论文摘要
采用电聚结方法处理油包水乳状液是油田常用的一种方法，但由于三采助剂的使用导致大量传统电脱水器无法正常工作，而且油水物性的变化也对电聚结机理研究带来了新的挑战。本文通过理论和实验研究得到了电场作用下各因素对液滴聚结特性的影响规律，设计加工了多层电极静电聚结器室内样机、立式静电聚结器撬装化实验系统和四层电极静电聚结器工业样机，进行了实验室和油田现场分离性能测试，本研究成果对完善电场作用下乳状液中水滴聚结机理和电聚结产品工业化应用具有重要的理论和实际意义。主要研究内容和结论如下：利用室内快速评价实验系统，研究了电场作用下原油包水乳状液中水滴的聚结特性。发现水滴粒径分布与Rosin-Rammler和Log-normal分布吻合较好；乳状液中发生有效聚结时的最优电场强度与频率有关，通常频率越高，最优电场强度越低，含水率较高，相同频率时的最优场强较低。发现低频和高频时各存在一个最优频率。直流脉冲和交流脉冲电场作用下，占空比50%时聚结效果最好。正弦交流和三角波聚结效果较差，直流脉冲、交流脉冲和方波聚结效果较好。含水率为10%，液滴粒径增大主要集中在1020μm间，而含水率为20%和30%则主要集中在3050μm间。根据理论和经验公式得到了脉冲电场作用下的最优频率和占空比，并通过实验进行了验证，发现该规律仅对低频电场适用，高频电场下的作用效果会随频率升高而提高。在静电聚结器中频率较高时方波、直流脉冲和交流脉冲波形会失真，接近三角波。含有绝缘层的静电聚结器不适宜使用脉冲波。电场作用下的能耗与波形、频率和电压有关，低频时，直流脉冲、交流脉冲和方波的能耗要高于正弦交流电场，而高频时，交流脉冲、方波和正弦交流的能耗要高于直流脉冲的。设计包覆绝缘层的高压电极，并加工了不同形式的多层电极静电聚结器，实验结果表明，在高强电场作用下，液滴的聚结效果明显并能避免击穿现象的发生。含水率越高最优电场强度越低。增加电场强度和电场作用时间能促进液滴聚结，但要防止电场强度过高导致液滴破碎。电极间距较小，能耗较低，但电场畸变严重，有可能破坏绝缘层。多层电极聚结器空间利用率高，处理量大，单层电极能耗低。设计加工了立式静电聚结器撬装化实验系统，通过现场实验发现处理的原油达到外输要求，而且最优电场参数与室内实验结果一致。设计加工了四层电极静电聚结器工业化产品，并进行了现场应用，结果表明该设备运行平稳、安全、可靠，处理量较高，且处理结果能够满足外输要求，并且能耗较低，对原来的生产流程影响较小，能够解决实际生产遇到的问题，具有重要的实际意义。通过微观实验发现，正弦交流、方波和交流脉冲电场作用下液滴聚结以偶极聚结、振荡聚结和链式聚结为主。不同频率时液滴都可成链，粒径较大、含水率较高时更容易成链。施加电场后，液滴首先发生偶极聚结，由小液滴形成大量大液滴，进而发生链式聚结，链式聚结主要有3种形式。液滴成链后会提高液滴间的电场强度，使液滴发生变形并吸引周围小液滴发生聚结。方波和交流电场作用下形成的液滴链要比交流脉冲电场形成的液滴链更长，液滴粒径也更大。直流脉冲电场作用下液滴主要以偶极聚结、电泳聚结为主，没有发现有液滴成链现象。通过图像分析得到了直流脉冲电场作用下的液滴运动轨迹和瞬时速度变化规律：发现直流脉冲电场中存在涡，并会影响液滴运动方向；发现脉冲频率会影响液滴运动速度，10Hz和2000Hz时液滴运动速度出现局部最大值。