张 明， 尚 超， 王海燕， 郑晓鹏， 王春升

(中海油研究总院，北京 100028)

海上紧凑型电聚结原油脱水技术与展望

张 明， 尚 超， 王海燕， 郑晓鹏， 王春升

(中海油研究总院，北京 100028)

海上平台空间紧张，传统的重力沉降脱水方法停留时间长，设备尺寸大，影响海上油田开发成本，亟需高效原油脱水技术进步。电聚结原油脱水技术是近些年兴起的高效原油脱水技术。在介绍静电预聚结理论和技术背景的基础上,分析了国内外技术发展现状，并对应用前景进行了展望。

海上平台；静电聚结；原油脱水

0 引 言

海上油田尤其是深水油田开发成本高，投资大，需要应用高效原油处理技术来减少甲板占用面积，降低组块的重量，从而大幅降低油田开发投资[1]。电场的作用可以使原油中的小水滴颗粒加速聚结成较大粒径的水颗粒，加速油水重力沉降分离，提高脱水效率，电脱水分离器在陆上和海上油田得到了多年的应用，也同时形成了相关规范，如SY/T 0045—2008《原油电脱水设计规范》。规范中对电脱水器的入口原油含水做了较为明确的限定，“进入电脱水器的原油水含量不宜大于30%(质量分数)；对于乳化严重、导电性强、击穿电压小于0.6kV/cm的原油含水量不宜大于10%(质量分数)”[2]。主要的原因是如果原油乳化液的含水率太高，乳化液的导电率上升，不易维持稳定的电场，使脱水质量急剧降低，严重时会产生电击穿，造成事故发生。因此电脱水器有一定的应用范围限制，不能适用于高含水原油，主要应用于原油处理流程的第三级分离。从20世纪80年代开始，为了突破常规电脱水技术无法适应高含水原油处理的限制，国外一些科研机构开发了静电聚结原油脱水技术，并已经在国外一些油田现场进行了测试和应用。国内相关学者也开展了一些研究工作，但大多处在试验阶段。本文在介绍静电预聚结理论和技术背景的基础上,分析了国内外技术发展现状，并对应用前景进行了展望。

1 静电聚结理论

传统的重力沉降原理的原油脱水技术，水颗粒在油相中的沉降速度符合Stokes定律。影响沉降速度的主要因素包括密度差、黏度、水颗粒粒径等。其中水颗粒粒径作为唯一的平方变量，是最重要的影响因素。如果水颗粒粒径较小，沉降速度会非常慢。同时，油水较易形成稳定的乳化液，仅仅依靠重力沉降进行油水分离，会造成分离设备体积和重量较大。电场可以对分散相水颗粒产生聚结作用，使小水颗粒长大，可以大大减少后续沉降分离的时间。常规的电脱水技术在海上油田广泛应用，取得了很好的应用效果。但常规的电脱水器一般采用卧式罐体，罐底部进油，上部出油，在电场的作用下分散相水滴发生逆向沉降，沉降方向与流动方向相反，因此电脱水器一般尺寸较大，停留时间在30～40min以上。近些年来，国外一些科研机构基于先聚结后沉降的思路，提出了紧凑型电聚结脱水技术，部分技术创新性地采用绝缘电极施加电场，可以适应高含水原油脱水条件。相关技术可以大幅减小原油脱水设备的尺寸和重量，对降低海上平台开发投资具有重要意义。

2 技术发展概况

2.1 容器内置静电聚结技术

ABB研究中心与挪威科技大学等机构合作，研发了容器内置式静电聚结器(VIEC)。瓦锡兰等公司也相继推出了工业产品。为了能适应一级分离器的高含水原油脱水处理工况，避免出现电场无法建立的问题，利用绝缘电极板呈正方形网格排列在分离器的底部油水乳化层附近，利用电极板向内部流动的流体施加高压电场，内部结构如图1所示。电极板和变压器采用环氧树脂胶注成型，形成绝缘层。电力通过特殊组件穿入容器内部，向每个电极模块内置的变压器供电。2003年6月，ABB公司的VIEC技术在挪威Troll C平台开展了现场试验[3—5]，为了解决平台上一级分离器中乳化液层厚度大、处理难度大的问题，在分离器的乳化层液位范围内安装了36个电极模块。通电运行后，一级分离器的处理效果得到改善，油层和水层的分界面明显变得清晰，乳化层的厚度减少了80%，破乳剂的用量也大幅下降。分离器油出口的含水率由20%下降到10%，水出口的生产水油滴粒径也大大增加，生产水系统的处理效果也得到改善。2004年10月，Aibel公司在中海油与国外公司联合开发的西江油田睦宁号浮式生产储卸装置(FPSO)一级分离器中改造安装了VIEC电极模块，提高了一级分离器的处理能力，收到了一定的效果[6]。VIEC技术在多个油田现场的试验证明了容器内置静电聚结技术的有效性，可以适应高含水原油的处理工况，提高一级分离器的原油脱水效果。但是在系统的可靠性上还需要进一步验证和改进，电极模块的绝缘性能、内置变压器的工作状态和寿命是装置连续可靠运行的关键。由于电极模块内置在分离器中，需要停产后改造安装，应用于在产油田分离器设备升级改造会受到一定的限制。

图1 VIEC内部电极布置Fig.1 Internal electrode layout of VIEC

2.2 紧凑型静电聚结技术

用于原油脱水的紧凑型静电聚结技术(CEC)一直是国际上研究的热点。1983年，南安普敦大学首先提出了紧凑型静电聚结技术的思路，1993年，南安普敦大学与Statoil公司合作研发相关产品，研究中明确了电聚结作用可以在湍流条件下进行，且电极的绝缘处理可以让装置适应含水40%以上的乳化液处理工况[7]。紧凑型静电聚结技术如图2所示，中心筒体作为高压电极，乳化液流过中心筒体与外部筒体之间的环形空间，在电场作用下聚结破乳。2002年，CEC技术首次在Petrojar1Ⅰ FPSO开展样机试验。CEC安装在二级分离器和电脱水器之间，通过连续运行试验证明，外输原油含水低于0.3%，脱水效果得到很大的改善[8]。2006至2007年，CEC技术分别在Captain油田FPSO、阿拉伯湾的Shaheen B5平台、挪威的Alvheim油田、巴西石油公司的Jubarte平台得到了应用。紧凑型静电聚结技术主要特点为设备尺寸小，结构紧凑，能耗低，同心环状的电极结构保证了电场作用强度和乳化液的流动状态，有利于电场破乳效果。

图2 紧凑型静电聚结技术示意图Fig.2 Schematic diagram of compact electrostatic coalescence

2.3 管式静电聚结技术

从1999年开始，ABB公司开始研究管式静电聚结技术(IEC)[9]。ABB公司的IEC技术是在聚四氟乙烯管外壁缠绕了钢制片状电极。由于电极不与原油乳化液接触，所以即使在高含水或高含气时也不会出现垮电。原油乳化液在IEC中的停留时间仅为20s，经IEC处理后的原油乳化液水颗粒粒径可以增大10倍以上。2001年4月，ABB公司在Sendje Ceiba号FPSO的二级分离器前安装样机开展现场试验，每个IEC的处理能力为132.5m3/h。在IEC作用下，原油乳化液的水颗粒粒径大幅增长，二级分离器的水出口含油减少了50%[10]。FMC公司研发了新一代IEC产品，如图3所示。该技术采用管式结构，现场应用时可以直接用法兰与平台上的输送管线连接，其内部采用多层绝缘电极结构，经过静电聚结处理的原油乳化液不经过阀门等剪切设备，直接进入后续重力分离器，原油中的水颗粒在电场中聚结增大，从而可大大提高后续沉降过程的分离效率[11]。

图3 管式静电聚结技术示意图Fig.3 Schematic diagram of inline electrostatic coalescer

2.4 国内研究进展

国内各科研机构在此方面也开展了大量研究工作。丁艺等[12]发明了一种新型原油电脱水、脱盐设备，其核心部分为电极组件，采用波纹板状电极，电极表面均覆盖绝缘层。张黎明等[13]设计出一种绝缘紧凑型电破乳器，采用聚四氟乙烯和环氧树脂作为绝缘材料并进行了室内试验。何利民等[14]发明了高效静电聚结器，其电极为筒状电极，外包裹致密绝缘层，筒状电极间距小，施加电压后，产生高强电场，原油乳状液中的水滴长大、沉降速度增大，实现了油水的快速分离。中海油研究总院研制了新型高含水原油静电聚结脱水器，并在流花11-1油田(原油密度933kg/m3)开展了现场试验[15]。

3 海上油田技术应用展望

紧凑型电聚结脱水技术可以大幅降低原油处理设备的尺寸和重量，对海上油田开发具有重要意义。该技术在国外一些海上平台已经开展了大量试验工作，对原油脱水效率的提升效果得到了验证，国内相关科研机构也开展了大量研究工作，技术应用前景广阔。

海上油田传统原油处理流程如图4所示。井流物先与处理合格的原油换热后进入一级分离器脱水、脱气处理，脱出的生产水进入生产水处理系统进一步处理，脱出的伴生气进入燃料气系统进行利用。部分含水原油通过加热后进入二级分离器脱水和稳定处理，含水30%以下的原油经过增压、加热后进入电脱水分离器，在电场作用下进一步脱水至合格原油。处理流程的一级和二级分离都是以重力沉降为主，因此需要的处理温度高，破乳剂用量大，停留时间长。电脱水器可以利用电场作用高效脱水处理，但是传统电脱水器只能处理含水30%以下原油，限制了的电场强化对原油脱水的应用工况。

容器内置式静电聚结技术应用处理流程如图5所示。利用静电聚结分离器替换传统的重力沉降式分离器。由于绝缘电极的应用，可以在高含水原油中加入电场的作用，提高高含水原油的脱水效率，将电场对原油脱水的强化作用延伸至一级分离器，可以大幅降低一级分离器的尺寸，降低处理温度和减少破乳剂用量。在容器内增加绝缘电极可以通过更换分离器或者对分离器内部进行升级改造完成。尤其海上油田后期普遍含水率升高，原处理能力不能满足生产需要，可以通过对分离器改造加装绝缘电极提升分离器的处理能力。

图4 海上油田传统原油处理流程Fig.4 Traditional crude oil treatment process on offshore oil field

图5 容器内置式静电聚结技术应用处理流程Fig.5 Crude oil treatment process of VIEC

容器内置式和紧凑型静电聚结技术复合应用处理流程如图6所示。紧凑型/管式静电聚结具有设备尺寸小，便于维护的优点，容器内置式静电聚结技术将电极、变压器等设备放置于罐体内部，一旦发生设备故障，维修和维护非常不方便，而且会造成平台停产。紧凑型/管式静电聚结一般与平台管线串接，设备故障或者维护时可以利用旁通隔离，不影响正常的生产流程。但是紧凑型/管式静电聚结设备中原油的停留时间一般较短，电场的作用时间也较短，因此为了强化电场在短时间的聚结效果，一般采用高频高压电场，经过多年的试验，其有效性已经得到了验证。容器内置式和紧凑型静电聚结技术的复合应用，可以在海上平台原油处理全流程中加入电场聚结的作用，大幅提高原油脱水效率，减少平台罐体设备的容积，对降低海上平台和浮式结构的投资具有重要意义。

图6 容器内置式和紧凑型静电聚结技术复合应用处理流程Fig.6 Crude oil treatment process of VIEC and CEC/IEC

4 结 语

海上油田尤其是深水油田亟需高效原油处理技术的发展和应用来减少甲板占用面积和组块的重量，从而降低油田开发投资。国内外一些科研机构开发了静电聚结原油脱水技术，并已经在油田现场进行了测试和应用。主流的静电聚结技术包括容器内置静电聚结技术、紧凑型静电聚结技术、管式静电聚结技术等，技术的有效性已经得到了国外现场试验的验证。目前，国内海上油田原油处理流程仍以传统的“自由水+热化学+电脱水”三段式分离技术为主，设备尺寸和重量大，能耗高，药剂消耗量大，有必要引入先进的静电聚结油水分离技术，提高分离效率。静电聚结原油脱水技术在海上油田应用前景广阔，值得深入研究，加大推广力度。容器内置式静电聚结技术受限于改造难度大，更加适用于新建油田开发项目，紧凑型静电聚结技术和管式静电聚结技术的应用更加灵活，并且可以与容器内置式静电聚结技术复合应用，更显著提高原油脱水的效率，并减小设备尺寸。

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ProspectofOffshoreElectrostaticCoalescenceCrudeOilDehydrationTechnology

ZHANG Ming，SHANG Chao，WANG Hai-yan，ZHENG Xiao-peng，WANG Chun-sheng

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

Due to the tight space on the offshore platform, the traditional gravity oil and water separation method has a long residence time and a large size of the equipment, which affects the development cost of offshore oil field. It is essential to study compact and high efficiency crude oil processing equipment to reduce platform space and block weight. The electric coalescence crude oil dehydration is a kind of high efficiency technology developed in recent years. The theory and technology background of electric coalescence technology are introduced. The current technology development situation is analyzed. Finally the application prospect of the technology is given.

offshore platform, electrostatic coalescence, oil dehydration

TE624.1

A

2095-7297(2017)02-0086-05

2017-03-17

张明(1981—)，男，高级工程师，主要从事海洋石油工艺研究。