垂直极板电脱水器技术在注聚油田的应用

张鸿凯，翟 东，唐 勇

(中海油能源发展采油服务公司，天津 300457)



垂直极板电脱水器技术在注聚油田的应用

张鸿凯，翟 东，唐 勇

(中海油能源发展采油服务公司，天津 300457)

针对近年来注聚工艺给原油电脱水系统带来的诸多影响，从垂直极板技术着手，分析电脱水器设备在注聚油田应用的问题及改造方案，通过现场改造应用验证了垂直极板电脱水器技术的优势。

注聚油田；垂直极板；安全高效

目前，海上部分油田已进入开发末期，产量不同程度地递减，聚合物驱油技术在提高采收率方面发挥着重要作用，保障着油田的稳定生产。但随着聚合物采油技术的不断推广应用，注聚含量也不断加大，原油工艺处理流程也显现了诸多不适用性。尤其在原油脱水系统中，出现了电脱水器脱水困难、极板压塌、运行不稳定及频繁跳电等不正常现象，严重影响了原油处理效果，影响了原油的外输质量，同时也对现场安全生产提出了挑战[1-2]。

1 原因分析

电脱水器是原油处理系统中不可或缺的重要设备，其对处理后的成品油质量和污水指标具有决定性影响[3]。其内设有多层极板，外接直流或交流电源经变电器在罐体形成脱水高压电场，原油流经罐内高压电场，在电场的作用下，油中水滴的界面膜强度得到削弱，水滴间加速碰撞，聚结成为粒径较大的水滴，在原油中沉降分离出来。

电场形式和电极板结构形式是电脱水器设备的关键。现有的电脱水器电场普遍采用工频交流电场和改进型的交直流电场形式，结构形式普遍为水平结构。现场运行表明，上述电场及结构形式在注聚油田的电脱运行中均有不足。

1.1 电场形式

交流或直流电脱水电源形式存在电耗大，处理能力低，适用性差，易跳电等问题。伴随酸化、洗井等频繁修井作业，返排液经沉降分离后仍含有大量的聚合物，使原油乳化严重，更加大了脱水难度，使得电脱水器破乳难、脱水效果差，油水界面控制困难，电场运行不稳定，导致频率“倒电场”现象。有时设备电场强度过高，原油在强电场条件下，油中水滴极易形成水涟，造成短路危险，给正常生产带来极大的隐患，同时脱水质量下降，污水系统负荷增加，设备运行效率降低[4-6]。

1.2 电极板结构形式

目前在国内油田系统中的电脱水器设备，应用水平极板形式最为普遍,其结构简单,工艺也较为成熟, 极板布置为2层或3层。电脱水器工作时,极板与罐体间形成弱电场，极板间形成强电场。含水原油经进油管线进入电脱水器，先后经过弱电场及强电场,含水原油中尺寸较大的水滴和尺寸较小的水滴可分别得到分离。这种形式的极板结构可保证含水原油在进入强电场时,不会因其含水率太高引起电击穿现象。但随着聚合物的使用,含聚原油的油水界面膜更加牢固，其电导率也显著增加。这不仅会造成设备脱水效果的降低,而且增加了电极短路的几率,使得设备频繁跳电甚至造成电极击穿。

同时，由于水平极板的固有结构形式，含聚原油极易在极板上吸附形成污垢。并不断扩大形成污垢沉积，对水平极板的承受力造成极大考验，严重时甚至会造成极板压塌现象，对现场的安全生产带来极大隐患。

2 电脱水设备的新技术

电场是影响电脱水器脱水效果的最根本影响因素，电场产生的先决条件又是电源与电极板结构。通过对设备电源及极板结构方面进行研究改进可显著改善设备运行效果[7]。

通过对设备电源、电极板结构和布局形式以及含水原油的流动特性进行深入分析，最终开发出适用于海上注聚稠油油田的高频矩形波电源与垂直电极板形式相结合进行脱水的电脱水器新技术[8]。为验证新技术的脱水效果，需要针对目标含聚油田的油样建立动态脱水实验装置，开展动态脱水实验，考察新技术在不同脱水因素下的脱水效果。

2.1 实验装置的建立

通过对现场工况的模拟，按一定计算比例进行设计，建立垂直极板电脱水器的实验装置，其关键参数如下。

1)实验装置工作压力为0.3～0.7 MPa，原油加热温控范围为室温约120 ℃，电源脱水功率小于20 W。

2)电极板设计为8层电极板垂直设置，每隔一层互联，引出2个高压脱水电极。

3)脱水电源设计为通过IGBT装置输出为高频矩形波电源，频率设计为50～2 000 Hz可调，电压设计为200～300 V/cm可调。

2.2 脱水实验

实验油样选取辽东作业区现场含聚原油，通过进行以原油含水量、聚合物含量和化学药剂的投放量为变量的正交实验，验证该新技术对不同含水注聚原油的适用性、节能性及对脱水处理效果的影响，并对成品设计提供大量基础数据。

实验分别模拟静态原油处理及循环流动的动态原油处理，针对不同特性原油进行交叉实验。实验结果表明，应用垂直极板技术的电脱水器设备各情况下均优于传统电脱水器。

3 新技术现场改造

在模拟实验成功的基础上，研制开发适用于含聚原油的电脱水器结构改造方案，在辽东作业区SZ36-1原油处理厂进行改造，配合现场的高频矩形波电源进行现场应用。改造工作主要有以下几个关键点。

3.1 垂直电极板改造

拆除原设备内部的网状水平极板结构，改造为垂直极板结构。

原水平极板的电场结构为垂直电场，油流上升与电场为同方向，水滴的碰撞几率大大减小。水平网状结构同时容易造成泥沙堆积，堆积到一定量后极板会发生下垂、变形，导致局部电场间距减小，造成电流变大，电场的效率降低。

改造后垂直极板的电场结构为水平电场，油流上升与电场成垂直方向，提高了水滴的碰撞几率。垂直极板形成的电场分三部分，电极杆与油水界位形成交流弱电场，交流弱电场将大部分水滴脱除，极杆间和极板间分别形成直流中电场和直流强电场，将细小的水滴聚集后进一步脱除。

3.2 进油管改造

将原方形开孔、水平方向的进油管线改造为圆形开孔、垂直向下左右各45°的进油管线。

原进油分配管，油流出口开孔为长方形，流速为0.042 m/s,原油刚出孔后就沿管壁上升，造成原油喷的距离不够远，分配不均匀，局部地方的电场未对原油起到脱水作用。

改造后的进油管线垂直向下左右各45°，保证了泥沙不容易堆积在分配管里，也不容易堆积在出口孔上。而且由于原油分配管设计在该界面四等分位置上距中心线800 mm，保证油流出来后能够在该界面上分配均匀。且改造后的圆形开孔增加了流速至0.74 m/s。

3.3 水冲洗系统改造

增加水冲洗系统，喷嘴采用新型V行喷嘴 。水冲洗接管焊接在罐体中间偏中30度的人孔法兰盖上。长期运行后罐内泥沙堆积严重，水相没有足够的空间，造成排水含油超标。若水界位提高又会造成电场不能正常工作。

改造后新增水冲洗系统，冲洗方向朝排泥口方向，定期冲洗后可将罐内泥沙和聚合物冲洗掉，保证油水界位稳定。V形喷嘴的喷射形状为铲状，能有效冲洗泥沙。通过来料中的泥沙量来确定冲洗周期，一般一周2次，1次30 min。水的压力大于罐的操作压力0.4 MPa,流量 60 m3/h。

3.4 改造评估

经过改造后的电脱水器设备经过运行评估，其脱水效果优于传统设备，处理效果达到了1%处理要求；运行稳定，对注聚原油的适用性较强，基本杜绝了设备频繁跳电现象的发生；相比传统设备单台节能效果达70%以上；从根本上避免了极板上的污垢沉积现象，大大提高了现场生产的安全性。

4 结束语

采用垂直极板的电脱水器装置配合高频矩形波电源的电脱水新技术设备对含聚稠油具有很好的适用性、脱水效率优秀，可有效提高原油外输质量。在设备工作过程中避免了跳电、极板压塌等潜在风险，提高了工艺系统的安全及稳定性。同时，经过对电量测量对比，新设备显著节能，可有效减少电站负荷，实现节能降耗。垂直极板电脱水器的改造经过前期研究、实验模拟、现场应用等完整过程，思路新颖，运行高效，稳定可靠，节约电能，经济效益明显。

[1] Afshin Pak, Toraj Mohammadi. Waste water treatment of desalting units[J]. Desalination，2008,(222):249-254.

[2] 马健伟,宋亚瑞,宋华,等.考虑脱水电流的破乳剂筛选[J].油气田地面工程,2006,25(10):14.

[3] 王春升.浅谈原油电脱水器的设计[J].中国海上油气(工程),1998,10(5):14-18，23.

[4] 张鸿凯.电脱水器新技术在原油处理中的应用[J].中国造船,2010(A02):287-291.

[5] 肖蕴,赵军凯,许涛,等.原油电脱水器技术进展[J].石油化工设备,2009,38(6):49-53.

[6] 王明信,李政军.聚驱采出液电脱水技术[J].油气田地面工程,2001,20(3):29，34.

[7] 侯卫妮.矩形波交流脉冲脱水电源在海洋平台上的应用研究[D].东营：中国石油大学，2010.

[8] 张鸿凯,唐勇,王忠波.新型电脱电源的节能应用[J].资源节约与环保,2012(5):508-513.

Application of Electric Dehydrator’s Vertical Plate in Polymer Flooding Oilfield

ZHANG Hong-kai, ZHAI Dong, TANG Yong

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300457, China)

In recent years, polymer flooding process has brought a lot of impact on the electric dehydration system of crude oil. Form technology view of the vertical plate, the problems and reconstruction optimization scheme in the application of the electric dehydrators in the polymer solution were analyzed. Through the field transformation application, the advantages of the vertical plate electric dehydrators were verified.

Polymer flooding field; the vertical plate; safe and efficient

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.008

2016-07-10

中海石油总公司项目(CNOOC-KJ 125 ZDXM 13 LTD*04 NFCY 2011-02)

张鸿凯(1984—)，男，硕士，工程师

U665

A

1671-7953(2016)05-0032-03

修回日期：2016-08-10

研究方向:油田设施、海洋工程

E-mail:zhanghk@cnooc.com.cn