CN110441479A - 一种容器内置式静电聚结器室内动态实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于油田电场破乳脱水技术领域，具体涉及一种容器内置式静电聚结器室内动态实验装置及方法。该装置包括聚焦光束反射测量仪、探测流道、混合泵、剪切乳化机、乳化液供料罐、螺杆自吸泵、第一阀门、第二阀门、入口流量计、高频/高压电源、分离器、静电聚结器、水出口取样阀门、油出口取样阀门、水出口流量计、油出口流量计、第三阀门、高压引入口、水出口和油出口、示波器、分离器入口。所述的乳化液供料罐的内部设有剪切乳化机，外部连接混合泵；所述的探测流道的顶部安装聚焦光束反射测量仪；所述的静电聚结器安装在分离器的内部，通过高压引入口与高频/高压电源相连。利用该装置进行室内动态破乳脱水特性实验，能够快速而简便的筛选出最优运行参数，并评价分离器的分离性能。
Description
技术领域
本发明属于油田高含水采出液的电场破乳脱水技术领域，具体涉及一种容器内置式静电聚结器室内动态实验装置及方法。
背景技术
随着油田进入三次采油阶段，部分油田进入高含水或高含水后期，其含水率甚至达到95％以上，油水乳化程度不断增强且理化特性日益复杂，联合站油气集输处理工艺流程中常规三相分离器的分水效率越来越差，其油出口含水率越来越高，从而直接导致：①后端大部分热能用于加热高含水，造成能源极大浪费；②电脱水器频繁发生垮电场的现象，而不得不长期停用的现象屡见不鲜；③现场采用多级加热、多级沉降进行处理，使得原油处理工艺日渐复杂。因此，无论是从生产管理或者节能降耗的角度出发，针对油井采出液实施尽早的预分水，都是油气集输工作的重中之重。
从技术集成创新的角度来看，为了提高常规三相分离器的油水分离效率，通过将重力场、惯性力场、离心力场以及电场等多种分离模式有机结合，研制开发组合式三相分离器是十分必要的。在多种可能的组合式三相分离器结构中，“重力场+电场”的组合模式，利用电场作用使得各种含水率油水乳化液(W/O型甚至是O/W型)破乳失稳(必要时辅以化学药剂破乳作用)，从而加速重力沉降过程的做法，对于提高三相分离器的适应能力和处理效率来说无疑最具吸引力。因此，基于“绝缘涂层+高频/高压脉冲交流方波电场破乳脱水技术”，研制开发电场强化型三相分离器的动态实验装置。并通过多种测试评价手段，在实验室验证“重力场+电场”一体化设备的适用性及其分离效率，能够为该设备的工业化运用提供一定的理论基础与实验研究。
2014年，长江电脱盐设备有限公司的王洪福等人设计了一种聚驱采油高频电脱盐动态实验模拟实验装置，整套实验装置由原油加热系统、泵、聚合物分散剂罐、等离子电化学氧化罐、交直流电脱盐罐、高频电脱盐罐、集油罐组成。实验开始时，首相将原油放入加热系统中进行加热，随后投入聚合物分散剂，经过等离子电化学氧化罐后计入交直流电脱盐罐、高频电脱盐罐中，从而可以对不同类型的聚合物分散剂、传统交直流和高频电脱盐技术进行对比，解决聚驱原油破乳困难的问题。该动态实验装置的优点是直接采用原油进行实验，可以对不同类型的聚合物分散剂，但存在的问题是测量方法较为单一，且未针对所用电极结构形式和所用电场的种类进行筛选。
2010年，中石油化工股份有限公司的郑俊鹤、刘小辉等人设计发明了一种动态电脱盐脱水试验装置及电脱盐脱水系统。该系统由预热系统、动力泵、混合罐、计量泵、加热炉、电脱盐系统、冷却系统组成。原油预热后依次经过混合器、加热炉、电脱盐系统、随后冷却后回到储油罐。电脱盐系统由4个电脱盐脱水罐并联组成，根据需求，可以更换其内部构件，从而满足原油电脱盐脱水实验。其优点在于，可对比不同种类的电极结构，且可筛选不同流量、温度、压力状态对分离效率的影响。但其缺点在于，电脱盐脱水器结构较工业装置相差较大，且未对所施加的电场种类进行筛选。
2015年，北京石油化工学院的潘泽昊设计发明了一种原油乳化液动态破乳脱水特性评价装置及评价方法。其整体由乳化液供料罐、剪切机、计量泵、破乳盒、乳化液回收罐、破乳剂添加器、高压电源、示波器等组件构成。原油乳化液加热后，通过计量泵的作用流入破乳盒，过程中由破乳剂添加器加入破乳剂，随后在破乳盒内受到高压电场的作用发生破乳分离作用。该装置的优点在于，结构紧凑、原油乳化液用量少、连续流动且破乳盒材质透明，便于观察的特点，但其缺点是由于分离器整体结构仅提供电场破乳作用，而未加入后续重力沉降过程。
有鉴于此，有必要设计一种全新的容器内置式静电聚结器室内动态实验装置，以便在室内动态的条件下，对整体分离器的破乳分离能力进行综合评价。
发明内容
本发明针对现有技术的不足而提供一种容器内置式静电聚结器室内动态实验装置及方法。利用该装置进行室内动态破乳脱水特性实验，能够快速而简便的筛选出最优运行参数，并评价分离器的分离性能。
本发明的目的之一公开了一种容器内置式静电聚结器室内动态实验装置，该装置包括聚焦光束反射测量仪、探测流道、混合泵、剪切乳化机、乳化液供料罐、螺杆自吸泵、第一阀门、第二阀门、入口流量计、高频/高压电源、分离器、静电聚结器、水出口取样阀门、油出口取样阀门、水出口流量计、油出口流量计、第三阀门、高压引入口、水出口和油出口、示波器、分离器入口。
所述的乳化液供料罐的内部设有剪切乳化机，外部连接混合泵；所述的乳化液供料罐与螺杆自吸泵的入口相连，螺杆自吸泵的出口依次连接第二阀门、入口流量计和分离器入口；所述的水出口取样阀门、水出口和水出口流量计依次相连，油出口取样阀门、油出口和油出口流量计依次相连，两者通过三通与探测流道相连，探测流道的出口与乳化液供料罐相连，并由此构成整体闭合回路，探测流道的顶部安装聚焦光束反射测量仪；所述的静电聚结器安装在分离器的内部，通过高压引入口与高频/高压电源相连。
其中，所述的分离器由依次通过螺栓连接的第一不锈钢段、第一有机玻璃段、第二不锈钢段、第二有机玻璃段、第三不锈钢段以及第一油层取样口、第一水层取样口、第二油层取样口、第二水层取样口组成。其中，所述的第一不锈钢段上设置有分离器入口，所述的第一有机玻璃段设置有高压引入口，所述的第二不锈钢段上设有第一油层取样口、第一水层取样口，所述的第三不锈钢段设有第二油层取样口、第二水层取样口以及油出口和水出口。
其中，所述的静电聚结器由高压绝缘电极板、接地金属电极板、高压线、接地线组成。其中高压绝缘电极是由环氧树脂和金属板整体浇注构成，高压线和高压绝缘电极相连，接地金属电极为整体外框架，由低压线引出；接地线与分离器的壳体相连，再由分离器的壳体与高频/高压电源相连。
所述的第一有机玻璃段、第二有机玻璃段和乳化液供料罐均为透明材质，便于对乳化液体系破乳后的重力分离沉降效果进行实时观测。
所述的第二不锈钢段为整流区，所述的第三不锈钢段为沉降区。
所述的实验装置撬装式或便携式的结构。
本发明的另一个目的公开了一种容器内置式静电聚结器室内动态实验的方法，具体包括以下步骤：
(1)将油、水和乳化液放入乳化液供料罐中，打开剪切乳化机和混合泵，使其乳化液形成均匀稳定的乳化液体系；
(2)乳化液体系配置完成后，关闭剪切乳化机和混合泵，打开螺杆自吸泵；打开第二阀门和第二阀门，根据阀门的开度控制流量，当乳化液体系进入分离器之后，调节油出口和水出口的开度，待乳化液体系在装置中稳定流动后，观察聚焦光束反射测量仪实时测量到的粒径分布曲线，根据曲线判断乳化液体系是否达到稳定状态，当乳化液体系达到稳定状态时，调节高频/高压电源的电场参数，并开启其电源，向分离器内部的乳化液体系施加电场参数；
(3)从第一油层取样口、第一水层取样口、第二油层取样口和第二水层取样口分别取样进行分散相水颗粒粒径、乳化液稳定性测量；
(4)结合聚焦光束反射测量仪实时测量到的粒径分布曲线和其它测量仪器对乳化液体系中分散相水颗粒粒径、乳化液稳定性等进行分析表征，从定量的角度评价原油乳化液电场破乳脱水的效果；
(5)加电实验结束后，首先将分离器内部的乳化液体系放回至乳化液供料罐中，重新打开剪切乳化机和混合泵，使得乳化液体系恢复到初始状态，并在聚焦光束反射测量仪实时测量到的粒径分布不再波动时进行下一组实验。
所述的步骤(2)中根据曲线判断乳化液体系是否达到稳定状态，具体步骤如下：根据聚焦光束反射测量仪操作系统软件配套提供的Macro模式下的输出数据作为最终粒径分布统计结果，同时采用二次方加权的方法得到不同时刻的体积平均粒径(Volume meandiameter，VMD值)，当VMD值随着剪切循环时间的延长的波动幅度不超过1μm时，亦即“VMD-剪切循环时间变化曲线”基本呈水平状态，乳化液体系达到了基本稳定状态。
所述步骤(3)中的所有取样口的取样须与电场作用时间相对应，且要求动作迅速，保证所测得的实验数据可靠性。
所述步骤(5)中加电实验结束后，乳化液体系回到乳化液供料罐中，并通过聚焦光束反射测量仪所测得的曲线来判断乳化液体系是否回到初始状态。
本发明与现有技术相比具有如下优点和有益效果：
(1)本发明的高压绝缘电极板表面覆盖绝缘涂层，相比传统电场脱水评价装置中裸露金属电极而言，在处理高含水乳化液时也不会出现垮电场的现象；将静电聚结部分和重力沉降部分放置在同一个分离器内部，结构紧凑高效。
(2)本发明的动态实验装置为闭式动态循环系统，解决了以往室内实验时静态破乳脱水装置得出的实验数据与现场试验试得出的数据差距较大的问题。
(3)本发明的装置可以做成便携式或撬装式的结构，不仅在实验室内进行测试，还可以为工程现场提供及时有效的测试评价服务。
(4)由于本发明的装置运行时所需乳化液体系的体积较少，使得在实验室内针对乳化液进行不同电场参数、工况参数下的分离特性评价或研究成为可能。
(5)利用该装置针对破乳前后和聚结前后分别取样并测量含水率，通过对其分散相颗粒粒径的实时原位测量，以及动力学稳定性指数来进行评价，能够对内置式静电聚结器的分离性能做出科学客观而又快速、全面的评价。
附图说明
图1为本发明的动态实验装置的流程示意图；
图2为本发明的分离器的结构示意图；
图3为静电聚结器的结构示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合图1-3对本发明实施例作进一步地详细描述，容器内置式静电聚结器室内动态实验装置，包括聚焦光束反射测量仪1、探测流道2、混合泵3、剪切乳化机4、乳化液供料罐5、螺杆自吸泵6、第一阀门7、第二阀门8、入口流量计9、高频/高压电源10、分离器11、静电聚结器12、水山口取样阀门13、油出口取样阀门14、水山口流量计15、油出口流量计16、第三阀门17、高压引入口18、水出口19和油出口20、示波器21、分离器入口22。
所述的乳化液供料罐5的内部设有剪切乳化机4，外部连接混合泵3；所述的乳化液供料罐5与螺杆自吸泵6的入口相连，螺杆自吸泵6的出口依次连接第二阀门8、入口流量计9和分离器入口22；所述的水出口取样阀门13、水出口19和水出口流量计15依次相连，油出口取样阀门14、油出口20和油出口流量计16依次相连，两者通过三通与探测流道2相连，探测流道2的出口与乳化液供料罐5相连，并由此构成整体闭合回路，探测流道2的顶部安装聚焦光束反射测量仪1；所述的静电聚结器12安装在分离器11的内部，通过高压引入口18与高频/高压电源10相连。
其中，所述的分离器11由依次通过螺栓连接的第一不锈钢段1103、第一有机玻璃段1101、第二不锈钢段1104、第二有机玻璃段1102、第三不锈钢段1105以及第一油层取样口1106、第一水层取样口1107、第二油层取样口1108、第二水层取样口1109组成。其中，所述的第一不锈钢段1103上设置有分离器入口22，所述的第一有机玻璃段1101设置有高压引入口18，所述的第二不锈钢段1104上设有第一油层取样口1106、第一水层取样口1107，所述的第三不锈钢段1105设有第二油层取样口1108、第二水层取样口1109以及油出口20和水出口19。
其中，所述的静电聚结器12由高压绝缘电极板1201、接地金属电极板1202、高压线1203、接地线1204组成。其中高压绝缘电极1201是由环氧树脂和金属板整体浇注构成，高压线1203和高压绝缘电极1201相连，接地金属电极1202为整体外框架，由低压线引出；接地线1204与分离器11的壳体相连，再由分离器11的壳体与高频/高压电源10相连。
所述的第一有机玻璃段1101、第二有机玻璃段1102和乳化液供料罐5均为透明材质，便于对乳化液体系破乳后的重力分离沉降效果进行实时观测。
所述的第二不锈钢段1104为整流区，所述的第三不锈钢段1105为沉降区。
所述的实验装置撬装式或便携式的结构。
本发明的另一个目的公开了一种容器内置式静电聚结器室内动态实验的方法，具体包括以下步骤：
(1)将油、水和乳化液放入乳化液供料罐5中，打开剪切乳化机4和混合泵3，使其乳化液形成均匀稳定的乳化液体系；
(2)乳化液体系配置完成后，关闭剪切乳化机4和混合泵3，打开螺杆自吸泵6；打开第二阀门7和第二阀门8，根据阀门的开度控制流量，当乳化液体系进入分离器11之后，调节油出口20和水出口19的开度，待乳化液体系在装置中稳定流动后，观察聚焦光束反射测量仪1实时测量到的粒径分布是否逐渐趋于平稳；当其曲线基本无上下波动时，调节高频/高压电源10的电场参数，并开启其电源，向分离器11内部的乳化液体系施加电场参数；
(3)从第一油层取样口1106、第一水层取样口1107、第二油层取样口1108和第二水层取样口1109分别取样进行分散相水颗粒粒径、乳化液稳定性测量；
(4)结合聚焦光束反射测量仪1实时测量到的粒径分布曲线和其它测量仪器对乳化液体系中分散相水颗粒粒径、乳化液稳定性等进行分析表征，从定量的角度评价原油乳化液电场破乳脱水的效果；
(5)加电实验结束后，首先将分离器11内部的乳化液体系放回至乳化液供料罐中，重新打开剪切乳化机4和混合泵3，使得乳化液体系恢复到初始状态，并在聚焦光束反射测量仪1实时测量到的粒径分布不再波动时进行下一组实验。
所述的步骤(2)中根据曲线判断乳化液体系是否达到稳定状态，具体步骤如下：根据聚焦光束反射测量仪操作系统软件配套提供的Macro模式下的输出数据作为最终粒径分布统计结果，同时采用二次方加权的方法得到不同时刻的体积平均粒径(Volume meandiameter，VMD值)，当VMD值随着剪切循环时间的延长的波动幅度不超过1μm时，亦即“VMD-剪切循环时间变化曲线”基本呈水平状态，乳化液体系达到了基本稳定状态。
所述步骤(3)中的所有取样口的取样须与电场作用时间相对应，且要求动作迅速，保证所测得的实验数据可靠性。
所述步骤(5)中加电实验结束后，乳化液体系回到乳化液供料罐5中，并通过聚焦光束反射测量仪1所测得的曲线来判断乳化液体系是否回到初始状态。
本发明的高压绝缘电极板表面覆盖绝缘涂层，相比传统电场脱水评价装置中裸露金属电极而言，在处理高含水乳化液时也不会出现垮电场的现象；本发明的动态实验装置为闭式动态循环系统，解决了以往室内实验时静态破乳脱水装置得出的实验数据与现场试验试得出的数据差距较大的问题；本发明的装置可以做成便携式或撬装式的结构，不仅在实验室内进行测试，还可以为工程现场提供及时有效的测试评价服务；由于本发明的装置运行时所需乳化液体系的体积较少，使得在实验室内针对乳化液进行不同电场参数、工况参数下的分离特性评价或研究成为可能；利用该装置针对破乳前后和聚结前后分别取样并测量含水率，通过对其分散相颗粒粒径的实时原位测量，以及动力学稳定性指数来进行评价，能够对内置式静电聚结器的分离性能做山科学客观、快速而又全面的评价。因此，本发明可广泛地应用污水处理破乳分离效果评价技术领域中。
Claims (9)
1.一种容器内置式静电聚结器室内动态实验装置，该装置包括聚焦光束反射测量仪、探测流道、混合泵、剪切乳化机、乳化液供料罐、螺杆自吸泵、第一阀门、第二阀门、入口流量计、高频/高压电源、分离器、静电聚结器、水出口取样阀门、油出口取样阀门、水出口流量计、油出口流量计、第三阀门、高压引入口、水出口和油出口、示波器、分离器入口；
所述的乳化液供料罐的内部设有剪切乳化机，外部连接混合泵；所述的乳化液供料罐与螺杆自吸泵的入口相连，螺杆自吸泵的出口依次连接第二阀门、入口流量计和分离器入口；所述的水出口取样阀门、水出口和水出口流量计依次相连，油出口取样阀门、油出口和油出口流量计依次相连，两者通过三通与探测流道相连，探测流道的出口与乳化液供料罐相连，并由此构成整体闭合回路，探测流道的顶部安装聚焦光束反射测量仪；所述的静电聚结器安装在分离器的内部，通过高压引入口与高频/高压电源相连。
2.根据权利要求1所述的容器内置式静电聚结器室内动态实验装置，其特征在于，所述的分离器由依次通过螺栓连接的第一不锈钢段、第一有机玻璃段、第二不锈钢段、第二有机玻璃段、第三不锈钢段以及第一油层取样口、第一水层取样口、第二油层取样口、第二水层取样口组成。其中，所述的第一不锈钢段上设置有分离器入口，所述的第一有机玻璃段设置有高压引入口，所述的第二不锈钢段上设有第一油层取样口、第一水层取样口，所述的第三不锈钢段设有第二油层取样口、第二水层取样口以及油出口和水出口。
3.根据权利要求1或2所述的容器内置式静电聚结器室内动态实验装置，其特征在于，所述的静电聚结器由高压绝缘电极板、接地金属电极板、高压线、接地线组成；其中高压绝缘电极是由环氧树脂和金属板整体浇注构成，高压线和高压绝缘电极相连，接地金属电极为整体外框架，由低压线引出；接地线与分离器的壳体相连，再由分离器的壳体与高频/高压电源相连。
4.根据权利要求2所述的容器内置式静电聚结器室内动态实验装置，其特征在于，所述的第一有机玻璃段、第二有机玻璃段和乳化液供料罐均为透明材质，所述的第二不锈钢段为整流区，所述的第三不锈钢段为沉降区。
5.根据权利要求1所述的容器内置式静电聚结器室内动态实验装置，其特征在于，所述的实验装置撬装式或便携式结构。
6.一种容器内置式静电聚结器室内动态实验的方法，其特征在于，所述的方法具体包括以下步骤：
(1)将油、水和乳化液放入乳化液供料罐中，打开剪切乳化机和混合泵，使其乳化液形成均匀稳定的乳化液体系；
(2)乳化液体系配置完成后，关闭剪切乳化机和混合泵，打开螺杆自吸泵；打开第二阀门和第二阀门，根据阀门的开度控制流量，当乳化液体系进入分离器之后，调节油出口和水出口的开度，待乳化液体系在装置中稳定流动后，观察聚焦光束反射测量仪实时测量到的粒径分布是否逐渐趋于平稳；当其曲线基本无上下波动时，调节高频/高压电源的电场参数，并开启其电源，向分离器内部的乳化液体系施加电场参数；
(3)从第一油层取样口、第一水层取样口、第二油层取样口和第二水层取样口分别取样进行分散相水颗粒粒径、乳化液稳定性测量；
(4)结合聚焦光束反射测量仪实时测量到的粒径分布曲线和其它测量仪器对乳化液体系中分散相水颗粒粒径、乳化液稳定性等进行分析表征，从定量的角度评价原油乳化液电场破乳脱水的效果；
(5)加电实验结束后，首先将分离器内部的乳化液体系放回至乳化液供料罐中，重新打开剪切乳化机和混合泵，使得乳化液体系恢复到初始状态，并在聚焦光束反射测量仪实时测量到的粒径分布不再波动时进行下一组实验。
7.根据权利要求6所述的容器内置式静电聚结器室内动态实验方法，其特征在于，所述步骤(2)中的根据曲线判断乳化液体系是否达到稳定状态，具体步骤如下：根据聚焦光束反射测量仪操作系统软件配套提供的Macro模式下的输出数据作为最终粒径分布统计结果，同时采用二次方加权的方法得到不同时刻的体积平均粒径(VMD值)，当VMD值随着剪切循环时间的延长的波动幅度不超过1μm时，亦即“VMD-剪切循环时间变化曲线”基本呈水平状态，乳化液体系达到了基本稳定状态。
8.根据权利要求6所述的容器内置式静电聚结器室内动态实验方法，其特征在于，所述步骤(3)中的所有取样口的取样须与电场作用时间相对应，且要求动作迅速，保证所测得的实验数据可靠性。
9.根据权利要求6所述的容器内置式静电聚结器室内动态实验方法，其特征在于，所述步骤(5)中加电实验结束后，乳化液体系回到乳化液供料罐中，并通过聚焦光束反射测量仪所测得的曲线来判断乳化液体系是否回到初始状态。
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