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油田老化油處理技術(shù)現(xiàn)狀

2021-01-13 05:25袁宏強戴俊峰李冬寧趙永平
石油化工應(yīng)用 2021年3期
關(guān)鍵詞:熱化學(xué)化學(xué)法乳劑

張 濤,袁宏強,戴俊峰,李冬寧,趙永平

(中海油(天津)油田化工有限公司,天津 300452)

據(jù)統(tǒng)計,我國油田每年產(chǎn)生的老化油不少于800×104t。老化油是指油田生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的乳化嚴重[1],且無法通過常規(guī)原油處理系統(tǒng)脫水的污油[2]。老化油的成因十分復(fù)雜,其成分一般包括復(fù)雜乳狀液[3]、化學(xué)藥劑、泥砂、機械雜質(zhì)、膠質(zhì)瀝青質(zhì)、無機鹽[4]和細菌等多種物質(zhì)[5,6]。老化油的存在不僅大量占據(jù)存儲空間,影響油田的提產(chǎn)擴容;還會腐蝕設(shè)備,降低設(shè)備使用壽命;更會由于其處理不當造成環(huán)境污染[7]。因此,亟需開展老化油處理。

目前主流的老化油處理技術(shù)有以下幾種:回摻處理、熱化學(xué)處理、超聲波處理、微波處理、生物處理、電場處理、離心處理、蒸發(fā)處理。以下是對現(xiàn)有老化油處理技術(shù)的梳理。

1 回摻處理

老化油回摻處理法即將老化油按一定比例打回常規(guī)原油處理流程進行混合處理,該方法處理老化油雖然經(jīng)濟,但往往會因為老化油回摻比例較多或老化油在電脫水器內(nèi)積累造成電脫水器跳閘,甚至出現(xiàn)電場事故,造成嚴重損失[8]。

大慶油田在沒有單獨的老化油處理設(shè)備前,常用回摻方法處理老化油。大慶采油一廠早期將老化油按比例直接回摻進行處理,電脫水器跳閘問題嚴重,時常燒毀電器元件。后來改進回摻工藝,將老化油通過脫水除雜后減少老化油處理量再進行回摻處理,電脫水器跳閘現(xiàn)象有所緩解但仍有發(fā)生[9]。

隨著油田開發(fā)深入,老化油產(chǎn)生量也在不斷增加,因此這種方法的可行性在逐步降低[10]。

2 熱化學(xué)處理

熱化學(xué)法即通過加熱并配合相應(yīng)的化學(xué)藥劑處理老化油,達到破壞油水界面膜的目的,以實現(xiàn)油水分離。熱化學(xué)處理法可分為熱化學(xué)沉降法和組合熱化學(xué)法。

熱化學(xué)沉降法的關(guān)鍵在于破乳劑的選取。禹盟等[11]對渤海某油田的老化油成因進行分析,發(fā)現(xiàn)FeS 是引起乳化的主要原因。于是在循環(huán)加熱條件下,通過THPS將FeS 顆粒溶解,配合常規(guī)破乳劑YHFPW-195,讓老化油沉降脫水,處理后上層原油含水<1%,滿足外輸標準。馬方義等[12]通過熱化學(xué)法對蓬萊油田老化油進行室內(nèi)脫水研究,使用復(fù)合絡(luò)合劑1#對老化油中雜質(zhì)進行絡(luò)合脫出,然后通過破乳劑860F 進行熱化學(xué)沉降脫水,24 h 后上層原油含水<1%。王偉波等[13]針對長慶油田老化油成分進行分析,并針對該老化油特性開發(fā)出一種低溫老化油破乳劑。對該藥劑進行室內(nèi)脫水研究,在加藥濃度500 mg/L,處理溫度30 ℃,沉降24 h,脫水率即可達到94.3%以上,并可有效的分離原油中的機械雜質(zhì)。

熱化學(xué)沉降處理法由于其工藝簡單,投資少而被廣泛適用,但由于其作用時間長,效果不穩(wěn)定等因素仍存在一定的局限性。而組合熱化學(xué)法是將熱化學(xué)脫水同離心法、電場法、超聲波法、微波法聯(lián)合使用,具體情況在后面介紹。

3 超聲波處理

超聲波處理是通過高頻振動作用于老化油進行破乳,它的作用原理包括機械振動產(chǎn)生的“位移效應(yīng)”使水中“粒子”聚集、機械振動促進天然乳化劑溶解、熱作用降低界面膜強度[14]。超聲波處理一般同熱化學(xué)法聯(lián)合使用,配合破乳劑實現(xiàn)油水分離。

陳永紅等[15]通過模擬現(xiàn)場流程聲化處理勝利油田老化油,配合現(xiàn)場推薦破乳劑在最優(yōu)加注濃度下對乳化原油超聲處理20 min,超聲頻率為22 kHz,之后60 ℃沉降3 h,處理后油中含水<1%。李鋒等[16]通過超聲波法對流花油田老化油進行室內(nèi)脫水研究,配合破乳劑及絮凝劑在最佳加注濃度下超聲處理10 min,超聲功率400 W,聲場強度1 500 W/m2,沉降1 h,全程保持溫度為80 ℃,處理后油中含水1.3%。

超聲波熱化學(xué)法相比單獨熱化學(xué)沉降效率更高,然而,由于超聲處理老化油時聲強過大、輻照時間過長均會造成原油的二次乳化,參數(shù)臨界點不易判定。因此,該技術(shù)仍處于室內(nèi)研究階段。

4 微波處理

微波處理是基于微波熱效應(yīng)及非熱效應(yīng)聯(lián)合破乳。熱效應(yīng)利用水分子對微波吸收能力強的特性,水滴吸收能量后膨脹,使界面膜受壓變??;同時由于溫度升高,油相溶解度增加,界面膜更易破裂。非熱效應(yīng)是指極性分子在高頻電磁場的作用下高速旋轉(zhuǎn),破壞油水界面膜的Zeta 電位,水分子自由運動撞擊聚并,進而油水分離[17]。

張波[18]通過微波法對流花油田老化油進行室內(nèi)脫水研究,對比單獨使用微波法和微波輔助熱化學(xué)聯(lián)合脫水效果。單獨使用微波法,微波輻射功率406 W、輻射時間5 min、離心轉(zhuǎn)速5 000 r/min、離心時間15 min的條件下可脫水最高76.82%;微波輔助熱化學(xué)法,保持輻射功率不變,輻射時間4 min、轉(zhuǎn)速4 000 r/min、離心轉(zhuǎn)速4 000 r/min、離心時間10 min 的條件下脫水率提高至94.05%。

微波處理法同熱化學(xué)法聯(lián)合使用,脫水效率會有明顯提升。目前,針對微波處理老化油的研究較少,且處于室內(nèi)研究階段,需要進一步提高。

5 生物處理

老化油中硫化物含量高是其脫水困難的一個重要原因,因此生物技術(shù)往往基于生物破乳與生物脫硫聯(lián)合作用來實現(xiàn)老化油脫水。生物破乳是加入微生物發(fā)酵培養(yǎng)液而使乳化液破乳脫水的方法,它通過微生物細胞本身、發(fā)酵過程中產(chǎn)生的生物表面活性劑以及代謝過程來破壞油水界面膜,以達到破乳脫水目的[19];生物脫硫是加入微生物來減少硫化物含量,它通過生化反應(yīng)將硫化物氧化或有益菌群抑制硫酸鹽還原菌生長,來起到脫硫目的[7]。

付亞榮等[20]對華北油田老化油進行生物脫水應(yīng)用,向老化油沉降罐中投加60 mg/L 的生化制劑,第二天硫化物含量由45.8 mg/L 降至1.7 mg/L,SRB 由2×106個/毫升降至22 個/毫升,從而電脫水器運行正常。張廣福[21]在大慶油田采油四廠硫化物問題最為嚴重的杏一聯(lián)合站開展生物脫硫試驗,向老化油沉降罐中投加60 mg/L 的MW2000 生化產(chǎn)品,沖擊加藥9 d,油相中硫化物含量由60.7 mg/L 降至1.5 mg/L,水相中硫化物含量由7.5 mg/L 降至0.004 mg/L,從而電脫基本保持平穩(wěn)運行。

生物處理由于其過程簡單,對環(huán)境友好等優(yōu)勢已引起越來越多的學(xué)者關(guān)注,但該方法適用性不強、處理效率較低、長期使用可能會產(chǎn)生耐藥性等問題,目前仍沒有大面積推廣。

6 高頻脈沖處理

電場法處理是對老化油施加強電場,加快水滴聚結(jié)沉降,以達到脫水目的。針對老化油導(dǎo)電性強的特性,為避免電脫短路不能建立穩(wěn)定電場,現(xiàn)多采用高頻脈沖脫水處理老化油。高頻脈沖處理老化油在破乳效率、能耗及電場穩(wěn)定性方面都有明顯優(yōu)勢[22,23]。

魏立新等[24]對大慶油田老化油進行電場脫水研究,通過室內(nèi)實驗對比交-直流供電與脈沖供電對老化油的處理效果。交-直流供電在不同電場強度下均會出現(xiàn)“跨電場”現(xiàn)場;脈沖供電在脈沖頻率2 kHz,極板電場強度2 000 V/cm,處理時間2 h 的最優(yōu)條件下,處理后油中含水最低為1.2%,水中含油514 mg/L。將高頻脈沖處理同化學(xué)法聯(lián)用,配合破乳劑加注量15 mg/L,脈沖頻率2 kHz,極板電場強度2 000 V/cm,60 ℃下處理1.5 h,處理后油中含水小于0.3%,水中含油低于500 mg/L。

勝利油田設(shè)計院[25]研制了一種以高頻脈沖為主、熱化學(xué)和活性水水洗為輔的老化油處理裝置,該裝置在勝利油田采油廠坨一站進行現(xiàn)場試驗。綜合含水率5%~30%、聚合物含量大于80 mg/L 的老化油經(jīng)過該裝置處理,處理條件為溫度90 ℃、加藥量50~100 mg/L,處理后油中含水小于2%,水中含油低于500 mg/L。

李銳鋒等[26]將不同比例老化油與原油混摻,考察自制的矩形波高壓/高頻脈沖交流電源和高壓/工頻電源對原油乳化液的脫水效果。工頻電場基本沒有明顯脫水,且電場電壓升高后出現(xiàn)“跨電場”現(xiàn)場;高頻電場作用下可將含老化油的原油乳狀液處理至含水小于1%。通過考察頻率、電場及老化油含量對高壓/高頻脈沖交流電源脫水效果的影響發(fā)現(xiàn):頻率增加可降低電能消耗同時避免電場擊穿;電壓增高可以減少脫水時間,提高脫水效率;而老化油含量增加會直接延長脫水時間。

李瑋健等[27]對流花油田老化油進行室內(nèi)電場脫水研究,考察了電場強度、電場頻率及電壓波形對脫水率的影響。針對含水率40%的流花油田老化油處理最優(yōu)參數(shù)為電壓6 kV、頻率2 kHz、波形為矩形波,加電1 min 后乳化液表層在顯微鏡下觀察水顆粒粒徑顯著增大且數(shù)量大幅減少,從而促使水滴加速沉降脫水。

盡管如此,高頻脈沖脫水技術(shù)長時間使用油水過渡層是否會在罐內(nèi)累積、是否會造成“跨電場”現(xiàn)象,仍有待于進一步現(xiàn)場驗證。

7 離心處理

離心技術(shù)是通過離心機處理老化油達到脫水目的,此方法是利用油、水、渣相的密度差異,在離心力的作用下實現(xiàn)三相分離。離心處理設(shè)備占地面積較小,多用于處理含渣相較多的老化油,并且一般會和熱化學(xué)法聯(lián)合使用。

梁金強等[28]設(shè)計了一套可移動的老化油離心機脫水撬,配合熱化學(xué)法對讓納若爾油氣田老化油進行試驗,首先加入破乳劑及絮凝劑并進行加熱,之后進入單級離心機實現(xiàn)油、水、固三相分離。該套設(shè)備在現(xiàn)場試驗處理量為3.5 t/h,處理后油中含水小于1.5%,水中含油低于1%,固體雜質(zhì)均不高于0.5%;固相含水不大于35%、含油不大于15%。該設(shè)備由于其出口水質(zhì)含油較高,并且無法根據(jù)處理效果自行調(diào)整工藝參數(shù),技術(shù)方面仍有待改善。

宋志俊等[29]在安塞油田老化油處理過程中對離心處理工藝進行優(yōu)化,改進后工藝為:一級:破乳劑配合加熱和電脈沖進行破乳破膠;二級:螺旋離心機進行渣相去除;三級:再次通過熱化學(xué)法及電脈沖進行破乳破膠,并用一級翼片框離心機脫水;四級:二級翼片框離心機去除膠質(zhì)及雜質(zhì)。該工藝在現(xiàn)場處理量為115 m3/d,處理后油中含膠雜質(zhì)小于1%,與現(xiàn)場凈化油混輸含水低于0.2%;水中含油不高于200 mg/L,含懸浮物不高于100 mg/L。該工藝解決了絮狀物堵塞離心機問題,同時處理后的油、水可滿足外輸和回注。

楊秘等[30]通過離心法同熱化學(xué)法聯(lián)合使用在曹妃甸油田開展老化油處理,首先加入破乳劑對老化油進行熱化學(xué)破乳,之后進入三級離心機實現(xiàn)油、水、渣三相分離。該技術(shù)在油田現(xiàn)場應(yīng)用處理量為5 m3/h,處理后油中含水小于3%,水中含油低于70 mg/L。該工藝設(shè)備簡單、占地面積較小、且處理效果較好,緩解了FPSO 上老化油占據(jù)艙容問題。

雷齊玲等[31]對大港油田棗園地區(qū)老化油處理技術(shù)進行研究,分別于室內(nèi)考察熱化學(xué)、超聲波、微波、離心及超聲波+熱化學(xué)+離心對老化油的處理效果。通過研究發(fā)現(xiàn)單獨使用熱化學(xué)沉降無法脫水;熱化學(xué)配合微波或超聲波效果也無法滿足要求;離心法在加入1%濃度的破乳劑后離心可將老化油處理至含水2%以下;超聲波+熱化學(xué)+離心法使用破乳劑KYST-2 配合功率5 W/cm2超聲波處理20 min,65 ℃恒溫24 h 后離心10 min,處理后油中含水1%。

盡管離心法處理老化油效果較好,也有很多成功案例,但離心處理對老化油的物性要求較高,必須存在較大的油水密度差以保證處理效果達標。

8 蒸發(fā)處理

蒸發(fā)處理技術(shù)是利用老化油初餾點較高及油水沸點不同的特點,通過加熱削弱油水界面膜強度,使得水分子從老化油乳狀液中分離,液態(tài)水分子轉(zhuǎn)換為氣態(tài),以實現(xiàn)油水分離。

梁宏寶等[32,33]研發(fā)的老化油常壓蒸餾脫水裝置由初蒸裝置、精蒸裝置和冷凝裝置組成,初蒸裝置安裝有沸石,可以防止油水爆沸,全裝置實現(xiàn)自動化控制。該裝置在吉林油田進行現(xiàn)場應(yīng)用,日處理量48 m3,處理后油中含水小于2%,水中含油低于400 mg/L。蒸發(fā)脫水處理老化油不引起二次乳化,具有普遍適用性,但該設(shè)備的處理效率仍有待提高。

張海周等[34]采用真空薄膜蒸發(fā)技術(shù)對流花油田老化油進行室內(nèi)脫水研究,老化油經(jīng)過加熱后進入多孔金屬網(wǎng)構(gòu)成的成膜蒸發(fā)元件,形成極薄的流動薄膜同時吸收加熱元件供給的熱量,由于油水飽和蒸汽壓不同而實現(xiàn)兩相分離。通過研究發(fā)現(xiàn)加熱溫度越高、流量越小,處理后的老化油的含水率越低;含水10%的老化油,進油流量為0.15 kg/min、溫度為80 ℃時,脫水率可達90%,經(jīng)過2 次循環(huán)脫水后老化油含水率<0.5%。目前該技術(shù)處于初步試驗階段,仍有大量技術(shù)需要完善。

蒸發(fā)處理對老化油脫水適用性較廣,但該方法無法實現(xiàn)原油脫鹽,且占地面積較大,仍需進一步優(yōu)化。

9 結(jié)語

老化油的有效處理是確保油田穩(wěn)定生產(chǎn)的一項重要措施。目前來看,單純的回摻處理及熱化學(xué)處理已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場需求;超聲波處理、微波處理、生物處理技術(shù)還不夠完善;高頻脈沖、離心處理、蒸發(fā)處理在現(xiàn)場雖然已有成功應(yīng)用案例,具有一定的推廣價值,但各自仍存在一定局限有待完善。因此,處理高效、廣泛適用、環(huán)境友好的老化油處理技術(shù)有待于進一步開發(fā),而物理設(shè)備同熱化學(xué)法聯(lián)合使用將是今后的發(fā)展趨勢。由此可見,一方面應(yīng)加強老化油處理設(shè)備的開發(fā),另一方面應(yīng)配合研發(fā)老化油破乳劑,而更為重要的是增加對老化油乳化機理研究,采取措施從源頭減少老化油產(chǎn)生,從根本解決老化油問題。

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