率變化曲線Fig.1 Change curve of ultrasonic sound intensity and crude oil water content

由圖1 可以看出，聲強對分散體系中油水粒子分離的作用是顯著的。一開始，隨著聲強不斷增大，原油的含水率大幅度下降，達到某一范圍后，聲強繼續(xù)增大，反而促使原油乳化。根據(jù)結(jié)果可以看出，當聲強的數(shù)值為0.62W·cm-2，分散體系的脫水率達97.3%左右。在進行聲強參數(shù)優(yōu)選時，聲強并非越大越好，控制聲強在0.62W·cm-2為宜。

2.2 輻射作用時間

超聲波輻射作用時間也是原油破乳過程中不可忽略的參數(shù)之一。在超聲波頻率為28kHz 、恒溫水浴為80°C、聲波聲強為0.62W·cm-2、加入破乳劑30μg·g-1、沉降時間60min 的條件下，測得輻射作用時間與原油破乳后含水量的變化曲線，見圖2。

圖2 超聲波輻射時間-原油含水率變化曲線Fig.2 Change curve of ultrasonic radiation time and crude oil water content

由圖2 可知，含水率曲線整體呈先大幅度下降后趨于平緩的趨勢。隨著超聲波作用時間的增加，原油的脫水率不斷增大，但伴隨輻射時間超過10min后，脫水效果變化不大。由實驗結(jié)果表明：將超聲波輻射時間控制在10min 以內(nèi)，可有效實現(xiàn)原油脫水，輻射時間達到10min 時，脫水效果最佳。

2.3 沉降溫度

在頻率為28kHz、聲強為0.62W·cm-2、輻射時間為10min、加入破乳劑30μg·g-1、沉降時間60min 的實驗環(huán)境中，得出沉降溫度與原油脫水效果的變化趨勢，見圖3。

由圖3 可以看出，恒溫水浴溫度低于80°C 時，沉降溫度越高，原油含水率大幅度降低，原油脫水率由65%增至85%；當水浴溫度達到80°C 后，破乳后含水率達到最低值9%左右；溫度高于80°C 時，超聲波的強度變?nèi)?，原油的輕烴析出，造成原油黏度增大，使油水界面間的黏滯力變強，不利于原油破乳，因此，控制水浴溫度以80°C 為宜。

圖3 沉降溫度-原油含水率變化曲線Fig.3 Change curve of settlement temperature and crude oil water content

在自然沉降時，無論水浴溫度如何改變，曲線無大范圍浮動，意味著原油含水率基本不變。將兩者進行對比，證實了超聲波作用于油水分散體系的確具有促使油水分離的效果。

2.4 沉降時間

在超聲波頻率28kHz、聲強0.62W·cm-2、輻射時間10min、水浴溫度80°C、加入破乳劑30μg·g-1的環(huán)境中，研究沉降時間與分散體系含水率的變化關(guān)系，結(jié)果見圖4。

圖4 沉降時間-原油脫水率的變化曲線Fig.4 Change curve of settling time and crude oil dehydration rate

由圖4 可知，自然沉降與超聲波破乳的曲線走向大致相同，隨著沉降時間的不斷延長，原油的脫水率也相應(yīng)增大。分散體系的含水率在60min 前顯著降低，但隨著時間的延續(xù)，其油水分離效果十分微弱。但這種趨勢非常緩慢。依照實驗結(jié)果表明：在沉降時間達60min 時，分散體系含水率降至最低。且在自然沉降時，曲線的變化幅度很小，原油含水率改變不大，進一步證明了超聲波可輔助原油進行破乳脫水。

2.5 破乳劑使用量

在頻率28kHz、聲強0.62W·cm-2、輻射時間10min、水浴溫度為80°C、沉降時間為60min 的實驗環(huán)境中，分析破乳劑使用量與原油含水率的變化趨勢，結(jié)果見圖5。

圖5 破乳劑使用量-原油脫水率的變化曲線Fig.5 Variation curve of demulsifier usage and crude oil dehydration rate

由圖5 可知，破乳后分散體系的含水率整體處于下降趨勢。當下降到一定值后，向原油中繼續(xù)添加破乳劑，其含水率無明顯改變。當原油中破乳劑含量較低時，主要依靠置換來脫水。原油中的破乳劑濃度較高時，主要依靠膠溶作用實施破乳，此時的油水界面張力作用反而增強。上述實驗表明，添加過量的破乳劑不僅起不到應(yīng)有的成效，反而還會導(dǎo)致資源浪費。從測量結(jié)果可以看出，當劑量加至30μg·g-1時，分散體系中脫水率可達85%。繼續(xù)加大劑量到60μg·g-1，原油脫水率為85.6%，兩者差異甚微，因此，選擇破乳劑使用量以30μg·g-1為宜。

2.6 結(jié)合化學破乳優(yōu)選最佳去水條件

在28kHz 頻率下，聲波聲強為0.62W·cm-2、輻射作用時間10min、恒溫水浴為80°C、破乳劑的使用量至30μg·g-1且沉降時間達60min 后，將聲波、化學劑單獨及兩者結(jié)合作用于原油，得出各自的原油含水率變化曲線，見圖6。

圖6 不同破乳劑-原油含水率的變化曲線Fig.6 Variation curves of different demulsifiers and crude oil water content

由圖6 可知，在沉降時間60min 后，聲-化相結(jié)合作用下的原油含水率比單獨使用兩種工藝的原油含水率降低了3.4%和9.4%，破乳效果明顯更優(yōu)。

在破乳劑使用量為30μg·g-1的情況下，利用正交實驗對超聲波聲強、輻射時間、沉降溫度和沉降時間進行了對比和分析，靜態(tài)分析軟件用于統(tǒng)計每個要素的影響因子，得出影響因子大小的序列：聲波輻射時間＞沉降溫度＞沉降時間＞超聲波聲強。需要說明的是，本室內(nèi)實驗所得的最優(yōu)影響參數(shù)的范圍適合于長慶某油田區(qū)塊的原油，針對原油的來源不同，優(yōu)選出的最優(yōu)參數(shù)范圍亦不盡相同。通過顯微鏡觀察，超聲波處理后油水分散體系中的油水粒子的直徑明顯變小，油水乳狀液中的油水粒子數(shù)量也相對減少?？梢姡瑢⒊暡☉?yīng)用于原油破乳工藝流程可大大提升原油的脫水率，進而提高其回收效果，意義重大。

3 結(jié)論

（1）在聲波輔助原油破乳工藝流程中，影響破乳效果的首要因素為輻射時間，其次為沉降水浴溫度，而后為沉降時間，再次為聲強。

（2）結(jié)合控制變量法確定其輔助去水的最佳參數(shù)：頻率28kHz，聲學聲強0.62W·cm-2，輻射作用時間10min，恒溫水浴80℃、破乳劑使用量30μg·g-1、沉降時間60min。此工藝環(huán)境下，原油脫水率最高為93.6%，破乳效果最好。

（3）在其它條件相同的情況下，將超聲波聯(lián)合化學破乳與單獨使用超聲波和化學破乳在最佳條件下進行脫水，比較脫水效果后發(fā)現(xiàn)，分散體系的含水率降低了4～15 個百分點，驗證了聯(lián)合破乳的有效性。