高频脉冲原油脱水技术在页岩油处理中的应用

冯小刚 黄大勇 叶俊华 宋多培 张志龙 贾玉庭 王伟 李建财 胡新玉

中国石油新疆油田分公司吉庆油田作业区

吉木萨尔页岩油2021年原油产量将达100×104t，2025 年达到200×104t。页岩油地面原油密度为0.875 8～0.932 1 g/cm3，平均为0.892 4 g/cm3；50 ℃黏度为31.0～489.9 mPa·s，平均为103.5 mPa·s；含蜡量质量分数为3.7%～24.1%，平均为8.8%；凝固点为19～37.0 ℃；析蜡点为30～39 ℃，平均为35 ℃；属于高凝点、高含蜡量、高析蜡点原油。根据前期室内乳状液稳定性评价结果，页岩油乳化程度高，破乳脱水困难。原油乳状液稳定，在温度60～85 ℃不加破乳剂的情况下，采出液在24 h 脱水率为零。含水率50%的原油乳状液无法分离出游离水。现有的热化学原油脱水工艺，处理流程长、不密闭，处理成本高，油气损耗大，存在环保风险高的问题。常规的电脱水工艺可对含水率在30%以下的低含水原油进行有效脱水，但对于高含水原油电脱水处理效果较差。因此，急需采用处理工艺密闭、处理流程短，能耗低，处理成本低的原油处理工艺实现页岩油高效处理。

新疆油田提出了高频脉冲原油脱水技术处理页岩油的思路，一是为了简化页岩油处理工艺，实现密闭处理和在线动态交油，减小油气损耗，降低原油处理单耗；二是实现边远小区块原油就地处理，低含水原油拉运至联合站处理，降低原油拉运成本，实现脱出水就地处理回注，减少清水用量。通过前期试验研究和现场成功应用，验证了原油含水范围在15%～100%的原油处理效果，确定了高频脉冲原油处理装置的最大处理规模、最低处理温度、药剂最佳投加浓度等运行参数[1]，为原油处理工艺简化优化和密闭高效处理提供了技术支撑。

1 高频脉冲原油处理技术原理

高频脉冲原油脱水装置包括罐体、脉冲破乳电源、高压脉冲电源。其中，罐体内部装有多组脉冲破乳电极板和多组高压脉冲电极板，脉冲破乳电极板沿水平方向阵列，高压脉冲电极板沿竖直方向阵列。高压脉冲电极板并联后在罐体上设置高压脉冲电极接线口，脉冲破乳电极并联后在罐体上设置脉冲破乳电极接线口。高压脉冲电极接线口与高压脉冲电源连接，脉冲破乳电极接线口与脉冲破乳电源连接。装置结构简单、紧凑，能耗低。处理后的原油含水率和污水含油量低。

1.1 电磁辐射降黏原理

磁场作用于原油时，会使原油产生诱导磁矩，抑制蜡晶形成和聚结，使蜡晶以小颗粒形式存在于原油中，同时原油中的石蜡、胶质、沥青质等抗磁性物质会进行有序排列，增强了流动性。脉冲磁场可破坏各烃类分子间的作用力，分子通过自身振荡而受到磁感共振，使分子振动增强、分子间相互作用减弱，导致分子的聚集状态发生改变，使分子的聚合力减弱，其中的胶质和沥青质以分散相而非缔结相溶解在油中，从而使油黏度降低，增加流动性。通俗形容为石蜡、胶质、沥青质等物质由不规则的跟着原油走，变成了分散开、有规则地分布于原油中。

1.2 脉冲破乳原理

脉冲电磁场使乳化小水珠在电场中产生振动、变形。当外加电场频率接近界面膜谐振频率时两者形成共振，界面膜因振动、变形幅度增大而破裂，实现破乳。该技术可在不添加破乳剂的条件下，通过电场频率调节形成共振的物理方法破坏油水乳状液稳定性，实现采出液的破乳。

1.3 高频电场聚结脱水原理

根据电介质（原油乳状液）的击穿伏秒特性，通过调整高频脉冲输出频率和占空比（脉冲时间），使高频脉冲输出时间小于原油乳状液在电极间形成短路击穿时间，在击穿形成前关闭脉冲输出，待绝缘恢复后再发下一个脉冲，利用高频脉冲的特性在电极间加较高的电场又可避免短路击穿现象，从而建立起稳定的高频高压电场。油中小水珠在电场作用下产生变形、振动，相互碰撞快速聚结成大水珠，通过重力沉降分离。电极间水链与极板连通前关闭脉冲，电流达到短路电流前关闭脉冲。高频脉冲电流电压随时间变化如图1和图2所示。

图1 脉冲电流电压变化演示图Fig.1 Pulse current and voltage variation diagram

图2 实测电流电压运行图Fig.2 Measured current and voltage operation diagram

2 室内研究

吉木萨尔页岩油属于高凝点、高含蜡量、高析蜡点原油，原油物性见表1。将含水率在45%～50%的页岩油混合样（1 号拉油点、吉251-H 井、吉32 井）加入到高频脉冲实验仪器中，加热到实验温度，设置高频脉冲的电压、频率、占空比等电参数，确定针对页岩油的最佳处理参数。

表1 吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组油藏地面原油性质参数Tab.1 Surface crude oil property parameters of Permian Lucaogou Formation Reservoir in Jimusar Depression

2.1 电场强度对原油脱水效果的影响

设置高频脉冲的频率为13 000 Hz，占空比为65%，温度为联合站电脱水器的处理温度70 ℃，停留时间为2.5 h，破乳剂质量浓度为150 mg/L，评价高频脉冲不同电场强度下（1.5、1.65、1.8、1.95、2.1、2.175、2.25 和2.4 kV/cm）对页岩油含水率的影响，实验结果如图3 所示。

图3 电场强度对页岩油脱水效果影响折线Fig.3 Broken line of the influence of electric field intensity on shale oil dehydration effect

由图3 可知，随着电场强度的增加页岩油含水率先降低后升高，当电场强度为2.175 kV/cm 时含水率最低。随着电场强度的增加，液滴之间的静电作用增大，增强了液滴的变形度，进而使油水界面膜的机械强度降低，使相邻水颗粒发生碰撞聚结[2]。在此阶段，乳化液脱水率随电场增强而升高。但达到一定电场强度后，过强的电场力会使水颗粒过度变形而破碎形成若干小水滴，抑制了水颗粒的聚结分离，破乳反而变得困难，含水率也随之增加。

2.2 电场频率对原油脱水效果的影响

保持最佳电场强度2.175 kV/cm，占空比为65%，温度为现场处理温度70 ℃，停留时间为2.5 h，破乳剂质量浓度为150 mg/L，评价高频脉冲不同频率（6 000、7 000、8 000、9 000、10 000、110 000、12 000、13 000 和14 000 Hz）对页岩油含水率的影响[3]，实验结果如图4 所示。

图4 电场频率对页岩油脱水效果影响折线Fig.4 Broken line of the influence of electric field frequency on shale oil dehydration effect

由图4 可知，当电场频率从6 000 Hz 增加到14 000 Hz，随着电场频率的增加页岩油含水率先降低后升高，当频率为10 000 Hz 时含水率最低，脱水效果最好。电场频率增加到一个最优频率值时，液滴变形度达到最大，最有利于水滴之间碰撞聚结。当频率超过这一值后[4]，电场交变过快，液滴在电场作用下，拉伸变形量还没有达到最大值就受到相反的作用力，抑制了水颗粒的极化，影响了聚结速率，从而导致含水率上升。

2.3 占空比对原油脱水效果的影响

保持最佳电场强度为2.175 kV/cm，最佳频率为10 000 Hz，温度为现场处理温度70 ℃，停留时间为2.5 h，破乳剂质量浓度为150 mg/L，评价高频脉冲不同占空比（30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%）对页岩油含水率的影响，实验结果如图5 所示。

图5 占空比对页岩油脱水效果影响折线Fig.5 Broken line of the influence of duty ratio on shale oil dehydration effect

由图5 可知，当高频脉冲占空比从30%增加到90%时，随着占空比增加，页岩油含水率呈现先降低后升高的趋势，当占空比为60%时含水率最低，脱水效果最好。原因在于，当占空比较低时，单个周期内电场作用于乳状液的时间小，液滴间偶极作用克服连续相的黏滞阻力而相互靠近的速率较慢，靠近的液滴难以完成液膜破裂，因此液滴群的聚结效果较差。随着占空比增加，乳状液中液滴所受的电场作用时间及电场能均有效增加，液滴的聚结率有效提高[5]。但当占空比过大时，单周期脉冲宽度时间内形成的水链在较短的脉冲休止阶段难以充分消散，电场能经水链泄漏，导致乳状液中液滴的聚结率低，原油含水率反而升高。

2.4 停留时间对原油脱水效果的影响

保持最佳电压值1 450 V，最佳频率10 000 Hz，最佳占空比60%，温度为现场处理温度70℃，破乳剂浓度为150 mg/L，评价高频脉冲不同停留时间（0.5、1、1.5、2、2.5、3、4 和5 h）对页岩油含水率的影响[6]，结果如图6 所示。

图6 停留时间对页岩油脱水效果影响折线Fig.6 Broken line of the influence of residence time on shale oil dehydration effect

由图6 可看出，随着停留时间的增加，页岩油含水率逐渐减小。随停留时间的增加，乳状液在高压高频脉冲电场下的作用时间增加，作用于分散相水滴的电场能增大，水滴的碰撞聚结效应变强，脱水效果变强。当停留时间超过2 h 后，含水率基本保持不变，因此页岩油在高频脉冲电场的最佳停留时间为2 h[7]。

2.5 最佳处理温度和破乳剂浓度的确定

保持最佳电参数（电压值为1 450 V，频率10 000 Hz，占空比60%）、最佳停留时间2 h，确定高频脉冲处理页岩油的最佳处理温度和破乳剂浓度，实验数据如图7 所示。

图7 不同温度和破乳剂浓度脱水后的原油含水率（处理时间2 h）Fig.7 Water content of crude oil dehydrated at different temperature and demulsifier concentration(2-hour treatment time)

通过室内破乳剂的评价，最佳破乳剂加药量在50～60 mg/L，最佳处理温度在50 ℃左右。通过高频脉冲室内脱水效果评价，有必要进一步开展现场应用，评价其对页岩油的处理效果和处理成本[8]。

3 现场应用

3.1 工艺流程及技术参数

通过高频脉冲和电脱水技术在吉木萨尔页岩油的处理效果对比，来论证高频脉冲技术的可行性和可靠性。处理工艺为全密闭流程，油区来液先进高频脉冲原油脱水装置进行油水分离，出口原油（原油含水率≤1%）直接在线交油，脱出水进污水除油处理装置进行处理，达到注水指标进行回注（图8）。

图8 高频脉冲原油处理工艺流程Fig.8 Process flow of high frequency pulse crude oil treatment

现场进行了页岩油处理液量在600、800 和1 000 m3/d，处理温度在70 ℃、60 ℃和55 ℃，进口含水率在46%～50%，破乳剂加药量在50 mg/L时，高频电磁脉冲和电脱水橇的原油处理效果实验。

3.2 原油处理效果

3.2.1 出口原油含水率

在不同处理液量和不同处理温度下，处理量越大，温度越低，高频脉冲出油原油含水率的处理效果比电脱水橇出口的处理效果优势越明显（图9）。在处理液量1 000 m3/d 时，处理温度从70 ℃调整到55 ℃时，高频脉冲的出口原油含水率从0.26%上升到0.38%，上升幅度仅为0.12%，而电脱橇出原油含水率从0.32%上升到0.64%，上升幅度为0.32%。在55 ℃时，高频脉冲的原油处理效果要优于电脱水橇的处理效果，电脱水橇的出口原油含水率已超过0.5%的交油含水率指标要求。

图9 高频脉冲和电脱水橇出口原油含水率分析Fig.9 Analysis of water content of crude oil exported by high frequency pulse and electric dehydration skid-mounted unit

3.2.2 出水含油量

在不同处理液量和不同处理温度下，处理量越大，温度越低的情况下，高频脉冲出水含油率的处理效果比电脱水橇的处理效果优势越明显（图10）。在处理液量1 000 m3/d 时，处理温度从70 ℃下调到55 ℃时，高频脉冲的出水含油浓度从236 mg/L 上升到410 mg/L，仅上升了174 mg/L，而电脱水橇出水含油浓度从615 mg/L 上升到1 100 mg/L，出水含油浓度上升了485 mg/L，电脱水橇的出水含油浓度已超过1 000 mg/L的污水进油含油设计指标要求，高频脉冲的原油处理效果要优于电脱水橇的处理效果。

图10 高频脉冲和电脱水橇出水含油率分析Fig.10 Analysis of oil content of water exported by high frequency pulse and electric dehydration skid-mounted unit

3.2.3 处理能耗

在不同处理温度和处理液量下，高频脉冲脱水的吨液耗电量在0.12～0.15 kWh，电脱水橇的吨液耗电量在0.24～0.27 kWh，高频脉冲的吨液耗电量仅为传统电脱水工艺的50%左右（图11），高频脉冲脱水技术有效地降低了原油脱水的吨液耗电量。

图11 高频脉冲和电脱水吨液耗电量分析Fig.11 Power consumption analysis of per ton of liquid of high frequency pulse and electric dehydration

3.2.4 处理工艺优化简化

常规的热化学原油脱水工艺处理流程长，油气处理流程不密闭，油气损耗大，处理成本高，能耗大，存在环保风险高的问题。通过成功应用压力密闭式高频脉冲脱水技术，实现了油气密闭处理，减少了机泵和大罐沉降环节，优化简化了原油处理工艺流程（图12），降低了联合站原油处理设施的日常维护工作量[9]。

图12 常规原油处理工艺和高频脉冲密闭处理工艺对比示意图Fig.12 Schematic diagram of the comparison between conventional crude oil treatment process and high frequency pulse sealing treatment process

4 结论

（1）高频脉冲在页岩油处理中，在相同加药浓度和处理液量下，高频脉冲比常规电脱水工艺的脱水温度低5～10 ℃。

（2）在不同的处理液量和处理温度下，高频脉冲处理后的原油含水率和出水含油率更低，原油含水率稳定地控制在0.5%以下，出水含油浓度控制在500 mg/L 以下，较电脱水处理原油含水率和出水含油浓度大幅下降，均达到设计指标要求。

（3）高频脉冲原油处理技术的吨液耗电量达到0.15 kWh/t 以下，是常规电脱水处理工艺吨液耗电量的50%左右，有效降低了用电能耗。

（4）高频脉冲原油处理技术实现了原油系统密闭处理，解决了油气在大气中的损耗，缩短了处理流程，节省了净化油罐，优化简化了原油处理工艺，高频脉冲处理后的原油含水率直接达到交油指标，实现了动态在线交油。