原油静电聚结脱水效果现场应用验证

张 明，王春升，尚 超，平朝春，郑晓鹏，王海燕

（中海油研究总院有限责任公司，北京 100028）

0 引言

海上平台组块重量控制是深水油田降本增效开发的关键。传统重力沉降油水分离设备尺寸和重量都较大，研发紧凑高效原油处理设备来减少平台空间占用具有重要意义。尤其对于深水浮式平台，降低组块重量、节省开发成本，已经成为迫切需要解决的问题。

原油处理过程中，原油和水的乳化作用较为严重，传统分离技术主要依靠重力沉降开展油和水的分离，因此分离设备的体积和重量都比较大。重力沉降原油脱水过程中，水滴的沉降速度符合Stokes 定律。油水两相密度差、黏度、粒径等因素都会直接影响水滴沉降的速度。分散相水滴在电场的作用下会产生聚结作用，利用电场的作用就可以大大减少沉降分离需要的时间。传统的电脱水分离器中已经考虑引入了电场脱水技术，并且得到了广泛的应用和很好的验证。但是传统电脱水分离器中使用的是金属裸电极，金属裸电极在高含水原油中会发生电极短路，不能正常工作。《原油电脱水设计规范》[1]中推荐进入电脱水器的原油水含量不宜大于30%。本文介绍的新型原油静电聚结脱水技术创新性采用的是绝缘电极。通过绝缘电极来施加电场，就可以适应高含水的原油脱水条件。在原油脱水过程中充分发挥出电场的作用，从而大幅降低原油脱水设备的尺寸和重量，最终对海上平台的降本增效具有重要意义。

国外对于静电聚结器的研究工作开展的比较早，英国Bradford大学Bailes 教授课题组对外报道研发静电破乳器，可以适应含水率在65%以上原油的脱水工况[2]。Bailes教授在高压脉冲DC 电场下针对W/O 型原油乳化液开展了相关研究，研究结果表明在高压脉冲DC 电场下含水率50%的原油乳化液可以得到很好的处理效果。挪威科技大学（NTNU）、ABB 研究中心与SINTEF 合作，发明了内置式的静电聚结器（Vessel Internal Electrostatic Coalescer，VIEC）[3]。2003 年，VIEC技术在国外的TrollC 采油平台的三相分离器中安装并进行了使用[4]。Aible 公司发明了能适应150 ℃高温环境的VIEC 设备[5]。Vetco Aibel 公司研制了测试分离器，该分离器的处理能力为39.7 m3/h，通过对静电聚结模块组件通电，实验结果证明可使分离效率由27%提高至97%[6-7]。

国内也有学者开展了相关研究工作，陈家庆等[8]发明了介电泳破乳机理的新型原油电脱水设备，电极组件为其核心部件，开发了表面覆盖绝缘层的波纹板状电极结构。张龙、熊豪等针对容器内置板式绝缘电极开展了大量研究工作[9-10]。何利民等[11]发明了高效静电聚结器，电极为筒状电极，外包裹致密绝缘层，由于筒状电极间距小，施加电压后可以产生高强的电场，实现了油水的快速分离。

1 分离器静电聚结改造

本项目试验所在平台的原油油品属于中质油，密度为870 kg/m3（20 ℃）。在已有设备中，油气水首先通过气液旋流分离器进行气液分离，再进入平台的二级分离器进一步三相分离，旋流分离器的气相出口与二级分离器的气相出口相连接，液相直接进入二级分离器，进一步进行油水分离。原有的二级分离器内部是传统单堰板形式的三相分离器结构（图1），分离器内部空间被堰板分隔成混合室和油室，混合室的作用是进行油水分离重力沉降，脱水后含水率比较低的原油通过堰板上部溢流至油室，随后通过出口送到下游的处理流程进一步处理。二级分离器一共有2 台，并联运行，分为分离器A 和分离器B，分离器的尺寸参数为3.6 m（ID）×10 m（T/T）。现场正常运行工况，分离器的操作温度72～73 ℃，操作压力为320 kPa。由于上游平台经常进行各种调整作业，井口参数和工况的波动比较大，单台二级分离器的处理液量变化范围约5000～9000 m3/d。通过查找原设计资料，该分离器的原设计最大处理液量为5984 m3/d。

图1 PUQB 平台现有二级分离器

本次改造工作通过在二级分离器B 罐体内部增加静电聚结组件而完成，改造的目的是在常规的分离器内部增加电场聚结破乳功能。通过电场的加入，可以提高油水分离效率。静电聚结组件使用的是4 层电极结构，上下每2 层分为一组。2 组不同的电极之间能够实现独立的控制，这样能够根据分离器实际的油水界位高度变化来进行调节。电极重点布置在油相区以及油水界面乳化层的高度，从而发挥电场的破乳作用加快水滴聚结，进一步提高油水分离效率。

2 应用效果与分析

2.1 未投用静电聚结时分离器处理效果

在原设计中平台二级分离器A、B 并联运行，设备调试完成后，为了进一步验证该技术在高处理量下的处理效果，停用二级分离器A，全部处理液量进入经过静电聚结改造的二级分离器B 进行处理。共承担处理油量9800 m3/d，水量约3300～3700 m3/d，换算液相停留时间为7.5～8.5 min。运行温度75 ℃，操作压力约340 kPaG，为了对比静电聚结电极通电前后的处理效果。首先在没有通电的工况下对二级分离器B 进行处理效果的记录（表1、图2）。

图2 未投用静电聚结时分离器处理效果

从表1 可以看出，未投用静电聚结时，分离器入口含水率在30%～38%，平均为34.7%；处理后含水在8%～12%，平均为10.8%。仅靠重力沉降，未投用静电聚结时平均脱水率约为68.9%。排水含油约59×10-6～70×10-6。

表1 二级分离器B 未投用静电聚结时处理效果

2.2 投用静电聚结时分离器处理效果

保持同样的处理量和操作工况，对静电聚结组块上下极板通电，运行稳定后，获得的处理效果记录如表2、图3 所示。分离器进油量约9800 m3/d，进水量为3400～3700 m3/d，换算液相停留时间为7.3～8.0 min。运行温度75 ℃，操作压力约320 kPaG。分离器入口原油含水率在34%～40%（均值37%），在上下2 层极板电场共同作用下，出口含水率在1%～3%（均值1.6%），平均脱水率约95.7%。水出口含油为56×10-6～74×10-6，同重力沉降工况近似。

表2 二级分离器B 投用静电聚结后处理效果

图3 投用静电聚结时分离器处理效果

试验结果发现，在二级分离器B 入口原油含水35%工况下，静电聚结脱水技术使二级分离器B 出口原油含水从15%（通电前）降低至2%（通电后），很好的证明了静电聚结技术对原油脱水效率的促进作用。同时在运行测试过程中，停用了并列运行二级分离器A，使静电聚结改造后的二级分离器处理量翻倍，处理液量达到13 500 m3/d，在入口原油含水37%工况下，出口原油含水仍然保持在3%以内。

3 结论

对某油田海上平台分离器进行了静电聚结改造。为验证静电聚结技术的脱水效果，开展了静电聚结组块通电和不通电工况下的分离器处理效果对比。分离器操作温度75 ℃，共承担处理油量9800 m3/d，处理水量为3300～3700 m3/d，换算液相停留时间为7.5～8.5 min。未投用静电聚结时，分离器入口含水率在30%～38%，平均为34.7%；处理后含水在8%～12%，平均为10.8%。仅靠重力沉降，未投用静电聚结时平均脱水率约为68.9%。排水含油约59×10-6～70×10-6。保持同样的处理量和操作工况，对静电聚结组块上下极板通电，分离器入口原油含水率在34%～40%之间（均值37%），在上下两层极板电场共同作用下，出口含水率在1%～3%（均值1.6%），平均脱水率约95.7%，脱水率得到大幅升高。水出口含油为56×10-6～74×10-6，同重力沉降工况近似。本文通过油田现场实际应用验证了静电聚结技术可以大幅提高原油脱水效率。静电聚结高效原油脱水技术可以支持现役平台分离器的提产改造，也可为新平台分离器设计尺寸减小、降本增效提供有力的支持。