1、本科毕业论文（20 届）不同电压作用下原油电脱水效果的试验研究所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文-I-不同电压作用下原油电脱水效果的试验研究摘 要随着我国油田开发逐渐进入中后期，油田已经进入三次采油阶段，多种采油技术被研制出来，使得采出油的含水量越来越高，这就为后期的脱水处理带来了很大困难。国内外较成熟的电脱水技术多基于经验，对电脱水技术的研究主要依托于生产性试验装置及生产装置，而不同供电方式对不同乳状液作用机理方面的研究还存在一定的欠缺。为了能针对性地研究不同电压作用下原油电脱水的效果、找出最佳的脱水电场、分析
2、脱水机理、观察脱水现象，本文在实验室内开展原油电脱水的试验研究，具体研究内容如下：首先，简要地介绍了原油电脱水背景以及课题的研究意义；概括性地介绍了国内外对原油电脱水的研究现状及发展趋势，指出电脱水存在的问题。通过介绍油水乳状液种类及常用破乳方式，详细说明了电破乳的重要性及其破乳原理。其次，在分析工业上成熟原油电脱水装置工作原理的基础上，详细介绍了实验室内搭建的原油电脱水试验平台，包括：加热装置、进液调配罐、乳化机、计量泵、脱水罐、废液罐等，并介绍了试验过程中所要用到物理参数的测量方法以及测量所需设备。最后，给出了本文的试验方案，包括：试验框图及基本流程。试验过程中，观察脱水现象；研究脉冲电场
3、下电压幅值、电压频率及占空比对电脱水效果的影响；研究直流电场、交流电场对电脱水效果的影响并加以比较分析；研究脱水温度和初始含水率对电脱水效果的影响；在试验结果的基础上分析电脱水机理。关键词：原油；乳状液；电脱水；电压哈尔滨理工大学学士学位论文-II-Experimental Study of the Electrical Dehydration Effect of Crude Oil under Different VoltagesAbstractWith the oil exploration access to mid-late period, the oilfield has enter
4、ed the tertiary oil recovery stage, variety of oil recovery techniques are researched. The water content of crude oil gradually increased, which make it difficult to post-dehydration treatment. More mature technology of electric dehydration at home and abroad are most based on experience, the resear
5、ch of electrical dehydration technology mainly relies on the production test equipment and production equipment, however, the mechanism research of different emulsion in different power supply has a certain lack. In order to study the electric dehydration effect of the crude oil under the different
6、voltage, find a most suitable dehydration conditions for different crude oil produced fluid，analysis dehydration mechanism, observe the dehydration. In this paper, a study of electrical dehydration of crude oil was carried out in the laboratory, the research work was carried out as follow:First of a
7、ll, the background of crude oil dehydration technology and the purpose and meaning of development of dehydration technology were briefly introduced; the research situation and development trend of crude electric dehydration at home and abroad were general introduced, and the electric dehydration pro
8、blems now were pointed out. Through the introduction of oil-water emulsion type and the way of emulsion breaking, the importance of electric demulsification was explained in detail. Secondly, the electrical dehydration test platform was built in the laboratory 哈尔滨理工大学学士学位论文-III-on the basis of the a
9、nalysis of the mature electrical dehydration device in industry. The test platform mainly includes: a heating device, liquid into the mixing tank, emulsifying machine, metering pump, dewatering tank, waste liquid tank and so on. The measurement method of the physical parameters which were used in th
10、e test and the device which were used in the measurement also been explained.Finally, the experimental program of this test was designed, it included the test bock diagram and the basic process. During the experiment, the electrical dehydration phenomenon was observed; The power amplitude, the frequ
11、ency and the duty cycle of the pulse voltage effect on the electric dehydration were researched; The DC field and the AC field effect on the electric dehydration also been researched, and the differences between three fields were analyzed; The dehydration temperature and the initial moisture content
12、 effect on the electric dehydration were studied; the dehydration mechanism was analyzed on basis of the test results.Keywords : crude oil; emulsion; electric dehydration; voltage哈尔滨理工大学学士学位论文-IV-目 录摘 要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 课题的背景及意义 .11.2 原油电脱水 .21.2.1 原油电脱水机理 .41.2.2 原油电脱水技术在国内外的研究成果 .51.3 当
13、前电脱水技术存在的问题 .71.4 本论文的主要工作 .7第 2 章 实验室小型电脱水试验系统 .82.1 工业上原油电脱水设备 .82.2 实验室小型原油电脱水设备 .82.2.1 电源控制柜 .102.2.2 模温机 .102.2.3 进液调配罐 .112.2.4 废液调配罐 .112.2.5 脱水罐 .112.2.6 脱水电极 .112.3 实验室试样测试手段 .122.3.1 原油含水率的测量 .132.3.2 高频高压脉冲幅值及波形测量 .13第 3 章 原油电脱水试验研究 .153.1 试验框图及试验基本流程 .153.1.1 试验框图 .153.1.2 试验基本流程 .163.2
14、 油水乳状液的制备 .163.2.1 试验用油 .163.2.2 乳化剂的选择 .163.2.3 加乳化剂方式的影响 .173.2.4 本次试验乳状液的制备 .173.3 电脱水实验现象 .173.4 脉冲电场对原油电脱水的影响 .18哈尔滨理工大学学士学位论文-V-3.4.1 频率 .183.4.2 幅值 .213.4.3 占空比 .233.5 交流电场对原油电脱水的影响 .253.6 直流电场对原油电脱水的影响 .273.7 不同电场对原油电脱水效果的比较分析 .293.8 温度对原油电脱水的影响 .303.9 含水率对原油电脱水的影响 .32结论 .35致谢 .36参考文献 .37附录
15、英文资料及其翻译 .39哈尔滨理工大学学士学位论文-1-第 1 章 绪论1.1课题的背景及意义从井中开采出的原油一般都含有一定数量的水，水的存在使原油的物理性质发生了变化，这就给原油的矿场集输和炼制带来了许多问题，主要有：1. 增加储运、加工设备的负荷，增加动力、热能和冷却水的消耗；2. 原油中的水多数含有盐类，加速了设备、容器和管线的腐蚀；3. 在石油炼制过程中，水和原油一起被加热时，水会急速汽化膨胀，压力上升，影响炼厂正常操作和产品质量，甚至会发生爆炸；4. 催化剂中毒 1，影响二次加工原料及产品质量。因此外输原油前，需进行脱水，其含水量按要求不可超过0.5%，有条件时应力求降低。在脱水站
16、内经隔油措施或除油系统后输至污水处理站的污水，其油含量应不超过1000mg/L。目前，全世界大约每天生产 860 万吨原油，至少会采出同等数量的水。在各油田开发过程中，油井一般都会经历三个开采阶段：不含水期、含水期和高含水期。油井见水后，采出的原油发生乳化，黏度和凝固点都会升高，引起结蜡，严重时发生油井事故，甚至导致停产，使原油产量下降，生产成本大幅度增加。除此之外，由于原油中含有大量的水，同时含有树脂、胶质、沥青质和有机酸等天然表面活性剂，它们吸附在油水界面，形成具有一定强度的界面膜，使水珠难以聚结。因此，绝大部分水以极其微小的颗粒分散在原油中形成稳定的原油乳液，给油水分离带来了巨大的困难。
17、然而水在油田开发的过程中，几乎是原油的“永远伴生者” ，尤其是在油田开发的中后期，油井不采水，也就没有了油。所以原油脱水就成为油田开发过程中一个不可或缺的环节，一直受到人们的重视。为了使油井生产出来的原油成为合格的商品原油，同时保护生态环境，矿场必须及时地对含水、含盐、含机械杂质的原油进行净化处理。原油中的水主要有3种存在形式：一是悬浮水，水在油中呈悬浮状态，可采用加热沉降的方法分离除去；二是乳化水，在原油开采、加工和精制的过程中，由于剧烈搅动以及原油中本身就含有乳化剂，使得油和水形成油包水型(W/O)2的乳状液，这种乳状液比较稳定，必须用特殊的脱水方法才能除去，也有极个别的原油是形成水包油型
18、(O/W)的乳状液；三是溶解水，水以分子状态存在于烃类化合物的分子之间，成均相状态。在原油生产中，一般分为三级脱水 3：第一级为机械方法脱水，用以哈尔滨理工大学学士学位论文-2-脱除油田采出液当中多数的游离水；第二级为化学方法脱水，进一步来脱除油田采出液经机械脱水后剩余的少量游离水和部分乳化水；经过第二级脱水后，原油含水率一般能够被控制在30%以内，这时需要第三级脱水，即电脱水，将剩余的乳化水含量降低到国家标准。随着油田进入高含水期的开采阶段，大部分油区综合含水量高达90%，三次采油技术作为提高采收率的有效手段，大幅度地提高了原油的采收率，对我国油田开发后期稳产起到了重要的作用，这种技术在油田
19、已开始应用且具有广阔的发展前景。1.2原油电脱水原油中的水主要以“油包水”型乳化液的形式存在，因而，多年来人们对原油脱水的研究，主要是针对破坏“油包水”型乳化液这个问题进行的，主要的研究方法包括沉降法，过滤法，离心分离法，化学破乳法，磁处理法，微波辐射法，生物法，超生破乳法和电破乳法。1. 沉降法沉降法原油脱水是根据油水密度的差异将油水进行分离的一种物理方法 4。此法多用于原油罐区，将采出的高含水原油放入罐中静置，原油乳状液中的水依靠重力沉降下来，达到油水分离。沉降法的设备简单、操作容易，可以有效脱出原油中大部分的悬浮水。但耗时长、效率低，无法满足粘度大、油水密度差小、含水率低和脱水速度要求高
20、的原油脱水。2. 过滤法过滤法首先要选择一种良好的固体吸附剂作为过滤材料，并制成破乳过滤柱。其工艺流程是：将进厂原油加入适量的水和破乳剂后混匀，然后使 W/O 型的乳化原油进入过滤柱，加压使乳化液通过滤料层，在过滤材料吸附力的作用下，乳化原油经过碰撞、润湿、过滤等物理过程之后，由于固体吸附剂对乳化原油中油和水的吸附具有选择性，W/O 型乳化液中的水、盐类被吸附，乳化液油水界面的保护膜被破坏。但该技术首先要选择一种良好的固体吸附剂作为过滤材料，实际应用中所表现出的问题是过滤材料容易被堵塞、处理量小、反冲洗过程容易污染环境，所以该方法并没有得到普遍应用。3. 离心分离法离心分离法是利用水和油的密度
21、不同，在离心力的作用下，促进排液过程而使乳状液破坏 5,6，从而将油与水分开的方法。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，因此可以较为彻底的将油和水分离，并且只需很短的停留时间和较小的设备体积。在离心破乳的过程中，对乳状液加热可以加快破乳。离心场强越强，破乳效果越哈尔滨理工大学学士学位论文-3-好。由于离心设备有运动部件，因而日常维护较难。4. 化学破乳法化学破乳法是通过破乳剂破坏原油乳化液的稳定性，使油水分离。破乳剂的破乳效果与乳化液的油水界面张力密切相关，破乳剂降低界面张力能力越强，破乳效果越好。目前，化学法处理原油乳化液应用最广泛，这种方法的优点是方便简单、
22、快速、高效、可低温作业。缺点是破乳剂的针对性过强，而目前尚未找到广谱型的破乳剂 7-10。5. 磁处理法磁处理法是对原油乳状液和破乳剂进行磁处理，然后再进行脱盐脱水的方法。根据试验，原油乳状液、破乳剂等，经磁处理后其性质都会发生不同程度的变化，主要表现为原油油层水的表面张力减小，原油及其乳状液的粘度下降，破乳剂部分分子团被拆散，提高了其破乳功效。6. 微波辐射法微波辐射法原油脱盐脱水是利用微波辐射来破乳的一种技术 11。微波破乳时，形成高频变化的电磁场，使极性分子高速旋转，破坏油水界面膜的zeta电位；当水 (油)分子失去zeta电位的作用后，自由的上下运动，碰撞聚结，使得油水分离。同时，由于
23、水分子吸收微波的能力比界面膜的油分子吸收能力强，则内相水滴吸收更多的能量而膨胀，使界面膜受内压变薄。另一方面，界面膜中的油由于受热而溶解度增高，使得界面膜的机械强度变低而更容易破裂。除此之外，微波形成的磁场还使非极性的油分子磁化，形成与油分子轴线成一定角度的涡旋电场，该电场能减弱分子间的引力，降低油的粘度，从而增大油水的密度差。7. 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的一种方法。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，
24、对原油乳状液是良好的破乳剂 12。8. 超声破乳法超声破乳法是将声波能量辐射到加入了少量破乳剂的原油乳状液中，使之产生一系列超声效应，如搅拌、聚结、空化、温热、负压等，从而达到破坏油水相界面膜的目的，起到破乳脱盐脱水的作用。由于超声波在油和水中均具有较好的传导性，故这种方法适用于各种类型的乳状液。对于三次采油采出的水包油型乳化原油、污水回收油、老化油等，由于其化学成分及乳状结构的复杂性，难以用常规方法破乳脱盐脱水，声化学法可用于上述油类的脱盐脱水，且具有较好的效果 13,14。哈尔滨理工大学学士学位论文-4-9. 电破乳法电破乳法是指在原油乳状液中施加高强电场，在电场力的作用下水滴相互碰撞、聚
25、结、沉降，从原油中分离出来 15。以上各种方法在国内外有的已经得到广泛应用，有的尚处于研究阶段。这些方法均有其独特的优越性，但也都存在着各自的缺点。目前在油田生产现场用的最多的仍然是化学破乳和电破乳相结合的脱水方式。1.2.1 原油电脱水机理在原油脱水过程中，电脱水被大规模地采用始于上世纪初，其机理是将原油乳状液置于高压直流或交流电场中，由于电场对水滴的作用，使水滴发生变形和产生静电力。水滴变形可削弱乳化膜的机械强度，静电力可使水滴的运动速度增大，动能增加，促进水滴互相碰撞，而碰撞时其动能和静电力位能便能够克服乳化膜的障碍而彼此合并成粒径较大的水滴，在原油中沉降分离出来。这种破乳、合并的过程通
26、常称为聚结，聚结与沉降分离构成了原油脱水的过程。根据供电电压波形的不同，可将电脱水分为直流电场脱水、交流电场脱水、交-直流电场脱水和高频脉冲电场脱水。其中，直流电场脱水效率高但易引起电解腐蚀，因此用于炼油厂电导率较低的原油脱水；交流电场由于不产生电解，可用于处理高含水原油；而交-直流电场则兼具二者的优点，在炼油厂应用很广泛；脉冲电场能较好的建立起稳定脱水电场而被用来处理含水量相对高的原油。原油乳状液中的水滴在电场中聚结主要有三种方式，即电泳聚结、偶极聚结和振荡聚结 16。1. 电泳聚结。根据异性电荷相吸引的原理，在直流电场中，水滴移向与其本身电荷电性相反的电极，此现象称为“电泳” 。由于原油中
27、各种粒径水滴的界面上都带有同性电荷，故原油乳状液中全部水滴，将以相同的方向运动。在“电泳”过程中，水滴受原油的阻力产生拉长变形，并使界面膜机械强度削弱，同时因水滴大小不等、所带的电量不同和运动时所受阻力各异，故各水滴在电场中运动速度不同，水滴发生碰撞，使削弱的界面膜破裂，水滴合并增大，从原油中沉降分离出来。未发生碰撞合并或碰撞合并后还不足以沉降的水滴将运动至与水滴极性相反的电极区附近。由于水滴在电极区附近密集，增加了水滴碰撞合并的机率，使原油中大量小水滴主要在电极区附近析出。电泳过程中水滴的碰撞、合并称为电泳聚结。2. 偶极聚结。在高压直流或交流电场中，原油乳状液中的水滴受电场力的极化和静电感应作用，使水滴两端带上不同极性的电荷，即形成诱导偶极。因为水滴两端同时受正负电极的吸引，在水滴上作用的合力为零，
