高壓脈沖交流電場破乳脫水研究范文

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《過程工程學(xué)報》2015年第六期

摘要：

在測定老化油乳化液粘度溫度曲線、含水率反相點曲線的基礎(chǔ)上，采用靜態(tài)靜電聚結(jié)破乳實驗裝置研究了油水反相特性對電場破乳脫水效果的影響，使用自主搭建的動態(tài)破乳脫水特性快速評價裝置研究了高頻/高壓脈沖交流電場下電場強度和頻率對老化油乳化液破乳脫水效果的影響.結(jié)果表明，流花油田老化油反相點含水率約為40%，油水反相過程中乳化液粘度增加，電場破乳脫水難度增大；老化油乳化液含水率為30%時，最優(yōu)電場強度1.25kV/cm、電場頻率2.5kHz下破乳后的離心脫水率為97.8%，遠高于工頻電場下的離心脫水率(4.2%)，高頻/高壓電場破乳比工頻/高壓電場破乳優(yōu)勢明顯.

關(guān)鍵詞：

老化油；W/O型原油乳化液；乳化液反相；高頻/高壓脈沖交流電場；電場破乳；離心脫水

1前言

中海油流花油田的原油為高密度、高黏度、低硫、低蠟、低凝固、低溶解氣油比、欠飽和環(huán)烷基生物降解程度較高的重質(zhì)原油，加上井液中攜帶了大量粒徑小、具有很強吸油性的礁灰?guī)r粘土類泥砂，使原油易乳化且乳化液導(dǎo)電性較強，往往會導(dǎo)致動態(tài)電脫鹽器(Electro-dynamicDesalter,EDD)無法正常工作，產(chǎn)生了大量老化油[1].由于缺乏有效的處理措施，現(xiàn)場不得不將老化油放在南海勝利號污油艙中，定期轉(zhuǎn)運至煉油廠加工處理，往往因擠占大量艙容而導(dǎo)致壓產(chǎn)[2].國內(nèi)外陸上或海上對油田老化油的處理已圍繞電場破乳、化學(xué)破乳、微波破乳、超聲波破乳、離心分離等開展了大量應(yīng)用基礎(chǔ)研究，但迄今仍未有效解決[3,4].近年來研究[57]發(fā)現(xiàn)，高頻/高壓脈沖交流電場比傳統(tǒng)工頻電場更能有效增加液滴間的接觸碰撞幾率，同時液滴高頻振蕩有利于油水界面膜破碎，提升了脫水效率.高頻/高壓交流脈沖電場已逐步得到國內(nèi)外認可，如美國Cameron集團推出了基于雙頻電場的原油電脫水(鹽)技術(shù)[8]，備受關(guān)注的緊湊型靜電聚結(jié)設(shè)備，如緊湊型靜電聚結(jié)器(CompactElectrostaticCoalescer,CEC)和容器內(nèi)置式靜電聚結(jié)器(VesselInternalElectrostaticCoalescer,VIEC)也配套使用了高頻/高壓脈沖交流電源[9,10].國內(nèi)以寧波大榭石化有限公司為代表的幾家石化企業(yè)曾對常減壓裝置前的配套電脫鹽系統(tǒng)進行了高頻技術(shù)改造，效率有所提升，但工作頻率僅為300Hz，且電壓波形的正負相態(tài)扭曲較嚴重[11].常俊英等[12]對海洋油田原油乳化液高頻/高壓電場電脫水特性進行了研究，結(jié)果證明適當提高電場頻率能明顯增加電脫水效率.李銳鋒等[13]用高頻/高壓脈沖交流電源(頻率5005000Hz連續(xù)可調(diào))對中原油田老化油乳化液開展了回摻電場破乳實驗研究，取得了較好的破乳脫水效果.但迄今為止，國內(nèi)不僅尚未就不回摻狀態(tài)下高頻/高壓脈沖交流電場用于老化油破乳脫水進行研究，且電場破乳實驗全部在靜態(tài)條件下進行.靜電聚結(jié)過程中液滴最初相互靠近主要是由外部流體湍流所致[14,15]，因此靜態(tài)條件下電場破乳脫水實驗與連續(xù)動態(tài)破乳的實際工況相差較大.本工作對取自流花11-1油田的老化油樣品使用高頻/高壓脈沖交流電源破乳脫水，圍繞老化油粘度、溫度特性、乳化液油水反相點、靜態(tài)破乳脫水特性、動態(tài)破乳脫水特性等開展基礎(chǔ)研究.

2實驗

2.1實驗材料老化油取自南海流花11-1油田南海勝利號FPSO的3C艙，配制乳化液用水為現(xiàn)場生產(chǎn)水樣.在2000mL燒杯內(nèi)按比例倒入1900mL老化油和水樣，置于70℃恒溫水浴內(nèi)預(yù)熱5min.啟動高剪切分散機以19000r/min的轉(zhuǎn)速剪切油水混合物5min，同時用玻璃棒輔助攪拌.在70℃恒溫水浴中靜置5min.老化油和水均取自油田現(xiàn)場，含大量瀝青質(zhì)/膠質(zhì)等天然乳化劑，可保證配制乳化液的組分特性與現(xiàn)場基本一致.但由于剪切乳化條件遠高于油田現(xiàn)場，因此配制的乳化液具有更高的穩(wěn)定性，破乳脫水難度更大，實驗結(jié)果也更有說服力.

2.2實驗裝置與分析儀器靜態(tài)靜電聚結(jié)破乳實驗裝置如圖1(a)所示，該實驗裝置為3層環(huán)形玻璃圓筒立式同心布局結(jié)構(gòu)，原油乳化液裝在圖1(b)所示的錐底量筒(最大容積280mL)內(nèi)，高壓電極棒浸沒其中；錐底量筒浸沒在與地線相連的靜態(tài)NaCl溶液中，在高壓電極棒與環(huán)形NaCl溶液間形成非均勻電場空間；最外層環(huán)形空間與恒溫水浴箱連接形成循環(huán)回路，使乳化液保持在實驗溫度.裝置頂部的有機玻璃蓋配合底部的凹槽對錐底量筒起定位作用，使其保持垂直狀態(tài).裝置的全部圓筒都采用透明玻璃材質(zhì)，便于隨時觀察乳化液在電場破乳過程中的沉降分離情況.

動態(tài)破乳脫水特性快速評價裝置流程如圖2所示.在快速評價裝置主體部分兩側(cè)的端蓋上分別澆鑄2塊相互連接的電極板，極板表面均用澆鑄環(huán)氧樹脂進行絕緣處理，2組極板交錯布置形成曲折的流動空間，左側(cè)端蓋上的極板與高壓放大器輸出端相連，右側(cè)端蓋上的極板與接地端子相連，形成近似均勻電場空間.裝置設(shè)計小型化，運行過程中循環(huán)1次所需乳化液最少為3L，設(shè)備主體采用有機玻璃材質(zhì)，便于實時觀測內(nèi)部的分離情況.老化油粘度測量使用HAAKERotoVisco1旋轉(zhuǎn)粘度計(德國HAAKE公司)，通過搭配不同的定子、轉(zhuǎn)子，測量0.11000000mPas范圍內(nèi)復(fù)雜流體的粘度值；乳化液配制使用FLUKOFA25型高剪切分散機(德國FLUKO公司)，在1000028000r/min之間實現(xiàn)無級調(diào)速，單次最大處理量為5000mL；高壓電場由GWInstekFunctionGeneratorGFG-3015信號發(fā)生器(臺灣固緯電子有限公司)、TrekModel10/40A-HS電壓放大器(日本TREK公司)聯(lián)合提供，為乳化液施加不同電壓(1010000V)、不同頻率(10kHz15MHz)、不同波形的電場.用GWInstekOscilloscopeGOS-62020MHz示波器(臺灣固緯電子有限公司)實時監(jiān)測電壓和電流，離心脫水使用ORTOALRESAdigtor-21c型離心機(西班牙ORTOALRESA公司)，最高轉(zhuǎn)速3000r/min、最高工作溫度100℃.

2.3實驗方法

2.3.1破乳脫水實驗用靜態(tài)靜電聚結(jié)破乳實驗裝置進行老化油乳化液油水反相特性實驗.取約80mL配制好的不同含水率的乳化液倒入錐底量筒內(nèi)，插入高壓電極棒，設(shè)定好電場參數(shù)并接通電源.脫水過程中需實時觀察錐底量筒底部是否出現(xiàn)沉降水及油水界面的變化情況，待油水界面高度穩(wěn)定后，切斷電源并記錄脫出水體積.用動態(tài)破乳脫水特性快速評價實驗裝置進行老化油乳化液的靜態(tài)聚結(jié)破乳實驗.將配制好的原油乳化液倒入供料罐中，接通加熱設(shè)備為乳化液提供熱源，使其穩(wěn)定在70℃.打開球閥，用計量泵將乳化液以0.05L/s流速送至靜電聚結(jié)破乳裝置中(乳化液在電場中的停留時間約為20s)，接通高壓/高頻脈沖交流電源，將經(jīng)電場聚結(jié)破乳的乳化液送至回收罐內(nèi)儲存.用離心機專用圓底量筒在前取樣口取70mL乳化液作為對比試樣，1min后在后取樣口取70mL電場破乳后乳化液試樣.關(guān)閉電源，將2個樣品同時放入離心機內(nèi)，按完全相同的運行參數(shù)[轉(zhuǎn)速1500r/min(等效重力加速度為528g)、溫度70℃]離心分離2min，分別記錄2個試樣內(nèi)沉降出水體積.

2.3.2分析檢測方法靜態(tài)靜電聚結(jié)破乳實驗根據(jù)下式求最終脫水率在動態(tài)破乳脫水單因素實驗中，用離心機對乳化液離心脫水，通過對比電場破乳前后的離心脫水率評價不同參數(shù)下電場破乳效果，比水滴粒徑分析等常規(guī)評定方式，能從更加工程化的角度對電場破乳脫水效果做出評價，結(jié)果更具指導(dǎo)價值.實驗過程中分別記錄前取樣口和后取樣口所取試樣離心后脫出水體積，根據(jù)式(1)計算兩試樣的脫水率.

3結(jié)果與討論

3.1老化油乳化液的粘溫特性和油水反相特性分析溫度和含水率是影響原油乳化液流變特性的重要因素，通常情況下原油乳化液粘度隨溫度升高而下降.在發(fā)生油水反相前，隨含水率升高原油乳化液粘度增大，并逐漸由牛頓流體轉(zhuǎn)變成非牛頓流體，含水率增大到一定程度時乳化液中部分自由水析出使粘度開始下降，過高的粘度及過多的自由水均會對電場破乳造成不良影響[16].因此研究流花油田老化油乳化液在不同溫度下的粘度及含水率變化過程中油水的反相特性，對電場破乳脫水實驗研究有參考價值.圖3為不同含水率的老化油乳化液在不同溫度下的粘度、溫度曲線.由圖可看出，流花油田老化油乳化液的粘度對溫度和含水率均較敏感，隨溫度升高粘度下降，高含水率的老化油乳化液的粘度在相同溫度下都明顯高于含水率1%的老化油乳化液；不同含水率的老化油乳化液的粘度、溫度特性呈很好的規(guī)律性，低于60℃時粘度隨溫度升高快速下降，大于70℃后粘度隨溫度變化相對較平緩，不同含水率的老化油乳化液的粘度相差無幾.分散相水滴在運動過程中主要受連續(xù)油相對其施加的拖拽阻力。顯然，較大的粘度會使分散相水顆粒在電場作用下發(fā)生移動時受到較大的拖拽力，運動速度降低，破乳脫水難度增大.考慮到動態(tài)破乳脫水實驗中老化油乳化液的流動性應(yīng)盡可能好，同時兼顧油氣集輸流程實際運行工況，實驗溫度設(shè)定為70℃.圖4為不同溫度下老化油乳化液的反相點關(guān)系曲線.乳化液發(fā)生反相前，隨含水率增加，W/O型乳化液中分散相水顆粒間的接觸碰撞機會增多，體系的非牛頓性增強，導(dǎo)致粘度增加，含水率約為40%時老化油乳化液的粘度達最大值.隨含水率進一步增加，大量分散相水顆粒相互接觸，導(dǎo)致乳化液界面張力增大，不穩(wěn)定性增強，油水界面膜破碎后重新構(gòu)造，形成復(fù)雜的O/W/O型(油包水包油型)或W/O/W型(水包油包水型)多重乳化液；含水率繼續(xù)增大時，乳化液中出現(xiàn)游離水，此時乳化液已從低含水率時的W/O型轉(zhuǎn)變?yōu)镺/W型，該過程稱為乳化液反相，使乳化液發(fā)生反相的含水率為反相點.在實驗的剪切乳化條件下，流花老化油乳化液的反相點在含水率約40%，且隨溫度升高，乳化液反相點前后粘度變化幅度減小.適當升高溫度有助于減小含水率變化對乳化液粘度變化的影響，這與劉冰等[17]對普通原油的乳化液反相特性研究所得的結(jié)論基本一致.

3.2老化油乳化液的靜態(tài)聚結(jié)破乳特性圖5為靜態(tài)靜電聚結(jié)破乳實驗裝置橫截面，距離高壓電極中心距離R處的電場強度E可由下式近似計算.可見越靠近高壓電極電場強度越大.在均勻電場中，乳化液分散相水滴所受電場力主要包括偶極吸引力和電泳力，而在非均勻電場中，受電場感應(yīng)形成的誘導(dǎo)偶極子還會受介電泳力的作用，3種受力具體形式如圖6所示，其中介電泳力可由下式求出.實驗中參數(shù)設(shè)定為：電壓均值2kV，電場頻率2500Hz，實驗溫度70℃.實驗過程中電場參數(shù)和剪切乳化條件不變，僅乳化液含水率變化對最終的脫水率有影響，結(jié)果如圖7所示.含水率較低時乳化液中水顆粒多為小粒徑球形水滴，能形成較穩(wěn)定的W/O型乳化液.根據(jù)式(4)可知，在其他參數(shù)不變的條件下，水滴粒徑越小受到的介電泳力越小，發(fā)生碰撞聚結(jié)的可能性越低，最終增加了電場破乳脫水難度[18]，具體表現(xiàn)為含水率為10%時脫水率僅有35%；隨乳化液含水率逐漸升高，水顆粒增多、平均粒徑增大，在電場作用下更易發(fā)生碰撞聚結(jié)，含水率為30%時脫水率達92%.本實驗中在含水率為35%和40%時，電場破乳后脫水率明顯降低，與宋昭崢等[19]在反相乳化液體系穩(wěn)定性研究中得出的乳化液穩(wěn)定性隨油水比例的上升而增強、在油水體積比為1.5時穩(wěn)定性最高的結(jié)論吻合.此時乳化液已成為含大量水包油顆粒或油包水顆粒的復(fù)雜多重乳化液，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不利于電場破乳脫水，含水率為40%時脫水率降低到83%；當含水率超過反相點40%后，老化油乳化液中已出現(xiàn)大量游離水，逐漸由低含水率時以W/O型乳化液為主轉(zhuǎn)變成以O(shè)/W型乳化液為主，隨含水率升高，脫水率持續(xù)增大，含水率60%時脫水率最高達98.5%.

3.3動態(tài)破乳脫水單因素實驗動態(tài)破乳脫水特性快速評價裝置中流動的原油乳化液基本處于均勻電場中，分散相水顆粒的聚結(jié)方式主要以偶極聚結(jié)和振蕩聚結(jié)為主，當相鄰2個液滴的間距大于液滴半徑時，液滴間的靜電力作用于液滴中心.圖8為均勻電場中誘導(dǎo)偶極子的受力模型，其中液滴所受徑向力Fr和切向力F可由下式近似求出：

3.3.1電場頻率保持含水率30%、電場強度1.25kV/cm不變，考察不同電場頻率(4.0,3.5,3,2.5,2,1.5,50Hz)對老化油乳化液破乳脫水效果的影響，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制離心脫水率與頻率關(guān)系曲線，如圖9所示.取樣口樣品(未經(jīng)電場破乳處理)離心脫水后均無肉眼可見的水相析出，可知乳化液穩(wěn)定.老化油乳化液經(jīng)50Hz電場破乳后的離心脫水率僅有4.2%，隨電場頻率增加乳化液離心脫水率增大，當電場頻率達2.5kHz時離心脫水率達最大值97.8%；電場頻率繼續(xù)增大離心脫水率反而減小，電場頻率為4kHz時離心脫水率僅為41.7%，與電場頻率為1.5kHz的離心脫水率相同.根據(jù)式(5)和(6)可知，改變電場方向并不會影響2個水滴之間的偶極吸引力，但使極化水滴先中和內(nèi)部的電荷再極化，使水滴在電極間振蕩往復(fù)，增大了碰撞聚結(jié)的可能性[20]；且隨交流脈沖電場方向改變，受電泳力的影響分散相水滴的形狀也發(fā)生周期性變化，促進油水界面膜破碎，當電場頻率接近乳化液中分散相水顆粒的固有頻率時，水滴振蕩幅度最大，原油乳化液處于最不穩(wěn)定狀態(tài)，大量水顆粒碰撞聚結(jié)，導(dǎo)致水滴直徑變大而有利于離心脫水，靜電聚結(jié)破乳效果最優(yōu)；當電場頻率偏離最優(yōu)頻率時，液滴極化速度小于電場變化速度而發(fā)生松弛效應(yīng)，若繼續(xù)增加電場頻率，水滴所受電場力減小，振蕩幅度減弱，靜電聚結(jié)破乳效果降低.Galina等[21]用挪威北海真實原油進行電流變學(xué)特性分析，結(jié)果顯示，電場頻率不同會影響乳化液的粘度，但未對不同頻率電場的破乳脫水效果做出評價.本實驗發(fā)現(xiàn)，老化油乳化液的電場破乳脫水，高頻電場破乳效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)工頻電場，且電場頻率存在最優(yōu)值.

3.3.2電場強度保持含水率30%、電場頻率2.5kHz不變，考察不同電場強度(0.42,0.83,1.25,1.67,2.08kV/cm)對原油乳化液破乳脫水效果的影響，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制老化油乳化液離心脫水率與電場強度關(guān)系曲線，如圖10所示.由圖可知，經(jīng)0.42kV/cm的電場破乳離心后無沉降水析出，而電場強度為1.25kV/cm時的離心脫水率達最大值97.8%.對原油乳化液電場破乳，當有效電場強度低于分散相水滴發(fā)生碰撞聚結(jié)所需最小電場強度時，水滴所受偶極吸引力不足以克服運動過程中油相對其施加的拖拽阻力，此時分散相水滴間的碰撞聚結(jié)很難影響乳化液的穩(wěn)定性；而當電場強度超過1.25kV/cm時，離心脫水率隨電場強度增大而逐漸減小；當電場強度達2.08kV/cm時脫水率減小到62.5%.分散相液滴發(fā)生變形有利于油水界面膜發(fā)生薄化以致失穩(wěn)，促使接觸的液滴聚結(jié)，但對乳化液施加的電場強度過大時，分散相水滴在被過度拉伸后變?yōu)樗笮危瑯O限狀態(tài)下在錐形尖端發(fā)生頸縮形成二次液滴，稱為電分散現(xiàn)象[22,23].電分散不僅使已聚結(jié)的液滴在電場力的撕扯下重新破碎，且形成的二次液滴粒徑往往較小，從而增加了進一步電場破乳脫水的難度.實驗表明，流動狀態(tài)下，對于特定原油乳化液的電場破乳，電場強度存在最優(yōu)值.

4結(jié)論

結(jié)合老化油粘溫特性分析，使用靜態(tài)靜電聚結(jié)破乳實驗裝置，對流花油田老化油乳化液在含水率變化過程中油水反相特性對電場破乳脫水的影響進行了研究，使用動態(tài)破乳脫水特性快速評價裝置，考察了電場強度、電場頻率對老化油乳化液破乳脫水性能的影響，得到結(jié)論如下：(1)在實驗溫度70℃、剪切轉(zhuǎn)速19000r/min、剪切時間5min的條件下，流花11-1油田老化油乳化液含水反相點為含水率40%，反相點處乳化液粘度達最大值.乳化液反相過程中因內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，乳化液穩(wěn)定性增強，對靜態(tài)靜電聚結(jié)破乳脫水效果有不良影響.(2)電場破乳脫水過程中電場強度、電場頻率均存在最優(yōu)值，超過最優(yōu)值后，再增加電場強度與電場頻率均會導(dǎo)致離心脫水率降低.(3)乳化液含水率30%時的最優(yōu)電場強度為1.25kV/cm，電場頻率為2.5kHz，該條件下2.5kHz電場的離心脫水率為50Hz電場的23.3倍.

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作者：潘澤昊 陳家慶 張龍 李峰 王春升 謝日彬 李平 單位：北京石油化工學(xué)院機械工程學(xué)院 中海石油(中國)有限公司深圳分公司 中海油研究總院技術(shù)研發(fā)中心