張 明 王春升 鄭曉鵬 尚 超 王海燕

(中海油研究總院 北京 100028)

海上油田特稠油靜電聚結(jié)脫水實(shí)驗(yàn)研究*

張 明 王春升 鄭曉鵬 尚 超 王海燕

(中海油研究總院 北京 100028)

張明,王春升,鄭曉鵬，等.海上油田特稠油靜電聚結(jié)脫水實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)海上油氣，2017,29(4)：159-163.

ZHANG Ming,WANG Chunsheng,ZHENG Xiaopeng,et al.Experimental study on electrostatic coalescence dehydration of extra-heavy oil in offshore oilfields[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(4):159-163.

針對(duì)渤海特稠油的原油黏度大、油品密度高，油水分離十分困難的特點(diǎn)，研制了絕緣電極并開展了室內(nèi)自然沉降和靜電聚結(jié)脫水實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的絕緣電極可以適應(yīng)高含水特稠油脫水工況，對(duì)于初始含水70%～90%的乳化液，處理溫度110 ℃，在適當(dāng)?shù)碾妶?chǎng)強(qiáng)度和藥劑濃度作用下，沉降時(shí)間40 min，脫后含水可以低于30%；對(duì)于初始含水30%～60%的乳化液，處理溫度130 ℃，在適當(dāng)?shù)碾妶?chǎng)強(qiáng)度和藥劑濃度作用下，沉降時(shí)間40 min，脫后含水可以低于30%，滿足相關(guān)規(guī)范中對(duì)進(jìn)入常規(guī)電脫水器進(jìn)一步處理的要求。通過與自然沉降脫水實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，靜電聚結(jié)脫水技術(shù)能夠較大幅度地提高特稠油脫水效率，大幅降低海上特稠油脫水設(shè)備的尺寸和質(zhì)量。本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)海上特稠油靜電聚結(jié)脫水處理工藝設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義。

渤海；特稠油；自然沉降；靜電聚結(jié)；脫水實(shí)驗(yàn)

稠油的密度與水十分接近，瀝青質(zhì)、膠質(zhì)的含量多，黏度非常大，流動(dòng)性差，且在開采過程中容易形成穩(wěn)定的油包水乳狀液，因此油水分離十分困難。陸上油田特稠油處理溫度一般維持在80～90 ℃，沉降時(shí)間在20～30 h以上，破乳劑的使用量也較大，解決稠油脫水難題的主要方法為摻混稀油和大罐沉降。近年來(lái)，海上稠油開發(fā)越來(lái)越受到關(guān)注，但由于海上平臺(tái)空間有限，脫水處理方案不能照搬陸上稠油處理經(jīng)驗(yàn),因此稠油脫水處理方案是制約海上稠油油田經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)的瓶頸，有必要研究高效稠油脫水處理技術(shù)。

傳統(tǒng)的電脫水分離器使用金屬裸電極，在原油高含水率時(shí)容易造成電極擊穿，難以正常工作；新型原油靜電聚結(jié)脫水技術(shù)創(chuàng)新性地采用絕緣電極施加電場(chǎng)，利用電場(chǎng)作用破壞原油乳化液，使水滴互相吸引、聚結(jié)，最終與原油徹底分離。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外一些科研機(jī)構(gòu)開展了電場(chǎng)作用下原油脫水的相關(guān)研究工作[1]。英國(guó)Bradford大學(xué)化學(xué)工程系Bailes教授課題組在20世紀(jì)80年代開發(fā)了一種靜電破乳器，能在含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)65%以上正常工作[2]。BP公司的Wareham油田在1992年進(jìn)行了電聚結(jié)設(shè)備的首次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，該油田原油密度約為858 kg/m3，屬于中質(zhì)油，現(xiàn)場(chǎng)處理效果表明：在溫度20 ℃、處理量為71 L/min條件下，重力沉降罐油出口含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不施加電場(chǎng)時(shí)為32%，施加電場(chǎng)后下降到8%[3]。ABB研究中心與相關(guān)研究機(jī)構(gòu)合作發(fā)明了容器內(nèi)置式靜電聚結(jié)器VIEC(Vessel Internal Electrostatic Coalescer)[4]，在Norsk Hydro研究中心多相流流道上分別使用 3 種不同密度的原油(分別為927.9、881.6、865.4 kg/m3)對(duì)VIEC工作性能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試溫度55 ℃、測(cè)試壓力4.0 MPa[5]，當(dāng)VIEC通電時(shí)分離器油出口含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于6%,靜電聚結(jié)破乳分離能力得到很好的展示。Troll C采油平臺(tái)于2003年在一級(jí)分離器安裝使用VIEC技術(shù)，處理量為1 457 m3/h；Aible公司研發(fā)出能夠適應(yīng)150 ℃高溫環(huán)境的VIEC。Vetco Aibel公司設(shè)計(jì)了橇裝移動(dòng)式測(cè)試分離器，處理能力為39.7 m3/h，通電后分離效率由未通電的27%提高到97%[6]。中海油研究總院研制了新型高含水原油靜電聚結(jié)脫水器，并在流花11-1油田(原油密度933 kg/m3)開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[7]。上述相關(guān)科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行的試驗(yàn)和理論研究驗(yàn)證了電場(chǎng)作用對(duì)原油脫水處理的促進(jìn)作用，但特稠油密度在950 kg/m3以上，原油黏度在10 000～50 000 mPa·s之間，原油流動(dòng)性差，油水密度差小，原油脫水更加困難，目前還沒有針對(duì)特稠油靜電聚結(jié)脫水實(shí)驗(yàn)的結(jié)果公布。本文針對(duì)渤海特稠油A油田的探井油樣開展了室內(nèi)自然沉降和靜電聚結(jié)脫水實(shí)驗(yàn)，對(duì)脫水效果及操作參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)特稠油靜電聚結(jié)脫水處理工藝設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義。

1 油品基本物性

渤海A油田探井油樣基本物性如表1所示，包含館陶組(G)和明化鎮(zhèn)組(M)2個(gè)層位，館陶組和明化鎮(zhèn)組原油50 ℃下的黏度分別為53 203、36 427 mPa·s，都屬于特稠油。館陶組和明化鎮(zhèn)組的配產(chǎn)比例為4∶1，2個(gè)層位混合油樣黏溫曲線如圖1所示。在15 ℃室溫環(huán)境下A油田原油流動(dòng)性非常差，如圖2所示。從原油(館陶組∶明化鎮(zhèn)組=4∶1)黏溫曲線可以看到，油樣的黏溫敏感性非常強(qiáng)，油水乳化的反相點(diǎn)含水率在40%左右。

表1 渤海A油田館陶組及明化鎮(zhèn)組原油性質(zhì)Table 1 Oil property of Guantao Formation and Minghuazhen Formation in A oilfield in Bohai sea

圖1 渤海A油田原油黏溫曲線(館陶組∶明化鎮(zhèn)組=4∶1)Fig .1 Viscosity-temperature curve of A oilfield in Bohai sea (G∶M=4∶1)

圖2 渤海A油田原油室溫環(huán)境下油樣照片(15 ℃)Fig .2 Photo of oil sample at ambient temperature of A oilfield in Bohai sea(15 ℃)

2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

海上特稠油開發(fā)將面臨原油脫水的巨大難題，如果無(wú)法解決，會(huì)成為制約海上特稠油開發(fā)的技術(shù)瓶頸。目前海上油田還沒有特稠油規(guī)模開發(fā)的具體工程經(jīng)驗(yàn)，尤其在原油處理流程和設(shè)計(jì)參數(shù)上無(wú)經(jīng)驗(yàn)可循，因此非常有必要利用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法開展特稠油脫水實(shí)驗(yàn)研究，探索處理溫度、停留時(shí)間、藥劑濃度等具體設(shè)計(jì)參數(shù)，指導(dǎo)海上特稠油工藝處理方案設(shè)計(jì)。

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)目標(biāo)油水比例，用燒杯稱取油樣，加入相應(yīng)水量，在90 ℃水浴中預(yù)熱30 min左右，用數(shù)顯攪拌機(jī)攪拌10 min左右，制成實(shí)驗(yàn)用含水乳化液。將乳化液放入不銹鋼脫水罐中，在設(shè)定的水浴溫度下進(jìn)行脫水實(shí)驗(yàn)。不銹鋼脫水罐與實(shí)驗(yàn)所用電極照片如圖3所示，萬(wàn)能擊穿實(shí)驗(yàn)儀器的高壓端連接到電極上，不銹鋼脫水罐的外壁接地，實(shí)驗(yàn)中施加設(shè)定好的電壓。實(shí)驗(yàn)完成后，從脫水罐下部排出水量并進(jìn)行計(jì)量，最后計(jì)算出剩余油中的含水量。由于在高含水原油中利用裸電極施加電場(chǎng)會(huì)造成電流擊穿，因此，為了測(cè)試高含水原油靜電聚結(jié)脫水效果，制作了絕緣電極。制作時(shí)需要將不銹鋼電極套上絕緣管，絕緣管材料為全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)，底部用玻璃珠密封，放入烘箱中逐漸升溫至150～220 ℃，在此溫度下烘烤30～60 min，絕緣材料完全收縮均勻，緊密的包覆在不銹鋼電極上，形成絕緣層。

圖3 不銹鋼脫水罐與實(shí)驗(yàn)所用電極照片F(xiàn)ig .3 Photo of stainless steel dehydration tank and electrodes

2.2 自然沉降脫水實(shí)驗(yàn)

針對(duì)館陶組∶明化鎮(zhèn)組=4∶1比例的特稠油，開展了不施加電場(chǎng)條件下自然沉降脫水實(shí)驗(yàn)。初始含水為60%，不同處理溫度、不同破乳劑濃度條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示?？梢钥吹?室內(nèi)制備的特稠油乳化液較為穩(wěn)定，在90 ℃處理溫度、不加破乳劑時(shí)，靜置沉降300 min后沒有水分離出；加入200 mg/L破乳劑后，脫水效果有明顯改善，但是油水分離需要長(zhǎng)時(shí)間的沉降，沉降300 min后油中含水為34%左右；提高處理溫度至110 ℃，脫水效果進(jìn)一步改善，經(jīng)過300 min沉降后油中含水在31%左右。由于海上平臺(tái)空間緊張，如此長(zhǎng)的脫水沉降時(shí)間會(huì)造成平臺(tái)甲板面積的增加和投資上升，因此重點(diǎn)開展了電場(chǎng)作用對(duì)特稠油脫水效果的促進(jìn)實(shí)驗(yàn)研究。

圖4 特稠油自然沉降脫水處理后原油含水率 (無(wú)電場(chǎng)作用，館陶組∶明化鎮(zhèn)組=4∶1)Fig .4 Water content of crude oil at different residence time (no electric field,G∶M=4∶1)

2.3 靜電聚結(jié)脫水實(shí)驗(yàn)

靜電聚結(jié)脫水實(shí)驗(yàn)同樣針對(duì)館陶組∶明化鎮(zhèn)組=4∶1比例的特稠油開展。根據(jù)自然沉降脫水試驗(yàn)結(jié)果，升高處理溫度可以明顯提高脫水效率，但是也會(huì)大幅增加原油處理的加熱負(fù)荷，因此首先針對(duì)處理溫度影響開展了脫水試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。該實(shí)驗(yàn)原油的初始含水為20%，破乳劑濃度200 mg/L，電壓1 100 V，停留時(shí)間40 min。從圖5可以看到，隨著處理溫度的增加，處理后原油含水率不斷降低，溫度為130 ℃時(shí)脫后原油含水為5.8%；溫度繼續(xù)增加到135 ℃，脫水效果提升不明顯，脫后原油含水率為5.2%；溫度進(jìn)一步升高到140 ℃，脫后原油含水反而上升至14%。分析認(rèn)為，升高溫度雖然可以降低特稠油的黏度，但同時(shí)也會(huì)使特稠油和水的密度差減小，因此特稠油脫水處理溫度不是越高越好。

圖5 特稠油不同處理溫度電聚結(jié)脫水后原油含水率 (有電場(chǎng)作用，館陶組∶明化鎮(zhèn)組=4∶1)Fig .5 Water content of crude oil at different dehydration temperature(with electric field，G∶M=4∶1)

圖6給出了不同停留時(shí)間下電聚結(jié)脫水后原油含水率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該實(shí)驗(yàn)所用原油的初始含水率為40%，破乳劑濃度200 mg/L，電壓3 500 V，溫度130 ℃。從圖6可以看到，靜電聚結(jié)脫水處理的停留時(shí)間越長(zhǎng)，處理后原油的含水率越小，但是含水率降低的變化趨勢(shì)隨著停留時(shí)間的延長(zhǎng)而變緩。

圖6 特稠油不同停留時(shí)間電聚結(jié)脫水后原油含水率 (有電場(chǎng)作用，館陶組∶明化鎮(zhèn)組=4∶1)Fig .6 Water content of crude oil at different residence time(with electric field，G∶M=4∶1)

圖7 給出了不同破乳劑濃度下電聚結(jié)脫水后原油含水率實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該實(shí)驗(yàn)所用原油初始含水為60%和80%，電壓2 500 V,處理溫度90～130 ℃,停留時(shí)間40 min。從圖7可以看到，破乳劑可以較為有效地提高特稠油脫水處理效果，且隨著破乳劑濃度的增加，脫水處理后原油含水率隨之降低。

圖7 特稠油不同破乳劑濃度電聚結(jié)脫水后原油含水率 (有電場(chǎng)作用，館陶組∶明化鎮(zhèn)組=4∶1)Fig .7 Water content of crude oil at different emulsion concentration(with electric field，G∶M=4∶1)

圖8給出了不同電壓等級(jí)下電聚結(jié)脫水后原油含水率實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該實(shí)驗(yàn)所用原油初始含水分別為40%、50%和80%，破乳劑濃度為200 mg/L，處理溫度90～130 ℃，停留時(shí)間40 min。從圖8可以看到，由于采用了絕緣電極，避免了傳統(tǒng)電極在高含水下會(huì)造成擊穿的問題，在不同的含水率范圍都可以通過施加電場(chǎng)促進(jìn)油水分離效率，而且電壓越高，電場(chǎng)強(qiáng)度越大，靜電聚結(jié)脫水效果也越好。

圖8 特稠油不同電壓等級(jí)電聚結(jié)脫水后原油含水率 (有電場(chǎng)作用，館陶組∶明化鎮(zhèn)組=4∶1)Fig .8 Water content of crude oil at different voltage (with electric field，G∶M=4∶1)

通過上述系列實(shí)驗(yàn)，關(guān)鍵參數(shù)下的館陶組∶明化鎮(zhèn)組=4∶1 特稠油靜電聚結(jié)脫水實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 特稠油靜電聚結(jié)脫水實(shí)驗(yàn)結(jié)果 (館陶組∶明化鎮(zhèn)組=4∶1)Table 2 Experimental results of electrostatic coalescence dehydration for crude oil(G∶M=4∶1)

根據(jù)《SY/T0045—2008原油電脫水設(shè)計(jì)規(guī)范》 進(jìn)入電脫水器的原油水含量不宜大于30%[8]，過高的原油含水量會(huì)造成電脫水器內(nèi)電極擊穿，存在電場(chǎng)無(wú)法建立的問題。因此，在靜電聚結(jié)脫水實(shí)驗(yàn)中重點(diǎn)關(guān)注了在初始含水30%～90%條件下，使脫后含水降低到30%以下的具體參數(shù)情況。對(duì)于初始含水70%～90%范圍內(nèi)的乳化液，溫度110 ℃，電壓3 000 V左右，破乳劑濃度200～300 mg/L，沉降時(shí)間40 min，靜電聚結(jié)處理脫后含水可以滿足小于30%的要求。對(duì)于初始含水30%～60%范圍內(nèi)的乳化液，由于低含水率時(shí)油水的乳化程度增強(qiáng)，需要升高處理溫度至130 ℃，電壓3 000～3 500 V，破乳劑濃度200～300 mg/L，沉降時(shí)間40 min，使靜電聚結(jié)脫后含水小于30%，滿足進(jìn)入常規(guī)電脫水器進(jìn)一步處理的要求。

3 結(jié)論

針對(duì)海上油田特稠油研制了絕緣電極并進(jìn)行了自然沉降和室內(nèi)靜電聚結(jié)脫水實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，所研制的絕緣電極可以適應(yīng)高含水特稠油脫水工況，對(duì)于初始含水70%～90%范圍內(nèi)的乳化液，處理溫度110 ℃，在適當(dāng)?shù)碾妶?chǎng)強(qiáng)度和藥劑濃度作用下，沉降時(shí)間40 min，脫后含水可以低于30%；對(duì)于初始含水30%～60%范圍內(nèi)的乳化液，處理溫度130 ℃，在適當(dāng)?shù)碾妶?chǎng)強(qiáng)度和藥劑濃度作用下，沉降時(shí)間40 min，脫后含水可以低于30%，滿足相關(guān)規(guī)范中對(duì)進(jìn)入常規(guī)電脫水器進(jìn)一步處理的要求。通過與自然沉降脫水實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，靜電聚結(jié)脫水技術(shù)能夠較大幅度的提高特稠油脫水效率，大幅降低海上特稠油脫水設(shè)備的尺寸和質(zhì)量。本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)海上特稠油靜電聚結(jié)脫水處理工藝設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義。

[1] 《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會(huì).海洋石油工程設(shè)計(jì)概論與工藝設(shè)計(jì)(海洋石油工程設(shè)計(jì)指南第1冊(cè))[M].北京：石油工業(yè)出版社,2007.

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[7] 鄭曉鵬，王春升，張明，等.新型高含水原油靜電聚結(jié)脫水器在流花11-1油田的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[J].中國(guó)海上油氣，2015,27(1):102-106.DOI:10.11935/j.issn.1673-1506.2015.01.017.ZHENG Xiaopeng,WANG Chunsheng,ZHANG Ming,et al.The field test of an innovative electrostatic coalescence separator for high water cut crude oil in LH 11-1 oilfield[J].China Offshore Oil and Gas,2015,27(1):102-106.DOI:10.11935/j.issn.1673-1506.2015.01.017.

[8] 石油工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)石油工程建設(shè)專標(biāo)委.SY/T0045—2008原油電脫水設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].北京：石油工業(yè)出版社，2008.收稿日期：2016-09-14 改回日期：2016-11-21

(編輯：葉秋敏)

Experimental study on electrostatic coalescence dehydration of extra-heavy oil in offshore oilfields

ZHANG Ming WANG Chunsheng ZHENG Xiaopeng SHANG Chao WANG Haiyan

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

Bohai extra-heavy oil has the characteristics of high viscosity and high density.In order to solve the problem of the oil dehydration, an insulated electrode was developed and experiments on natural precipitation and electrostatic coalescence dehydration were carried out.The experimental results show that the insulated electrode is applicable in the dehydration operation conditions of high WOR emulsion.For emulsions with initial water content ranging from 70% to 90%, at operation temperature of 110 ℃, the water content would be lower than 30% after 40 min precipitation under appropriate electric field intensity and chemical concentration.If the initial water content ranges from 30% to 60%, the same results could be achieved under similar operation conditions except a high temperature of 130 ℃.The dehydration results meet the requirements in related specifications for further processing in conventional electrostatic dehydrators.Compared with the experimental results of natural precipitation dehydration, the electrostatic coalescence technology can greatly improve the dehydration efficiency of heavy oil, and greatly reduce the size and weight of offshore equipment.The experimental results have important guiding significance for the design of electrostatic coalescence dehydration process of extra-heavy oil.

Bohai sea； extra-heavy oil； natural precipitation； electrostatic coalescence； dehydration experiment

*“十三五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)“海上稠油熱采技術(shù)(編號(hào)：2016ZX05025-004)”、中海油研究總院技術(shù)支持課題“旅大5-2北油田稠油集輸方案研究 ”部分研究成果。

張明，男，高級(jí)工程師，畢業(yè)于北京工業(yè)大學(xué)，獲博士學(xué)位，主要從事海上油氣工藝技術(shù)研究與設(shè)計(jì)工作。地址：北京市朝陽(yáng)區(qū)太陽(yáng)宮南街6號(hào)院海油大廈(郵編:100028)。E-mail：zhangming3@cnooc.com.cn。

1673-1506(2017)04-0159-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.04.021

TE868

A