張鴻凱，翟 東，唐 勇

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300457)

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垂直極板電脫水器技術(shù)在注聚油田的應(yīng)用

張鴻凱，翟 東，唐 勇

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300457)

針對(duì)近年來注聚工藝給原油電脫水系統(tǒng)帶來的諸多影響，從垂直極板技術(shù)著手，分析電脫水器設(shè)備在注聚油田應(yīng)用的問題及改造方案，通過現(xiàn)場(chǎng)改造應(yīng)用驗(yàn)證了垂直極板電脫水器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

注聚油田；垂直極板；安全高效

目前，海上部分油田已進(jìn)入開發(fā)末期，產(chǎn)量不同程度地遞減，聚合物驅(qū)油技術(shù)在提高采收率方面發(fā)揮著重要作用，保障著油田的穩(wěn)定生產(chǎn)。但隨著聚合物采油技術(shù)的不斷推廣應(yīng)用，注聚含量也不斷加大，原油工藝處理流程也顯現(xiàn)了諸多不適用性。尤其在原油脫水系統(tǒng)中，出現(xiàn)了電脫水器脫水困難、極板壓塌、運(yùn)行不穩(wěn)定及頻繁跳電等不正?，F(xiàn)象，嚴(yán)重影響了原油處理效果，影響了原油的外輸質(zhì)量，同時(shí)也對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)提出了挑戰(zhàn)[1-2]。

1 原因分析

電脫水器是原油處理系統(tǒng)中不可或缺的重要設(shè)備，其對(duì)處理后的成品油質(zhì)量和污水指標(biāo)具有決定性影響[3]。其內(nèi)設(shè)有多層極板，外接直流或交流電源經(jīng)變電器在罐體形成脫水高壓電場(chǎng)，原油流經(jīng)罐內(nèi)高壓電場(chǎng)，在電場(chǎng)的作用下，油中水滴的界面膜強(qiáng)度得到削弱，水滴間加速碰撞，聚結(jié)成為粒徑較大的水滴，在原油中沉降分離出來。

電場(chǎng)形式和電極板結(jié)構(gòu)形式是電脫水器設(shè)備的關(guān)鍵?，F(xiàn)有的電脫水器電場(chǎng)普遍采用工頻交流電場(chǎng)和改進(jìn)型的交直流電場(chǎng)形式，結(jié)構(gòu)形式普遍為水平結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表明，上述電場(chǎng)及結(jié)構(gòu)形式在注聚油田的電脫運(yùn)行中均有不足。

1.1 電場(chǎng)形式

交流或直流電脫水電源形式存在電耗大，處理能力低，適用性差，易跳電等問題。伴隨酸化、洗井等頻繁修井作業(yè)，返排液經(jīng)沉降分離后仍含有大量的聚合物，使原油乳化嚴(yán)重，更加大了脫水難度，使得電脫水器破乳難、脫水效果差，油水界面控制困難，電場(chǎng)運(yùn)行不穩(wěn)定，導(dǎo)致頻率“倒電場(chǎng)”現(xiàn)象。有時(shí)設(shè)備電場(chǎng)強(qiáng)度過高，原油在強(qiáng)電場(chǎng)條件下，油中水滴極易形成水漣，造成短路危險(xiǎn)，給正常生產(chǎn)帶來極大的隱患，同時(shí)脫水質(zhì)量下降，污水系統(tǒng)負(fù)荷增加，設(shè)備運(yùn)行效率降低[4-6]。

1.2 電極板結(jié)構(gòu)形式

目前在國內(nèi)油田系統(tǒng)中的電脫水器設(shè)備，應(yīng)用水平極板形式最為普遍,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工藝也較為成熟, 極板布置為2層或3層。電脫水器工作時(shí),極板與罐體間形成弱電場(chǎng)，極板間形成強(qiáng)電場(chǎng)。含水原油經(jīng)進(jìn)油管線進(jìn)入電脫水器，先后經(jīng)過弱電場(chǎng)及強(qiáng)電場(chǎng),含水原油中尺寸較大的水滴和尺寸較小的水滴可分別得到分離。這種形式的極板結(jié)構(gòu)可保證含水原油在進(jìn)入強(qiáng)電場(chǎng)時(shí),不會(huì)因其含水率太高引起電擊穿現(xiàn)象。但隨著聚合物的使用,含聚原油的油水界面膜更加牢固，其電導(dǎo)率也顯著增加。這不僅會(huì)造成設(shè)備脫水效果的降低,而且增加了電極短路的幾率,使得設(shè)備頻繁跳電甚至造成電極擊穿。

同時(shí)，由于水平極板的固有結(jié)構(gòu)形式，含聚原油極易在極板上吸附形成污垢。并不斷擴(kuò)大形成污垢沉積，對(duì)水平極板的承受力造成極大考驗(yàn)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐蓸O板壓塌現(xiàn)象，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的安全生產(chǎn)帶來極大隱患。

2 電脫水設(shè)備的新技術(shù)

電場(chǎng)是影響電脫水器脫水效果的最根本影響因素，電場(chǎng)產(chǎn)生的先決條件又是電源與電極板結(jié)構(gòu)。通過對(duì)設(shè)備電源及極板結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行研究改進(jìn)可顯著改善設(shè)備運(yùn)行效果[7]。

通過對(duì)設(shè)備電源、電極板結(jié)構(gòu)和布局形式以及含水原油的流動(dòng)特性進(jìn)行深入分析，最終開發(fā)出適用于海上注聚稠油油田的高頻矩形波電源與垂直電極板形式相結(jié)合進(jìn)行脫水的電脫水器新技術(shù)[8]。為驗(yàn)證新技術(shù)的脫水效果，需要針對(duì)目標(biāo)含聚油田的油樣建立動(dòng)態(tài)脫水實(shí)驗(yàn)裝置，開展動(dòng)態(tài)脫水實(shí)驗(yàn)，考察新技術(shù)在不同脫水因素下的脫水效果。

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置的建立

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況的模擬，按一定計(jì)算比例進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立垂直極板電脫水器的實(shí)驗(yàn)裝置，其關(guān)鍵參數(shù)如下。

1)實(shí)驗(yàn)裝置工作壓力為0.3～0.7 MPa，原油加熱溫控范圍為室溫約120 ℃，電源脫水功率小于20 W。

2)電極板設(shè)計(jì)為8層電極板垂直設(shè)置，每隔一層互聯(lián)，引出2個(gè)高壓脫水電極。

3)脫水電源設(shè)計(jì)為通過IGBT裝置輸出為高頻矩形波電源，頻率設(shè)計(jì)為50～2 000 Hz可調(diào)，電壓設(shè)計(jì)為200～300 V/cm可調(diào)。

2.2 脫水實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)油樣選取遼東作業(yè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)含聚原油，通過進(jìn)行以原油含水量、聚合物含量和化學(xué)藥劑的投放量為變量的正交實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該新技術(shù)對(duì)不同含水注聚原油的適用性、節(jié)能性及對(duì)脫水處理效果的影響，并對(duì)成品設(shè)計(jì)提供大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)分別模擬靜態(tài)原油處理及循環(huán)流動(dòng)的動(dòng)態(tài)原油處理，針對(duì)不同特性原油進(jìn)行交叉實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用垂直極板技術(shù)的電脫水器設(shè)備各情況下均優(yōu)于傳統(tǒng)電脫水器。

3 新技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)改造

在模擬實(shí)驗(yàn)成功的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)適用于含聚原油的電脫水器結(jié)構(gòu)改造方案，在遼東作業(yè)區(qū)SZ36-1原油處理廠進(jìn)行改造，配合現(xiàn)場(chǎng)的高頻矩形波電源進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。改造工作主要有以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

3.1 垂直電極板改造

拆除原設(shè)備內(nèi)部的網(wǎng)狀水平極板結(jié)構(gòu)，改造為垂直極板結(jié)構(gòu)。

原水平極板的電場(chǎng)結(jié)構(gòu)為垂直電場(chǎng)，油流上升與電場(chǎng)為同方向，水滴的碰撞幾率大大減小。水平網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)同時(shí)容易造成泥沙堆積，堆積到一定量后極板會(huì)發(fā)生下垂、變形，導(dǎo)致局部電場(chǎng)間距減小，造成電流變大，電場(chǎng)的效率降低。

改造后垂直極板的電場(chǎng)結(jié)構(gòu)為水平電場(chǎng)，油流上升與電場(chǎng)成垂直方向，提高了水滴的碰撞幾率。垂直極板形成的電場(chǎng)分三部分，電極桿與油水界位形成交流弱電場(chǎng)，交流弱電場(chǎng)將大部分水滴脫除，極桿間和極板間分別形成直流中電場(chǎng)和直流強(qiáng)電場(chǎng)，將細(xì)小的水滴聚集后進(jìn)一步脫除。

3.2 進(jìn)油管改造

將原方形開孔、水平方向的進(jìn)油管線改造為圓形開孔、垂直向下左右各45°的進(jìn)油管線。

原進(jìn)油分配管，油流出口開孔為長(zhǎng)方形，流速為0.042 m/s,原油剛出孔后就沿管壁上升，造成原油噴的距離不夠遠(yuǎn)，分配不均勻，局部地方的電場(chǎng)未對(duì)原油起到脫水作用。

改造后的進(jìn)油管線垂直向下左右各45°，保證了泥沙不容易堆積在分配管里，也不容易堆積在出口孔上。而且由于原油分配管設(shè)計(jì)在該界面四等分位置上距中心線800 mm，保證油流出來后能夠在該界面上分配均勻。且改造后的圓形開孔增加了流速至0.74 m/s。

3.3 水沖洗系統(tǒng)改造

增加水沖洗系統(tǒng)，噴嘴采用新型V行噴嘴 。水沖洗接管焊接在罐體中間偏中30度的人孔法蘭蓋上。長(zhǎng)期運(yùn)行后罐內(nèi)泥沙堆積嚴(yán)重，水相沒有足夠的空間，造成排水含油超標(biāo)。若水界位提高又會(huì)造成電場(chǎng)不能正常工作。

改造后新增水沖洗系統(tǒng)，沖洗方向朝排泥口方向，定期沖洗后可將罐內(nèi)泥沙和聚合物沖洗掉，保證油水界位穩(wěn)定。V形噴嘴的噴射形狀為鏟狀，能有效沖洗泥沙。通過來料中的泥沙量來確定沖洗周期，一般一周2次，1次30 min。水的壓力大于罐的操作壓力0.4 MPa,流量 60 m3/h。

3.4 改造評(píng)估

經(jīng)過改造后的電脫水器設(shè)備經(jīng)過運(yùn)行評(píng)估，其脫水效果優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)備，處理效果達(dá)到了1%處理要求；運(yùn)行穩(wěn)定，對(duì)注聚原油的適用性較強(qiáng)，基本杜絕了設(shè)備頻繁跳電現(xiàn)象的發(fā)生；相比傳統(tǒng)設(shè)備單臺(tái)節(jié)能效果達(dá)70%以上；從根本上避免了極板上的污垢沉積現(xiàn)象，大大提高了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的安全性。

4 結(jié)束語

采用垂直極板的電脫水器裝置配合高頻矩形波電源的電脫水新技術(shù)設(shè)備對(duì)含聚稠油具有很好的適用性、脫水效率優(yōu)秀，可有效提高原油外輸質(zhì)量。在設(shè)備工作過程中避免了跳電、極板壓塌等潛在風(fēng)險(xiǎn)，提高了工藝系統(tǒng)的安全及穩(wěn)定性。同時(shí)，經(jīng)過對(duì)電量測(cè)量對(duì)比，新設(shè)備顯著節(jié)能，可有效減少電站負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。垂直極板電脫水器的改造經(jīng)過前期研究、實(shí)驗(yàn)?zāi)M、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等完整過程，思路新穎，運(yùn)行高效，穩(wěn)定可靠，節(jié)約電能，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

[1] Afshin Pak, Toraj Mohammadi. Waste water treatment of desalting units[J]. Desalination，2008,(222):249-254.

[2] 馬健偉,宋亞瑞,宋華,等.考慮脫水電流的破乳劑篩選[J].油氣田地面工程,2006,25(10):14.

[3] 王春升.淺談原油電脫水器的設(shè)計(jì)[J].中國海上油氣(工程),1998,10(5):14-18，23.

[4] 張鴻凱.電脫水器新技術(shù)在原油處理中的應(yīng)用[J].中國造船,2010(A02):287-291.

[5] 肖蘊(yùn),趙軍凱,許濤,等.原油電脫水器技術(shù)進(jìn)展[J].石油化工設(shè)備,2009,38(6):49-53.

[6] 王明信,李政軍.聚驅(qū)采出液電脫水技術(shù)[J].油氣田地面工程,2001,20(3):29，34.

[7] 侯衛(wèi)妮.矩形波交流脈沖脫水電源在海洋平臺(tái)上的應(yīng)用研究[D].東營(yíng)：中國石油大學(xué)，2010.

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Application of Electric Dehydrator’s Vertical Plate in Polymer Flooding Oilfield

ZHANG Hong-kai, ZHAI Dong, TANG Yong

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300457, China)

In recent years, polymer flooding process has brought a lot of impact on the electric dehydration system of crude oil. Form technology view of the vertical plate, the problems and reconstruction optimization scheme in the application of the electric dehydrators in the polymer solution were analyzed. Through the field transformation application, the advantages of the vertical plate electric dehydrators were verified.

Polymer flooding field; the vertical plate; safe and efficient

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.008

2016-07-10

中海石油總公司項(xiàng)目(CNOOC-KJ 125 ZDXM 13 LTD*04 NFCY 2011-02)

張鴻凱(1984—)，男，碩士，工程師

U665

A

1671-7953(2016)05-0032-03

修回日期：2016-08-10

研究方向:油田設(shè)施、海洋工程

E-mail:zhanghk@cnooc.com.cn