石油基础知识--原油净化

石油基础知识－－原油净化

世界上大部分油田是利用注水驱动方式开采的，因而从油井生产出来的油气混合物中常含有大量的水和泥沙等机械杂质，特别是油田的后期生产中，油井出水量可达其产液量的90％以上，泥沙等机械杂质亦多达1％～1.5％。据统计，世界各油田所产原油的70～80％需进行脱水。

一、原油净化的必要性

原油和水在油层内运动时，常携带并溶解大量的盐类，如氯化物（氯化钾、氯化钠、氯化镁、氯化钙）、硫酸盐、碳酸盐等。在油田开发初期，原油中含水很少或基本上不含水，这些盐类主要以固体结晶形式悬浮于原油中。进入中、高含水开采期时，则主要溶解于水中。原油中含水、含盐、含泥沙等杂质会给原油的集输和炼制带来很多麻烦和危害，主要是：

1、增大了液流的体积流量，降低了设备和管路的有效利用率，特别是在高含水的情况下更显得突出。

2、增加了输送过程中的动力消耗。由于输液量增加，油水混合物密度增大，而且水还常以微粒水珠存在于原油中，形成粘度较纯原油显著增大的乳状液，使输油离心泵工作性能变坏，泵效降低，动力消耗急剧增大。

3、增加了升温过程中的燃料消耗。原油集输过程中，为满足工艺要求，常对原油加热升温。由于原油含水后输液量增加，而且水的比热约为原油的2倍，故在含水原油升温过程中燃料的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白白消耗在水的加热升温上，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。当含水原油中碳酸盐含量较高时，会在管路、设备和加热炉的内壁上形成盐垢，减小管路流道面积，降低加热炉的热效率。结垢严重时甚至能堵塞加热炉受热管的流道，造成加热炉爆炸。当地层水中含有氯化镁、氯化钙、氯化铝、氯化钡时，会因水解放出对金属腐蚀性很强的氯化氢。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。当有氯化氢存在时，硫化亚铁会再与氯

化氢反应，这样交替反应的结果，就会使设备和管路受到强烈腐蚀。另外，原油中所含的泥沙等固体杂质会使泵、管路和其他设备产生激烈的机械磨损。

5、影响原油炼制工作的正常进行。

由于上述种种原因，必须在油田上及时地对含水、含盐、含机械杂质地原油进行净化处理，使之成为合格地商品原油出矿。由于原油中所含的盐类和机械杂质大部分溶解或悬浮于水中，原油的脱水过程实际上是降低原油含盐量和机械杂质的过程。SY7513-88《出矿原油技术条件》规定了出矿合格原油的质量含水量，其指标列于表3－1。原油进常压蒸馏装置前，还需进一步脱水、脱盐，国内外较先进的炼厂要求进装置的原油含水不大于0.1％，含盐量不大于3～5mg/L。当原油含盐量达不到规定指标时，常先向原油中掺入2～5％（与原油的质量比）的淡水，对原油进行洗涤，使以固体结晶形态存在的盐类溶解于水中，然后再脱水，使原油含盐量降低至允许的范围内。表3－1 出矿原油技术条件

项目原油类别试验方法

石蜡基石蜡－中间基中间基中间－石蜡基中间－环烷基环烷基环烷基－中间基关键组分分类

含水量（重）％不大于0.5 1.0 2.0 GB260

盐含量，mg/L 实测GB66532

饱和蒸气压，kPa 在储存温度下低于油田当地大气压GB11059

注：①原油的储存、运输按SY2000执行

②原油的取样按GB4765

二、原油脱水的基本方法

原油与水互不相容，物理、化学性质均有较大差异。但是，由于原油与水并非简单地混和在一起，而是处于相当稳定地乳状液状态，不能采用一般的分离方法就能把水从原油中脱出，因而多年来人们研究了多种原油脱水工艺技术。原油脱水的基本方法与原理如下：

1、沉降分离脱水

水滴在原油中的沉降速度受油品粘度、水滴微粒直径等影响，斯托克斯（Stokes）定律描述了沉降分离的基本规律：

（3－1）

式中——水滴均匀沉降速度，m/s；

——水滴直径，m；

——原油粘度，Pa·s；

、——分别为水和油的密度，kg/m3。

由公式（3－1）可以看出，沉降速度与原油中水滴直径的平方成正比；与水、油密度差成正比；与原油粘度成反比。以该公式为指导，人们研究出如下提高油水分离效率的方法：

（1）增大水滴直径的方法。如添加化学破乳剂，降低乳状液的稳定性；采用高压电场处理油包水型（W/O）乳状液；利用电磁场对W/O型乳状液进行交变振荡破乳；利用亲水憎油固体材料使W/O型乳状液的水滴在其表面湿润。

（2）扩大水、油密度差的方法。如选择合适的温度，使油、水密度差增大；在油气分离过程中，降低压力，使原油中少量的气泡膨胀，密度降低。（3）降低原油粘度的方法。如采用加热的方法，以降低原油粘度。

（4）采用旋流分离器，提高油水分离速度。

2、原油热化学脱水

热化学脱水是在一定条件下向原油乳状液中添加化学破乳剂，使其到达原油乳状液的油水界面上，降低界面张力，破坏油水的乳化状态，破乳后的水珠相互聚结并沉降分离。热化学脱水是目前各油田广泛采用的原油脱水方法之一。

3、原油电脱水

原油电脱水是利用高强度电场作用于原油乳状液，使乳状液的水珠聚结。通过聚结，原油中的水珠相互合并，粒径增大，从原油中沉降分离出来。

用于电脱水的电源有交流电、直流电、交直流电和脉冲供电等。在交流电场中主要是使乳状液的水珠振荡聚结和偶极聚结；在直流电场中，除发生偶极聚结外，电泳聚结起主导作用；在交直流二重电场中，上述数种聚结都存在；

脉冲供电是向电极间断送电，除促使振荡聚结和偶极聚结外，目的在于避免电场中电流的大幅度增长，可平稳操作和节约电能。电脱水法一般适用低含水量的原油脱水。

4、润湿聚结破乳脱水

润湿聚结破乳脱水主要是采用一种不易为油所润湿的固体材料，利用这种材料的特性使原油中的水珠在固体材料表面聚结，达到破乳目的。润湿聚结仅对稳定性差的W/O型乳状液的水珠或游离水起作用，采用时必须先向乳状液中添加化学破乳剂，且多用在将高含水原油处理为低含水原油的过程中。第二节原油乳状液

原油中所含的水分，有的在常温下用简单的沉降法短时间内就能从原油中分离出来，这类水称为游离水；有的则很难用沉降法从油中分离出来，这类水称乳化水，它与原油的混合物称油水乳状液，或原油乳状液。乳化水需专门的措施才能脱出。

一、原油乳状液的类型和鉴别方法

两种（或两种以上）不互溶（或微量互溶）的液体，其中一种以极小的液滴分散于另一种液体中，这种分散物系称为乳状液。乳状液都有一定的稳定性。原油和水构成的乳状液主要有两种类型：一种是水以极微小的颗粒分散于原油中，称为“油包水”型乳状液，用符号W/O表示，此时水是内相或称分散相，油是外相或称分散介质，因外相液体是相互连接的，故又称连续相；另一种是油以极微小颗粒分散于水中，称为“水包油”型乳状液，用符号O/W表示，此时油是内相，水是外相。此外，还有多重乳状液，油包水包油型、水包油包水型等，分别以O/W/O和W/O/W表示。

除油田开发的高含水期外，世界上各油田所遇到的油水乳状液绝大多数属于油包水型乳状液，其内相水滴的直径一般在0.1微米以上，在普通显微镜下可观察到内相液滴的存在。图3－1即为油水乳状液的显微照相图。由图看出，油水乳状液内相颗粒直径大小不等，分布也很紊乱。以下将着重讨论

W/O型原油乳状液。

油水乳状液的类型可用染色法、冲淡法、电导法和显微镜观察等方法确定。染色法是在乳状液中加入少量只溶于油、不溶于水的染料，轻轻摇动，若整

个乳状液呈现染料的颜色，则说明连续相为油，即为W/O型，若只有分散的液滴呈染料的颜色，则说明分散相为油，即为O/W型。染色法用于鉴别常为黑色的原油乳状液有一定困难。冲淡法是根据乳状液易为连续相液体所冲淡的特点来确定乳状液的类别。鉴别方法是将两滴乳状液分开放在玻璃板上，取形成此乳状液的两种液体——油和水，分别滴在两滴乳状液中，轻轻搅拌，易于和乳状液搀和者则为连续相介质。电导法是利用油和水的电导不同来判别乳状液类型，原油导电能力很差，因此测定电导即可确定乳状液连续相为何种液体所构成。此外，利用原油和水透光性的差别，在显微镜下也容易确定乳状液内相介质的类型。

二、形成原油乳状液的必要条件

形成稳定乳状液必须具备下述条件：1、系统中必须存在两种以上互不相溶（或微量相溶）的液体；2、要有强烈的搅动，使一种液体破碎成微小的液滴分散于另一种液体中；3、要有乳化剂存在，使微小液滴能稳定地存在于另一种液体中。

三、原油乳状液的生成和预防措施

原油中含水并含有某些天然乳化剂是生成原油乳状液的内在因素。原油中所含的天然乳化剂主要有沥青、胶质、环烷酸、脂肪酸、氮和硫的有机物、石蜡、粘土、砂粒等。它们中的多数具有亲油憎水性质，因而一般生成稳定的W/O型原油乳状液。原油与水在油层中向井底流动时，其速度很慢，一般不会产生乳状液。当油水混合物沿油管由井底向地面流动时，随着压力的降低，溶解在油中的伴生气不断析出，气体体积不断膨胀，从而会对油、水产生破碎和搅动作用。当油、气、水混合物通过自喷井油嘴时，流速猛增，压力急剧下降并伴随有温度的降低，使油水充分破碎，形成较为稳定的乳状液。

在可能的情况下，提高油田地面集输系统和油气分离器的压力，减小油嘴前后压差，有助于减少乳状液的生成。

油、气、水在地面集输过程中，多相混输管路、离心泵、弯头、三通、阀件等均会对混合物产生搅动，促使乳状液的生成。因而，在地面集输系统的规划、设计和日常操作管理中应尽量避免混合物的激烈搅动。如管径不宜太小；尽量减少弯头、三通、阀件等局部阻力；能利用地形输送的地方不要用泵；

往复泵效率高、速度低，从防止乳状液生成的角度衡量优于离心泵；尽早分出混合物中的伴生气；注意各种阀门，特别是油气分离器排液阀的严密性等等。

四、原油乳状液的性质

原油乳状液的主要物理－化学性质有：分散度、粘度、密度、电学性质和稳定性等。

1、分散度

分散相在连续相中的分散程度称为分散度。分散度用内相颗粒平均直径的倒数表示。此外，也常用内相颗粒平均直径或内相颗粒总表面积与总体积的比值，即比表面积表示。

按分散度的大小不仅可以区别乳状液、胶体溶液和真溶液，而且乳状液分散度的大小还直接影响到它的其他性质。因而，分散度是乳状液的重要性质之一。

2、粘度

影响乳状液粘度的因素很多，主要有：（1）外相粘度；（2）内相的体积浓度；（3）温度；（4）乳状液的分散度；（5）乳化剂及界面膜的性质；（6）内相颗粒表面带电强弱等。此外，有的文献认为，内相粘度对乳状液的粘度也有一定影响。

原油粘度越大，生成W/O型乳状液后其粘度也越大。乳状液粘度与温度的关系同原油类似，随温度的升高而降低。

原油乳状液粘度随含水率的变化却呈现较为复杂的关系。含水率较低时，乳状液的粘度随含水率的增加而缓慢上升；含水率较高时，粘度迅速上升；当含水率超过某一数值时，粘度又迅速下降，此时W/O型乳状液相为O/W型或W/O/W型乳状液。此后，随含水率的进一步增加，油水混合物的粘度变化不大。

3、密度

原油含水、含盐后，其密度显著增大。若已知乳状液体积含水率、原油和含盐水的密度分别为和，则原油乳状液的密度可按下式确定。

(3－2)

式中、——分别为油和水的体积，米3。

4、电学性质

纯态时，水和原油都是很好的电介质，原油的导电率为10-8～10-13西门子/米，而水的导电率为10-5～10-6西门子/米。当水中溶有少量酸、碱、盐类时，其电导率成数十倍地增加。因此，原油乳状液的电导率除取决于其含水率和水颗粒的分散度外，在很大程度上决定于水中的含盐、含酸、含碱量。乳状液的电导率还随温度的增高而增大。

介电系数是乳状液另一项重要的电性质。原油的介电系数＝2，水的介电系数约为油的40倍，即＝80。由于原油和水介电系数的悬殊差别，当把乳状液置于电场内时，乳状液的内相水滴将沿电力线排列，并使乳状液的电导率激烈增加。电场内，乳状液内相水滴沿电力线排列的这种性质，常被用来破坏原油乳状液，脱除原油中所含的水。

5、稳定性和老化

原油乳状液的稳定性是指：乳状液不被破坏，抗油水分层的能力。它是原油乳状液最重要的性质之一。

影响乳状液稳定性的主要因素有：乳状液的分散度和原油粘度、乳化剂的类型和保护膜的性质、内相颗粒表面带电、乳状液温度和水的PH值等。

除上述影响乳状液稳定性的因素外，时间对乳状液的稳定性也有一定的影响。分散在原油中的天然乳化剂，特别是固体乳化剂，在油水界面的吸附并构成致密的薄膜需要有一定的时间。因而，原油乳状液随时间的推移变得逐渐稳定。乳状液的这种性质称为乳状液的老化。在形成乳状液的初始阶段，乳状液的老化十分显著，随后逐渐减弱，常常在一昼夜后乳状液的稳定性就很少再增加。

第三节原油脱水的基本方法

原油脱水包括脱除原油中的游离水和乳化水。但人们对游离水和乳化水尚没有公认和严格的划分界限，而且乳化水的脱除比游离水困难得多，因此多年来，始终把W/O型乳状液得油水分离作为研究重点。

乳状液的破坏称为破乳。原油乳状液的破乳过程是由分散水滴相互接近、碰撞、界面膜破裂、水滴合并、在油相中沉降分离等一系列环节组成，常称之

谓水滴的聚结和沉降。在原油乳状液中，尽管由于天然乳化剂的存在使油水界面能降低，乳状液有一定的稳定性，但从热力学观点看，原油乳状液仍属不稳定体系。水滴仍有合并、减小油水界面，使系统界面能降至最低的趋势，只是由于天然乳化剂构成的界面膜有较高的机械强度阻止了水滴的合并沉降，所以原油乳状液破乳的关键是破坏油水界面膜，促使水滴的聚结和沉降。原油脱水的基本方法有：注入化学破乳剂在集油管路内破乳、重力沉降脱水、利用离心力脱水、利用亲水固体表面使乳化水粗粒化脱水、电脱水等。因此，选用什么脱水方法应根据油水性质、含水率、天然乳化剂类型、乳状液分散度和稳定性等因素，通过试验和经济比较确定。在油田生产实践中，经常是综合应用上述脱水方法以求得最好的脱水效果。

本节将对各种脱水方法和相应的设备进行讨论。

一、化学破乳剂脱水

化学破乳剂是人工合成的表面活性物质。往原油乳状液中注入少量破乳剂即能收到显著的脱水效果，因而在原油脱水工艺中破乳剂得到广泛的应用。（一）化学破乳剂的破乳机理

由于原油、油层水及所含天然乳化剂组成的复杂性，对油－水界面上发生的物理－化学过程的研究又及其困难，因而对化学破乳剂的破乳过程和破乳机理仍处于研究之中，各种原油破乳剂的破乳机理归纳为以下四点：

1、表面活性作用

破乳剂都具有高效能的表面活性物质，它们很容易吸附在油水界面上，降低界面膜的表面自由能，使形成W/O型乳状液变得很不稳定。界面膜在外力作用下极易破裂，从而使乳状液微粒内相的水突破界面膜进入外相，从而使油水分离。

2、反相作用

原油乳状液是在原油中憎水的乳化剂作用下形成的，俗称W/O型乳状液，采用亲水型的破乳剂可以将乳状液转化为O/W型乳状液，借乳化过程的转换以及W/O型乳状液的不稳定性而使油水分离。

3、“润湿”和“渗透”作用

破乳剂可以溶解吸附在油水界面的胶质、沥青质等天然乳化剂上，还能降低

原油粘度，而且还能透过薄膜与水饱和，形成亲水的吸附层。这样，有利于水滴碰撞时的合并，达到水滴下沉。

4、反离子作用

由于原油乳状液中分散相的水滴表面上吸附了一部分正离子，使分散相往往带有正电，分散相的水滴之间互相排斥，水滴难于合并。如果在原油中加入离子型的破乳剂，它们吸附在水滴表面上并将正电荷中和，使水滴间的静电斥力减弱，破坏受同性电保护的界面膜，使水滴合并从油中沉降下来。（二）化学破乳剂的分类

国内外生产的化学破乳剂已达1000多种。化学破乳剂可以按分子结构、分子量大小、镶嵌方式、聚合段数、起始剂具有活泼氢官能团的数量、溶解性能等进行分类。

按分子结构可把化学破乳剂分为离子型和非离子型两大类。当破乳剂溶于水时，凡能电离生成离子的，称为离子型破乳剂；凡在水溶液中不能电离的，称非离子型破乳剂。离子型破乳剂按其在水溶液中具有表面活性作用的离子的电性，还可分为阴离子、阳离子和两性离子等类别。烷基磷酸钠、烷基苯磺酸钠等属于对原油脱水效果较好的阴离子型破乳剂。

非离子型化学破乳剂是以环氧乙烷、环氧丙烷等基本有机合成原料为基础，在具有活泼氢的起始剂的引发下，在有催化剂存在时按照一定的程序聚合而成。原料配比、操作条件、分子量大小等参数，都可以在合成时人为控制。它的分子量多在1000～10000之间具有较高的活性和较好的脱水效果

我国对非离子型化学破乳剂的合成和使用虽然起步较晚，但发展迅速。如已生产出SP、AE、AP、BP、AR等破乳剂，基本可以满足我国原油脱水的需要。与离子型相比，非离子型化学破乳剂有如下优点：

（1）用量少。加药浓度约为20～50ppm即可；

（2）不产生沉淀。一般不会同油水混合物中的盐类和酸类起化学反应，在管路和设备内产生沉淀；

（3）脱出的水的含油少。非离子型化学破乳剂仅破坏W/O型乳状液，破乳时一般不生成O/W型乳状液，脱出的水清澈，水中含油少；

（4）脱水成本低。虽然非离子型破乳剂的单价要高一些，但其用量仅为离

子型破乳剂的几十分之一，故使原油脱水成本降低。

根据溶解性能，非离子型破乳剂可分为水溶性、油溶性和部分溶解于水、部分溶解于油三类。

第一类是水溶性破乳剂，如SP-169、SAE等，可根据需要配制成任意浓度的水溶液，无须像油溶性破乳剂那样用昂贵的甲苯、二甲苯等溶剂油稀释。破乳脱水后，剩余的破乳剂仍留在脱出水中，这部分水或者注入原油乳状液内，使剩余的破乳剂得到充分的利用；或者经净化处理后回注入油层，剩余的化学破乳剂可在注水驱油中继续发挥作用，以利于提高油田采收率。

第二类是油溶性破乳剂如RA101、DAP2031、VH6535、POI242O等，油溶性破乳剂的分子量一般较水溶性破乳剂的大，其特点是不会被脱出水带走，且随着水的不断脱出，原油中破乳剂的浓度逐渐提高，对脱出原油中的水更有利。所以净化油溶性破乳剂可使净化原油中含水率降低，但脱出污水中含油率稍高。

第三类是部分溶于水、部分溶于油的化学破乳剂，如AP、AE等，能增加使用的灵活性。

根据现场使用经验：原油含水超过40％时，油溶性破乳剂使用效率高，水溶性破乳剂使用效率略差。

（三）原油脱水工艺对化学破乳剂的要求

一种好的化学破乳剂应满足下列要求：

1、较强的表面活性

化学破乳剂的表面活性应比原油中天然乳化剂的活性大得多，有的文献认为应大100～1000倍，使化学破乳剂能迅速占据油水界面，降低乳化水滴的界面张力和界面膜的强度。这不仅可以破坏已经形成的原油乳状液，还可以防止油水混合物的进一步乳化，起到降低油水混合物粘度和加速油水分离的作用。但实践证明，不存在破乳剂活性越高，破乳能力越强这一种规律。2、良好的润湿能力

化学破乳剂对原油中的固体乳化剂应有较好的润湿能力，以便吸附在固体粉末上，把砂、粘土等粉尘拉入水相，把石蜡晶粒拉入油相，破怀固体粉末界面膜的作用，使油水分离。

3、很高的絮凝和聚结能力

吸附在水滴界面上的破乳剂，应对邻近水滴有较大的吸引力，使水滴聚集，这一过程称为絮凝。絮凝能力强，就能增加水滴碰撞和聚结的机率。絮凝在一起的水滴应能迅速合并成大水滴从油相中沉降分出，即破乳剂还应有较强的聚结能力。

4、破乳温度低，破乳效果好

在较低温度下就能使原油乳状液破乳，破乳后原油中残存的水量少，脱出水中的含油量少，做到油净、水清。

5、成本低，用量少

6、对金属管路和设备不产生强烈的腐蚀和结垢，破乳剂对人体应无毒、无害、不易燃、不易爆。

7、破乳剂应有一定的通用性，即原油乳状液性质改变时仍能保持较高的脱水效果。

一种化学破乳剂要完全满足上述要求往往是极为困难的。为取长补短，可将两种或两种以上的破乳剂以一定比例混和构成一种新的破乳剂，其脱水效果可能高于任何一种单独使用时的效果。这种现象称为破乳剂的协同效应或复配效应。复配效应为寻找脱水效果更好的化学破乳剂开辟了新的途径。（四）化学破乳剂的优选

实验室内对化学破乳剂进行优选时在若干个带刻度的玻璃瓶内装入数量相同、除去游离水的待处理原油乳状液的试样。玻璃瓶数由参加优选的破乳剂的种类而定，并增加一、二个玻璃瓶作不加破乳剂的对比试验。所有试样瓶都放入恒温水浴内加温至略低于工业脱水装置的运行温度。然后，用移液管把各种破乳剂依次注入各个试样瓶内，注入数量或者以等量为原则，或者以破乳剂成本相同为原则，一般为50～100ppm。使各试样瓶受到相同强度的机械搅拌或振动后，油样在恒温下静止沉降。每隔一段时间，观察并记录各试样瓶内脱出的水量、脱出水的颜色、油水界面层的厚度等参数。沉降时间一般为两小时。在根据记录和观察到的现象评价各破乳剂优劣时，一般应考虑破乳剂的以下各项脱水性能。

1、脱水率在一定的静置沉降时间内原油中脱出水量与原有含水量之比。

2、出水速度在单位静置沉降时间内脱水率的大小。根据所用化学破乳剂品种的不同，出水速度可能有先快后慢、先慢后快、等速度出水等三种情况

3、油水界面状态原油乳状液油水分层后由于所用化学破乳剂的不同，油水界面可能呈不同的状态。有的油水分明，有的油水间存在油包水或水包油型乳状液过渡层。随着时间的持续，有的过渡层能自行减薄或消失，即为暂时性过渡层；有的则很难消失，成为永久性过渡层。一般不宜采用能形成永久性过渡层的化学破乳剂。

4、脱出水的含油率单位质量脱出水中所含原油的质量称为脱出水含油率。含油率的降低可防止原油流失和减少污水处理设备的负荷。脱出水含油率愈小愈好，一般应小于0.05％。

5、最佳用量原油脱水率一般不完全与破乳剂用量成正比，当化学破乳剂用量达到一定数值时，原油脱水率不再继续提高。在脱水温度下，达到规范要求的原油脱水率所需破乳剂的最小用量称为最佳用量。显然，破乳剂的最佳用量愈小愈好。

6、低温脱水性能若在较低温度下，化学破乳剂有较好的脱水性能，则可降低集输管路和脱水设备的工作温度，从而节省燃料并降低原油集输过程中的蒸发损耗。

二、井口加药与管路破乳

油田上常把化学破乳剂称为“药”。由于化学破乳剂对原油乳状液有显著的破乳、降粘作用，近十年来，我国各油田普遍地把化学破乳剂注入油井环形空间内，利用石油开采和集输过程中所受到的搅拌，使破乳剂均匀地分散于原油中，获得了破乳、减阻等一系列良好的综合效果。目前，井口加药、管路破乳已成为各油田原油脱水工艺中的重要环节。

（一）井口加药装置

典型的抽油井加药装置如图3-2所示。安装在抽油杆上的撞块随抽油杆下行时，压迫加药泵柱塞一起下移，在泵腔内破乳剂的压力下，吸入凡尔关闭，破乳剂顶开排出凡尔，由加药泵排液口进入油井环形空间。抽油杆上行时，加药泵内的主弹簧（图中未画出）使柱塞复位，由于泵腔内的低压，使排出凡尔关闭，破乳剂由药箱经吸入凡尔进入泵腔。抽油杆和加药泵柱塞的上下

往复，使破乳剂不断地注入油井的环形空间内。加药泵顶端的调节螺丝可用以调整柱塞行程和破乳剂的注入量。

加药泵安装于井口，不便于修井作业。此外，由抽油杆驱动加药泵也不便于测定井泵的示功图。因而，近年来把加药泵安置于抽油机底座上并由抽油机游梁驱动。

（二）井口加药的效果

根据各油田井口加药的工业实践来看，井口加破乳剂后，对采油和集输有下列显著效果。

1、防止石蜡在管壁的测定积；

2、降低了管路的能量损失；

3、降低了破乳剂用量；

4、提高了脱水设备的效能。由井口加入的破乳剂，在井底与油水混合物混和，经井筒和地面管路的搅拌，或者破乳剂防止了W/O型原油乳状液的生成，或者对已形成的乳状液在管路内进行破乳，使站内脱水设备的处理能力和处理质量大为改善。

井口加药虽然取得上述神奇般的效果，但定期向油井运送破乳剂的工作的确十分繁重。各油田地域、交通、气候等条件不同，井口加药在经济上并非总是最佳的选择。

（三）管内破乳效果的影响因素

井口加药、管路破乳的效果除决定于乳化剂种类、油水的物理性质、原油乳状液的分散度和稳定性等因素外，还和破乳剂与乳状液的搅拌程度和搅拌持续时间、管输温度等因素有关。

搅拌可以使破乳剂均匀地分散于乳状液中，达到破乳的目的；搅拌也可以使乳状液的内相水滴分散得更细，增加水的脱出困难。因而，管内破乳时，应有某一最优搅拌强度和搅拌持续时间。

破乳剂类型对所需的搅拌强度和时间也有影响。油溶性破乳剂可依靠扩散、对流和布朗运动以分子形式均匀分布于原油乳状液中，所需的搅拌可相应减少。水溶性破乳剂则主要依靠机械搅拌使之分散于乳状液中。

原油乳状液在管内破乳后，应避免再次激烈搅拌。若需从管中排出游离水，

应扩大管径，使液流速度降低5～6倍。若直接进脱水装置，亦宜扩大与脱水装置相连接的管段。

管路的温度和温降情况对破乳剂在管路内的破乳效果也有一定的影响。一般，提高管路温度可削弱水滴界面膜的机械强度。因而，在其他管路条件类似的情况下，加入较少量破乳剂（如10～12ppm）就可收到较好的破乳效果。故当油井出液温度随产液量和含水量的增加而增高时，对破乳剂的用量应作出相应的调节。对于气候条件恶劣的油田，特别是管内流速较低的段落（如0.5～1.0米/秒）和架空敷设管段，对管路进行保温和加热亦可改善乳状液的破乳效果。

三、重力沉降脱水

原油乳状液经井口加药、管内破乳后，需要把原油同游离水、固体杂质分开。当气油比较大时，这一过程常在油气水三相分离器中进行。当气油比很小或基本不含气时，常在沉降罐中实施。

在沉降罐内，油水是依靠所受的重力不同得以分离的。由于水滴在于原油中的下沉速度慢，通常处于层流流态，常以斯托克斯公式表示水滴在原油中的匀速沉降速度，即

式中，——水滴匀速沉降速度，米/秒；

——水滴直径，米；

——原油粘度，帕·秒；

——重力加速度；

、——分别为水和油的密度，千克/米3。

水滴在原油中沉降的实际情况与推导公式时作出的简化假设条件不同，因而上式只能定性地分析影响沉降速度的各种因素，用于实际计算会出现偏差。油田上使用的沉降罐按其外形分为立式和卧式两种。立式沉降罐一般不耐压，常用于开式流程，有时辅以大罐抽气等措施，使流程的密闭性得以改善。卧式沉降罐则常用于闭式流程。

（一）沉降罐的结构和工作原理

图3-3是一种适合于基本上不含天然气的常压立式含水原油沉降分离罐。油水混合物由入口管经配液管中心汇管和辐射状配液管流入沉降罐底部的水

层内。当油水混合物向上通过水层时，由于水的表面张力较大，使原油中的游离水、破乳后粒径较大的水滴、盐类和亲水固体杂质等并入水层，这一过程称为水洗。水洗过程至沉降罐中部的油水界面处中止。由于部分水量从原油中分出，原油从油水界面处沿罐截面向上流动的速度减慢，为原油中较小粒径水滴的沉降创造了有利条件。当原油上升到沉降罐上部液面时，其含水率大为减小。经沉降分离后的原油由中心集油槽和原油排出管流出沉降罐。原油中排出的污水经虹吸管，由排水管排出。定期清理罐底积存的污泥时，由管10排空罐内液体。配液管为沿长度方向在管底部钻有若干小孔底多孔管。沿罐中心向罐壁方向小孔孔径逐渐增大，使流出的油水混合物沿罐截面分布均匀。配液管离罐底高度约0.5～0.6米。

沉降罐内排出的污水中常带有剩余的破乳剂，故常将部分排出污水回掺至入口管内。为充分发挥药剂的破乳作用，油水混合物自回掺点A流至沉降罐的时间不应小于15分钟，并要求管内液体雷诺数约为8000左右。

从上述可知，在沉降罐中主要依靠下部水层的水洗作用和上部原油中水滴的沉降作用使油水分离。对有些含水原油，水洗脱水的效果比较明显，操作时应在罐内保持较高的水层。另一些含水原油，沉降脱水的效果较为明显，则应减少水层的高度增加油层的高度。油层和水层的高度，或罐内油水分界面的位置，由装在虹吸管顶端的液力阀调节。由图3-3可列出能量平衡方程

（3-3）

式中，——水层高度，米；

——油层高度，米；

——储罐底部至虹吸管顶部距离，米；

——污水流经虹吸上行管和液力阀时的水力损失，米水柱。

由上式看出，把液力阀柱塞向上提升时，减小了污水流经柱塞和虹吸上行管间隙处的阻力损失，将使水层高度减小，油层高度增加。这样，调节液力阀柱塞的位置，就能在较大范围内调节罐内油水界面的位置，从而得到较好的沉降脱水效果。

当混合物中含有少量的天然气时，在油水混合物进沉降罐前，应先把天然气

分出。据有关文献介绍，可在沉降罐旁设置由大直径立管构成的简式油气分离器。油气水混合物以切线方向进入立管中上部，在立管中分离出天然气后，油水混合物由立管底部进入沉降罐。立管中分离出的天然气和沉降罐内析出的溶解气一并纳入油田的低压天然气管系。这样，既避免了天然气对罐内油水混合物的搅拌，又避免了油气水不均匀液流对沉降罐的冲击，使进入沉降罐的液流较为平衡。

图3-4为卧式沉降罐的结构示意图，不难从图中看出油和水的流向。为使从配液孔口流出的油水混合物流速低于配液汇管内液流的速度，开孔的总面积10倍于汇管的截面积。

在沉降罐的油水界面处，常形成稳定的乳状液层，使油水界面的控制发生困难。乳状液的厚度还随时间而增加，严重时甚至窜入排水或排油管线，破坏沉降罐的正常工作。前苏联常在卧式沉降罐的油水界面处设置聚结网，靠压缩空气或天然气驱动不时上下移动，破坏界面处的乳状液层。

（二）沉降罐工作效率的衡量标准及其影响因素

沉降罐工作情况的好坏常以下述指标衡量：

1、沉降时间，即油水混合物在沉降罐内的停留时间，它表示沉降罐处理油水混合物的能力，立式沉降罐还常用表面负荷率表示单位时间内在单位沉降面积上所处理的液量。

2、操作温度；

3、原油中剩余含水率；

4、脱出水中含油率。

除破乳剂的选择和用量、油水混合物性质对沉降脱水效果有重要影响外，配液管的工艺设计和原油所含溶解气的析出对沉降罐的工作也有很大影响。四、利用离心力脱水

用重力沉降脱水，含水原油在沉降罐内的停留时间较长。为提高油水分离速度和分离效果，以离心力替代重力沉降，实践证明是很有效的。

由于在离心机内水滴所受的离心力几百倍于其所受的重力，故离心机的脱水速度远高于重力沉降脱水。目前，我国仅用离心法测定原油含水率，在西方国家有原油脱水或污水除油的离心机装置。

五、利用亲水固体表面使乳化水粗粒化脱水

与液体相似，固体表面层分子也处于不平衡力场中。当固体与液体相接触时，固体表面分子能吸引液体分子，使不平衡的力场得以改善，使液固界面能趋于最低，这种现象称为润湿。

利用油水对固体物质亲和状况的不同，常以亲水憎油的固体物质制成各种脱水装置。用于油水分离的固体物质应满足下列基本要求：

1、具有良好的润湿性。由于这种润湿性，油水混合物流经固体表面时水滴附着于固体表面上，在流体的剪切下水滴界面膜破裂，水滴聚结。

2、固体物质应能长期使用，并对油、水不发生化学反应，对油、水性质无有害影响。

3、固体物质货源充足，价格低廉。

我国大港油田于1980年在滨海原油脱水站试验成功了陶粒聚结床高含水原油脱水器，其结构如图3-5所示。高含水原油自入口进入壳体后，经配液管均匀分布在陶粒聚结床上。同时，陶粒表面的亲水憎油特性使水滴不断地在陶粒表面润湿、聚结成更大的水滴。经陶粒聚结床后的油水混合物在沉降分离室中进行重力沉降分离。低含水原油自出油口流出，脱出水自出水口流出。原油粗粒化脱水一般不作为独立的脱水工艺过程，常与其他脱水方法配合使用。

六、电脱水

对许多原油，特别是重质、高粘原油，利用上述各种原油乳状液脱水方法尚不能达到对商品原油含水率的规定时，常使用电脱水。电脱水作为原油乳状液脱水工艺的最后环节，在油田和炼厂获得广泛使用。

（一）电脱水原理

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，削弱了水滴界面膜的强度，促进水滴的碰撞，使水滴聚结成粒径较大的水滴，在原油中沉降分离出来。水滴在电场中聚结的方式主要有三种。

1、电泳聚结

把原油乳状液置于通电的两个平行电极中，水滴将向同自身所带电荷电性相反的电极运动，即：带正电荷的水滴向负电极运动，带负电荷的水滴向正电

极运动，这种现象称为电泳。由原油乳状液的性质可知，原油中各种粒径水滴的界面上都带有同性电荷，故在通直流电的平行电极中乳状液的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、所带电量不同、运动时所受阻力各异，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，从原油中沉降分出。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附近分出。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的极化和静电感应，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，水滴除产生拉长变形外，在电场中不产生象电泳那样的运动，但水滴的变形削弱了界面膜的机械强度，特别在水滴两端界面膜的强度最弱。原油乳状液中许多两端带电的水滴象电偶极子一样，在外加电场中以电力线方向呈直线排列形成“水链”，相邻水滴的正负偶极相互吸引，如图3-6所示。电的吸引力使水滴相互碰撞，合并成大水滴，从原油中沉降分离出来。这种聚结方式称为偶极聚结。显然，偶极聚结是在整个电场中进行的

3、振荡聚结

水滴中常带有酸、碱、盐的各种离子。在工频交流电场中，电场方向每秒改变50次，水滴内各种正负离子不断地做周期性的往复运动，使水滴两端的电荷极性发生相应的变化。离子的往复运动使水滴界面膜不断地受到冲击，使其机械强度降低、甚至破裂，水滴聚结沉降。这一过程称为振荡聚结。显然，水滴愈大，离子对界面膜的冲击作用愈大，振荡聚结的效果愈好。

对原油乳状液在电场中破乳过程的观察表明：在交流电场中破乳作用是在整个电场范围内进行的，这说明在交流电场内水滴以偶极聚结和振荡聚结为主；直流电场的破乳聚结，主要在电极附近的有限区域内进行，故直流电场

以电泳聚结为主，偶极聚结为辅。

由上面阐述的脱水原理不难看出：电法脱水只适宜于油包水型乳状液。因为原油的导电率很小，油包水型乳状液通过电脱水器极间空间时，电极间电流很小，能建立起脱水所需的电场强度。带有酸、碱、盐等电解质的水是良导体，当水包油型乳状液通过极间空间时，极间电压下降，电流猛增，即产生电击穿现象，无法建立极间必要的电场强度。同样，用电法脱水处理含水率较高的油包水型乳状液时，亦宜产生电击穿，使脱水器的操作不稳定。因此，在处理中、高含水率原油乳状液时，一般先经沉降脱水或陶粒脱水，使含水率降低后再进入电脱水器进行脱水，通常把这种脱水工艺称为二段脱水。（二）电脱水器的构造和工艺参数

我国早期在玉门使用的脱水器为常压储罐形脱水器，即在立式常压储罐内安装几组脱水电极。后来由于原油蒸发损耗太大，在大庆油田开发初期被立式圆筒形耐压脱水器所取代。近年来，各油田广泛采用大型卧式耐压脱水器，它与立式脱水器相比具有下列优点：（1）在直径不变、壁厚不增加的情况下，增加容器长度，可增加脱水器容积，减少脱水站设备台数，节省钢材和投资，方便操作管理；（2）卧式脱水器中部有很大的水平截面积，可用来设置电场，使设备处理能力比同容积立式脱水器有明显提高；（3）在卧式脱水器中，原油内所含水滴的沉降距离短，有利于水滴从油中分出，有利于提高净化油质量。但当原油中含有较多固体杂质时，卧式脱水器的排砂和清除底部油泥较为困难。

1、卧式电脱水器的构造

图3-7为我国油田常用的卧式电脱水器的结构示意图。含水原油由管4进入脱水器内油水界面以下的分配头（或多孔配液管）。由分配头流出的含水原油经水洗除去游离水后，自下而上沿水平截面均匀地经过电场空间。在高压电场下，从原油中分出的水滴沉降至脱水器底部，经放水排空口排出。净化原油经脱水器顶部管线由净化油出口排出。在油层和水层间，通常有50～100毫米厚的油水共存段。脱水器内水位的高低，可通过液位管进行观察。在脱水器内经悬挂绝缘子吊在壳体上的水平电极一般呈偶数，根据对原油乳状液脱水效果的要求可以有二层、四层、六层等多种形式。使用多层电极时，

相间电极以导线相连，两组电极的导线经与壳体绝缘的聚四氟乙烯绝缘棒引出，并连接于脱水变压器的输出端。相邻电极的间距自上而下逐渐减小，电场强度自下而上逐渐增大，以满足原油含水率逐渐减小对脱水电场强度的要求。电极的矩形框架由圆钢或管子制成，框架上铺有用16～18号镀锌铁丝制成的丝网，网格间距一般为60～80毫米。每层电极都分为若干段以连接板和螺栓相连，便于安装和检修。

2、脱水器的操作和工艺参数

脱水器投产时，应先向脱水器内装入净化原油。通电建立电场后才进含水原油，使脱水器转入正常运行。

脱水器正常运行时，应连续排放原油脱出的水。排水工作可以手控，亦可由油水界面液位控制的电磁阀自动实施。排出水应经看窗，便于操作人员观察排出水的颜色，判断脱水器的运行是否正常。

脱水器停产检修时，应切断电源，排空器内液体，并用蒸气吹扫脱水器内残存的油气后，方能进入器内进行检修和清除器底沉积的油泥。

除脱水器的直径、长度、容积、处理量，以及脱水变压器输出电压、容量等参数外，脱水器的压力、温度、原油乳状液含水率、净化原油残存含水率、脱出水含油率等均是脱水器运行的重要参数，需定时观察、记录、化验分析。脱水器的操作压力常受集输系统压力的制约。目前，我国多数油田采用低压集输系统，脱水器的压力一般在（1.5～3.0）×105帕范围内。

随脱水温度的升高，原油粘度下降，油水界面张力降低，有利于脱水质量的提高。但实践也说明，在原油脱水的总成本中，加热原油乳状液的费用往往大于电耗费用。在保证脱水质量的前提下，降低脱水温度，降低蒸发损耗和脱水成本是努力的方向。原油脱水的后续工序是原油稳定，若根据稳定工艺要求需提高原油温度时，也可相应提高脱水温度，做到“一热多用”。

进入电脱水器的原油乳状液的含水率太高，例如超过40～50％时，由于乳状液导电率的上升，不易维持稳定的电场，使脱水质量急剧下降。因而，对高含水率原油乳状液往往采用二段脱水，即先用沉降或使乳化水粗粒化脱水法脱除部分水量后再进电脱水器进一步降低原油含水率。从高含水率原油乳状液在沉降罐内实测的沉降时间与原油含水率的关系曲线（图3-8）可以看