1、哈爾濱理工大學學士學位論文- V-不同電壓作用下原油電脫水效果的試驗研究摘 要隨著我國油田開發(fā)逐漸進入中后期，油田已經(jīng)進入三次采油階段，多種采油技術被研制出來，使得采出油的含水量越來越高，這就為后期的脫水處理帶來了很大困難。國內外較成熟的電脫水技術多基于經(jīng)驗，對電脫水技術的研究主要依托于生產性試驗裝置及生產裝置，而不同供電方式對不同乳狀液作用機理方面的研究還存在一定的欠缺。為了能針對性地研究不同電壓作用下原油電脫水的效果、找出最佳的脫水電場、分析脫水機理、觀察脫水現(xiàn)象，本文在實驗室內開展原油電脫水的試驗研究，具體研究內容如下：首先，簡要地介紹了原油電脫水背景以及課題的研究意義；概括性地介紹了國

2、內外對原油電脫水的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，指出電脫水存在的問題。通過介紹油水乳狀液種類及常用破乳方式，詳細說明了電破乳的重要性及其破乳原理。其次，在分析工業(yè)上成熟原油電脫水裝置工作原理的基礎上，詳細介紹了實驗室內搭建的原油電脫水試驗平臺，包括：加熱裝置、進液調配罐、乳化機、計量泵、脫水罐、廢液罐等，并介紹了試驗過程中所要用到物理參數(shù)的測量方法以及測量所需設備。最后，給出了本文的試驗方案，包括：試驗框圖及基本流程。試驗過程中，觀察脫水現(xiàn)象；研究脈沖電場下電壓幅值、電壓頻率及占空比對電脫水效果的影響；研究直流電場、交流電場對電脫水效果的影響并加以比較分析；研究脫水溫度和初始含水率對電脫水效果的影響；在

3、試驗結果的基礎上分析電脫水機理。關鍵詞：原油；乳狀液；電脫水；電壓Experimental Study of the Electrical Dehydration Effect of Crude Oil under Different VoltagesAbstractWith the oil exploration access to mid-late period, the oilfield has entered the tertiary oil recovery stage, variety of oil recovery techniques are researched. The w

4、ater content of crude oil gradually increased, which make it difficult to post-dehydration treatment. More mature technology of electric dehydration at home and abroad are most based on experience, the research of electrical dehydration technology mainly relies on the production test equipment and p

5、roduction equipment, however, the mechanism research of different emulsion in different power supply has a certain lack. In order to study the electric dehydration effect of the crude oil under the different voltage, find a most suitable dehydration conditions for different crude oil produced fluid，

6、analysis dehydration mechanism, observe the dehydration. In this paper, a study of electrical dehydration of crude oil was carried out in the laboratory, the research work was carried out as follow:First of all, the background of crude oil dehydration technology and the purpose and meaning of develo

7、pment of dehydration technology were briefly introduced; the research situation and development trend of crude electric dehydration at home and abroad were general introduced, and the electric dehydration problems now were pointed out. Through the introduction of oil-water emulsion type and the way

8、of emulsion breaking, the importance of electric demulsification was explained in detail. Secondly, the electrical dehydration test platform was built in the laboratory on the basis of the analysis of the mature electrical dehydration device in industry. The test platform mainly includes: a heating

9、device, liquid into the mixing tank, emulsifying machine, metering pump, dewatering tank, waste liquid tank and so on. The measurement method of the physical parameters which were used in the test and the device which were used in the measurement also been explained.Finally, the experimental program

10、 of this test was designed, it included the test bock diagram and the basic process. During the experiment, the electrical dehydration phenomenon was observed; The power amplitude, the frequency and the duty cycle of the pulse voltage effect on the electric dehydration were researched; The DC field

11、and the AC field effect on the electric dehydration also been researched, and the differences between three fields were analyzed; The dehydration temperature and the initial moisture content effect on the electric dehydration were studied; the dehydration mechanism was analyzed on basis of the test

12、results.Keywords : crude oil; emulsion; electric dehydration; voltage目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc327780843 摘 要 PAGEREF _Toc327780843 h I HYPERLINK l _Toc327780844 Abstract PAGEREF _Toc327780844 h II HYPERLINK l _Toc327780845 HYPERLINK l _Toc327780846 第1章緒論 PAGEREF _Toc327780846 h 1 HYPERLINK

13、 l _Toc327780847 1.1課題的背景及意義 PAGEREF _Toc327780847 h 1 HYPERLINK l _Toc327780848 1.2原油電脫水 PAGEREF _Toc327780848 h 2 HYPERLINK l _Toc327780849 1.2.1原油電脫水機理 PAGEREF _Toc327780849 h 4 HYPERLINK l _Toc327780850 1.2.2原油電脫水技術在國內外的研究成果 PAGEREF _Toc327780850 h 5 HYPERLINK l _Toc327780851 1.3當前電脫水技術存在的問題 PAG

14、EREF _Toc327780851 h 7 HYPERLINK l _Toc327780852 1.4本論文的主要工作 PAGEREF _Toc327780852 h 7 HYPERLINK l _Toc327780853 第2章實驗室小型電脫水試驗系統(tǒng) PAGEREF _Toc327780853 h 8 HYPERLINK l _Toc327780854 2.1工業(yè)上原油電脫水設備 PAGEREF _Toc327780854 h 8 HYPERLINK l _Toc327780855 2.2實驗室小型原油電脫水設備 PAGEREF _Toc327780855 h 8 HYPERLINK l

15、 _Toc327780856 2.2.1電源控制柜 PAGEREF _Toc327780856 h 10 HYPERLINK l _Toc327780857 2.2.2模溫機 PAGEREF _Toc327780857 h 10 HYPERLINK l _Toc327780858 2.2.3進液調配罐 PAGEREF _Toc327780858 h 11 HYPERLINK l _Toc327780859 2.2.4廢液調配罐 PAGEREF _Toc327780859 h 11 HYPERLINK l _Toc327780860 2.2.5脫水罐 PAGEREF _Toc327780860

16、h 11 HYPERLINK l _Toc327780861 2.2.6脫水電極 PAGEREF _Toc327780861 h 11 HYPERLINK l _Toc327780862 2.3實驗室試樣測試手段 PAGEREF _Toc327780862 h 12 HYPERLINK l _Toc327780863 2.3.1原油含水率的測量 PAGEREF _Toc327780863 h 13 HYPERLINK l _Toc327780864 2.3.2高頻高壓脈沖幅值及波形測量 PAGEREF _Toc327780864 h 13 HYPERLINK l _Toc327780865 第

17、3章原油電脫水試驗研究 PAGEREF _Toc327780865 h 15 HYPERLINK l _Toc327780866 3.1試驗框圖及試驗基本流程 PAGEREF _Toc327780866 h 15 HYPERLINK l _Toc327780867 3.1.1試驗框圖 PAGEREF _Toc327780867 h 15 HYPERLINK l _Toc327780868 3.1.2試驗基本流程 PAGEREF _Toc327780868 h 16 HYPERLINK l _Toc327780869 3.2油水乳狀液的制備 PAGEREF _Toc327780869 h 16

18、HYPERLINK l _Toc327780870 3.2.1試驗用油 PAGEREF _Toc327780870 h 16 HYPERLINK l _Toc327780871 3.2.2乳化劑的選擇 PAGEREF _Toc327780871 h 16 HYPERLINK l _Toc327780872 3.2.3加乳化劑方式的影響 PAGEREF _Toc327780872 h 17 HYPERLINK l _Toc327780873 3.2.4本次試驗乳狀液的制備 PAGEREF _Toc327780873 h 17 HYPERLINK l _Toc327780874 3.3電脫水實驗現(xiàn)

19、象 PAGEREF _Toc327780874 h 17 HYPERLINK l _Toc327780875 3.4脈沖電場對原油電脫水的影響 PAGEREF _Toc327780875 h 18 HYPERLINK l _Toc327780876 3.4.1頻率 PAGEREF _Toc327780876 h 18 HYPERLINK l _Toc327780877 3.4.2幅值 PAGEREF _Toc327780877 h 21 HYPERLINK l _Toc327780878 3.4.3占空比 PAGEREF _Toc327780878 h 23 HYPERLINK l _Toc3

20、27780879 3.5交流電場對原油電脫水的影響 PAGEREF _Toc327780879 h 25 HYPERLINK l _Toc327780880 3.6直流電場對原油電脫水的影響 PAGEREF _Toc327780880 h 27 HYPERLINK l _Toc327780881 3.7不同電場對原油電脫水效果的比較分析 PAGEREF _Toc327780881 h 29 HYPERLINK l _Toc327780882 3.8溫度對原油電脫水的影響 PAGEREF _Toc327780882 h 30 HYPERLINK l _Toc327780883 3.9含水率對原油

21、電脫水的影響 PAGEREF _Toc327780883 h 32 HYPERLINK l _Toc327780884 結論 PAGEREF _Toc327780884 h 35 HYPERLINK l _Toc327780885 致謝 PAGEREF _Toc327780885 h 36 HYPERLINK l _Toc327780886 參考文獻 PAGEREF _Toc327780886 h 37 HYPERLINK l _Toc327780887 附錄英文資料及其翻譯 PAGEREF _Toc327780887 h 39哈爾濱理工大學學士學位論文緒論課題的背景及意義從井中開采出的原油一

22、般都含有一定數(shù)量的水，水的存在使原油的物理性質發(fā)生了變化，這就給原油的礦場集輸和煉制帶來了許多問題，主要有：1. 增加儲運、加工設備的負荷，增加動力、熱能和冷卻水的消耗；2. 原油中的水多數(shù)含有鹽類，加速了設備、容器和管線的腐蝕；3. 在石油煉制過程中，水和原油一起被加熱時，水會急速汽化膨脹，壓力上升，影響煉廠正常操作和產品質量，甚至會發(fā)生爆炸；4. 催化劑中毒1，影響二次加工原料及產品質量。因此外輸原油前，需進行脫水，其含水量按要求不可超過0.5%，有條件時應力求降低。在脫水站內經(jīng)隔油措施或除油系統(tǒng)后輸至污水處理站的污水，其油含量應不超過1000mg/L。目前，全世界大約每天生產860萬噸原

23、油，至少會采出同等數(shù)量的水。在各油田開發(fā)過程中，油井一般都會經(jīng)歷三個開采階段：不含水期、含水期和高含水期。油井見水后，采出的原油發(fā)生乳化，黏度和凝固點都會升高，引起結蠟，嚴重時發(fā)生油井事故，甚至導致停產，使原油產量下降，生產成本大幅度增加。除此之外，由于原油中含有大量的水，同時含有樹脂、膠質、瀝青質和有機酸等天然表面活性劑，它們吸附在油水界面，形成具有一定強度的界面膜，使水珠難以聚結。因此，絕大部分水以極其微小的顆粒分散在原油中形成穩(wěn)定的原油乳液，給油水分離帶來了巨大的困難。然而水在油田開發(fā)的過程中，幾乎是原油的“永遠伴生者”，尤其是在油田開發(fā)的中后期，油井不采水，也就沒有了油。所以原油脫水就

24、成為油田開發(fā)過程中一個不可或缺的環(huán)節(jié)，一直受到人們的重視。為了使油井生產出來的原油成為合格的商品原油，同時保護生態(tài)環(huán)境，礦場必須及時地對含水、含鹽、含機械雜質的原油進行凈化處理。原油中的水主要有3種存在形式：一是懸浮水，水在油中呈懸浮狀態(tài)，可采用加熱沉降的方法分離除去；二是乳化水，在原油開采、加工和精制的過程中，由于劇烈攪動以及原油中本身就含有乳化劑，使得油和水形成油包水型(W/O)2的乳狀液，這種乳狀液比較穩(wěn)定，必須用特殊的脫水方法才能除去，也有極個別的原油是形成水包油型(O/W)的乳狀液；三是溶解水，水以分子狀態(tài)存在于烴類化合物的分子之間，成均相狀態(tài)。在原油生產中，一般分為三級脫水3：第一

25、級為機械方法脫水，用以脫除油田采出液當中多數(shù)的游離水；第二級為化學方法脫水，進一步來脫除油田采出液經(jīng)機械脫水后剩余的少量游離水和部分乳化水；經(jīng)過第二級脫水后，原油含水率一般能夠被控制在30%以內，這時需要第三級脫水，即電脫水，將剩余的乳化水含量降低到國家標準。隨著油田進入高含水期的開采階段，大部分油區(qū)綜合含水量高達90%，三次采油技術作為提高采收率的有效手段，大幅度地提高了原油的采收率，對我國油田開發(fā)后期穩(wěn)產起到了重要的作用，這種技術在油田已開始應用且具有廣闊的發(fā)展前景。原油電脫水原油中的水主要以“油包水”型乳化液的形式存在，因而，多年來人們對原油脫水的研究，主要是針對破壞“油包水”型乳化液這

26、個問題進行的，主要的研究方法包括沉降法，過濾法，離心分離法，化學破乳法，磁處理法，微波輻射法，生物法，超生破乳法和電破乳法。1. 沉降法沉降法原油脫水是根據(jù)油水密度的差異將油水進行分離的一種物理方法4。此法多用于原油罐區(qū)，將采出的高含水原油放入罐中靜置，原油乳狀液中的水依靠重力沉降下來，達到油水分離。沉降法的設備簡單、操作容易，可以有效脫出原油中大部分的懸浮水。但耗時長、效率低，無法滿足粘度大、油水密度差小、含水率低和脫水速度要求高的原油脫水。2. 過濾法過濾法首先要選擇一種良好的固體吸附劑作為過濾材料，并制成破乳過濾柱。其工藝流程是：將進廠原油加入適量的水和破乳劑后混勻，然后使W/O型的乳化

27、原油進入過濾柱，加壓使乳化液通過濾料層，在過濾材料吸附力的作用下，乳化原油經(jīng)過碰撞、潤濕、過濾等物理過程之后，由于固體吸附劑對乳化原油中油和水的吸附具有選擇性，W/O型乳化液中的水、鹽類被吸附，乳化液油水界面的保護膜被破壞。但該技術首先要選擇一種良好的固體吸附劑作為過濾材料，實際應用中所表現(xiàn)出的問題是過濾材料容易被堵塞、處理量小、反沖洗過程容易污染環(huán)境，所以該方法并沒有得到普遍應用。3. 離心分離法離心分離法是利用水和油的密度不同，在離心力的作用下，促進排液過程而使乳狀液破壞5,6，從而將油與水分開的方法。由于離心設備可以達到非常高的轉速，產生高達幾百倍重力加速度的離心力，因此可以較為徹底的將

28、油和水分離，并且只需很短的停留時間和較小的設備體積。在離心破乳的過程中，對乳狀液加熱可以加快破乳。離心場強越強，破乳效果越好。由于離心設備有運動部件，因而日常維護較難。4. 化學破乳法化學破乳法是通過破乳劑破壞原油乳化液的穩(wěn)定性，使油水分離。破乳劑的破乳效果與乳化液的油水界面張力密切相關，破乳劑降低界面張力能力越強，破乳效果越好。目前，化學法處理原油乳化液應用最廣泛，這種方法的優(yōu)點是方便簡單、快速、高效、可低溫作業(yè)。缺點是破乳劑的針對性過強，而目前尚未找到廣譜型的破乳劑7-10。5. 磁處理法磁處理法是對原油乳狀液和破乳劑進行磁處理，然后再進行脫鹽脫水的方法。根據(jù)試驗，原油乳狀液、破乳劑等，經(jīng)

29、磁處理后其性質都會發(fā)生不同程度的變化，主要表現(xiàn)為原油油層水的表面張力減小，原油及其乳狀液的粘度下降，破乳劑部分分子團被拆散，提高了其破乳功效。6. 微波輻射法微波輻射法原油脫鹽脫水是利用微波輻射來破乳的一種技術11。微波破乳時，形成高頻變化的電磁場，使極性分子高速旋轉，破壞油水界面膜的zeta電位；當水(油)分子失去zeta電位的作用后，自由的上下運動，碰撞聚結，使得油水分離。同時，由于水分子吸收微波的能力比界面膜的油分子吸收能力強，則內相水滴吸收更多的能量而膨脹，使界面膜受內壓變薄。另一方面，界面膜中的油由于受熱而溶解度增高，使得界面膜的機械強度變低而更容易破裂。除此之外，微波形成的磁場還使

30、非極性的油分子磁化，形成與油分子軸線成一定角度的渦旋電場，該電場能減弱分子間的引力，降低油的粘度，從而增大油水的密度差。7. 生物法生物法原油脫鹽脫水是利用微生物對原油乳狀液進行破乳，進而達到脫鹽脫水目的的一種方法。其原理是：某些微生物通過消耗表面活性劑得以生長，并對乳化劑起生物變構作用，致使乳狀液破壞；另外，有些微生物在代謝過程中分泌出一些具有表面活性的代謝產物，這類天然的表面活性劑，對原油乳狀液是良好的破乳劑12。8. 超聲破乳法超聲破乳法是將聲波能量輻射到加入了少量破乳劑的原油乳狀液中，使之產生一系列超聲效應，如攪拌、聚結、空化、溫熱、負壓等，從而達到破壞油水相界面膜的目的，起到破乳脫鹽

31、脫水的作用。由于超聲波在油和水中均具有較好的傳導性，故這種方法適用于各種類型的乳狀液。對于三次采油采出的水包油型乳化原油、污水回收油、老化油等，由于其化學成分及乳狀結構的復雜性，難以用常規(guī)方法破乳脫鹽脫水，聲化學法可用于上述油類的脫鹽脫水，且具有較好的效果13,14。9. 電破乳法電破乳法是指在原油乳狀液中施加高強電場，在電場力的作用下水滴相互碰撞、聚結、沉降，從原油中分離出來15。以上各種方法在國內外有的已經(jīng)得到廣泛應用，有的尚處于研究階段。這些方法均有其獨特的優(yōu)越性，但也都存在著各自的缺點。目前在油田生產現(xiàn)場用的最多的仍然是化學破乳和電破乳相結合的脫水方式。原油電脫水機理在原油脫水過程中，

32、電脫水被大規(guī)模地采用始于上世紀初，其機理是將原油乳狀液置于高壓直流或交流電場中，由于電場對水滴的作用，使水滴發(fā)生變形和產生靜電力。水滴變形可削弱乳化膜的機械強度，靜電力可使水滴的運動速度增大，動能增加，促進水滴互相碰撞，而碰撞時其動能和靜電力位能便能夠克服乳化膜的障礙而彼此合并成粒徑較大的水滴，在原油中沉降分離出來。這種破乳、合并的過程通常稱為聚結，聚結與沉降分離構成了原油脫水的過程。根據(jù)供電電壓波形的不同，可將電脫水分為直流電場脫水、交流電場脫水、交-直流電場脫水和高頻脈沖電場脫水。其中，直流電場脫水效率高但易引起電解腐蝕，因此用于煉油廠電導率較低的原油脫水；交流電場由于不產生電解，可用于處

33、理高含水原油；而交-直流電場則兼具二者的優(yōu)點，在煉油廠應用很廣泛；脈沖電場能較好的建立起穩(wěn)定脫水電場而被用來處理含水量相對高的原油。原油乳狀液中的水滴在電場中聚結主要有三種方式，即電泳聚結、偶極聚結和振蕩聚結16。1. 電泳聚結。根據(jù)異性電荷相吸引的原理，在直流電場中，水滴移向與其本身電荷電性相反的電極，此現(xiàn)象稱為“電泳”。由于原油中各種粒徑水滴的界面上都帶有同性電荷，故原油乳狀液中全部水滴，將以相同的方向運動。在“電泳”過程中，水滴受原油的阻力產生拉長變形，并使界面膜機械強度削弱，同時因水滴大小不等、所帶的電量不同和運動時所受阻力各異，故各水滴在電場中運動速度不同，水滴發(fā)生碰撞，使削弱的界面

34、膜破裂，水滴合并增大，從原油中沉降分離出來。未發(fā)生碰撞合并或碰撞合并后還不足以沉降的水滴將運動至與水滴極性相反的電極區(qū)附近。由于水滴在電極區(qū)附近密集，增加了水滴碰撞合并的機率，使原油中大量小水滴主要在電極區(qū)附近析出。電泳過程中水滴的碰撞、合并稱為電泳聚結。2. 偶極聚結。在高壓直流或交流電場中，原油乳狀液中的水滴受電場力的極化和靜電感應作用，使水滴兩端帶上不同極性的電荷，即形成誘導偶極。因為水滴兩端同時受正負電極的吸引，在水滴上作用的合力為零，水滴除產生拉長變形外，在電場中不產生像電泳那樣的運動，但水滴的變形削弱了界面膜的機械強度，特別在水滴兩端界面膜的強度最弱。原油乳狀液中許多兩端帶電的水滴

35、像電偶極子一樣，在外加電場中以電力線方向呈直線排列形成“水鏈”如圖1-1所示，相鄰水滴的正負偶極相互吸引，電的吸引力使水滴相互碰撞，合并成大水滴，從原油中沉降分離出來。這種聚結方式稱為偶極聚結，偶極聚結是在整個電場中進行的。222圖 STYLEREF 1 s 1 SEQ 圖 * ARABIC s 1 1電場中液體受力圖3. 振蕩聚結。在工頻交流電場中，電場方向每秒改變50次，水滴內各種正負離子不斷地作周期性的往復運動，使水滴兩端的電荷極性發(fā)生相應的變化。離子的往復運動使水滴界面膜不斷地受到?jīng)_擊，使其機械強度降低甚至破裂，水滴相撞而聚結成大水滴，從原油中分離出來。這種聚結方式稱為振蕩聚結，振蕩聚

36、結是在整個電場中進行的。原油乳狀液在交流電場中，水滴以偶極聚結和振蕩聚結為主；在直流電場中，水滴以電泳聚結為主，偶極聚結為輔。)原油電脫水技術在國內外的研究成果國外的電破乳脫水技術是九十年代發(fā)展起來的，其發(fā)展過程如下：1909年，美國F G Cottrell 博士申請了靜電聚結原油乳化液電破乳技術的專利，這標志著交流電脫水工藝應用的開始17。1918年 F M Seibert 等人申請了采用250V500V高壓直流電場處理油水乳化液的專利，并率先提出了直流電脫水的機理，直流電脫水從此得到了應用。20世紀70年代初，F(xiàn) L Prestridge等人結合交、直流電場各自的優(yōu)缺點，提出了雙電場脫水方

37、案，由此產生了交-直流雙電場脫水理論，從而提高了脫水的效率及對各種原油的適應性，同時也減少了耗電量，使操作運行更穩(wěn)定18。為了克服直流電場不能應用于含水率較高的W/O型乳化液的問題，1981年英國Bradford大學的P. J. Bailes教授等人研究發(fā)現(xiàn)，高頻脈沖交流電場能客服直流電場下脫水容易短路而產生的“垮電場”現(xiàn)象這一問題，提出了采用高頻脈沖電破乳的技術19。2002年，美國NATCO公司針對傳統(tǒng)電脫水器存在的問題，研制出了雙頻-雙電壓電脫水技術，能夠有效實現(xiàn)稠油和聚合物驅原油的脫水，可以說該技術在電脫水技術優(yōu)化方面邁出了堅實的一步20。電脫水技術的進步與其理論研究是分不開的。Gal

38、vin在實驗中發(fā)現(xiàn)，在交流電場中，成對的水滴就會發(fā)生聚結而不是等水滴成鏈后再聚結。水滴間距越小，使其運動速度變快，當液滴與液滴間距急速變小時，液滴出現(xiàn)變形，水滴會因為油水界面膜的破裂而發(fā)生聚結21；Sun等人認為在不相溶液體介質中的液滴聚結過程分為3步。首先，液滴相互接近，被一層連續(xù)相的膜分隔開來，而后這層膜變薄，界面面積逐漸減小，并最終破裂完成聚結22；Williams等人測試了交流電場作用時間對油中水滴中直徑的影響，發(fā)現(xiàn)液滴直徑隨電場作用時間的增加而增加，直到達到最大值而不再變化；Waterman描述了水滴在電場中靜電聚結的兩種機理：偶極子-偶極子聚結和電澄清。電澄清包括電泳聚結、偶極聚結

39、、異性電荷的對碰和沿同方向運動的不同大小的液滴發(fā)生的碰撞23；Cottrell和Speed注冊了電場聚結的第一份專利，他們在實驗中觀察到：水滴鏈從一個電極延伸到另一個電極，每條水滴鏈上電極鄰近的液滴先發(fā)生聚結，使與電極相鄰的水滴變大，沉降下來，然后不斷從鏈上獲得新液滴24。我國于上世紀60年代末開始應用交流電破乳技術，80年代初又從國外引進了先進技術和裝置。這些設備在國內進行了相應改良，其相關的配套設備現(xiàn)在仍廣泛應用于各大油田。國內對原油電脫水機理的研究也做了大量工作，1992年東北師范大學嚴忠、王連成較系統(tǒng)地總結了國外原油電脫水機理的研究動態(tài)25，1995年武漢大學曹順安、周文俊等開展了高壓

40、脈沖電脫水試驗，并對其脫水機理進行了研究26，1998年清華大學閻軍等人對靜電場和離心場聯(lián)合作用下的油水分離的情況進行了研究27，2000年漆新民、陳海燕等人開展了高壓原油脈沖電脫水試驗的研究28，2001年中國石油大學孫在春等開展原油與水界面張力的研究29，2006年張建、董守平、甘琴容等人開展了在高頻脈沖電場作用下乳化液中液滴行為的研究30，近幾年來，中國石油大學張建、董守平、王振波等人通過建立高頻脈沖電場作用下乳化液的液滴模型，分析了高頻脈沖電場對W/O乳化液的破乳機理，并從力學角度分析了最佳頻率，總結了影響高頻脈沖電脫水性能的因素31,32。當前電脫水技術存在的問題當前，我國電脫水技術

41、水平有了很大提高，某些新建裝置的配套已達到了國際水平但仍存在如下幾個問題：1. 目前，我國的許多油田已進入開發(fā)后期，為維持原油產量，不得不采用注水、注化學藥劑等先進開采方法，結果采出的原油含水、含鹽和含化學藥劑量增大，為油田電脫水帶來了一定困難。2. 重質原油的電脫水問題。這部分原油比重很大(0.930.98)，粘度也很大，給脫水工作帶來很大困難。3. 當前原油電脫水器都是臥式和板式電極，原油在罐內充滿空間(罐的利用率)只占整個罐的2/3，而電場利用率只有整個罐的30%，效率很低。罐內原油的流動方向和脫出水下沉方向相反，上升油流阻礙了下降水滴的沉降，下降水滴(含大量鹽)又對上升的凈化原油進行二

42、次污染。4. 電脫水裝置的大型化。目前國內電脫水單罐處理能力都很小，與國外還有一定的差距。本論文的主要工作隨著原油開采時間的深入和原油加工量的增大，原油質量劣質化程度增強，重質油產量激增，同時蒸餾裝置擴建時平面布置緊張的矛盾也日益突出。這對原油電脫水技術提出了新的要求。本論文闡述了國內外原油脫水的基本方法及發(fā)展現(xiàn)狀，對原油乳狀液的性質及電破乳脫水的基本原理進行分析。并鑒于當前電脫水技術存在的問題，本論文主要進行了以下工作：研究不同幅值、頻率、占空比的脈沖電場作用下的電脫水效果。研究直流電場、交流電場作用下的電脫水效果。分析比較脈沖電場、直流電場、交流電場對脫水效果的影響。研究溫度、原油初始含水

43、率對電脫水效果的影響。觀察脫水現(xiàn)象并分析、總結規(guī)律。實驗室小型電脫水試驗系統(tǒng)工業(yè)上原油電脫水設備原油脫水設備是脫水技術的體現(xiàn)，它在原油脫水過程中占有重要地位。一項脫水設備結構的合理與否，直接關系到脫水的效果、效率和原油的質量，以及生產運行成本，進而影響原油脫水生產的總經(jīng)濟效益。因此，人們結合油氣集輸與處理工藝流程逐漸走向“無罐化”，即不再使用儲罐式沉降分離設備，而較普遍地采用了耐壓沉降分離設備，研制了先進的大型的脫水耐壓容器。如今我國的電脫水常用臥式電脫水器，設備簡圖如圖2-1所示。圖 STYLEREF 1 s 2 SEQ 圖 * ARABIC s 1 1 臥式電脫水器上圖采用交直流疊加的脫水

44、方式，脫水時在電極兩端施加高電壓，使極板間形成高壓電場。原油從電脫水器下部進入，先進入交變弱電場，水滴振蕩并聚集脫除大部分較大的水滴。脫除較大水滴后的原油繼續(xù)向上運動進入直流強電場，原油中的較小乳化水滴在強電場作用下極化，由于電極板垂直布置，因此偶極化的水滴在直流電場中受力不平衡，在電場的作用下向鄰近極板運動，抵達極板而獲得電荷后，向相反極板加速運動，在運動中水滴碰撞聚結。當水滴變得足夠大時，其重力使水滴沉降。與交流電場相比，水滴碰撞聚結的幾率大為增加，使得脫水效率更高33。實驗室小型原油電脫水設備為了更好的了解工業(yè)上的脫水流程，并對原油電脫水和電壓幅值、頻率、占空比、溫度以及初始含水率之間的

45、關系進行試驗研究，結合工業(yè)上電脫水裝置的原理，實驗室研制了一套室內小型電脫水試驗系統(tǒng)，裝置簡圖如圖2-2，裝置實物圖如圖2-3。圖 STYLEREF 1 s 2 SEQ 圖 * ARABIC s 1 2小型電脫水系統(tǒng)裝置簡圖圖 STYLEREF 1 s 2 SEQ 圖 * ARABIC s 1 3小型電脫水系統(tǒng)裝置實物圖由上圖可知，將白油、水和乳化劑倒入進液調配罐中，通過高速剪切乳化機使其充分乳化，得到試驗用的乳狀液。剪切好的乳狀液經(jīng)模溫機升溫到所需溫度后，經(jīng)計量泵泵入脫水罐中進行脫水，脫后的油和水流入廢液罐中進行下一步處理。由于溫度對原油的粘度影響很大，所以整個實驗過程中采用導熱油循環(huán)加熱對

46、試驗溫度進行控制，以保證實驗過程中溫度恒定。裝置中的計量泵還起到了控制流速的作用。脫水高壓電源由電源控制柜輸出，通過高壓套管引入電極板。脫水控制柜還可以對實驗電壓，電流，溫度等信息進行采集。電源控制柜電脫水的電源是整個電脫水系統(tǒng)的核心部分，電源控制柜的作用是將工頻電壓轉換成電壓幅值、頻率均可調的電壓，然后通過高壓變壓器升壓至脫水所需的電壓。裝置如圖2-4所示。本試驗中，電源控制柜需分別輸出直流電壓、交流電壓、交直流疊加電壓以及脈沖電壓，其輸出電壓的范圍如下：1. 直流輸出：電壓-15kV+15kV無級可調；2. 交流輸出：電壓030kV無級可調；3. 脈沖輸出：電壓030kV無級可調，頻率15

47、0Hz5kHz無級可調，占空比090%可調；圖 圖 STYLEREF 1 s 2 SEQ 圖 * ARABIC s 1 4電源控制柜圖 STYLEREF 1 s 2圖 STYLEREF 1 s 2 SEQ 圖 * ARABIC s 1 5模溫機溫度對原油乳化液電脫水效果的影響很大，加熱后，由于膨脹系數(shù)不同，原油和水的密度差變大。另外，加熱后原油粘度降低，兩相間的液體膜強度變差，更易于破乳，這些都有利于乳化液中水顆粒的沉降。很多破乳劑也需要在高溫下才能發(fā)揮作用。因此在整個實驗過程中，都需要對進液調配罐，脫水罐和廢液罐進行加熱保溫，本試驗系統(tǒng)的加熱采用加熱油循環(huán)加熱的方式實現(xiàn)。試驗中選擇的加熱裝置

48、采用LOS-10型加熱控制器，加熱功率為12kW，溫度控制范圍為室溫至200這臺模溫機采用電腦PC板觸摸式操作系統(tǒng)，內部配有間接水冷裝置，加熱過程中當循環(huán)油溫度超過上限值時將報警并切斷電路，顯示面板可顯示設定溫度及實際溫度值，裝置圖如圖2-5所示。進液調配罐圖 STYLEREF 1 s 2 SEQ 圖 * ARABIC s 1 6進液調配罐進液調配罐是用來調配試驗用乳狀液的，由于試驗用圖 STYLEREF 1 s 2 SEQ 圖 * ARABIC s 1 6進液調配罐廢液調配罐廢液調配罐和進液調配罐的設計基本相同，廢液調配罐主要用于儲存經(jīng)脫水后分離出來的油和水。它和進液調配罐的不同之處在于它的

49、上部做成了封閉的蓋子，并且在罐體增加了進油管和進水管。廢液調配罐實物圖如圖2-7所示。圖 STYLEREF 1 s 2圖 STYLEREF 1 s 2 SEQ 圖 * ARABIC s 1 7廢液調配罐圖 STYLEREF 1 s 2 SEQ 圖 * ARABIC s 1 8脫水罐圖 STYLEREF 1 s 2 SEQ 圖 * ARABIC s 1 8脫水罐脫水電極原油電脫水的關鍵就是所施加的電場，而電場又與電極的結構和布局有關。合理的結構和布局，不僅可以穩(wěn)定電場強度、防止電擊穿，更可以提高分離效率。本次試驗中，采用水平電極結構，由于脫水過程中，水滴受重力作用而沉降，為了便于水滴聚結下沉，電

50、極板表面均勻的打滿小圓孔，以便于水滴從縫隙中沉降，水平電極結構圖如圖2-9所示。圖 STYLEREF 1 s 2 SEQ 圖 * ARABIC s 1 9水平電極脫水罐內總共安置了6塊電極板，1、3、5電極板接高壓，2、4、6電極板接地。電極安裝結構圖如圖2-10所示。圖 STYLEREF 1 s 2 SEQ 圖 * ARABIC s 1 10電極安裝結構圖實驗室試樣測試手段在制出試驗用乳狀液后，需對其含水率進行測量，試驗過程中，也需實時的測量油樣的含水率，上電后需對電源控制柜輸出的電壓、電流波形進行采集監(jiān)測，測量中所用到的設備及測試手段如下：原油含水率的測量脫水率是衡量原油電脫水效果的直接指

51、標，為了測量原油的脫水率，需對其脫水前的含水率以及脫水后的含水率進行測量。原油含水率的測量方法包括采用物理方法分析的氣相色譜法、濕度百分比法、壓力計計量法、電導率法和介電容量法以及依據(jù)化學反應的卡爾費休法等。本次試驗主要采用卡爾費休法測量方法，該方法的基本原理是利用堿和甲醇存在下，水和碘及二氧化硫產生定量化學反應，從消耗碘的量可以測得水的含量。該方法可測量的含水率為5ppm-2%。測量時所用設備為卡氏微水測量儀，該設備的最小分辨率為0.01mg，重現(xiàn)性0.02。根據(jù)實驗過程中測得的數(shù)據(jù)，按式2-1和式2-2計算脫水率和脫水速率。（ STYLEREF 1 s 2 SEQ 式 * ARABIC s

52、 1 1）其中P脫水率，%；V1試驗前測得乳狀液中含水率，%；V2脫水后測得乳狀液中的含水率，%。（ STYLEREF 1 s 2 SEQ 式 * ARABIC s 1 2）其中脫水速率，%/min；P1前一時刻脫水率，%；P2后一時刻脫水率，%；t1前一時刻電場作用時間，min；t2后一時刻電場作用時間，min。高頻高壓脈沖幅值及波形測量為了更好的研究高頻脈沖幅值、頻率、占空比等參數(shù)對原油電脫水效果的影響，需對脈沖電壓波形進行采集。高頻電壓的測量原理圖如2-11所示，若需測量電源控制柜輸出端的電壓波形，只需不接試品，測其空載電壓。測量過程中所用的高壓探頭采用美國TEK6015A高壓探頭，示波

53、器采用美國TEKDPO4104高頻示波器。Tektronix P6015A 高壓探頭實現(xiàn)對頻率為DC-100MHz、幅值為40kV的高壓信號進行準確測量，其分壓比為1000：1，輸出信號由TEK DPO4104高頻示波器進行采樣的測量，以實現(xiàn)對高頻高壓脈沖幅值及波形的準確測量。圖 STYLEREF 1 s 2 SEQ 圖 * ARABIC s 1 11高頻電壓測量原理圖原油電脫水試驗研究試驗框圖及試驗基本流程試驗框圖實驗室原油電脫水試驗框圖如下：圖 STYLEREF 1 s 3 SEQ 圖 * ARABIC s 1 1原油電脫水試驗框圖試驗基本流程具體試驗流程如下：1、按照試驗所需的油水比例，

54、以白油為連續(xù)相，水為分散相，調配W/O型乳狀液，并將調配好的乳狀液倒入進液調配罐中。啟動高速剪切乳化機將其乳化充分。2、打開模溫機，設定加熱溫度，等到導熱油將調配罐內的乳狀液升溫至所需溫度時，停止加熱，并保證溫度恒定。3、取出少量試樣，用卡氏微水測量儀測量試樣的含水率。4、啟動計量泵，將流速調到最大，乳狀液會被泵到脫水罐中。在電源控制柜上設置所需的脫水電壓、脫水頻率以及占空比，控制系統(tǒng)會根據(jù)設置的電壓值自動調節(jié)脫水電壓，脫水試驗開始。5、試驗過程中，觀察電脫水現(xiàn)象，定時抽取乳狀液樣品，測量不同時間點對應的含水率，并計算出脫水率及脫水速率。在一次試驗完成后，抽取樣品計算最終的脫水率及脫后水中的含

55、油率。油水乳狀液的制備試驗用油試驗用油選擇白油，它是經(jīng)超深度精制，脫除芳烴、硫和氮等雜質而得到的特種礦物油品，具有無色、無味、化學惰性及優(yōu)良的光、熱安定性。并且其燃點高于煤油，試驗安全性高。白油粘度較高，和實際生活中開采出的原油較為接近。本次試驗要用到的油水乳狀液就是將油和水以及乳化劑按照一定的比例混合得到的。乳化劑的選擇油和水混合后靜置一段時間會自然分層，為了得到更穩(wěn)定，更貼近實際生活中開采出的原油，配置油水乳狀液過程中必須添加乳化劑，使油水間產生乳化作用，從而使水以微小的液滴懸浮于油中。配置乳狀液時可以選擇油溶性的乳化劑司盤80和水溶性的乳化劑吐溫80。經(jīng)過反復試驗，發(fā)現(xiàn)用吐溫80配置出的

56、乳狀液過于粘稠，呈現(xiàn)絮狀，不能形成均相穩(wěn)態(tài)的乳狀液，而用司盤80配置出的乳狀液較穩(wěn)定，并且無絮狀物產生，更貼近實際開采出的原油，因而本次試驗的乳化劑選擇司盤80。加乳化劑方式的影響試驗過程中采用兩種加乳化劑的方式，第一種方式：先將乳化劑司盤80加入到白油中，攪拌均勻后再加入水，用高速剪切乳化機剪切。第二種方式：先將白油和水混合，攪拌均勻后再加入乳化劑司盤80，用高速剪切乳化機剪切。經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，第一種加入乳化劑的方式使得油水乳狀液的粘度過高，上電脫水時電場無法建立，因此本次試驗采用第二種加乳化劑的方式。本次試驗乳狀液的制備將油、水分別按照所需的比例混合，并加入體積分數(shù)為0.5%的司盤80乳化劑

57、，本試驗要求配置含水率為25%的乳狀液25L，試驗前需用500ml的燒杯量取18.75L的白油和6.25L的水，倒入進液調配罐中，再量取125mL的乳化劑，倒入進液調配罐中，用WRL-80型高速剪切均質乳化機按2900rpm的轉速剪切15min。即得到試驗所需的油水乳狀液。電脫水實驗現(xiàn)象將進液調配罐內剪切好的油水乳狀液，加熱至50C后泵入脫水罐內，液面高度沒過所有電極板，如圖3-2所示，對脫水罐施加幅值為4kV，頻率為150Hz，占空比為80%的脈沖電壓，在脫水罐中，兩電極板間的距離為2cm，因此場強為2 kV/cm。隨著施加電場時間的增加，可以觀察到乳狀液出現(xiàn)分層現(xiàn)象，10min后拍攝的照片

58、如圖3-3所示，可以很明顯的看出液面分為兩層，上層為脫去水的油層，下層為油水乳狀液。 圖 STYLEREF 1 s 3 SEQ 圖 * ARABIC s 1 2上電前脫水罐 圖 STYLEREF 1 s 3 SEQ 圖 * ARABIC s 1 3上電10min脫水罐 施加電場20min后，拍攝照片如圖3-4所示，除了能觀察到油層和乳狀液的分層，還能清楚的看到脫水罐下面有厚厚的一層水層，圖3-5為脫水30min后拍攝的照片，此時能聽到脫水罐內出現(xiàn)“噼啪”的響聲，但是脫水現(xiàn)象已不十分明顯，油層和水層的頁面高度并沒有很明顯的變化。如圖3-6所示為脫水40min拍攝的照片，此時脫水過程已經(jīng)基本結束，

59、抽取上層油層測其含水率小于0.5%，符合國家標準。 圖 STYLEREF 1 s 3 SEQ 圖 * ARABIC s 1 4上電20min脫水罐 圖 STYLEREF 1 s 3 SEQ 圖 * ARABIC s 1 5上電30min脫水罐 圖 STYLEREF 1 s 3 SEQ 圖 * ARABIC s 1 6上電40min脫水罐脈沖電場對原油電脫水的影響油水乳狀液在高頻脈沖電場作用下，其破乳效果受到諸多因素的影響，規(guī)律也十分復雜，下面從不同的電場因素：頻率、幅值以及占空比三個方面進行實驗和分析。頻率在考慮頻率對電脫水效果影響的時候，應將電壓幅值和占空比調節(jié)到一個定值并保持不變，本試驗中

60、，調節(jié)電壓幅值為4kV，此時的場強為2 kV/cm，占空比為50%，調節(jié)頻率分別為150Hz、300Hz、450Hz和600Hz。將進液調配罐中已剪切好的乳狀液升溫至50C，經(jīng)計量泵泵入脫水罐中，從固定一點抽取乳狀液試樣測量其含水率，上電后每隔一定的時間都從該點抽取樣液進行含水率的測量。當測量到的含水量符合國家標準后，關閉電源，更換乳狀液，改變頻率，按照同樣的方法測量同一點的含水率。并計算出脫水率。繪制出的不同頻率下脫水率和時間的關系圖如圖3-7所示。由圖3-7可知，乳狀液的脫水過程主要是在電場施加的前二十分鐘完成，總體來說，隨著頻率從150Hz增加到600Hz，在前20min內，脫水率隨著頻