酸化原油调频调压脱水实验研究

吴威 牟楠 张绪强 范琳波(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452)

酸化原油调频调压脱水实验研究

吴威 牟楠 张绪强 范琳波(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452)

针对SZ36-1的D28井采出酸化油的特性，本文专门研制了一套矩形波交流调频调压脱水电源。利用这套电源进行酸化原油静态脱水试验，评价调频调压电脱设备在不同脱水温度、电压、频率、脉宽比、停留时间下的脱水效果。优选出酸化原油电脱设备最经济的脱水参数。要求脱水分离后的酸化原油指标：油中含水≤5%，水中含油≤1000ppm。

酸化原油；矩形波交流调频调压电源；脱水；最佳脱水参数

1 试验设备组成：

矩形波交流调频调压脱水电源控制柜、宽频带变压器、石油密闭脱水仪、高剪切乳化机。指标如下：

⑴、矩形波交流调频调压脱水电源包括电源控制柜和宽频带变压器两部分。该矩形波交流原油脱水电源具有输出电压、频率、脉宽连续可调的功能，可保证酸化原油脱水在最佳电脱参数下进行脱水。与常规脱水设备相比，矩形波交流调频调压脱水电源不仅脱水质量好、而且脱水速度快，节能效果明显，其基本参数：

①、供电电源电压：电压AC220V±10%，频率50Hz±5%；

②、宽频带变压器工作频率：400-5000Hz；

③、脱水电源输出脉宽比：10%-85%连续可调；

④、调频调压电压波形：矩形波；

⑤、脱水电源额定输出功率：800W。

⑵、宽频带变压器：变压器的输入端电压是为10-60V的矩形波交流，频率范围：400-5000Hz，高压输出在1000-6000V连续可调。

⑶、石油密闭脱水仪:实验时，将酸化油样品脱水釜体内，可在超过100℃的高温高压下实现脱水。实验前设置好温度，自动加热，达到温度后就会自动转换到保温状态。脱水过程中原始油样始终处于密闭状态，不暴露在空气中。因此油品的轻组分不会散失到空气中，不会产生污染。釜体额定容量为1500毫升。

⑷、原油高剪切乳化机：由高速旋转的转子与精密的定子工作腔配合，转子以0rpm～10000rpm的高速，产生强劲的液力剪切、离心挤压、高速切割及碰撞，使油样充分分散、乳化、均质、混合。

2 实验原理

原油乳化液是由原油与地层水在乳化剂的作用下形成的一种稳定的乳化液。含有多种矿物质的地层水部分具有一定的导电性，而原油部分是绝缘的。电脱水是在电脱水设备中设置脱水电极，在电极上施加高电压，形成一定强度的电场，原油乳化液置于电场中。在高压电场的作用下，原油中的小水珠发生极化，这种极化是连续的，呈现链锁反应，这样就使相邻的水珠发生吸引而聚集成较大的水滴。如图1所示，水滴形成后在重力的作用下水滴会下降至底部而原油上浮，这样就达到了脱水的目的。因此，电脱水过程可概括为三个步骤：水滴极化→水滴聚结→水滴分离。

图1、 原油电脱水过程示意图

当两个相邻水珠的粒径大小相等时，凝结力F的数值可用公式近似地表示为：

式中ε—原油的介电常数；E—外加电场强度；γ—表示水珠的半；S—表示两水珠的中心距。

水珠在电场凝聚力F的作用下发生偶极聚结形成大水珠，然后在密度差作用下发生沉降分离，沉降速度满足斯托克斯公式，此外原油乳化液在电极板间还会发生振荡聚结。

3 试验条件

本试验要求在不同含水率、温度、占空比、频率、电压（场强）、停留时间等条件下对酸化原油进行正交静态分离试验，试验参数如下：

①、用酸化返排液（含水率10%、20%、30%、40%），评价不同试验温度（45℃、60℃、70℃、75℃、80℃、90℃）温度对油水分离的影响。

②、用酸化返排液（含水率10%、20%、30%、40%），评价不同脉宽比（70%-85%）对油水分离的影响。

③、用酸化返排液（含水率10%、20%、30%、40%），评价不同频率（400Hz-5000Hz）对油水分离的影响。

④、用酸化返排液（含水率10%、20%、30%、40%），评价不同电压（场强）（2800～6400V）对油水分离的影响。

图2、 油样含水率30%时不同停留时间温度对脱水效果的影响

⑤、用酸化返排液（含水率10%、20%、30%、40%），评价不同停留时间（30分钟、40分钟、50分钟、60分钟）对油水分离的影响。

4 部分实验数据

⑴、温度影响：根据温度对原油粘度影响的一般规律可知，一般情况下，原油粘度随着温度的升高而降低，流动性则随着粘度的降低而提高。以下实验分别在温度为45℃～90℃下进行。(见图2)

表1、 脱水参数及实验数据

实验数据分析：

油样含水率30%，油样体积为1100ml，脉宽80%，脱水频率为3.75KHz，脱水电压4300V。改变脱水时间、改变脱水温度为45℃、60℃～90℃。实验结果表明，脱水后原油中残余含水率随脱水时间的延长而降低；随着脱水温度的增加油样中的残余含水率在降低。脱水效果受脱水温度参数影响比较大，尤其是在80℃及以上，脱水40分钟后，油样中残余含水率就小于5.00%。

（2）脱水电压（场强）影响：

在油样含水率为10%～40%、停留时间30～70min及脱水温度70℃条件下，筛选电压2200V～6400V、频率3.75KHz、脉宽比80%下，研究电脱效果的影响因素，找出最佳脱水电压（场强）。(见图3)

表2、 脱水参数及实验数据

实验数据分析：

原始油样含水率30%，油样体积1100ml，脱水频率3.7KHz。实验在脱水温度70oC、脱水时间30min～70min、脉宽80%条件下进行，只改变电场强度的情况下测试电脱后的油样含水率，从图中可以看出，随着场强的增加，含水率急剧下降。脱水电流随脱水电压的增大而增大，脱水后原油中残余含水率随脱水时间的延长而降低。脱水时间在50分钟及以上，脱水电压在3100V～6400V，脱水后原油的残余含水都小于5.00%，满足实验指标要求。其中2800V的脱水电压的油样脱水时间在30～70分钟，脱水后油样中的残余含水率都高于5.00%，说明脱水电压不能过低。

图3、 油样含水率30%时不同停留时间下场强对脱水效果的影响

⑶、工作频率的影响

通过调整脱水电源的输出频率，不仅可以改变原油的振动聚结效率，同时还会影响原油的有效脱水时间。结合上面的实验筛选结果，本次实验在脱水温度70℃、脱水时间30～60min、脉宽80%、脱水电压（场强）4300V（623v/cm）条件下进行，油样含水率10%～40%，改变脱水频率实验结果如下：

表3、 脱水参数及实验数据

图4、 油样含水率20%时不同停留时间频率对脱水效果的影响

实验数据分析：油样含水率20%，油样体积为1100ml，脱水温度70℃，脉宽比80%，脱水电压4300V。变化脱水频率：3.20KHz～4.90KHz。脱水电流随脱水频率的增大而减小。脱水后原油中残余含水率随脱水时间的延长而降低。分析该组实验数据，脱水时间在50分钟及以上，脱水后原油的残余含水都小于5.00%，满足实验指标要求。该组实验数据的最佳频率为3.75KHz。最佳频率随油样含水率的增加而减小。

实验结论

利用矩形波交流调频调压脱水设备对SZ36-1 D28井采出的酸化原油进行电脱水的一系列实验，都是按照国标或行业标准进行的，实验过程有足够的理论依据，经过系列实验得出以下结论：

⑴、来自于SZ36-1D28井采出的酸化返排液，属于酸化油，含水率大于30%，电脱出来水的PH值介于1到2之间，同时含有较多的胶质和杂质。利用矩形波交流脱水电源进行电脱水效果良好。矩形波电场由零开始瞬间跃变到极大值，使水珠中的正、负离子得到最大限度的加速，对乳化膜形成最为强烈的冲击；破乳能力强，能解决这种酸化油的电脱水问题。

⑵、该酸化油受温度影响较大，对温度敏感，随着温度的升高处理效率会逐步上升。

⑶、对电脱参数，随着通电时间的增加、脱水温度的上升，脱水率会逐渐上升。

⑷、利用本实验室研制的矩形波交流调频调压电脱水设备完全可以实现对该酸化油的快速脱水处理，可以使原油含水率达到5.0%以下。

⑸、经过系列实验得出：在以下电脱参数下进行连续脱水效果相对较佳：脱水电压（场强）为4300V（623v/cm）、频率为3.75kHz、脉宽为80%、温度为80℃、脱水时间为40分钟。

[1]刘月，赵德智，戴咏川.大榭老化原油脱水工艺实验研究.应用化工,2015(07).

[2]马跃，黄晓东，唐晓旭，王忠树，王彦青渤海油田油井酸化返排液对原油脱水的影响油气田地面工程，2015.11