簧片哨式機(jī)械超聲波發(fā)生器在原油破乳脫水中的應(yīng)用

董 莘,郝 銘,趙寒濤*,吳文凱,李 麒

(1.黑龍江省科學(xué)院智能制造研究所,哈爾濱 150090; 2.大慶油田第六采油廠工藝研究所,黑龍江 大慶 163114)

1 油田采出液破乳脫水

目前國內(nèi)油田多數(shù)已完成一次采油,正在進(jìn)行二次采油,并逐漸步入三次采油階段。在二采和三采過程中,為保證采收率,需向地下注入水、氣體、化學(xué)聚合物、熱量、泡沫及微生物(后幾種方式也有人稱為四次采油或五次采油),這使得油田進(jìn)入高含水開發(fā)期,開采出的油液多為含水率極高的乳化原油。原油含水率過高會降低運(yùn)輸效率,造成不必要的能源浪費(fèi),還會造成煉化設(shè)備的腐蝕及損壞[1]。

隨著三次采油規(guī)模的不斷擴(kuò)大,油-水乳化問題日趨嚴(yán)重,采出液多為水包油乳狀液或水包油與油包水交替出現(xiàn)的復(fù)雜乳狀液[2]。研究表明,原油之所以能形成油包水或水包油穩(wěn)定的乳化液,除了由于地下含有一定量的天然乳化劑外,更多是來自于人為注入的各種化合物,這些具有乳化作用的化合物會在油與水的分界面上形成液面膜,再對一種液體形成包裹并穩(wěn)定分散存在于另外一種液體中,進(jìn)而形成乳化液[3]。

乳狀液在熱力學(xué)上屬于不穩(wěn)定體系,只能依靠乳化劑維持相對穩(wěn)定,在經(jīng)過足夠長的時間后,處于兩相液體交界位置的乳化界面膜會逐漸開始破裂,分散相從分散介質(zhì)中緩慢聚攏,最終達(dá)到兩相分離的平衡狀態(tài),即破乳。原油乳狀液的破壞通常要經(jīng)歷分層、絮凝、變型、聚結(jié)、分層等過程,其中絮凝過程是可逆的,而聚結(jié)過程是不可逆的[5]。但在無外接干預(yù)的情況下,自然破乳過程需要數(shù)小時到幾十天不等,效率過低,難以滿足實(shí)際需要,因此在生產(chǎn)中通常采用物理、電、化學(xué)等方法實(shí)現(xiàn)快速破乳。

圖1 乳化液的轉(zhuǎn)化形式[4]Fig.1 Transformation form of the emulsion[4]

圖2 聯(lián)合站脫水工藝流程[5]Fig.2 Dehydration process of joint station[5]

在油田生產(chǎn)中,通常在聯(lián)合站內(nèi)采用電化學(xué)聯(lián)合破乳方式實(shí)現(xiàn)油水分離。該方法是在油水混合液中加入破乳劑,進(jìn)行升溫、攪拌,促進(jìn)乳化液破乳將水釋放出來,再利用脫水器實(shí)現(xiàn)油水分離。但采出油液乳化界面膜強(qiáng)度較高,乳狀液非常穩(wěn)定,單獨(dú)采用破乳劑難以達(dá)到滿意的破乳效果,導(dǎo)致采出液處理難度及成本增加。若采取化學(xué)藥劑+超聲輻照的聯(lián)合破乳方式,利用超聲震動提升破乳劑的分散混合程度,則可將油液脫水率提高至70%～90%,如果還能進(jìn)一步提高破乳時的油液溫度,降低油液黏度,提高流動性,則油液脫水率能達(dá)到95%以上[6]。

1-油井; 2-計(jì)量站; 3-計(jì)量分離器; 4-油氣分離器; 5-含水油罐; 6-脫水泵; 7-加熱爐; 8-電脫水器; 9-不含水油罐; 10-外輸泵; 11-輸油管線; 12-天然氣圖3 聯(lián)合站脫水流程Fig.3 Joint station dewatering process

2 超聲破乳脫水

超聲波脫水技術(shù)具有能耗低、對原油無污染、清潔高效等特點(diǎn)。超聲波在傳播過程中會引起所處介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動,雖然質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動速度和位移很小,但質(zhì)點(diǎn)加速度卻與震動頻率的平方成正比,其瞬時加速度是重力加速度的數(shù)萬倍,在質(zhì)點(diǎn)附近產(chǎn)生局部的壓縮與伸張,進(jìn)而引發(fā)空化作用?？栈饔每稍诰植慨a(chǎn)生高溫、高壓,伴隨生成瞬時100～200 m/s的微射流,在乳化界面形成劇烈攪拌效應(yīng),突破層流邊界限制,實(shí)現(xiàn)物之間的分散與傳遞。除空化作用產(chǎn)生的熱量外,超聲震動過程中液體分子間摩擦也會產(chǎn)生一定的熱量,由此產(chǎn)生的溫升不僅會降低原油的黏度,還有利于乳化界面破裂,加速油-水重力沉降分離,為黏度較高的稠油乳化油脫水提供有效途徑。

圖4 空化泡的形成及爆裂崩潰Fig.4 Formation and bursting collapse of cavitation bubble

目前主流的超聲波發(fā)生器按換能方式分為壓電式、磁致伸縮式、機(jī)械式,其中壓電式和磁致伸縮式均屬于電聲型超聲波發(fā)生器,需要先產(chǎn)生高頻電信號,再通過換能器將高頻電信號轉(zhuǎn)化為振動。電聲型可通過調(diào)節(jié)電信號直接調(diào)整振動頻率及發(fā)聲功率,但這類超聲波發(fā)生器轉(zhuǎn)化效率較低,在大規(guī)模生產(chǎn)過程中損失的能量較多。機(jī)械類超聲波發(fā)生器通常為流體動力式,利用高壓流體做動力迫使物體振動產(chǎn)生超聲波,通過改變流體速度來調(diào)整振動,雖然難以精準(zhǔn)調(diào)節(jié)振動頻率,但能量轉(zhuǎn)化更直接,輸出功率更大。

在對油田采出液進(jìn)行破乳脫水方面,機(jī)械型超聲波發(fā)生器轉(zhuǎn)化效率高,功率大,在流動沖擊發(fā)聲的同時還能促進(jìn)破乳劑與溶液混合,提高破乳效率,因此機(jī)械型超聲波發(fā)生器比電聲型超聲波發(fā)生器更具優(yōu)勢。

3 機(jī)械型超聲波發(fā)生器

機(jī)械型超聲波發(fā)生器是一種利用高速流體來產(chǎn)生超聲的裝置,結(jié)構(gòu)簡單,操作簡便,造價(jià)低廉,處理量大,經(jīng)久耐用,非常適合在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用。采用流體為動力的機(jī)械式發(fā)生器,按照驅(qū)動介質(zhì)類型可分為三類:利用氣體為驅(qū)動介質(zhì)的氣流式(如哈托曼哨、旋笛),利用液體為驅(qū)動介質(zhì)的液流式(如簧片哨),既可以使用氣體也可以使用液體的氣液式(如漩渦哨、圓板哨)[7]。

氣流式-哈托曼哨。哈托曼哨(Hartmann哨)是由J.Hartmann于1919年改進(jìn)研發(fā)的一種共振腔哨,采用一種平底的圓柱形共振腔,該共振腔會與一個相同直徑的氣體噴嘴正對,當(dāng)噴嘴與圓柱形共振腔距離合適時,噴嘴中射出的高速氣流便會在腔體內(nèi)產(chǎn)生周期性振動[8]。

圖5 哈托曼哨結(jié)構(gòu)原理Fig.5 Hartoman whistle structure principle

液流式-簧片哨。簧片哨是利用液體射流來沖擊簧片從而激發(fā)簧片往復(fù)振動發(fā)聲的一種液哨,由于液體與簧片存在多次諧頻,當(dāng)射流液體與簧片頻率基諧吻合時,振動強(qiáng)度最高。這是由R.Pohlman與W.Janovsky于1948年發(fā)明的,也被稱作Pohlman-Janovsky哨。

氣液流式-圓板哨。圓板哨主要由射流噴口、圓形振動膜板、共振腔組成,利用氣體或液體射流沖擊圓形薄板振動發(fā)聲,是機(jī)械式流體動力器中唯一能把射流與聲波分開的裝置。圓板哨的換能效率較高,使用空氣為介質(zhì)時,振動聲強(qiáng)可達(dá)170 dB,使用水為介質(zhì)時,振動聲強(qiáng)也能達(dá)到120 dB。

圖6 簧片哨結(jié)構(gòu)原理Fig.6 Principle of reed-whistle structure

1-射流噴口; 2-射流介質(zhì); 3-張力壓緊環(huán), 4-絲杠; 5-共振腔調(diào)整手輪; 6-共振腔底板, 7-共振腔調(diào)整板; 8-共振腔; 9-膜板固定架; 10-圓形振動膜板圖7 圓板哨原理Fig.7 Round plate whistle principle

4 簧片哨式機(jī)械超聲波發(fā)生器

簧片哨主要由輸入管、噴口、簧片、共振腔、輸出管等組成,在工作時高壓流體經(jīng)輸入管流入,再從噴口中以射流的方式連續(xù)噴出,撞擊在位于噴口前方的簧片上,射流在撞擊到簧片后會被簧片打散,而簧片會在射流的沖擊下往復(fù)震動。簧片與射流液體都具有固有頻率,它們各自的固有頻率都存在多次諧頻,通過改變液流噴射速度、調(diào)整簧片的震動長度,令射流液片的固有頻率與簧片的固有頻率重合,簧片哨就會產(chǎn)生共振并將聲波向周圍介質(zhì)輻射。

1-輸入管; 2-噴口; 3-簧片; 4-共振腔; 5-輸出管圖8 簧片哨式超聲波發(fā)生器結(jié)構(gòu)原理Fig.8 Structure principle of reed-whistle ultrasonic generator

此外,射流沖擊簧片迫使簧片振動的過程會起到震蕩攪拌的作用,促進(jìn)共振腔內(nèi)的流體混合均化。在原油采出液破乳脫水的過程中,需要將破乳劑與油水混合物充分混合,以便破乳劑與位于油水交界面的乳化劑發(fā)生接觸反應(yīng),實(shí)現(xiàn)破乳。在眾多機(jī)械類的超聲波發(fā)生器中,簧片哨更適用于破乳工藝。

5 簧片哨在破乳方面的應(yīng)用

在實(shí)際生產(chǎn)中,原油采出液經(jīng)初步的脫水及加熱后進(jìn)入超聲脫水器,油水混合物被水泵加壓后進(jìn)入簧片哨的輸入管,由于簧片哨的噴口為一條窄縫,故射流以液片的方式撞擊在簧片的尖端,并在簧片尖端處發(fā)生分離。當(dāng)射流液片高速撞擊簧片時,簧片會在液片的沖擊下發(fā)生彎曲偏移,此時簧片的弦線與射流形成一定的仰角,使后續(xù)撞擊在劈尖上的射流被不均勻地分割在簧片兩側(cè)[9],造成簧片兩側(cè)受到的液流壓力不同,促使簧片的彎曲程度進(jìn)一步增加?；善话悴捎脧椥暂^好的金屬薄板制成,當(dāng)彎曲到一定程度后會在自身彈性的作用下開始恢復(fù),而簧片運(yùn)動會改變液片的流動方向,最終形成液片擺動,激起簧片振動,簧片振動又影響液片擺動,二者相互影響,形成互為反饋控制。

研究發(fā)現(xiàn),影響簧片哨振動頻率的參數(shù)包括流體密度、射流速度、噴口窄縫的寬度、簧片與噴口的間距、簧片的有效振動長度。在使用過程中,流體密度由原油采出液的密度決定,而簧片哨已經(jīng)制造完成,噴口尺寸參數(shù)與簧片及噴口間距很難改變,能夠調(diào)整的只有簧片的有效振動長度及射流速度。若要改變簧片的振動長度,需要對簧片哨進(jìn)行拆卸,根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測情況對簧片振動長度進(jìn)行調(diào)整,該操作過程比較繁瑣,對技術(shù)人員要求較高,而改變射流速度相對容易很多。噴口處射流速度由簧片哨輸入管內(nèi)的壓力決定,通過調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速或調(diào)節(jié)控制閥的開度完成油水混合液的壓力供給。研究表明,在常用的壓力范圍內(nèi)(0～2 MPa),隨著供給壓力的增加,簧片起振擺動幅度越小,達(dá)到穩(wěn)定振動的時間越短,在達(dá)到穩(wěn)定振動后,簧片振動幅度與振動頻率都會隨著供給壓力的增大而逐漸增加[10-11]。

振動聲強(qiáng)、振動頻率、加熱溫度是影響原油脫水的重要因素。當(dāng)簧片哨的震動頻率為21～41 kHz、聲強(qiáng)為0～1.2 W/cm2、采出液的加熱溫度為60 ℃～70 ℃時,原油的超聲破乳效果最好。采取固定某一頻率再逐漸增大聲強(qiáng)的方式測試破乳脫水效果,經(jīng)測試發(fā)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)選用的幾種原油空化閾值為0.66～0.83 W/cm2,低于此范圍的乳化原油為破乳脫水狀態(tài),而超過此范圍則會促進(jìn)原油乳化。乳化液中分散粒子在聲波作用下產(chǎn)生凝聚的最佳頻率約為21～25 kHz,當(dāng)震動頻率超過30 kHz后,原油脫水效率反而開始明顯下降,因此超聲破乳的震動頻率及震動強(qiáng)度都應(yīng)控制在一定區(qū)間內(nèi),低于此范圍得不到較好的破乳效果,而超過此范圍則會造成油液的再次乳化。由于原油中含有的無機(jī)鹽易溶于水,脫鹽伴隨著脫水的同時進(jìn)行,因此超聲破乳可以有效降低原油的含鹽量,大幅度降低后續(xù)電脫鹽設(shè)備的工作負(fù)荷。

6 結(jié)束語

雖然目前使用簧片哨進(jìn)行超聲破乳還是以理論研究為主,但簧片哨結(jié)構(gòu)簡單,發(fā)聲功率大,處理能力強(qiáng),特有的射流沖擊振動發(fā)聲方式有利于化學(xué)破乳劑與原油采出液的充分混合,有助于提高破乳劑工作效率,削減破乳劑用量,起到節(jié)能增效的作用,在油田生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景。