原油电脱水器技术进展.pdf
从地层中开采出的原油不可避免地含有大量的
水，给之后的储运、加工环节带来了很多不利影响。
因此必须对采出油进行脱水处理，以保证外输前原
油的含水量低于o．5％。采出油中水主要以溶解
水、乳化水和悬浮水为主，其中乳化水最为稳定。特
别对于重质油来说，很难利用常规的重力沉降法将
其脱除。人们针对乳化液脱水进行了很多研究，如
静电聚结、化学破乳、微波破乳及离心分离等，其中
应用最为广泛的首推静电聚结法和化学破乳法。静
电聚结主要适用于W／O型乳化液，利用电场将连
续相(油)中分散相(水)聚结成尺寸较大水滴，使其
便于分离。电脱水技术发展简图见图1。关于原油
电脱水的专利有很多，文中着重从电场形式、极板结
构与布局、辅助设备以及温度和压力这4个方面进
行简要介绍。
1 电场形式‘1～7]
电场是电脱水器最主要的组成部分，它的形式
直接决定了脱水的效果。按照供电方式的不同，可
将电场大致分为4类。
图1 电脱水技术发展简图
1．1 交流电场
交流电场是目前电脱水器中应用最多的电场形
式，其频率大多为50 Hz。水滴在交流电场中主要
发生偶极聚结和振荡聚结。偶极聚结的原理为水滴
在电场作用下发生极化，两端带上不同极性的电荷，
相邻水滴正负偶极相互吸引并发生聚结。而振荡聚
结是指每个极化水滴在交流电场的作用下反复伸缩
振荡，使得水滴表面的乳化膜强度削弱，最终合并成
大水滴，在重力作用下从原油中沉降出来。
交流电场具有电路简单、无需整流设备的优点，
第6期肖蕴，等：原油电脱水器技术进展
且由于电流频繁变换，带电颗粒移动受抑制，使得电
解反应可逆，不会对设备造成严重腐蚀，因此适合处
理含水率较高的原油。但由于交流电场的电压随时
间以正弦规律变化，因此只有部分时间内的电压对
脱水有利，处理量及效率均较低。另外电场中的水
滴易沿着电场方向排列形成许多水链，造成电场短
路，导致操作不稳定。
1．2直流电场
相对于交流电场，直流电场的应用不十分广泛。
它主要利用固定的电场，使带有不同极性的水颗粒
向着相反的方向运动，从而产生碰撞，形成较大水滴
便于沉降。而未产生碰撞的水颗粒会运动到极板，
并在其上聚结，这就是所谓的电泳聚结。
直流电场脱水效果好，脱出油含水率很低，适合
处理尺寸较小的水颗粒。但由于设备与带电流体间
形成的回路会对设备造成剧烈的电化学腐蚀，因此
只能用于处理含水率很低的原油，如炼油厂的电精
制过程。
1．3 交／直流双电场
为提高脱水效率，F L Prestridge等结合交流、
直流电场优点，设计出交／直流双电场，并采用竖挂
电极配合其使用。其原理为，电脱水器上部为直流
电场，下部为交流电场，原油乳化液由电脱水器底部
注入，先通过交流电场，利用振荡聚结和偶极聚结脱
去大部分水，而后乳化液进入直流电场脱去。
双电场的应用拓宽了电脱水器的使用范围，且
由于直流电场为半波交替带电，因此减缓了设备的
腐蚀。其缺点是工艺流程不稳定时，直流电场会失
去作用。
1．4脉冲电场
通过对电脱水原理的深入研究发现，原油乳化
液中2个相邻、粒径相同的水颗粒间在电场中的聚
结力为：
F一(6￡E2户)／d4 (1)
式中，e为原油乳化液的介电常数，F／m；E为外加电
场强度，V／m；d为2个水颗粒之间距离，r为水颗
粒半径，m。
由式(1)可以看出，要使水颗粒间的聚结力增
大，必须从提高电场强度、缩短水颗粒间距这两方面
人手。针对上述要求，人们在常规电脱水的电压输
出波形上叠加了一个高频脉冲信号，设计出了一种
新的脱水电场形式——高频脉冲电场嘲。通过改变
该电场脉冲幅度、宽度及频率，可以有效地提高脱水
效率。
1．4．1 脉冲幅度
脉冲幅度即脉冲电压的峰值。脉冲幅度是影响
电场强度的直接因素，脉冲幅度越大，电场强度越
高，反之电场强度越低。由式(1)可以知道，电场强
度增大，水颗粒之间的聚结力也会相应增大。但是
当电场强度增大到一定程度时，会发生电分散现象，
即原油乳状液中的水颗粒在电场的作用下，不是与
周围的水颗粒发生聚结，而是被逐渐拉伸，使水颗粒
变细变长，最后变成2个更小的水颗粒。显然，电分
散对脱水是有害的。脉冲电场不同于传统的正弦波
电场，是方波电场，因此可以选择合适的脉冲幅度，
使其达到足够高的电场强度，又不会导致电分散的
发生。
1．4．2 脉冲宽度
脉冲宽度是指单个脉冲所持续的时间。脉冲宽
度太小，乳状液中的水颗粒没有足够的时间吸收电
场中的能量。脉冲宽度太大，水颗粒虽有足够的时
间吸收电场中的能量，但又容易产生电分散和电击
穿现象。对于不同的乳化液，最适合的脉冲宽度不
尽相同，而脉冲电源可以调节脉冲宽度，因此可以针
对不同的乳化液产生出最适合的电场。
1．4．3脉冲频率
当外加电场的振荡频率与乳化液中水颗粒的固
有振荡频率相等或接近时，就会发生共振现象。此
时，水颗粒振动幅度最大，处于最不稳定状态。其外
表面的油水薄膜易被机械破坏，并与相邻的水颗粒
发生合并，使水颗粒直径变大。同时，由于水颗粒振
动幅度增大，水颗粒间距离相对缩短，使水颗粒间聚
结力变大。
实践证明，高频脉冲电场以其适宜的脉冲幅度、
宽度及频率，提高了电脱水的效率，降低了电能的消
耗，又避免了电击穿现象的发生，相对于其它形式的
电场，具有明显的优势。另外，可针对不同类型的乳
化液调节电场的参数，使其达到最佳脱水效果。
2 电极结构与布局
电场的形成除了与电源有关，还与电极的结构
和布局有关外。合理的结构和布局，不仅可以稳定
电场强度、防止电击穿，更可以提高分离效率。常用
的电极形式大致分为4种。
2．1 水平电极
水平电极为目前国内最常用的电极形式，它的
结构比较简单，工艺也较为成熟，多为2层或3层圾
万方数据
石油化工设备2009年第38卷
板。通电后，极板与极板间形成强电场，极板与接地
罐体间形成弱电场。乳化液进入电脱水器后先经过
弱电场，脱去尺寸较大的水滴，之后进入强电场脱去
尺寸较小的水滴。这种设计保证了乳化液在进入强
电场时。不至由于含水率太高而引起电击穿现象。
但随着聚合物驱油的逐渐推广，含有聚合物的乳化
液电导率增加，且二相间的液膜也更加牢固。这不
仅增加了电脱水的难度，而且增加了水链的形成几
率，使得水平极板结构的电脱水器频频跳电。在乳
化液聚合物含量较高的油田中，部分电脱水器已不
能正常工作。
2．2 竖挂电极
竖挂电极较大规模的使用开始于20世纪70年
代。它针对平板电极电场与重力场间相，易造成跳
电的缺点，延长了水颗粒在电场反应区的停留时间，
减少了对较大水颗粒沉降的阻碍。在竖挂电场中，
水滴运动的不同向性(呈扇形)，使水链形成的长度、
存留的时间较短，形成水平直链的机会较小。因此，
竖挂电场不易被破坏，即使被破坏后也较容易恢复。
虽然竖挂电极具有上述的优点，但其对电极尺寸和
布局的要求较高。如尺寸或布局的设计不合理，就
会导致易跳电、脱出原油不合格等后果。
2．3 鼠笼电极
近年来，出现了一种新型结构的电极，即鼠笼式
电极。它的设计原理是在提高电场强度强化脱水效
率的前提下，尽量避免高含水原油在强电场区造成
电极短路。因此在脱水器底部、原油入口端等高含
水区域采用弱电场布置，而在脱水器顶部、原油出口
端等低含水区域采用强电场布置。同时为了避免脱
水器内部二次返混和上升油流对下降水滴的阻滞作
用，采用侧进侧出的原油进出方式，油水混合物在电
脱水器内水平流动。实验证明。这种设计思路既提
高了原油乳化液脱水效率，又降低了能耗，解决了高
密度、高含水原油脱水面临的难题。
2．4绝缘电极
为了从根本上降低甚至杜绝电击穿几率，出现
了在电极上包覆一层绝缘材料的想法。理论计算证
明，只要绝缘材料满足以下几个条件，就可能达到既
不影响脱水所需电场强度，又不会出现电击穿现象
的目的：①原油乳化液的介电常数在2．O～2．7，因
此所选绝缘材料的介电常数不应小于2．7，最好大
于4。②所选绝缘材料的电导率应比纯净原油的电
导率低几个量级，这样才能保证绝缘的效果。③所
选材料的击穿电压越高，越能杜绝电击穿现象的发
生，同时也降低了对绝缘材料厚度的需求，减少了其
对电场的影响。④在电脱水所需温度内物理和化学
性质稳定，不和原油或其它电解质发生反应。
尽管很多学者对绝缘电极进行了研究，但由于
其对材料和工艺要求极其严格，且绝缘层对电场不
可避免会产生影响，因此至今未见绝缘电极应用于
工业生产的报道。
3 辅助设备
利用其它设备辅助静电力进行原油乳化液脱水
的设计有很多，如离心机、过滤器等。其中关于离心
机的研究最多，且目前已经有油田利用离心机进行
脱水。
在离心机与电脱水器的组合应用中，高压电极
位于离心机的中心，离心机的外壁接地，从而形成了
由圆心指向外、垂直于液体流动方向的电场。离心一
电脱水器结构见图2，原油乳化液注入到分离器后。
沿着圆周旋转。电场的作用是把分散的小水滴聚结
成尺寸合适的大水滴，使其产生的离心力可以实现
油水分离，又不会被离心力撕裂成小水滴。由于水
的密度大于油，因此适宜尺寸的大水滴将移动到分
离器外壁，并从外壁所设管道中脱出。而靠近分离
器中心的油含水率很低，类似绝缘材料。因此有人
提出可以利用离心力代替电极绝缘。但另一种观点
认为这种高速的离心运动所产生的剪切力和混合力
会使乳化液更稳定，即增加了脱水难度。
实验证明，离心机与电脱水器的组合应用可减
少化学药剂的用量，且可用于处理高含水率的原油
乳化液，而效果更是远优于这两种设备单独应用。
分
图2离心一电脱水器结构
利用过滤器提高电脱水效率的设计方案也有报
道，主要是利用化学萃取原理。原油从过滤器的一
侧进入，并通过充满亲水性物质的滤芯，此物质会把
万方数据
第6期肖蕴，等：原油电脱水器技术进展
水从油中萃取出来。同时在过滤器的两侧加装电极
板，使萃取出的小水滴聚结，便于其从预先设置的管
道中排出。
此外，使用微波、超声波等作为辅助手段开展研
究的报道也有很多。
4温度和压力
温度和压力对于原油乳化液电脱水效果的影响
很大口¨。由于膨胀系数不同，加热后原油和水的密
度差变大。另外加热后原油粘度降低。两相间的液
体膜强度变差，更易于破乳，这些都有利于乳化液中
水颗粒的沉降。很多破乳剂也是需要在高温的环境
下才能发挥作用。
压力对电脱水效果的影响很少被提及。但实验
证明。在低于大气压力的条件下。油水分离的速度加
快。据报道，当乳化液处于电场中时，低压条件下水
滴的聚结较高压下快很多，但具体原因不明。另外，
低压与加热共同作用可以进一步促进水滴的聚合和
油水的分离。
除上述方法外，还有很多其它方法可以提高电
脱水效率，如加入化学药剂就可以极大改善原油电
脱水效果。
5 海上油田电脱水器新技术发展方向
海上油田所处环境特殊、油气集输流程短、脱水
效率要求高且外输含水指标高。特别是油田开发过
程中的钻完井作业、修井作业以及酸化作业等增产
措施使大量不同种类的表面活性剂进入油田采出液
中，形成复杂的乳化液，对流程冲击大，增加了脱水
难度，主要表现在电脱水器频繁跳电、外输原油超标
和污水处理困难[121。实际操作中的主要应对措施
是将乳化层作为废油置换出流程。，?
目前中海油在SZ36—1油田开展聚合物驱油，采
出液脱水难度更大[13~1引，因此需要开发新型电脱水
器以解决实际生产过程出现的难题。+考虑到海上油
田的特殊性，针对复杂乳化液特别是注聚采出液，新
型电脱水器必须满足下列条件：①采用新技术解决
电脱水器频繁跳电问题，实现电源连续安全供电，保
证脱水效果。②在保证脱水效果的前提下，采用新
技术节省电能，减少海上油田电站负载，降低油田开
发成本。同时要尽可能降低脱出的含油污水指标，
便于油田采出水净化处理。
基于上述考虑，应主要从两个方向开展研究：①
改进供电方式，优化供电频率和电压。②改进电极
结构，增加绝缘涂层，降低电耗，提高电场强度的利
用率。
6展望
自电脱水器发明以来，人们进行了大量的研究。
世界范围内40 a来大量的现场实践证明，电脱水器
不仅经济性能较好，而且对周围环境影响很小。随
着静电聚结机理研究、电场控制技术及超声波微波
等其它辅助技术的不断进步，电脱水器的性能将进
一步提高，并朝着更小、更快、更节能的方向发展。
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