超声波破乳技术在原油脱水处理中的应用2

毕业设计（论文）题目：超声波破乳技术在原油脱水处理中的应用学习中心：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到满意的破乳效果，加大了采出液处理的难度，困扰着油田生产。

超声波可在一定程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 (2)2.1概况 (2)2.2油品性质 (3)2.3粘温曲线 (3)2.4原油脱水系统运行情况 (3)2.5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 (7)3.1超声波破乳机理和特性 (7)3.2影响超声波破乳效果的因素分析试验 (10)3.3综合分析 (18)第4章超声波破乳技术试验 (19)4.1实验条件及方法 (19)4.2试验情况 (20)4.3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到满意的破乳效果，加大了采出液处理的难度，困扰着油田生产。

超声波可在一定程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，包括原油处理、原油稳定、污水处理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：目前坨六站进站液量22000m3/d ，原油综合含水94%，日处理原油近2000t （包括井下鲁胜原油），外输原油含水计划指标0.8%，目前实际含水0.6%。

原油处理系统主要设备及设施见表2-1。

表2-1 原油处理系统主要设备及设施表3000m3 （2000m 3） 净化油罐原油外输泵稳定塔图2-1 坨六站工艺流程图2.2 油品性质表2-2 原油物性全分析数据表2.3粘温曲线图2-2 坨六站原油粘温曲线图2.4原油脱水系统运行情况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<500mg/l。

经过4年的运行，99年检修时，由于不锈钢波纹斜板支撑件的腐蚀，造成斜板在容器内杂乱堆积，致使油水分离效果变差，出口油中含水>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处理。

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<2%。

2.4.3原油加热炉坨六站目前在用加热设备为两台YFCD型超导热管加热炉，功率分别为2200KW（2004年3月投运）、2000KW（2004年11月投运），因目前使用水煤浆锅炉换热，两台加热炉处于备用状态。

其中冬季平均换热器进口温度55℃，换热器出口温度92℃；夏季：平均换热器进口温度59℃，换热器出口温度93℃。

2.4.4油罐底水排放情况两座原油一级罐由手动放水管线（DN600）、压差放水管线（DN500）将污水排放至污水站；原油二级罐、净化油罐底水由污水提升泵根据罐底水高度开泵打至原油一级沉降罐。

因鲁胜原油直接进入二级罐造成二级罐底水增长速度较快，二级罐的底水24小时连续打入一级罐中，好油罐底水每天8：00-9：00打底水，并保持0.8m以下。

2.5原油破乳剂现场应用效果评价目前坨六站投加的脱水药剂为万达化工厂生产的WD-1型原油破乳剂，投加点为油井来液进油离水脱除器进口汇管，采用连续投加方式，投加量为8吨/月，投加浓度为133mg/l。

2.5.1原油破乳剂室内评价表2-3 原油破乳剂室内沉降破乳试验可以看出，WD-1型原油破乳剂低温适应性较差，且投加浓度在100mg/l时沉降破乳效果不好，仅为75%左右；在投加浓度200mg/l、温度700C时，沉降1小时后出水率可达到90%左右；在投加浓度200mg/l、温度800C时，沉降0.5小时后出水率可达到90%以上，并随着沉降时间的延长，出水率变化不大。

2.5.2原油破乳剂现场应用情况统计2006年1月至2007年4月原油破乳剂投加情况及原油处理各环节含水变化情况。

表2-4 2006年1月-2007年4月原油破乳剂现场应用情况统计表由上表看出，由于坨六站原油沉降时间较长，原油破乳剂投加后效果较为显著，基本上能够满足坨六站原油脱水需要。

2006年至今外输原油含水基本稳定在0.6%以下，但出现不稳定情况，最高达到1.6%，主要是由于鲁胜原油进油含水偏高导致的。

第3章超声波破乳技术研究3.1 超声波破乳机理和特性3.1.1超声波的性质及作用原理超声波是声波频率超过人耳听觉极限、大于20kHZ的高频声波。

由于频率高，人的耳朵听不见，因而被称为“超声波”。

超声波属纵波，可在空气、固体和液体中传播，超声波波长短、频率高，遵循光的几何定律，具有“束射特性”、“能量吸附特性”和“能量传递特性”。

超声波在传递过程中，主要产生三个物理作用：首先是它的机械振动作用，超声波能迫使介质做激烈的机械振动，并能产生强大的单向力作用，产生位移聚集效应。

当超声波通过有悬浮“水粒子”、“油粒子”的原油介质时，造成悬浮“粒子”与原油介质一起振动。

由于大小不同的“粒子”具有不同的相对振动速度，“粒子”将相互碰撞、粘合，使粒子的体积和重量均增大，最后沉降分离。

机械振动作用可使原油中的石蜡、胶质、沥青质等天然乳化剂分散均匀，增加其溶解度，降低油-水界面膜的机械强度，有利于水相沉降分离。

其二是它的空化作用，一定频率、足够强度的超声波通过液体时，当声波负压半周期的声压幅值超过液体内部静压强时，存在于液体中的微小气泡(空化核)就会迅速增大，在相继而来的声波正压相中气泡又绝热压缩而崩灭，在崩灭瞬间产生极短暂的强压力脉冲，气泡周围微小空间形成局部高温高压热点，持续数微秒之后，该热点随之冷却，冷却率达109k/s，并伴有强大的冲击波(对均相液体媒质)和时速达400km的射流(对非均相媒质)，“空化现象”使得介质能够产生多种的物理的、化学的、生物的效应。

理论推导和可视化试验证明超声波破乳脱水的声强必须在空化阈以下。

第三是它的热作用，超声波穿过介质时，介质吸收一定量的声能，就会引起局部高温。

热作用降低油-水界面膜强度和原油粘度，一方面，边界摩擦使油一水分界处温度升高，有利于界面膜的破裂。

另一方面，原油吸收部分声能转化成的热能，可降低原油的粘度，有利于“粒子”的重力沉降分离。

因此，超声波原油破乳脱水主要是利用超声波的机械振动位移聚集效应和热作用。

另外，超声波和化学破乳剂联合作用时，由于其扩散效应，还能提高破乳剂的作用效率。

3.1.2 “粒子”在超声波作用下“位移聚集效应”的可视化实验3.1.2.1理论分析设许多“水粒子”、“油粒子”以静止状态均匀分布在原油中，在混合物中加入一弱驻波场，则连续相速度可表示为：“水粒子”：“油粒子”：利用数学方法分析“粒子”的运动，其平衡点是。

F是“粒子”在声辐射下所受的各力的和。

根据数学常微分方程理论容易证明，在F>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F<0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包括：UG-Ⅶ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0~1000W之间连续可调，频率在0~50kHz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。

首先，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，很容易观察到粒子的运动处于紊乱无序的状态，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。

利用两种直径不同的粒子进行实验均能观察到相同的现象。

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Re》1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2γ/a，其中γ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征长度，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2γ/a。