超声波破乳技术在原油脱水处理中的应用.doc

毕业设计（论文） 题 目：超声波破乳技术在原油脱水解决中的应用学习中心： 年级专业： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 导师单位： 摘 要胜利采油厂已进入高含水开发期，三次采油技术逐渐被应用，采出液多为水包油乳状液或水包油与油包水交替出现的复杂乳状液，其界面膜强度高，乳状液非常稳定，采用常规和各种新的合成破乳剂均难以达成满意的破乳效果，加大了采出液解决的难度，困扰着油田生产。超声波可在一定限度上解决各种乳化原油的破乳问题。超声波作用于油水乳状液后，由于油、水的物性不同，对超声波的响应不同，出现油、水粒子各自集聚的现象，称之为位移聚集效应，此效应能促使乳状结构破坏，从而促进同种物质微粒凝聚，使得油、水分离加快。超声波破乳脱水技术具有能耗低和对原油无污染的特点，为解决特种乳化油（如稠油、助聚油）脱水提供了有效、经济的途径。目录摘要 i目录 ii第1章 前言 1第2章 坨六站原油脱水工艺现状 22.1概况22.2油品性质 32.3粘温曲线 32.4原油脱水系统运营情况 32.5原油破乳剂现场应用效果评价4第3章 超声波破乳技术研究 73.1超声波破乳机理和特性73.2影响超声波破乳效果的因素分析实验 103.3综合分析 18第4章 超声波破乳技术实验 194.1实验条件及方法 194.2实验情况 204.3结果分析 24第5章 研究结论 26致谢27第1章 前言在油田开发过程中，一次采油和二次采油采出的乳化原油多是油包水型，采用常规电化学联合破乳的方法就可以实现油水分离。目前，胜利采油厂已进入高含水开发期，三次采油技术逐渐被应用，采出液多为水包油乳状液或水包油与油包水交替出现的复杂乳状液，其界面膜强度高，乳状液非常稳定，采用常规和各种新的合成破乳剂均难以达成满意的破乳效果，加大了采出液解决的难度，困扰着油田生产。超声波可在一定限度上解决各种乳化原油的破乳问题。超声波作用于油水乳状液后，由于油、水的物性不同，对超声波的响应不同，出现油、水粒子各自集聚的现象，称之为位移聚集效应，此效应能促使乳状结构破坏，从而促进同种物质微粒凝聚，使得油、水分离加快。超声波破乳脱水技术具有能耗低和对原油无污染的特点，为解决特种乳化油（如稠油、助聚油）脱水提供了有效、经济的途径。第2章 坨六站原油脱水工艺现状 2.1 概况坨六站于1973年2月建成投产，涉及原油解决、原油稳定、污水解决3大部分，其中设计原油脱水能力135万吨/年，原油外输能力140万吨/年，采用热化学沉降脱水工艺，即：3000m3（2023m3）净化油罐井排来液外输至配气站气油5000m3一次沉降罐5000 m3二次沉降罐游离水脱除器去污水解决站原油提高泵原油外输泵稳定塔水换热器图2-1 坨六站工艺流程图目前坨六站进站液量22023m3/d，原油综合含水94%，日解决原油近2023t（涉及井下鲁胜原油），外输原油含水计划指标0.8%，目前实际含水0.6%。原油解决系统重要设备及设施见表2-1。表2-1 原油解决系统重要设备及设施表序号设施名称规格与型号投产时间数量运营数量1一次沉降罐5000m31981.5222二次沉降罐5000m31999.12113净化油罐3000m32023.101142023m31989.3115游离水脱除器422.11995.8326二级分离器2.28.241983.5117加热炉2023kw2023.11182200kw2023.0319脱水泵JS75-501994.52110输油泵JS110-1701993.8312.2 油品性质表2-2 原油物性全分析数据表密度kg/m3粘度mm2/s含硫%含盐mg/L凝点初馏点蜡沥青胶残碳%原油分类0.9417901.159241059.04.1229.54.3含硫中间基2.3粘温曲线图2-2 坨六站原油粘温曲线图2.4原油脱水系统运营情况2.4.1游离水脱除器坨六站游离水脱除器于1995年投产，初期分离效果较好，出口油中含水20%，水中含油60%，水中含油1500mg/l。目前游离水脱除器仅作为气液分离使用，分离后的油水混合物进入一级沉降罐进行解决。2.4.2原油沉降罐坨六站现有原油沉降罐3座，其中5000m3一级沉降罐2座，均于1981年建成投产，单罐油水沉降时间4.4小时，沉降后油中含水20%，水中含油400mg/l；二级沉降罐为1座1999年建成投产的5000m3油罐，原油正常沉降时间24小时，沉降后油中含水0的情况下是“粒子”运动的稳定平衡点，在这种情况下，“粒子”将向波腹运动并在此聚集，从而使得“粒子”碰撞，凝聚成大“粒子”。相反，当F0时，是稳定平衡点，在这种情况下，“粒子”将向波节运动并在此聚集、碰撞、凝聚。这种现象称为“位移聚集效应”。3.1.2.2 实验设备和实验结果实验设备涉及：UG-型超声波发生器系统（具有频率自动跟踪和功率控制功能），电功率在01000W之间连续可调，频率在050kHz之间连续可调；夹心式压电陶瓷换能器，惠普HP54601数字示波器，CS-3水听器，恒温水浴箱，CCD摄像机，CG100图像采集卡，计算机。实验使用的粒子是固体粒子，它的比重比水轻，所用的液体是蒸馏水。可视化实验中使用了两种表面无静电的粒子，第一种粒子的密度是650kg/cm3，直径是3mm，第二种粒子的密度是990kg/cm3，直径是4mm。一方面，把粒子均匀放置于静止的水面上，在加超声波以前粒子静止不动，当进行超声波作用时，粒子开始运动，当声强在空化阈以下时，粒子会最终聚集在波节。在上一节中把这种现象称为“位移聚集效应”。相反，当超声波辐射的声强大于空化阈时，很容易观测到粒子的运动处在紊乱无序的状态，即使已经合并的粒子也会被“击碎”分散出去。此时认为超声波起混合作用。因此，超声波破乳作用的声强必须在空化阈以下。运用两种直径不同的粒子进行实验均能观测到相同的现象。这一实验结果证明了上一节的理论分析，为实验研究打下了基础。3.1.2.3结果分析声学上所谓的“粒子”可以是微小油滴，也可以是微小水滴，其区别是粒子的性质不同。在超声波的作用下，性质相同的粒子总是在其平衡点相聚集，发生碰撞，合并成大的粒子，并在重力作用下分离。但是，碰撞在有些条件下并不一定导致合并，粒子合并与粒子直径、运动速度、液体的密度、粘度以及粒子界面间的胶体力有关。在Re1和小Weber数的条件下，运用流体运动的N-S方程分析，粒子碰撞的过程中，产生反弹所需的最小排斥压力为2/a，其中是表面张力，a是粒子直径。一般来说，象水化层这样引起的短程斥力可以表达为Aexp(-x/k)，其中x是两粒子界面间的距离，k是开始产生短程斥力的特性长度，A是溶质表面浓度的函数，它又依次依赖于粒子表面溶质的扩散、对流和吸附作用，即产生碰并的A必须小于2/a。一般情况下，对于某一种油水乳状液，油滴或水滴的直径是固定的，若使水粒子碰并，只有通过改变表面张力来实现，超声波的“位移聚集效应”为粒子碰并提供了积聚的条件，超声波的热作用及化学添加剂用来改变表面张力。两者的结合才干达成更高的破乳效率。3.2 影响超声波破乳效果的因素分析实验3.2.1实验条件及方法3.2.1.1实验条件实验设备涉及：UG-型超声波发生器系统（具有频率自动跟踪和功率控制功能），电功率在01000W之间连续可调，频率在050kHz之间连续可调；夹心式压电陶瓷换能器，惠普HP54601数字示波器，CS-3水听器，蒸馏含水分析仪、电动搅拌器等。因温度是影响粘度的重要参数，运用恒温水浴箱可保证实验在相同温度下进行，同时，恒温水浴箱中的水又是超声波的传递介质。恒温水浴箱反射面离换能器发射面的距离可调整，以保证形成驻波场。实验油样都是由采油厂提供的，实验前先搅拌均匀，均分在盛油容器中为消除容器对实验结果的影响，实验采用声阻抗值与水相近的特制塑料容器。3.2.1.2实验方法第一将原油乳化液进行均匀、充足地搅拌。由于乳化液的稳定限度不同，对某些稳定的乳化液存放于罐里不做任何解决，也许需要几周乃至几个月的时间油水才干分层，而对于不稳定的乳化液也许在几分钟内就会分离成比较清净的油相和水相。为保证实验样品的同一性，必须进行充足搅拌。第二将搅拌后的原油乳化液均分在盛油容器中，每次解决原油乳化液体积约为200250mL，为消除容器对实验结果的影响，实验采用声抗值与水相近的特制塑料容器。第三将分盛好的样品依次进行超声解决后放入恒温水浴箱中沉降25h不等。第四对沉降后的样品采用蒸馏法含水分析仪进行含水分析。第五将分析后的结果与初含水及不经超声解决直接沉降放入恒温水浴箱沉降的含水结果进行对比，得出结论。3.2.2 实验结果及分析3.2.2.1声强超声强度决定水“粒子”凝聚速度。声强增强。水“粒子”位移振幅加大，碰撞粘合的机率增大，从而提高水“粒子”凝聚速度。声强与振幅关系表达式如下：I=222V10-7式中：I-声强（W/2）;-水密度（g/3）;-声速（/s）; -频率（Hz）;Vm-振幅（）。本次实验的频率为20kHz，脉冲宽度为11.2ms，间歇比为3；辐照时间为10min。随着声强的变化，原油脱水率的变化示意图如下：可以看出，随着声强的增强，原油脱水率也随之变化。声强小于0.35Wcm2时，水“粒子”的位移振幅较小，起不到破乳作用声强0.35-0.65Wcm2时，原油脱水率随着声强的增强而增长声强为0.65Wcm2时脱水率最高，脱水率达成89，声强0.35Wcm2时为水“粒子”凝聚的临阈值，当声强大于临阈值而增长到0.65Wcm2时，脱水率随声强的增强而提高。由于超声波破乳脱水声强必须在空化阈值以下，当声强值大于0.65Wcm2时，也许使原油产生空化作用，声强越强，搅拌越快，凝聚后的水“粒子”被重新分散，产生新的乳化，并且随着声强的进一步增强，这种乳化的趋势增大，使得原油破乳脱水率减少实验表白破乳脱水声强应为035-0.65Wcm2，最佳声强为065Wcm2。3.2.2.2频率超声波在液体媒质中传播，其强度将随传播距离的增长而逐渐减小，减小的快慢限度由传声媒质的超声衰减系数来表征：I=Iqe-2X=式中，Iq-声源辐射的声波强度； I-超声波传播到距超声源X时的声波强度；X-传播距离； -原油密度； c-声速；-原油切变粘滞系数；b-原油容变粘滞系数；k-热传导系数； Cv-原油定压比热；Cp-原油定容比热；-超声波频率。对于一定温度的原油，超声波的衰减与频率的平方成正比，超声波的频率越低，衰减越慢，破乳声场越均匀，这不仅有助于原油破乳，并且，在相同声强条件下相对低的频率可增大超声波破乳的有效辐照距离。对于声场中某点在相同声强条件下减少频率，可提高水“粒子”位移振幅，有助于水“粒子”凝聚。上述分析表白：超声波原油破乳脱水应使用低频超声场，而Kotyusov从理论上导出声波的频率对水“粒子”凝聚有影响，并导出水“粒子”在超声波作用下产生凝聚的最佳频率约在2125kHz以内。综合超声波的衰减与产生水“粒子”最佳凝聚频率这两方面因素，超声波破乳脱水频率可以略低于21kHz，以获得最佳脱水效果。频率为20kHz和25kHz的对比实验表白在同等声强和波形条件下，频率为20kHz时原油脱水率为94，而频率为25kHz时原油脱水率为89因此，使用20kHz的低频超声进行破乳脱水是较为抱负的。相同条件下，频率为20kHz和25kHz的脱水率对比示意图如下：3.2.2.3间歇比、脉冲宽度在脉冲超声波作用于原油时，不同的间歇比和脉冲宽度对原油的破乳脱水率也有一定的影响。间歇比为6-8时原油的脱水率较高，并且，间歇比为8时脱水率最高，达成54.3。在频率20kHz，占空比1:1，声强0.65Wcm2超声辐照作用下，原油脱水率随超声脉冲宽度变化呈现峰值。脉宽从5ms增长到9.7ms，脱水率从44.6上升到52.8当脉宽继续增长到12.5ms时，脱水率却没有继续上升，而是下降到376。脉宽9.7ms时原油脱水率达成最高值52.8脉宽从5ms增长到9.7ms时脱水率也逐步提高，并达成最大值间歇比和脉冲宽度对原油的破乳脱水率具有一定的影响，影响的因素尚有待进一步研究。3.2.2.4超声辐照时间在超声辐照作用下，小的水“粒子”互相碰撞、粘合变成相对大的水“粒子”，相对大的水“粒子”又开始新的碰撞、粘合，直到水“粒子”的直径足够大以至其不随超声振动为止，这需要一个时间过程。随着超声波辐照时间的延长，原油脱水率逐步提高，并趋于饱和。辐照时间延长到5min，脱水率达成59.5，脱水速度快。辐照时间大于5min，脱水率提高的幅度减小。从脱水速度和脱水率来考虑，辐照时间5-10min较为合理。一般情况下，延长辐照时间，超声波的热能作用加强。原油超声波破乳存在最佳的解决时间，解决时间过长，脱水效果反而变差。这是由于乳化与破乳事实上是一个动态平衡过程，选择合适的解决时间可以破乳，但是假如解决时间过长，又有也许将分离出来的油水两相乳化，从而导致形成更加稳定的乳化液。3.2.2.5温度原油粘度与温度之间呈反比关系。当温度升高时，原油粘度减少，并且变化幅度很大。温度升高后，粒子在乳状液中的运动阻力减小。同时，聚集水珠沉降时所受的阻力减小，沉降速度加快。不同温度，自然沉降与超声波解决后的脱水数据对比表白，超声波解决后，原油的脱水率明显提高，且实验温度越高，脱水率差值越大。3.2.2.6沉降时间沉降时间越长，越有助于大水滴的沉降分离，分离效果越好。但随着沉降时间的进一步延长，脱水率增长的幅度变小，这说明当大水滴沉降下来后，小水滴沉降速度慢，加上结构力的存在，分离变得困难。3.2.2.7化学破乳剂原油采出液具有较高的矿化度和较多的表面活性物质,这使得乳化液的结构难以破坏。一般情况下，对于某一种油水乳状液，油“粒子”或水“粒子”的直径是固定的，若使“粒子”聚集，只有通过改变表面张力来实现，超声波的“位移聚集效应”为粒子碰并提供了积聚的条件，超声波的热作用及化学添加剂用来改变表面张力。两者的结合才干达成更高的破乳效率。实验采用的原油温度为60，超声波频率为20KHz，沉降分离时间为3h，超声波与化学破乳剂联合作用破乳的脱水效果较单纯使用超声波破乳的脱水效果好。加入化学破乳剂后,再运用超声波解决,乳化原油的含水率明显下降,并且按一定规律变化。超声波与化学破乳剂联合作用破乳的最优声强与单纯运用超声波破乳的最优声强基本一致,说明化学破乳剂的加入使得超声作用时粒子碰撞合并的概率加大,这与理论分析相吻合。不同的破乳剂与超声波联合作用产生的破乳效果也许不同样,需要针对具体情况做进一步的研究。比较示意图如下：3.3 综合分析通过上述实验分析可知：一是影响原油脱水率的重要因素：超声波作用声强、超声波作用辐照时间、超声波作用频率、原油温度、特定原油相相应的化学破乳剂。二是影响原油脱水率的次要因素：超声波脉冲宽度、超声波脉间歇时间、作用后的沉降时间。三是影响原油脱水率的因素尚有压强、油品性质等，但这些因素的影响都是间接的。压强的增长使超声空化阈值增大；油品性质影响超声波在油中的衰减，从而影响使用频率的选择。对于不同的实验系统，由于破乳条件等诸多因素的影响，声强、辐照时间等参数将发生变化，但实验研究的方法和影响原油破乳脱水率的主、次要因素估计与本实验结果是一致的。第4章 超声波破乳技术实验4.1实验条件及方法模拟坨六站工艺流程和生产参数进行室内实验，为了防止换能器因长时间工作导致的热不稳定性对破乳产生不利影响，专门加工了水冷式换能器，工作频率为(202)kHz，它可以在模拟现场条件下长时间稳定工作，保证实验按设计程序顺利进行。沉降罐有两个，一个是超声作用后的沉降罐，另一个是自然沉降罐，起对比作用。在沉降罐的不同高度上设立了多个取样口，分析不同高度的含水率。因在分离器来油中已经加入了相应的化学破乳剂，取到不含化学破乳剂且含水率较低的样品很困难，本次实验专门针对具有化学破乳剂的情况下，对比施加超声波作用的破乳脱水效果，更符合目前现实情况。通过阀门控制乳化原油在解决罐内的停留时间；解决后的原油进入沉降罐沉降脱水2-3h，然后用蒸馏法进行含水率测试分析。实验用的乳化原油取自坨六站的两个不同地点，具有不同的特性：1#样品：含水率18%，温度56； 2#样品：含水率2%，温度59，含鲁胜稠油；取样点的示意图如下：图4-1 坨六站原油取样点示意图4.2 实验情况4.2.1 1#样品频率20kHZ,辐照时间10min,沉降时间3h。随声强变化，脱水率示意图。频率20kHZ,辐照时间15min,沉降时间3h。随声强变化，脱水率示意图。频率20kHZ，声强0.5W/2，辐照时间10min，沉降时间3h。超声波作用与自然沉降不同高度含水率示意图。频率20kHZ，声强0.65W/2，辐照时间10min，沉降时间3h。超声波作用与自然沉降不同高度含水率示意图。4.2.2 2#样品频率20kHZ,辐照时间10min,沉降时间3h。随声强变化，脱水率示意图。频率20kHZ,辐照时间15min,沉降时间3h。随声强变化，脱水率示意图。频率20kHZ，声强0.5W/2，辐照时间10min，沉降时间3h。超声波作用与自然沉降不同高度含水率示意图。频率20kHZ，声强0.65W/2，辐照时间10min，沉降时间3h。超声波作用与自然沉降不同高度含水率示意图。4.3 结果分析1#样品：含水率18%，温度56。该样品油品质较好，超声作用的最佳参数：频率20kHZ，声强0.5W/2，辐照时间10min。经超声波解决后，含水率1.5%。2#样品：含水率2%，温度59，含鲁胜稠油。该样品因具有稠油，油品质较差，自然沉降效果不好，施加超声作用后含水率可达成0.6%。超声作用的最佳参数：频率20kHZ，声强0.65W/2，辐照时间15min。适合坨六联合站超声波破乳的工艺流程和运营参数示意图图4-2 坨六站原油超声破乳剂工艺流程及运营参数点示意图第5章 研究结论5.1 本研究综合分析坨六站原油脱水解决工艺运营状态，化学药剂破乳效果，拟定适合坨六站超声波破乳的工艺流程。5.2 初步掌握超声波破乳机理和特性，对可控制的参数如声强、频率、辐照时间、及温度等重要因素进行了研究，通过理论分析和室内实验证明了超声波破乳脱水的可行性，为此后现场实验提供可靠的理论支持和室内研究数据。5.3 不同的油样性质不同，应用超声波破乳脱水所需的参数也不同，如不同的破乳剂与超声波联合作用产生的破乳效果也许不同样,需要针对具体情况做进一步的研究。5.4 超声波破乳脱水受多种因素的制约，特别是现场情况与室内差异较大，下一步针对油性复杂，如含聚油、稠油解决进行现场实验。致 谢本文是在李玉星老师的悉心指导下完毕的。承蒙李玉星老师的亲切关怀和精心指导，虽然有繁忙的工作，但仍抽出时间给予我学术上的指导和帮助，特别是给我提供了良好的学习环境，使我从中获益不浅。老师对学生认真负责的态度、严谨的科学研究方法、敏锐的学术洞察力、勤勉的工作作风以及敢于创新、敢于开拓的精神是我永远学习的楷模。在此，谨向李玉星老师致以深深的敬意和由衷的感谢。 还要感谢我的家人，他们在生活上给予我很大的支柱和鼓励，是他们给予我努力学习的信心和力量。 最后，感谢所有关心我、支持我和帮助过我的同学、朋友、老师和亲人。在这里，我仅用一句话来表白我无法言语的心情：感谢你们！