一种新型的实验室用老化油电脱水装置

牛俊邦，王建军，曾雄飞

（1.中国石油大学（华东）机电学院，山东 东营 257100；2.中国石油大学（华东）机电装备教学实习总厂，山东 东营 257061；3.中国石油化工股份有限公司西北油田分公司勘探开发研究院，新疆 乌鲁木齐 830013）

0 引言

随着油田开发的深人,各种化学增油措施已占据了采油技术的很大分量，虽然提高了油气产量，但同时也使得油气处理难度逐渐增大：即老化原油处理难度大已成为制约着集输技术进步的瓶颈[1]。文献[2]则给出了老化油的定义：广义上讲，老化油就是现有技术手段难以处理的原油。

近十年时间过去了，油田老化油的处理问题仍未得到很好解决。文献[3]认为：老化油就是现有技术手段难以处理的原油，其中乳状液成分复杂含有许多导电性较强的黏土和FeS等机械杂质。因此，老化油的处理也就成了迫在眉睫需要解决的生产实际问题[4]。这里所说的处理就是对老化油进行脱水、去渣。

本文研制了一种矩形波交流原油电脱水装置，对来自胜利、大庆、吉林、新疆、江汉油田等单位不同种类的老化油在实验室范围内进行了电脱水实验，具有脱水质量高，脱水速度快，脱水成本低的效果。该装置放大后可用于油田现场的老化油处理。

1 实验室用矩形波交流原油电脱水装置简介

矩形波交流脉冲电脱水装置由电源控制柜、防爆型宽频带高压变压器、脱水电极共三部分组成。

1.1 电源控制柜

首先把交流220V的电网电压经全桥整流后变成直流，再把该直流经斩波电路变成20～150V连续可调的直流；该连续可调的直流经全桥逆变电路转换成交流矩形波电压输出，且电压的幅值、频率、脉宽连续可调，电源基本参数如下：

电源供电电压：单相交流220V/50Hz

最大输出功率：800W

最大输出电流：10A

输出峰值电压：20～100V连续可调

脉宽比调节范围：20%～85%连续可调

频率调节范围：400Hz～5kHz连续可调

效率：＞90%

外型尺寸： 600×470×780

重量：25kg

如图1所示，脉宽比定义为：

图1 矩形波波形图Fig.1 Rectangular waveform graph

1.2 防爆型宽频带高压变压器

本文专门的矩形波交流电源控制柜配套研制的防爆型宽频带高压变压器，本质上也是一种大功率的宽频带变压器，基本参数如下：

输入电压波形：单相矩形波交流

输入电压幅值：20～220V

输入电压最大脉宽：85%

原边最大工作电流：15A

输出电压：2～10kV

工作频率范围：400～5000Hz

最大输出功率：≥2kW

效率：η≥85%

外型尺寸： 550×450×750

重量：100kg

宽频带高压变压器的研制中，如何有效降低分布电容的影响是其制作的关键。 普通降压变压器,基本上不用考虑分布电容的影响,只要尽量把漏感降低到一定值即可。高频高压变压器则有其特殊要求，次级绕组多、电压高,漏感和分布电容对其性能有决定性影响，不但要求尽可能减小漏感，还要求尽可能减小分布电容的数值。

分布电容主要是指绕组层与层之间、匝与匝之间、绕组与磁芯之间所组成等效电容的总和。降低分布电容的一个有效方法就是减小绕组匝数以及增加层间距和匝间距。减小匝数与升压变压器要求有较高的变比存在矛盾，这里的变比指的是副边匝数与原边匝数的比值；增加绕组的层、匝间距会使得变压器的漏感提高。解决这些矛盾的一个有效办法就是增加变压器磁心的横截面积以及选用高磁通密度材料，再考虑到绝缘强度、爬电距离、安全距离的要求，其结果就使得这种宽频带高压变压器的体积与重量，比相同功率的普通变压器大得多。

1.3 密闭式脱水电极

实验室中的原油电脱水装置分为静、动态两种类型。针对静态型，本文研制了一种专门处理老化油的密闭式脱水电极。

如图2所示，不锈钢压力釜与密封盖由螺栓紧固在一起就形成了一个密闭式结构，原油乳化液从上面的开口倒入；之后插入内电极，由螺纹盖把内电极压紧。内电极由聚四氟乙烯空心杆内含导电铜棒。不锈钢压力釜的容积最小为1.2L，最大的为20L，接地后可直接作为外电极，也可在压力釜内悬挂一个网状的金属套筒作外电极。

压力釜的底部装有放液阀，其外围安装加热瓦、温度传感器。密封盖的上部安装有放气阀和压力传感器，分别连接压力控制器和压力表。

图2 密闭式脱水电极示意图Fig.2 Schematic diagram of closed type dewatering electrode

该脱水电极在密闭状态下进行通电脱水，可以实现油样的加热和脱水时温度恒定；其耐压可达1Mpa，加热温度从室温到150℃连续可控。

实验室应用结果表明，这种密闭式脱水电极，对各种类型的老化油以及难处理的原油乳化液进行脱水处理都会得到良好的应用效果。

但对于另外一种的老化油：大量的实验结果表明，含有微固体颗粒的老化油非常顽固，这类老化油一般含水都大于10%，含有微量的轻组分，并同时含有较多的胶质和沥青质；下面给出来自江汉油田的这种老化油电脱水实验结果。

2 老化油脱水实验

实验前首先用蒸馏法进行原始油样含水率的标定，连续进行3次，结果如表1所示，含水率的平均值为14.2%。

表1 原始含水率测定数据Tab.1 The original water content

然后取1000mL的含水老化油，利用额定容积1200mL的密闭式脱水电极进行电脱水，电压4500V，电流0.9A，频率3800Hz，加热温度80℃，通电时间50分钟，不用任何破乳剂。

之后，断开电源，约20分钟后自然冷却到50℃，打开下面的放液阀，放到1000mL的玻璃杯中。再静置10分钟后，就能看到玻璃杯中分成了3层，如图3所示：最底层为黑色沉淀物，中层为透明的水，上层为脱水后的原油。

图3 电脱水后的老化油Fig.3 Oil electric dehydration after aging

用不同的加热温度重复上述的电脱过程，对玻璃杯中上层脱水后的原油用蒸馏法测定含水率，结果如表2。

当加热温度低于70℃时，透明的水层逐渐变薄直至消失，这时玻璃杯中的油可分为两层，含水小于0.5%的上层和高含水的下层。

表2 不同加热温度下的脱水效果Tab.2 The dehydration effect under the different heating temperature

图4 黑色沉淀物透射电镜照片Fig.4 The black precipitate the TEM photographs

用透射电镜观察最底层的黑色沉淀物，放大3万倍的照片见图4。可以看出，粉末粒子的粒径在10μm以下，以纳米级粒子居多。

3 结论

（1）矩形波交流原油脱水电源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，更适合油田难处理原油的电脱水。

（2）老化油中以微固体颗粒为核心，由沥青质、胶制质组成的胶团悬浮在原油乳化液中，阻止小水珠的下沉，是老化油难处理的根本原因。

（3）矩形波交流电源的跃变电场所产生的振荡效应，能把老化油中的胶团与水珠的结合面切割分离，从而实现油水快速分离的目的。

[1]高海军，周敬伟，张自清.高效破乳技术在老化油处理中的应用[J].工业计量,2003（增刊）.

[2]衡英杰，潘永梅，袁国英.油田开发后期老化油的构成及现场处理效果分析[J].石油天然气学报，2005，6.

[3]尚飞飞，廖克俭，王洪国.辽河油田稠油及老化油物性分析[J].石油化工高等学校学报.2011，5.

[4]杨忠平，王宪中，田喜军.吉林油田联合站老化原油成因与脱水方法研究[J].油田化学，2010，3.