李 宇

（西安石油大学，陕西 西安 710065）

油田采出水是一种复杂多项综合体系，包含有固体杂质、液体杂质、溶解气、游离气和溶解盐类等。由于各油田地质条件、地层性质不同，开采的地底原油特征也有差异，对于不同种类的原油分离条件、集数条件、储运条件也不尽相同。虽然各油气田地质条件、构造环境以及原油性质不同，开采出的油田水水质也存在明显差异，但是也存在相同之处。比如，油田采出水含油量高，采出水组分复杂、矿化度高，同时油田采出水水温较高，还可能具有一定的放射性。目前，油田大多数采出水处理以物理法和化学法为主，采出水中的乳化油含量高，因为其易乳化的特性，需要破乳工艺来确保油田采出水处理符合生产要求。

1 超声破乳实验

1.1 试验系统与实验过程

油田采出水超声破乳实验装置主要由排水管、进水管、超声波脱油反应器、超声波换能器、超声波发生器、反应控制箱、电动扣油阀、储油桶、固液分离箱构成。实验装置安装在槽式反应器中，使用超声波功率为1kW，超声波频率为2.7×104Hz，超声波声强为0.50。整个实验反应时间180s，处理水量12L，温度控制在45℃以下。这种反应实验装置可以计算出5.0m3/h油田采出水量。设置油田采出水超声破乳反应器参数:反应器总容积为0.45m3，反应器过水截面面积为0.280m2，反应器有效长、宽、高分别为1.5m、0.7m、0.5m。

实验方法:首先将油田采出水注入超声破乳反应器中，在油田采出水温度升到45℃时，开启超声波发生器。待反应进行一定时间后，整个装置静置30min，用四氯化碳试剂对水样进行萃取。最后，出油率可通过红外分光测定仪测定取萃取液的油浓度来计算。

2 超声破乳工艺讨论

2.1 超声波脱油反应器类型影响破乳除油率

除了实验所运用的槽式反应器，超声波反应器还有筒式、振子式和探头式等常见的反应器类型，不同的超声波反应器有不同的超声波导入方式，对除油率的影响也各不相同。

在实际运用过程中，槽式反应器和筒式反应器处理效果较其他两种反应器效果明显。振子式反应器和探头式反应器在使用时，产生的超声波声场不匀称，超声波能量衰减快，道指最终反应效果达不到预期。除此之外，探头式反应器的探头还容易被超声波自身能量损耗，造成了实验成本增加。相比之下，筒式反应器具有较高的超声波辐射功率，在短时间内可以达到较好的破乳效果。但是，筒式反应器由于自身结构特点，在反应进行时需要竖立放置，超声波换能器则安装在装置侧板上，油田采出水中的油在上浮过程中容易黏附在反应器壁上，形成油层困难，同时筒式反应器耗能大。槽式反应器虽然破乳反应过程耗时较长，但是破乳效果较其他反应器好，同时槽式反应器总体结构简单，油层形成和油层分离较容易，所需能耗较低，是四种反应器中综合效果最好的一种。

2.2 超声波频率影响破乳除油率

采用固定变量的方法，保持超声波功率为1kW、超声波波强为0.50、整体反应时间为150s、油田采出水水温为45℃、装置处理水量为12升的条件时，测试超声波频率对破乳除油率存在的影响。结果得出，当超声波波强较高时，超声声波频率为2.7×104Hz时，油田采出水破乳除油率最大，破乳除油效果最好；当超声波波强在0.5以下时，超声波频率对超声波破乳除油效果的影响微弱。实验表明，超声波频率的大小在一定量级的范围内时，只是影响乳化分子向波谷的移动距离或是向波节的运移距离，所以在此量级内乳化除油效果不明显。实验数据得出，超声波强度的衰减程度与超声波频率的平方成正比，超声波的频率越高，超声波声场就越不均匀，超声波衰减速率就越快。所以，在实验过程中应该将超声波的频率控制在2.1×104～2.7×104Hz范围内。

2.3 超声波功率影响破乳除油率

在超声波频率为2.7×104Hz，超声波声波强度为0.50，整体破乳反应时间150s，油田采出水水温为45℃、油田采出水水量为12L的条件下时，超声波功率越大，破乳除油率越高，破乳除油效果越好。实验结果显示，当超声波的功率为1kW时，除油率可以达到90%。

2.4 超声波声强影响破乳除油率

超声波声强是超声波破乳工艺中一个重要的控制影响因素。不同的乳状液体最优的破乳超声波声强也不一样，存在一个临界超声波声强值。当超声波声强大于临界超声波声强时，乳化表面膜会被破坏，这时石油粒子会进行结合。但是当超声波声强小于临界超声波声强时，由于超声波声强强度不够，乳化表面膜不会被破坏，石油粒子无法进行结合。固定实验变量，在超声波功率为一千瓦，超声波频率为2.7×104Hz，整个实验反应时间控制在180s，处理水量12L，温度控制在45℃条件下进行超声波声强对破乳除油率的影响实验，结果表明，最佳破乳除油超声波声强值为 0.35～0.60。

2.5 超声波辐射时间影响破乳除油率

控制变量，在超声波功率为1kW，超声波频率为2.7×104Hz，超声波声强为0.50，处理水量12L，温度控制在45℃条件下，进行超声波辐射时间对破乳除油率的影响实验。研究实验结果表明超声波辐射时间对破乳除油率有一定影响，但不成正比，在一定的辐射时间范围内破乳除油效果好。在其他实验条件不变的情况下，150s的超声波辐射时间对应的破乳除油率最高。

2.6 油田采出水中含油浓度影响破乳除油率

在超声波功率为1kW，超声波频率为2.7×104Hz，超声波声强为0.50，整个反应时间在150s，处理水量12L，温度控制在45℃条件下，实验油田采出中含油浓度对破乳除油率的影响。研究发现，在实验的其他条件处于有效范围内时，油田采出水中初始含油浓度与破乳除油速率成正比，原始含油浓度越高，破乳除油的速率越高。油田采出水中乳化油的粒径分布与破乳除油速率有关。在其他实验条件一定时，能够破坏的乳化油粒存在半径临界值，只有乳化油粒半径大于临界半径时，乳化油粒才能结合，并在重力作用下上浮，最终摆脱溶液。油田采出水中乳化油粒的粒径分布刚开始是相对稳定的，但由于超声波作用影响，油田采出水中半径大于临界半径的乳化油粒数目逐渐减少，半径小于临界半径的乳化油粒又无法被破坏，导致破乳速除油速率逐渐降低。

3 结论

在实际油田采出水超声破乳工艺实验中，主要研究了超声波破乳反应器形式、使用超声波功率、使用超声波声强、使用超声波频率、破乳反应时间和污水中油浓度等因素对乳除油率的影响。研究分析认为，超声波声强以及超声波频率对破乳除油速率影响效果最为明显，超声波反应器类型、超声波使用功率、超声波辐射时间和油田采出水油浓度等因素也对破乳除油速率有着一定影响。在超声波功率为1kW，超声波频率为2.7×104Hz，超声波声强为0.50，整个反应时间在150s，处理水量12L，温度控制在45℃条件下破乳除油率较高。