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原油处理工艺简介 1 概述2 几种常规油水分离技术3 一些新工艺的介绍 1 1 概述 原油的特点原油处理的目的何为原油处理 2 原油的特点 注水驱动方式开采的油藏占有极大的比例 因而从油井产出的油气混合物内经常含有大量的采出水和泥砂等机械杂质 特别在油田后期生产中 油井产物内的水油比常超过10 泥砂等机械杂质亦可高达1 5 质 据统计 世界上所产原油的90 以上需进行脱水 3 原油处理的目的 原油中的水不仅增加了能耗和投资的费用 而且酸性气体如CO2和H2S等易在水中溶解 形成酸性水溶液 从而对设备 管线 泵体等产生腐蚀 4 那何为原油处理呢 对原油进行脱水 脱盐 脱除泥砂等机械杂质 使之成为合格商品原油的工艺过程称原油处理 国内常称为原油脱水 5 原油中所含水分可以分为两类 一类是直接可以用沉降法从油中分离出来的 称为游离水 另一类很难用沉降法从油中分离出来 称为乳化水 原油和水的混合物称油水乳状液 或原油乳状液 主要有两种类型 一种称为油包水型乳状液 W O 另一种称为水包油型乳状液 O W 此外还有复合乳状液 即油包水包油型 水包油包水型等 6 原油脱水包括脱除原油中的游离水和乳化水 脱除乳化水比游离水难得多 因而多年来始终把W O型乳化液的油水分离作为研究重点 各种常见脱水方法的共同点是 创造良好条件使油水依靠密度差和所受重力不同而分层 7 2 几种常规油水分离技术介绍 目前已知的油水分离方法主要有重力式分离 离心式分离 电分离 吸附分离 气浮分离等 8 9 重力式分离 当相对较轻的组分处于层流状态时 较重组分液滴根据斯托克斯公式的运动规律沉降 重力式沉降分离设备即根据这一基本原理进行设计 10 斯托克斯公式 由斯托克斯公式可知 通过增大水分密度 扩大油水密度差 减小油液粘度可以提高沉降分离速度 从而提高分离效率 11 1904年Hazen根据实践经验提出了 浅池理论 以这一理论为基础 1950年美国壳牌公司研制成功第1台平行板捕集器 其可去除水中最小为60 m的油滴 上世纪70年代Fram公司开发了V型板分离器 上世纪80年代CE NATCO公司开发了板式聚结器 这是一种错流式组合波纹板 经过不断改进 这种设备在油气分离 油水分离和含油污水净化方面都得到了应用 12 离心分离 利用油水密度的不同 使高速旋转的油水混合液产生不同的离心力 从而使油与水分开 由于离心设备可以达到非常高的转速 产生高达几百倍重力加速度的离心力 因此离心设备可以较为彻底地将油水分离开 并且只需很短的停留时间和较小的设备体积 由于离心设备有运动部件 日常维护较难 因此目前只应用于试验室的分析设备和需要减小占地面积的场所 13 电脱分离 乳状液置于高压的交流或直流电场中 由于电场对水滴的作用 削弱了乳状液的界面膜强度 促进水滴的碰撞 合并 最终聚结成粒径较大的水滴 从原油中分离出来 由于用电蒸发处理含水量较高的原油乳状液时 会产生电击穿而无法建立极间必要的电场强度 所以 电脱法不能独立使用 只能作为其它处理方法的后序工艺 在油田和炼油厂得到应用 14 乳化水的粗粒化蒸发 利用油水对固体物质亲和状况的不同 常用亲水憎油的固体物质制成各种蒸发装置 例如大港油田的陶粒蒸发器 用陶粒作填料 当油水混合物流经陶粒层时 被迫不断改变流速和方向 增加了水滴的碰撞聚结几率 使小液滴快速聚结沉降 15 气浮分离 依靠水中形成微小气泡 携带絮粒上浮至液面使水净化的一种方法 条件是附在油滴上的气泡可形成油 气颗粒 由于气泡的出现使水和颗粒之间密度差加大 且颗粒直径比原油油滴大 所以用颗粒密度代替油密度可使上升速度明显提高 即当1个气泡 或多个气泡 附在1个油滴上可增加垂直上升速度 从而可脱除直径比50 m小得多的油滴 16 3 一些新工艺的介绍 超声波原油破乳脱水法微波辐射原油脱水法生物法紧凑型静电预聚结技术 17 超声波原油破乳脱水法 其机理 1 机械振动作用促使水粒子凝聚 当超声波通过有悬浮水粒子的原油介质时 造成悬浮水粒子与原油介质一起振动 由于大小不同的水粒子具有不同的相对振动速度 水粒子将相互碰撞 粘合 使其体积和重量均增大 最后沉降分离 18 2 机械振动作用可使原油中的石蜡 胶质 沥青质等天然乳化剂分散均匀 增加其溶解度 降低油 水界面膜的机械强度 有利于水相沉降分离 19 3 热作用可降低油 水界面膜强度和原油粘度 一方面 边界摩擦使油 水分界处温度升高 有利于界面膜的破裂 另一方面 原油吸收部分声能转化成热能 可降低原油的粘度 有利于水粒子的油 水重力沉降分离 20 2020 1 7 21 国外对超声波用于破乳的研究开展得比较早 20世纪80年代就有相关的报道 RoatzSinone等分别用超声波和超滤膜来处理用非离子乳化剂稳定的W O型乳状液 认为膜过程不能使油水完全分离而超声波可以使油水完全分离 破乳剂加入 温度高及pH低都可以加快油水分离过程 SinghBP用超声波处理乳状液 在加入破乳剂的情况下脱水率达99 100 不加破乳剂 室温脱水率大于75 超声波对一些化学破乳不起作用 对比较稳定的乳状液破乳也能得到令人满意的结果 22 国内在超声波原油破乳方面的研究起步较晚 20世纪90年代中后期陆续有文献报道 耿连瑞等发明了一种原油电场脱水的超声波破乳装置 用超声波在液体中空化效应产生的大量空化气泡破裂时的爆破力作为破乳的动力 对油水混合液进行破乳处理 再进行电场脱水 不需添加化学破乳剂 23 叶国祥等考察了超声强化原油预处理工艺中的部分影响因素 包括电场强度 超声波频率 超声波功率 破乳剂用量 注水量等 超声波功率和电场强度增加均可使原油的脱盐脱水效率增加 采用体积分数为5 左右的注水量能取得较理想的脱水脱盐效果 24 微波辐射原油脱水法 微波可用来破乳 究其作用机制 可归结为微波辐照的热效应和非热效应同时作用的结果 与普通的加热方式一样 微波加热可使乳化液温度上升 但微波能量转化效率远高于热传导 加热温度上升更快 且加热体内外温度可同时上升 随温度上升 水的粘度比油水密度差降低的更快 因此加热会使油滴上升速度增加 使油水分离加快 另一方面 由于微波是频率很高的电磁波 施加微波后 会使极性的水分子和带电液珠随电场的变化迅速转动或产生电荷位移 扰乱了液 液界面电荷的有序排列 从而导致双电层结构的破坏 Zeta电位急剧减小 另外微波对烃类具有氧化作用 使其形成相应的醇 酮 醚 微波还能使烃类分子在微波场中发生共振而导致分子链断裂 这些都有利于油水分离 25 刘惠玲进行了微波破乳脱水和重力沉降 化学脱水 加热脱水方法的对比 结果表明 微波脱水速度快 效果好 26 生物法 生物法原油脱盐脱水是利用微生物对原油乳状液进行破乳 进而达到脱盐脱水目的 其原理是 某些微生物通过消耗表面活性剂得以生长 并对乳化剂起生物变构作用致使乳状液破坏 另外 有些微生物在代谢过程中分泌出一些具有表面活性的代谢产物 这类天然的表面活性剂对原油乳状液是良好的破乳剂 27 生物破乳剂起主要破乳作用的是细菌胞体 冯志强 杨永军等研制了一种原油生物破乳剂 并对其进行了室内与现场中试试验 考察了其对油田采出液的破乳及脱水效果 试验结果表明 与标样及目前现场常用的化学破乳剂相比 原油生物破乳剂具有优良的破乳及脱水性能 破乳后的油水界面清晰 脱出水中含油量低 28 紧凑型静电预聚结技术 紧凑型静电预聚结原油脱水是应含水油田 边际油田 深水油田以及绿色油田开发的客观需要而出现的一项新技术 西方发达国家的研究人员先后研发出的一些代表性产品在油田现场得到了应用 为提高现有原油电脱水设备的处理效率 减小设备体积 减少化学破乳剂对环境的负面影响等奠定了基础 29 基于对适当湍流反而能够促进分散相水颗粒碰撞 聚结等问题的全面认识 他们打破数十年来常规电脱水器结构设计中的惯性思维模式 率先提出了将水颗粒静电聚结长大与水颗粒重力沉降2个过程分开 予以先后实施的原油脱水方案 从而使得静电聚结破乳设备紧凑化 高效化 这就是所谓的紧凑型静电预聚结原油脱水技术 30 1 基于脉冲DC电场的紧凑型静电预聚结器 EPIC 20世纪80年代初期 为了突破常规电脱水技术难以处理较高含水率W O型乳化液的限制 英国Bradford大学化学工程系的PhilipJ Bailes教授课题组开发出了一种静电破乳器 可以在含水质量分数高达65 以上时正常工作 其主要特点是对高压电极进行了绝缘涂层处理 并使用高压脉冲DC电场来克服高压DC电场下绝缘涂层对电场强度的急剧衰减效应 31 1991年前后 英国石油公司 BP 资助Bailes课题组开展了W O型原油乳化液的高压脉冲DC电场破乳研究 结果表明 高压脉冲DC电场能够较好地处理含水质量分数高达50 的原油乳化液 与此同时 美国Natco集团获得了相应的产品开发授权 冠以电脉冲感应聚结器 Electro PulseInductiveCoalescer EPIC 的商标进行产品研发工作 32 1992年l2月 在BP公司的Wareham油田进行了基于 EPIC 常规重力沉降罐 的首次现场试验 同期进行首次现场试验的还有动态水力旋流器和Lasentec在线颗粒度仪 现场采样分析表明 在温度为20 处理量为71L min时 EPIC出口处的水颗粒粒径从不施加电场时的15 20 m增大到施加电场时的60 90 m 大约增大了4倍 后续重力沉降罐出油口的含水质量分数从不施加电场时的32 下降到施加电场时的8 重力沉降罐的出水水质也大为改观 出水口的含油质量分数由原来的68 下降到1 33 Natco集团 2005年5月与FMCTechnologies公司签订了合作协议 以将后者的高效紧凑型旋流分离技术与自身的静电聚结技术相结合 从而研制开发原油处理的新一代紧凑型液 液分离系统 在2008年5月举行的OTC年会上 G W Sams等人披露了Natco集团基于 Whirly scrubV脱气器和自由水撇出器 双频AC电源脱水器 管式分离器 组合的紧凑型海底分离系统 其中双频AC电源电脱水器较常规工频60HzAC源电脱水器的处理能力或工作性能要提高40 左右 34 2 基于AC电场的紧凑型静电预聚结器 CEC 进入21世纪以来 原油脱水用紧凑型静电预聚结技术一直是世界海洋石油大国的研究热点 目前较为知名的产品主要有紧凑型静电聚结器 CompactElectrostaticCoalescer CEC 在线静电聚结器 InlineElectrostaticCoalescer IEC 容器内置式静电聚结器 VesselInternalElectrostaticCoalescer VIEC 低含水量聚结器 LowWaterContentCoalescer LOWACC 等4种 35 这些紧凑型静电预聚结产品有3个共同特点 一是采用AC电场 二是油水乳化液在其中的流动状态为湍流 三是使用带绝缘涂层的电极 圆筒状或波纹板状 这里仅介绍CEC 36 1993年 南安普敦大学开始与BP 挪威Statoil公司 现与挪威NorskHydro公司合并为StatoilHydro 一起合作 进行相关的应用基础研究 结果表明 在湍流条件下采用静电聚结技术使W O型乳化液脱稳是可行的 对电极进行绝缘涂层处理可以防止高含水率下发生电流激增和短路 能够处理含水质量分数超过40 的模拟乳化液 37 CEC样机于2002年获得了ONS创新奖 其主要优点为 结构较为紧凑 使用 CEC 常规重力分离器 的组合 可以将总占地面积和总质量分别减少至常规静电脱水器的1 2和1 3左右 功率消耗较低 一般小于3