（流体力学专业论文）高频脉冲离心场作用下乳状液聚结沉降规律的研究.pdf

摘要 通过在高频脉冲一离心场作用下油水乳状液的室内静态试验，得到了影响油水乳状 液分离效率的主要电参数和脱水装置的流动参数并对其进行了优化；应用优化后的参数 进行现场模拟试验，并与高频脉冲电场及常规电场作用进行现场模拟脱水率的对比试 验，结果可得到在高频脉冲一离心场作用下脱水率在峰值频率和中脉宽情况下能够更好 的适应现场的需要。通过比较，得到高频脉冲一离心场脱水技术能够更高效的、更快的： 更节能的完成脱水过程并且更加适应现场施工的需要；为了寻求高频脉冲一离心场作用 下乳状液的聚结和沉降规律，进一步研究其脱水机理，本文应用计算流体力学当中的 f l u e n t 软件对液相流离心场的流动物理参数进行了模拟计算，通过计算模拟不仅能够直 观地深入了解油水在流场中的运动规律，而且对于进一步优化脱水装置的结构具有重要 的理论指导意义。 关键词：脉冲电场，离心场，聚结，沉降，多相流数值模拟 s t u d yo ft h er u l e o fe m u l s i o n sc o n c e n t r a “o na n ds e d i m e n t a t i o nu n d e r t h ec o m b i n a t i o no fh i g hf r e q u e n c y p u l s ee l e c t r i ca n dc e n t r i f u g a lf i e l d s s u i ll i j i a i l g ( f l u i dd y n 锄i c s ) d i r e c t e db yp r o n i l i n g ) ，i n ga 1 1 dz h a n g j i a i ls e i l i o re n g i n e e r a b s t r a c t b yt h r o u g h o i l w a t e re m u l s i o n ss t a t i c e x p e r i m e n tu n d e rc o m b i n a t i o n o fh i g h 丘e q u e n c y - p u l s ee l e c t r i ca 1 1 dc e n t r i 如g a lf i e l d s ，m a i ne l e c t r i ca i l dn o wo fe x p e r i m e n td e v i c e f a c t o r sm a ta a 、e c to i l w a t e re m u l s i o n s e p a r a t i o ne 伍c i e n c ya r ec o n c l u d e da i l dt h e na p p l y i n g o p t i m i z e df a c t o r s ，p a i r c o m p a r i s o ne x p e r i m e n tt 0s i n g l ep u l s ee l e c t r i cf i e l dh a sb e e nd o n e w 宅c o n c l u d et h a to i l w a t e re m u l s i o n s e p a r a t i o ne 伍c i e n c yi sh i 曲e ra n df a s t e rt oc o n l p l e t e t h ep r o c e s so fs e p 娥m o nu n d e rt l l ec o m b i n a t i o no fh i 曲船q u e n c y - p u l s ee l e c t r i ca n d c e n t r i 如g a lf i e l d s ，bo r d e rt os e e kf o r 虹l en l l eo fe m u l s i o n sc o n c e n t r a t i o na n d s e d i m e n t a t i o n a n d 如n h e rt or e s e a r c hs e p a r a t i o nm e c h 撕s m ，位o r i g i n a la p p l i e sf l u e n t ，f l u i dd y n 锄i c s s o 凡a r e ，t 0c o n d u c tm a t h e m 撕cs i m u l a t i o n a r e rt h a t ，n o to n l yt h er u l e so fo i la n dw a t e r d r o p l e tm o v e m e n ta r ec o n c l u d e d ，b u ti th a u ss o m e t h i n gt od ow i t hm et h e o 巧c o n d u c t i o no f d e v i c eo p t i m i z a 矗o n 。 k e yw o r d s ：p u l s ee l e c t r i cf i e l d ，c e n t r i 向g a lf i e l d ，c o n c e n t r a t i o n ，s e d i m e n t a t i o n ， m u l t i p h a s en o w n u m e r i c a ls i n m l a t i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：歪鱼羔选日期：加诉占月易日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 弼互址 指导教师签名：& 垒丝oi 。 日期：碱年乡月哆日 日期：砌降乡月哆日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 油水分离概述。 第一章前言弟一早刖甬 在油田地面处理工艺当中，油水分离是对油田采出液进行处理的一个必经过程。油 田采出液当中含有大量的水，特别是在强化开采过程中使用注水技术来提高采收率的油 田，其油田采出液见水早，无水采油期短，含水率增长特别快，随着油井开采时间的延长， 含水率逐渐升高。到了采油中后期，应用注水技术开发的油田的含水率可高达8 0 以上， 有些油田甚至达到9 0 以上。在含水率达到3 0 以上时，油田开采初期形成的油包水型 乳状液，就会出现游离水，而游离水大多数都是以水包油型乳状液的形式存在【l 】。 从地下开采出来的原油中含有大量的水，并且大部分原油由于水的存在而呈乳化状 态。水的存在使原油的物理性质发生了变化，这给原油的矿场集输和炼制带来了很多问 题。主要是吐 ( 1 ) 油田采出液当中的水增大了采出液的体积流量，降低了原油处理设备和集输管 路的有效利用率； ( 2 ) 由于油田采出液的油水混合物密度的增加和采出液输出量增加，而且污水以微 粒水珠的形式存在于原油当中而形成乳状液，粘度较纯原油有明显增大，这使得输油离 心泵工作性能变坏，泵效降低，输送过程中的动力消耗也增大； ( 3 ) 增加了升温过程中的燃料消耗。原油集输过程中，为了满足工艺要求，常常需 要对原油进行加热和升温。由于原油含水后输液量增加，而且水的比热是原油的2 倍， 故在含水原油升温过程中原料的能源消耗也将随原油含水量的增加而急剧增大，其中相 当一部分热能自白的消耗于水的加热和升温作用上，造成燃料的极大浪费； ( 4 ) 引起金属管路和设备的结垢与腐蚀。当含水原油中碳酸赫含量较高时，会在管 路、设备和加热炉的内壁上形成盐垢，减小了管路流道面积，降低了加热炉的热效率。 结垢严重时甚至能堵塞加热炉和受热炉的流道，造成加热炉爆炸：当地层中含有氯化镁、 氯化钙、氯化锶、氯化钡时，会因水解释放出对金属腐蚀性很强的氯化氢气体。而原油 中所含的硫化物受热分解，会产生硫化氢，遇到水时硫化氢与铁反应生成硫化亚铁也会 使设备和管路受到强烈的腐蚀； ( 5 ) 影响炼制工作的正常进行。在炼油厂的常压蒸馏过程中，原油要被加热到3 5 0 左右。因为水的分子量只有1 8 ，而原油常压蒸馏时气化部分的平均分子量为2 0 0 2 5 0 ， 第一章前言 单位质量的水气化后的体积比同质量原油气化后形成的体积大十多倍。这样，原油含水 不仅会加大塔内气体的线速度，影响原油处理量，严重时还会出现冲塔现象，直接影响 到蒸馏产品的质量。若原油含水不均匀，还将引起塔内压力的突然升高，甚至造成超压 爆炸事故。 在油田开发过程中，水几乎成为原油“永远的伴生者”，水的危害又是如此之大， 所以原油脱水就成为油田生产过程中一个不可缺少的环节。多年来，国内外对原油脱水 极为重视，人们经过不懈的努力，已经成功地研究出多种新型的原油脱水方法，例如电 场研磨法联合脱水【3 】、磁场化学法联合脱水【4 】、化学与超声波联合脱水5 1 、电一磁聚结脱 水【6 1 、高频脉冲电脱水阶【1 0 】、波纹板聚油脱水f l l 】【1 4 】等多种脱水方法，满足了各类油田 的脱水需求。与此同时，新的理论也不断地被提出，因此，原油脱水是一个与时俱进的 研究课题。 由于油田情况千差万别，开采方式多种多样，原油含水也在不断地变化，这就使油 水分离的难易程度相差很悬殊。在通常情况下，重质原油的脱水难度远大于轻质原油和 中质原油；特重原油的脱水难度就更大。但无论在何种情况下，原油脱水技术都应满足 油田原油长期生产的需求。在原油生产中，一般分为三级脱水【1 5 】。第一级为机械方法脱 水，经过一级脱水，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，使用二 级脱水，进一步来脱除油田采出液当中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3 0 以内，这时需要第三级脱水，即电脱水。应用第三级 脱水，将剩余的乳化水降低到最小程度。对于自喷井，特别是自喷压力较大的油井，以 及多级电动潜油离心泵开采出的原油，由于原油与水经受长期地或激烈地搅拌，乳化分 散程度增大，其脱水难度较机械抽油和水力活塞泵采出的原油要大得多。随着油田开发 时间的增长，油井产物的含水、气油比、原油物性等也会发生变化。油田的这一生产特 点，要求油气集输和处理系统的工程设施也随之做出调整，在调整时，必须考虑以地面 设施少量的变动去适应油田开发不同时期、不同阶段的要求。例如在低含水采油期，对 于处理量适合的油水分离设备，到了高含水期就会不适应生产的需要。因此，采用新技 术来满足油田这一现实状况，来提高设备的工作效率以适应这一变化，则可取得良好的 经济效益。 为了服务于油田开发，满足油田地面工程建设的需要，就必须精心地探索油水分离 最有效、最经济的工艺方法，并将其成功地用于生产实际，这也是目前急需解决的主要 ： 问题，油水分离的研究日益成为油田科研工作的重要课题。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 2 油田脱水的现状 油田上净化脱水的方法很多，目前油田矿场和炼厂对原油乳状液进行净化脱水处理 的最佳方法就是静电脱水【1 6 】。【2 0 】。交流【2 l 】。【2 4 1 、直流【2 5 】【2 8 】、交一直流复合【2 9 】电脱水器在 油田、炼厂广泛应用。但是随着原油开采进入中后期，油田注水量曰益增加，同时油田 采出液的含水率也逐渐上升。胶质、沥青质的含量增高，使得油田采出液的粘度进一步 增大，尤其是提高老油田采收率的三采技术。在应用该技术时，使用了大量的聚合物、 表面活性剂，特别是碱的加入，使油水乳状液的界面膜厚度增大，稳定性增强，乳化程 度进一步增大。在高压交流、直流电场中，当原油含水量超过3 0 ，由于电场的极化作 用，乳状液中的小水珠形成液珠链，水珠在电场中成链长度与存留时问较长并且水珠呈 链数量较多，结果加剧了电能泄漏，在两电极间有很大的导通电流【3 1 】- 【3 2 1 。不但无法建 立稳定的破乳电场，而且造成了很大的能耗，这给净化脱水带来了很多困难。因此，目 前传统的电破乳方法很难满足油田上生产的需要。 1 3 高频脉冲电场和离心场联合破乳的研究 高频脉冲电场破乳技术不但能够建立高压稳定破乳电场，而且对高粘度原油的净化 脱水也有很好的效果，解决了原油高含水发展期产生的问题；同时降低了破乳剂的使用 量和能耗【3 引。高频脉冲电场破乳技术解决了电极间高压短路电流的问题，不易发生由于 电击穿而形成的更小粒径的液珠分散的现象；该技术对于陆上油田和海上油f f l 结构化和 设备小型化皆有很大的优势。在维持相同破乳率的前提下，与传统的直流、交流电破乳 相比，该技术更加节省电能1 3 4 1 。然而，高压脉冲电场破乳技术只是单一的从增加聚结过 程来提高破效果，进而提高破乳率。在整个破乳脱水过程中的沉降这一环节仍然是依靠 传统的重力场作用下的自然沉降而分离，聚结后的中小粒径的水滴沉降速度慢，分离效 果一直以来都不理想，结果影响了整体的破乳效率。在实际净化脱水的操作中，如果能 够采用新工艺把聚结后的水滴的沉降速度进一步加快，同时又不影响聚结后水滴的聚结 效果，这将大大增加油田乳状液破乳的效率。 高频脉冲电场破乳技术通过把高频脉冲输出时间远大于短路电流形成时间并且把 高频脉冲输出的间隔时间小于短路形成的消失时间，不但可以避免电能的泄漏，达到了 节省能耗的目的，同时在高压电场作用下也高效地完成了小水滴的聚结过程，从而提高 脱水效率，实现了连续脱水。高频脉冲电聚结过程相对于沉降过程是一个极短的过程， 3 第一章前言 脱水速度是由沉降过程来决定的，高频脉冲电场能够很好地完成聚结过程，来促进沉降 过程的速度。但是，如果能够单一地把沉降过程的速度提高并且和聚结过程很好的结合 起来，从整体上来提高脱水速度，结果将能够节省大量的能耗和脱水时间。因此，如何 e 提高沉降分离的速度和分离效率便成为接下来研究的主要课题。由于高速离心场可以代 替传统的重力场而大大加快水滴沉降速度，有人提出采用静电场和离心场联合破乳的方 法，但破乳率没有很明显的提高【3 5 】。【3 7 】。因为在整个破乳过程中，破乳时间很短，小水 滴在低电压作用下还没来得及完成聚结过程变成大水滴就进入了离心场分离阶段，而高 电压又会造成极间短路电流，因此，效果不是很好。与传统的静电场相比较，高频脉冲 电场能够在高电压作用下和短时间内更大程度地提高小水滴的聚结效果，因此，采用高 频脉冲电场和离心场联合破乳应该是一个行之有效的办法【3 8 1 。这对于开发研制新型的高 效、快速、节能的破乳状装置，从而来满足油田上开发生产的现实需求具有重要的意义。 水力旋流器是目前应用很好的液一液分离设备，用旋流离心场取代重力场，在分离 过程中，液体两相由于离心加速度的不同而产生分离。具有体积小、重量轻、操作维修 简单、流量适应范围宽等优点，大多数被应用于海上采油平台的污水处理【3 9 】- 【4 2 1 。旋流 分离器通过对不同密度液体的旋流作用，把两种液体分开，结构非常简单。因此，由水 力旋流器的分离机理和结构，我们自制室内实验所需大小的分离装置，然后再将高频脉 冲电场结合起来破乳。，一般电场的电极有两种，一种是裸露电极，一种是绝缘电极，为 了更好的达到乳状液小水滴的聚结效果，试验采用高电压下的裸露电极。通过室内实验 的研究，找到影响破乳效率的因素，把影响破乳效率的参数调节到最佳状态，在通过实 验与单一脉冲电场作用下的破乳率相对比，便可得到该技术的优点与特性。高频脉冲电 场能够在短时间内完成乳状液小水滴的聚结过程，而旋流器又能够在短时间内很好地完 成沉降分离过程，将两种技术结合起来进行破乳从整体上来提高乳状液破乳效率应该是 一个很好的方法，该技术对于满足油田生产上的需要具有很大的开发价值。 1 4 研究的主要内容 本文以白油模拟液为研究对象，主要进行了以下几个方面的研究： ( 1 ) 使用自制的实验装置，进行室内静态试验。通过脱水率的室内试验，研究在 高频脉冲一离心场作用下电场的电参数即电压、频率、脉宽( 占空比) 和影响离心场 分离效率的入口参数及破乳条件参数( 油水比、温度) 对脱水率的影响规律，对影响 脱水率的参数进行分析，对参数进行优化； 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 2 ) 将高频脉冲一离心场破乳技术应用到现场模拟试验并与高频脉冲电场及常规 的电场破乳技术进行破乳率的对比试验。通过试验得到适应现场施工的最佳破乳参数 和加入离心场后的脱水效果，为高频脉冲一离心场破乳技术的工业化应用和脱水规律 的进一步研究奠定良好的基础。 ( 3 ) 应用流体力学f l u e m 计算模拟软件，对旋流场内的油水乳状液的单相流场和 两相流场的运动物理参数进行模拟计算，研究在离心场作用下乳状液液态流场中油水 两相的运动规律，研究高频脉冲一离心场作用下油水乳状液的分离机理。 5 第二章乳状液及电脱水的基本理论 第二章乳状液及电脱水的基本理论 2 1 乳状液概述 2 1 1 乳状液的定义【4 3 】 乳状液是一种或几种液体以液珠的形式均匀地分散于另一种不相混溶的液体中而 构成的具有相当稳定性的多相分散体系。人们称乳状液中以液珠状态存在的相为“分散 相”或“非连续相”或“内相”；而另一相则被称为“分散介质”或“连续相”或“外相”。常见 的乳状液一般有一相是水或水溶液，通常被称为水相；另一相是与水不相溶的有机相， 通常被称为油相。根据分散相的性质，乳状液分为两类：外相为水，内相为油的乳状液 被称为水包油乳状液，以o w 表示；反之，内相为水，外相为油的乳状液被称为油包水 乳状液，以w o 表示。 2 1 2 原油乳状液的形成【4 q - 【4 6 】 两种不相溶的纯液体不能形成稳定的乳状液，必需有起到稳定性作用的第三组分存 在，如表面活性剂等乳化剂。油和水被激烈搅拌后，其中一种液体形成极微小的微粒分 散与另一种液体中，便形成了乳状液。但其经过搅拌停止后，内相颗粒在周围液体分子 热运动的撞击下发生不断的改变方向的无秩序运动，即布朗运动。布朗运动使内相颗粒 相互碰撞、合并，然后很快就油水分层了。但是所得乳状液的稳定性很差。如果向油水 系统中加入第三种物质并且经过搅拌后能得到稳定的乳状液，则这种使乳状液稳定的物 质为乳化剂。乳化剂一般为表面活性剂，其作用主要是：降低分散相物质系统的界面张 力，在其微液珠的表面上形成薄膜或双电层等，来阻止这些微液珠相互凝结，进而来增 大乳状液的稳定性。表面活性物质的分子结构由极性部分( 亲水基) 和非极性部分( 憎 水基) 两部分组成。它在两界面上以极性部分溶于极性溶剂( 如水、乙醇) ，非极性部 分溶于非极性溶剂( 如油) 的形式存在并形成定向排列，使表面上不饱和力场得到某种 程度上的平衡，从而降低了表面张力或界面张力。而且，由于表面活性物质的非极性部 分在液珠表面上构成了比较牢固的薄膜，因此，其具有一定的机械强度，保护了乳状液。 在油阳中，两种不相混溶的液体是地层水与原油。在地层水与原油流经孔喉和阀门 时，两种流体产生长期的扰动或湍流，导致一种流体完全分散于另一种流体中。原油乳 状液是十分复杂的分散体系，以油包水型乳状液为主。原油中含水并含有某些天然乳化 剂，主要有沥青质、胶质、环烷酸、脂肪酸、氮和硫的有机物、石蜡、粘土、砂粒等。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 它们中的多数具有亲油憎水性质，常吸附在乳状液的油水界面形成牢固的界面膜，因而 生成稳定的w o 型乳状液。当原油、地层水和伴生气自地层向油井底流动时，随着压力 的降低，溶解在原油中的伴生气不断析出，气体体积膨胀，使油水产生搅动。到达地面 后，因油嘴孔径小，压降大，流速迅增，并伴有温度的降低，使油水充分混合。在油水 产出物经阀门和离心泵时，由于节流和剧烈的搅拌作用，也会使油水充分混合，从而形 成较为稳定的乳状液。另外，随着三次采油技术的实施，采油过程中添加及生成的某些 表面活性剂也能吸附于油水界面上，促使原油乳状液稳定，稳定乳状液的形成增加了油 水分离的难度。 2 1 3 原油乳状液的主要性质4 7 】- 【4 9 】 原油的产地、开采方式、温度、压力、水相性质( 盐度、p h 值) 等因素使原油乳状 液性质千变万化。一般情况下，乳状液的类型及内相液珠的大小和数量是决定乳状液物 理性质的主要因素。 ( 1 ) 乳状液的分散度 乳状液的分散度是指乳状液的分散相在连续相中的分散程度。用分散相颗粒直径 ( 直径不等时用平均直径) 的倒数表示。此外，也可直接用分散相的平均直径乘以颗粒 总表面积与总体积之比值，即比表面积来表示。 ( 2 ) 乳状液外观及光学性质 乳状液的外观一般呈乳白色不透明状。这种外观与分散相液珠大小有密切关系。通 常乳状液的分散相和分散介质的折光率不同。因为分散相液珠大小不同，光线在液珠表 面上会发生反射、折射、散射等现象。一般乳状液分散相液珠直径范围为o 1 “m 1 0 “m ； 可见光的波长范围为o 4 肛m 0 8 m 。如果液珠的直径大于入射光的波长时，主要发生反 射( 也可能有部分折射和吸收) ，此时乳状液呈乳白色；如果液珠直径( 0 1 “m 以下) 远小于入射光的波长时，光线完全透过液体，乳状液成透明状，即形成微乳状液；如果 液珠直径略小于入射光的波长，则发生反射现象，体系呈半透明状。 ( 3 ) 原油乳状液的粘度 乳状液的粘度是与实际应用密切相关的一个重要物理性质。影响乳状液的粘度的因 素很多：连续相、分散相、乳化剂及或其它添加剂皆对乳状液的粘度有影响。影响乳状 液粘度最主要的因素是外相粘度。当外相已确定时，分散相的浓度起重要作用，因而乳 状液的粘度公式皆与外相粘度及分散相浓度有关。 7 第二章乳状液及电脱水的基奉理论 2 1 4 原油乳状液的稳定性【5 0 】 原油乳状液的稳定性是指在一定时间内乳状液不被破坏，抗油水分层能力。乳状液 是高度分散体系，原油中的油和水两相之间存在着较大的界面能。依据热力学知识可知， 体系自发进行的过程是一定条件下能量趋于减少的过程。由于分散相聚结，减少表面能 的过程是自发过程，因而，原油乳状液是不稳定性体系。常见乳状液的稳定机理有双电 层稳定机理、界面张力稳定机理、界面膜稳定机理和空间稳定机理。 2 2 原油乳状液的分离方法 油田的含水原油主要以油包水型乳状液的状态存在，这种乳状液所具有的稳定性严 重地影响着原油和水的分离。乳状液的形成与破坏基本上覆盖了乳状液科学与技术领 域。关于油水分离机理、工艺、技术的研究，一直是基于破坏“油包水”型乳状液这一关 键问题而进行的。因此，乳状液的破坏是乳状液科学与技术中的一个极其重要的方面。 目前油水分离方法主要有：加热破乳【5 i 】、重力沉降分离脱水f 5 2 】、离心分离脱水【5 3 】、化 学破乳剂破乳脱水【5 4 】、电破乳脱水【5 5 】、润湿聚结破乳脱水【5 6 】、旋流分离技术吲以及上 述脱水工艺的综合应用，以达到最大的脱水效率。 2 3 电脱水概述 在原油破乳脱水过程中，电破乳脱水被大规模地采用是始于上世纪初。当时，对电 破乳脱水过程的机理不清楚，一位电除尘专家仿照电除尘的方法进行了研究。这项技术 产生不久后，就出现了有关电破乳机理研究的文章。其破乳机理在近几十年内取得了较 大的进展。根据施加电场的特性，主要有交流电( a c ) 、直流电( d c ) 、脉冲直流电( p u l s e d d c ) 三种类型。a c 电场破乳应用到油田和炼厂是最早、最普遍的；d c 电场往往用来处 理低含水原油，而且净化油品质好；p u l s e dd c 电场中电极加绝缘层被用来处理含水量 相对高的原油【5 8 】。目前电场作用下液滴聚结类型主要有电泳聚结、偶极聚结和振荡聚结 三种【5 9 】，电场破乳机理分析有：原油乳状液中的液滴在外加电场作用下发生极化，形成 电偶极子。极化液滴在电场作用下，按电场线的分布状态排列成列，偶极子的异号电荷 相吸引，产生聚集力。在聚集力和外电场作用下，微小液滴彼此靠近，并被拉长成椭球 形，同时伸向油水界面物质。当聚集力足够使液滴从乳化颗粒中挤出时，微小液滴聚结 为较大液滴。由于油水密度差作用，液滴在油水中沉降分离6 0 1 。在三元复合驱采出液中， 表面活性剂及碱与地层原油中的有机酸作用产生的新的表面活性剂，使油水界面张力降 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 低。油水两相中w o 、o w 、o 、w o 、w o w 型乳状液共存，乳化状态复杂；碱还使采 出液p h 值增高：聚合物使采出液的粘度增大，同时，原油的导电率增大，这使原油乳化 更严重，同时，也加重了油田和炼厂原油脱水处理的难度。传统的高压交流、直流电 脱水时，由于原油乳状液含水高而及易在两电极间产生导通电流而无法建立稳定的脱水 电场，不能满足脱水要求。高压脉冲电破乳不但能解决了原油高含水的问题，而且降低 破乳剂的使用量和能耗；脉冲电场通过调节脉冲频率和占空比( 脉冲输出时间与脉冲周 期之比) ，不会发生电极间的短路现象，在维持同等破乳脱水效率、效果的前提下，较 之传统的电破乳更节省电能【6 。 2 。4 高频脉冲电场和离，b 场联合脱水技术 我国大部分油区已进入中、高含水开采阶段，特别是东部油田大部分含水高达8 0 以上，有的甚至达到9 0 以上。为了增油降水，各种采油新技术被研究开发，如酸化压 裂6 2 1 、堵水调剖【6 3 1 、三次采油【6 4 】、微生物驱油【6 5 】等。三次采油技术已成为各油田稳产 上产的主要手段之一，特别是三次采油新技术的开发应用，大幅度提高了原油采收率。 试验证明，“三采”采出液化学破乳脱水困难；该乳状液进入常规电脱水器，造成电 极间短路，无法达到脱水所需的电场强度，使脱水器无法维持生产，严重影响了外输原 油的质量。另外，油水分离后的采出水净化处理也十分困难，影响这些水的利用或外排。 高频脉冲电场和离心场联合破乳解决了在高频脉冲电场处理原油高含水的问题，即 降低破乳剂的使用量和能耗：脉冲电场通过控制脉冲频率和占空比( 脉冲输出时间与脉 冲周期之比) ，不会发生电极间的短路现象，也不易发生电场使液珠击穿形成更小粒径 液珠而分散的现象，而且解决了高频脉冲电场破乳不足之处，即在短时间内完成沉降分 离的过程。因此，高频脉冲电场和离心场联合破乳技术在维持同等破乳脱水效率、效果 的前提下，较之传统的电破乳不仅节省电能、而且破乳时间短、效率高。 2 5 高频脉冲电场和离心场联合脱水的研究现状和发展趋势 电场和离心场联合破乳技术是将电场和离心场结合起来的一项新型的技术。国内外 研究的甚少。大多数学者只是停留在尝试的阶段，把重点放在了破乳效率和破乳装置的 制造上，但结果并不理想。同时也忽略了对电场和离心场联合破乳机理的研究。高频脉 冲电场，在整个破乳过程中，对于聚结过程是否起到决定性的作用；离心场的作用则又 在整个破乳过程中，对于沉降过程是否也起到了决定性的作用；二者存在着什么关系等 9 第二章乳状液及电脱水的基奉理论 都是有待研究的课题。因此，对于该技术的研究具有很长远的意义。 2 5 1 国外研究现状【6 6 】1 7 3 】 从八十年代开始，b a i l e 和l a k a i 在有关w o 型乳状液在脉冲电场作用下破乳机理的 研究就一直未间断过，他们讨论了直流脉冲电场中乳状液的破乳问题，提出了液滴对外 电场的响应是受电介质的松弛( 或弛豫) 过程控制的。b a i l e s 把油包水型乳状液体系看 成是复合电介质，介电松弛时间决定乳状液和绝缘电极的极化、松弛时间，它是两者介 电松弛时间的平均效应。在外加电场作用下，液滴被极化，液滴与液滴间产生吸引力或 排斥力，这加重了液滴间的运动，导致了随机碰撞而聚结。在低频率时，即使脉冲作用 时间较长，有足够的时间去极化，但是电场自身的变化不够快，液滴的极化率也是比较 缓慢的。液滴较之最佳频率时极化不完全，因而碰撞次数少而慢，液滴聚结差，破乳效 果不好：高频率时，电场变化太快，电介质没有足够长的时间极化，液滴不能达到完全 极化状态，相应地液滴碰撞次数少而慢，液滴聚结差，破乳效果也不好。最佳频率时， 液滴在电场峰值时被完全极化，液滴间的力最大，有最大数量的碰撞，聚结显著。由于 原油乳状液中的含水量影响分散相中液滴的大小和数量，这势必影响一定频率电场作用 下液滴的极化电荷量，液滴的碰撞率和聚结率。低含水率时，较高的电场强度，但是液 滴少而小，影响碰撞，聚结不佳；高含水率时，随着施加电压的增加，液滴聚结效率趋 于稳定，平均电流与峰值电场强度之比几乎是常数，这势必将存在电场强度、液滴大小、 液滴数量及最大聚结率、最小电能消耗的平均点。随着研究的深入，他又提出一些观点： l 、随着电压的增大聚结增强。2 、聚结存在最佳频率。3 、在同等条件下，脉冲输出时 间与断开时间相等时，聚结最佳。 1 9 6 5 年，w r a t e n n a n 发表综述性的文章，指出促进油水分离的作用是因粒子与粒子之 间由感应而产生的作用力，或者是由单向电场与具有净电荷的粒子之间相互作用力作用 的结果。一般认为，这两种作用力分别对应交流破乳和直流破乳。他的碰撞机理的核心 是关于作用力的性质以及由这些粒子导致的各种类型的碰撞。在另一篇文章中，他与他 的合作者指出：所施加的电场和极化了的、变了形的粒子作用的结果是首先产生复杂的 畸形、场强及方向都不同的粒子与粒子间的场。在这个场及非平衡电荷分布导致的相互 作用下，发生激烈的碰撞。也可以说，碰撞过程是粒子间存在它们自己的场的结果。这 个场使电荷集中、粒子被拉长成橄榄球状，通过在粒子两端拉伸界面材料促进水水( 指 处于相邻两个液珠内的同一分散相水溶液) 接触。当施加的电场吸引力大到足以挤掉界 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 面材料，使水水体系的分子间力发挥效力的时候，由于溶液表面自由能趋于最小值的 结果，这些粒子就聚合为大粒子。w 缸e 瑚a j l 的研究很细致，但主要针对裸电极而言，很 少考虑乳状液自身的性质对电极破乳的影响是其一大缺陷。 s e t a y l o r 的诱导电荷内部电场理论。他不太认同b a i l e s 的复合界面松弛理论，他忽 略乳状液的介电特性是因为他认为在真正的介电性物质中电导率是很重要的，特别对电 荷的分配来说。乳状液必须考虑连续相和分散相，在低频时，电导率至关重要；但高频 时，电导率的影响几乎微不足道。他观察在无电场的情况下，液滴聚结经过几步才能完 成。正如w - e a t h e r l e y 等指出：诱导电荷的分配率依赖分散相的松弛时间乃，而液珠电荷 的依存与连续相的松弛时间乙有极大的关系。他还认为施加电场导致液珠带了电，电场 诱导液珠与液珠相互作用而聚结。同时他提出了诱导电荷内部电场的概念，其公式为： 瓯= 3 训 ( 式2 - 1 ) 。2 。i ， f 背7 1 、 式中，毛连续相的介电常数； 岛液珠小球的介电常数； e 外加电场强度； 内部电场强度。 就“油包水”型乳状液而言，乞 & ，液珠内的电场强度较连续相的为低。水包油” 型乳状液正相反。当电场力超过分散相液珠的界面张力，作为极化的直接结果，液珠被 拉长成椭球形，长轴与短轴分别为x 、y ，近似表达式如下： 咏7 ；d 卜训。式2 - 2 ， 式中，岛真空介电常数 ，液珠未变形前初始半径； 矽与液珠和介质的电特性相关的复杂函数； 第二章乳状液及电脱水的基本理论 7 界面张力；其他参数同上。 上述方程适用于诱导电荷的情形，电场中除了诱导电荷外，还有直接带电电荷。特 别是在直流电场下，液珠能从电极上获得大量的同电性的电荷，也称之为接触电荷。 c h o r e 也证实导电液珠能得到比其起始状态大许多倍的电量。并且给出下列公式： 旷2 万5 蜀 ( 式2 - 3 ) 式中，c 与电极接触液珠的曲率半径，其他参数同上。 t a k e s h ik a t a o k s 的脉冲连续破乳优化研究。他和他的合作者针对脉冲连续破乳问题， 研究了破乳过程中的参数变化和其他影响因素。得出结论：1 、两电极完全充满乳状液， 电压愈高，破乳效果愈好，乳状液中的阳离子使破乳率下降。2 、水向超过电极下极板 后，水相充当电极，犹如电极上移一半，将有效电极问距缩小，但是，只要水和上极板 的距离与原乳状液间的两电极间距相等，破乳效果几乎无变化。3 、在一定电极间距下， 当油相包裹上电极，随着油相厚度增加，要达到相同的破乳率，破乳时间需延长。但是， 油相超过上电极一定距离才表现得较明显，电极间距扩大，也有这一趋势，对于破乳延 迟现象，他们解释是裸电极被油相包裹，可能变成绝缘电极之故。4 、考察了电极上开 孔率( 原孔面积与电极面积之比) 对破乳效果的影响，存在最佳开孔率。不同的电极间 具有相同的趋势，当开孔率很小时，观察到液滴链沿电场方向形成，再施加电压后阻碍 乳状液立即流动。 对于高频脉冲电场破乳的理论比较多也比较成熟，而对于电场和离心场结合起来进 ? 行破乳的研究虽在国外有过研究，但只是对破乳效率进行了研究，研究的还甚少英国 b r a n d f o r d 大学的p j b a i l e s 博士研究了利用静电场和离心场联合破乳的情况。研究表明， 联合破乳的效率比单独使用静电场和离心场破乳的效率要高。 2 5 2 国内研究现状 我国的许多学者及油田研究人员对高频脉冲电场与离心场联合作用脱水技术做了 些工作。具有代表性的理论有：清华大学核能技术设计院研究院的阎军、毛宗强、何 向明对搅动下的油包水型乳状液的经电分离过程进行理论分析【7 4 1 。从极化角度对外电场 促使水滴聚结的原因给预定量的解释，提出极化水滴“二分子”碰撞并聚结的假设，并阐 述了极化水滴聚结的动力学过程。他们采用静电场和离心力场联合脱水的新型脱水器对 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 乳状液进行了分离试验，分别研究了乳状液停留时间、含水量、电压以及油相黏度对破 乳率的影响，结果表明水滴“二分子”碰撞、聚结的假设较好的描述了水滴在电场下聚结 的动力学过程，破乳实验设备由于使用了高速的离心场替代传统的重力场，使得破乳效 果有明显的提高：浙江大学的沈江南、黄万抚7 5 1 研究了乳状液膜旋流静电综合力场连续 破乳技术：研究了乳状液旋流、脉冲高压静电综合力场对连续破乳的影响，考察了影响 乳状液破乳率主要因素，并对破乳机理进行了探讨。结果表明：乳状液在高压静电场中 产生旋流运动，从而使乳状液受到静电场的静电作用而极化，又受到旋流剪切力的作用， 在综合作用下实现了连续破乳。而且破乳器存在最佳的破乳电压和破乳效率，在油内比 为2 ：1 时，破乳效果较佳；北京科技大学的王文才等研究了液膜乳化液的离心一脉冲 电场连续破乳技术。在分析其破乳原理的基础上，设计制作了试验使用的电破乳器，研 究影响破乳的各种因素。结果表明，该技术能进行连续破乳，其破乳效果比单一脉冲电 场连续破乳效果要好；江汉石油学院的陈海燕和漆新引7 7 1 也对脉冲电场一离心场联合脱 水进行了研究，结果表明，在加破乳剂时，施加脉冲电对稠油脱水不如在离心条件下， 加破乳剂再施加脉冲电压时效果好，后者原油含水率可降至o 1 ，说明该技术效果作 用明显。 2 5 3 发展趋势 目前关于高频脉冲电场和离心场联合破乳技术的研究还没有，并且现有的关于电场 和离心场联合破乳机理的研究还不够深入，流场的流动比较复杂，具体的分离过程还不 清晰，观察到的现象也比较多，缺乏定量计算和解释。 以往有关静电场和离心场联合破乳机理的解释都集中在电场和离心场各自的作用 方面上，更强调的是分离效果，而分离效果的大小取决于旋流场并且在研究上突出破乳 率和破乳器的制造上，缺乏理论的解释和分析。这也为接下来的研究明确了方向：即旋 流场的研究。因此，在离心场分离机理的研究是非常重要的，将理论成果和实际需要结 合起来，真正解决工程技术问题，更是一个极其复杂的研究、实践过程。 1 3 第三章高频脉冲离心场脱水规律的实验研究 第三章高频脉冲一离心场脱水规律的实验研究 在高频脉冲离心场作用下，乳状液脱水的效果与脉冲电源的电压、频率、脉宽( 输 出脉冲时间) 、装置的进口流量、油水体积比和温度( 乳状液的粘度) 有关系。为了在 油田上获得更好的现场脱水效果，探求高频脉冲一离心场脱水机理( 即聚结、沉降规律) ， 必须对他们进行定性的研究和进一步的优化，以寻找出适应油田现场原油乳状液脱水的 最佳条件。因此，本章采用模拟液( 原油组成复杂，考虑的因素也比较多，试验很复杂， 考虑到各主要参数对模拟液和原油的影响规律是一样的，因此，采用实验室内的自制的 模拟液来进行试验，过程简单，而且效果明显) 为研究对象，初步考察脉冲电压、频率、 脉宽、旋流器进口流量及油水体积比和温度对脱水率的影响规律。 3 1 实验仪器及试剂 3 1 1 实验仪器 f 高频脉冲电源( 山东潍坊制造厂定制) ，k c b 3 3 3 型高温齿轮泵( 河北泊头市远东 高温齿轮油泵厂) ，示波器( 1 w a t s u0 s c t l l 0 s c o p e ) ，高频脉冲一离心场破乳装置( 东 营胜利总机械厂制造) ，h t i i 型自动混调器( 无锡市石油仪器设备厂) ，w n s 5 0 0 c 2 型 原油水自动快速水分测定仪( 菏泽电子控温技术研究所制) ，b r 0 0 k f i e l d 粘度计， 秒表，温度计，容量为1 0 0 0 m 1 、2 5 0 m l 、1 0 0 m 1 的量筒，容量为1 0 0 0 m l 的烧杯。 3 1 2 实验试剂 白油( 石蜡油) ，胜利自来水，司班s p a l l 8 0 ( 乳化剂) 3 2 实验装置及工作原理 高频脉冲电源的电压大小调节是通过自藕变压器调压手轮来控制的。在控制面板上 的两个电位器用来调节高频信号发生器输出的脉冲频率的高低和输出脉宽的大小。装置 图如图3 1 所示。 高频脉冲一离心场破乳装置是将高频脉冲电场和离心场有机结合的一种比较理想的 装置( 装置主视图尺寸如图3 2 ) 。破乳装置是由混合钢质材料加工后焊接而成，破乳装 置顶部钻有三个相互对称的小孔，用来安放三根裸露碳棒电极，三根电极相互对称分布， 以保证在内腔中形成分布均匀的电场( 装置俯视示意图如图3 3 所示) 。破乳装置的外 形结构和尺寸是根据固定式水利旋流器的外形结构和最优化的标准改造后加工而成。装 1 4 图3 1 高频脉冲电源实物图 f l g3 。lb i g l i f ”q “c c ya n dp u l s 。p o s e 图3 0 高频脉冲一离心蛹破乳装置( 单位：c m ) f 蟾3 2 t h ed e v j c e o 仆i g h 肌q u e n c y8 n dp uj s ce l e c i r i c - c e n t r i 如g a l n e l d s 置的实物圈如图3 - 4 所示。 离心场的实现是由装置的结构参数所决定的本试验装置的结构尺寸是经过一系列 的试验后寻找到的最佳的尺寸。其主要工作原理是：当配好的乳状液沿切向通过破乳装 置进口被高压的齿轮泵泵进来后，在通过装置的涡旋段时( 装置的圆柱段) ，由于切向 第= 章高额肺冲离心场脱水龇律的实验口f 究 乳 状 液 入 口 图3 日电援分布平面示意田( 单位：c m ) f i g3 - 3p l a i e y o f e l e c t m d ed m r i b t i o n 删3 4 高频脉冲一离心场破乳装置实物围 f i 9 3 。4 抽ed c v i c e o 仆i g h f r e q u e n c ya n dp u b ec l e c 蛐- c e n t r i 如g a i n e l d s 高压的作用- 乳状液形成了涡流。同时在高频脉冲电场的作用下，乳状液中小水滴开始 聚结，在短时间内形成了粒径较大的水滴井依靠重力的作用向下运动。接下来通过同 心缩径段( 即装置的圆锥段) ，此段为一锥体空腔，利用其锥截面紧缩，使乳状液获得 极大的加速度并形成螺旋流动。在此过程中，由于油水密度差别和高频脉冲的进一步作 用聚集后的水滴和未聚集的小水滴在离心力的作用下向装置的周边运动并进行进一步 的聚集t 而油滴则被挤到装置的中心处形成了连续相：细锥段使得初步分离的乳状液的 速度不断增大，油水乳状液又得到进一步的分离；平行段的油水乳状液流速保持恒定。 根据流体力学中伯努利方程可得到底部的压力逐渐变大，可对上部分造成一定的回压， 中心处的油相在回压的作用下被压到排油口排出，而水相则依靠重力的作用在尾管段排 出，最终实现了油水的分离。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 3 3 实验步骤 3 3 1 油包水乳状液的配置 ( 1 ) 白油的性质 石蜡油，别名：液体石蜡；白色油；矿物油。主要成分来自石油的高度精炼的液 态烃类混合物( 环烷烃和链烷烃的饱和成分) ，