摘要本文分析了各种稠油脱水工艺的原理及其应用现状，并对目前普遍应用的热化学沉降脱水工艺，提出了以净化油替代高含水油做为换热介质以改善换热效果，节省脱水费用的思路。
关键词：稠油，脱水，分析，工艺
1.稠油性质
稠油轻馏分含量少，而胶质、沥青质含量高，且硫、氧、氮、等元素和镍、钒等金属元素含量也高。稠油中存在的胶质、沥青质为高分子表面活性物质,是天然的、高性能的油水乳化剂。在油田开发和油气集输过程中,油、水、乳化剂三者共聚一体,在油井井筒、油嘴、管道、阀件和机泵中充分接触混合(特别是在油田伴生气的参与下,其搅拌更为激烈),沥青质、胶质等界面活性物质吸附在乳化液的油水界面,形成牢固的界面膜,从而形成稳定的W/O型乳化液,而且,胶质、沥青质、蜡含量越高,W/O型乳化液越稳定。同时由于稠油的比重大,与水的密度差较小,稠油的黏度高,水滴沉降聚集速度慢。因此,稠油的脱水具有较大的技术难题。
2.几种稠油脱水方法的原理及应用分析
2.1热化学脱水
2.1.1原理
热化学沉降脱水是将含水原油加热到一定的温度，并在原油中加入适量的原油破乳剂。这种药剂能够吸附在油水界面膜上，降低油水界面膜的表面张力，从而破坏乳状液的稳定性，改变乳状液的类型，同时利用油水的密度差，达到油水分离的目的。
2.1.2应用分析
沉降分离是原油脱水最简单、最基础的工艺过程，任何一种脱水工艺都包含有沉降分离过程。但是由于稠油乳状液破乳困难，使得热化学沉降脱水温度高，脱水时间长，破乳剂用量大，原油脱水成本较高。
2.2热化学与电脱脱水
2.2.1原理
在交流或高频电场中，乳化液中的水珠发生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，上述形式的聚结都存在；各种聚结的结果，原油乳化液被破坏，水珠相互合并，粒径变大，并自原油中沉降分离出水。
2.2.2应用分析
当稠油靠热化学脱水方法不能达到商品原油含水率的规定时，常使用电脱水作为脱水工艺的最后环节。与热化学脱水相比，电脱水工艺的能耗更大，因为电脱工艺在消耗大量电能的同时，对稠油电脱水温度要求很高，例如埕北油田B平台的稠油电脱水温度为129℃，而绥中36-1油田A区的稠油电脱水温度高达130℃。
2.3超声波脱水
2.3.1原理
超声波脱水主要是利用了超声波的空化作用。超声波作用于稠油时,会激活稠油中的微小气泡核。气泡核振荡、崩溃，产生高温高压,并伴随强烈的冲击波和射流,从而改变了稠油内部结构中的蜡、胶质和沥青质高分子聚合物,使长链石蜡烃分子、沥青质分子断裂,相对分子质量减小,从而降低了稠油粘度，有利于稠油的脱水。
3.2应用分析
王鸿膺利用超声波对河口稠油的试验室内脱水研究表明其脱水率可以达到93.7％。利用超声波脱水可以大幅度降低脱水时间，沉降时间不超过3h，提高了脱水效率。目前还没有大规模现场应用的先例。
2.4磁化脱水
2.4.1原理
在外磁场的作用下,磁化作用破坏了稠油各烃类分子间的作用力,分子通过自身内振荡而受到磁感应共振,从而使分子振动增强和分子间相互作用减弱,导致分子的聚集状态发生改变,使分子间的聚合力减弱,其中的胶质和沥青质以分散相而非缔结相溶解在稠油中,从而使稠油的粘度降低,有利于原油的脱水。
2.4.2应用分析
磁化脱水效果受油品性质、磁化强度、磁化时间的影响比较大，效果不够稳定。另外，磁化脱水只能做为辅助脱水手段。
2.5微波脱水
2.5.1原理
目前对微波破乳脱水的机理还没有统一的认识，有一种理论认为，由于稠油各组分的介电性质和热学性质的显著差异，微波加热的选择性造成了加热过程中的局部热点的产生，出现过热现象。加热过程中，沥青质胶粒的温度远远高于油分的温度，这个温度达到了沥青质、胶质的热解温度，使其发生了热解反应，从而使稠油中的饱和烃、芳香烃的含量有所增加。
2.5.2应用分析
有人曾分别对辽河、大港、胜利、吐哈四个地方的稠油进行微波破乳研究，研究结论认为微波加热含水稠油效率高、速度快，微波加热后稠油的粘度发生了不可逆的变化。但是目前还没有大规模现场应用的先例。
2.6低频电脉冲脱水
2.6.1原理
脉冲放电在液体中激发产生高强度的低频脉冲振动波。脉冲波在液体中传播时,引起液体的密度变化,形成一些类似于真空的子空穴。空穴内部在崩溃过程中产生局部高温,稠油的分子结构在空化作用和剪切应力的作用下遭到破坏,从而降低了稠油的粘度。
2.6.2应用分析
目前还没有大规模现场应用的先例
2.7微生物脱水
2.7.1原理
某些微生物通过消耗表面活性剂得以生长，并对乳化剂起生物变构作用致使乳状液破坏；另外，有些微生物在代谢过程中分泌出一些具有表面活性的代谢产物，这类天然的表面活性剂，对原油乳状液是良好的破乳剂。
2.7.2应用分析
微生物脱水给污水处理带来了难度，微生物进入地层有可能引起底层的堵塞。目前还没有大规模现场应用的先例。
相对于热化学沉降脱水、热化学与电脱脱水等传统的稠油脱水方法来说，超声波脱水、磁化脱水、微波脱水、低频电脉冲脱水、微生物脱水等新的脱水方法具有成本较低、效果较好、无污染等特点，但是由于其作用原理尚未得到充分的认识,其动力学机理和数学模型的建立尚不成熟,主要采取经验公式和实验现象对问题进行处理,同时操作参数和应用条件有待进一步优化，其真正推广到实际生产还有许多问题需要进一步探讨与解决。因此，目前，各大油田主要是以热化学脱水、热化学与电脱脱水等传统的稠油脱水方法为主。相对于热化学脱水来说，电脱脱水又具有能耗高，运行不稳定等缺点，因此，热化学沉降是国内外普遍采用的稠油脱水方法之一。研究热化学脱水，改善其脱水效果，减少其能量消耗，有着显著的现实意义。
设计规范中规定，稠油脱水工艺应根据原油性质，含水率及乳化程度，破乳剂性能，通过实验和经济对比来确定适合的脱水方式。
3.稠油热化学沉降脱水试验
本文以坨82地区的稠油为例进行了室内脱水实验，并将几种脱水方式进行了对比和分析，最终确定出较好的脱水方式。
3.1破乳剂型号对脱水的影响
破乳剂是影响超稠油脱水效果的最主要因素,优质的破乳剂应具有表面活性强、润湿渗透性好、絮凝力强、聚结力大、脱水效率高、用量少、价格便宜及不影响原油质量、不引起管道和设备腐蚀结垢等优点。我们对不同型号破乳剂的脱水效果进行了试验。试样取100ml原油乳状液，含水21%，加药量：100ppm，脱水温度55℃。
3.2破乳剂用量对脱水的影响
表3.2破乳剂3010脱水效果试验数据(脱水温度60℃)
图3.1含水率随破乳剂用量变化的曲线
由图3.1可以看出，在相同的破乳剂的用量下，随着脱水时间的增加，稠油脱水率增加。
3.3温度对脱水的影响
加热的目的是降低稠油粘度，以加速沉降速度，缩短沉降时间。另外，加热还能增加系统能量，加快热运动和水滴运动，增加水滴之间的碰撞次数，从而促进聚集，提高脱水效果。
随着温度升高，脱水率明显提高。这是因为加热降低了原油粘度，改变油水密度差。降低粘度可以减小水珠在原油中移动时的摩擦力，对水珠的聚结和油水重力沉降分离很有利。另外由于原油与水的膨胀系数不同，经过加热二者的密度差增加，油水的沉降分离速度会提高。同时加热降低了乳化膜的机械强度，有利于提高脱水效率。
由图3.2可以看出，温度在70℃和80℃时，90分钟后的脱水率均为97.8%。因此可以认为，70℃是坨82稠油的最佳脱水温度。
3.4粘度对脱水的影响
随着粘度的降低，相同时间内，脱水率逐渐增加，因此在稠油中掺入稀油，降低原油的粘度可以改善稠油的脱水效果。降低粘度可以减小水珠在原油中移动时的摩擦力，对水珠的聚结和油水重力沉降分离很有利。
3.4、时间对脱水的影响
从上面几组数据和图表都可以看出，随着脱水时间的延长，稠油脱水率提高。这是因为油水乳状液与破乳剂经过充分接触混合，实现了化学破乳以后，需要在一定容积的沉降设备中进行沉降分离，使油水依靠密度差分离成层，由于油水的密度差较小，分离速度较慢，故需要有足够地沉降分离的空间和时间来保证分离效果。
3.5分析
通过以上分析可以得出结论，破乳剂型号、破乳剂用量、稠油的粘度、脱水时间、脱水温度均对稠油的脱水有着重要的影响。在这几个因素中，稠油的粘度受到稠油性质的影响，掺入稀油，受到稀油产量的影响，另外，掺入过多的稀油也会导致脱水过程中，燃料消耗及电力消耗的增加，脱水时间的减少。就目前国内使用的稠油破乳剂而言，均存在着低温性能差，破乳剂用量大，价格昂贵等缺点，例如，对江桥稠油加入150mg/L的H012破乳剂，80℃下处理48小时，油中含水为5%，85℃下处理44小时，脱水率可以达到0.96%。脱水时间受到油罐处理能力的影响，另外延长脱水时间，会增加热量的散发损耗，增加燃料的消耗。因此，提高脱水温度，是目前大家普遍采用的做法。在提高温度的过程中，如何减少燃料油消耗，如何减少热量损失，是必须考虑的问题。
4.热化学脱水的改进
4.1一般的热化学脱水工艺
为了提升稠油的脱水温度，在热化学脱水工艺中，一般在二级沉降罐对稠油进行循环加热脱水。
相对于模式一来说，模式二节省了一台脱水泵，电力消耗有所降低，但是这两种模式都存在一个问题，二级罐的进泵口一般都在1.5m至3m之间（为了增加罐的有效容量）由于油轻水重，水以及高含水油处于罐的底部，进入脱水泵的水分比较多，胜利工程设计咨询有限公司的郭长会工程师的一篇关于分离器研制的文章中指出，如果将被加热原油的含水由80%降低到30%，加热炉的热负荷可以降低约80%。热量的浪费主要由于被加热介质含水高，水吸收并带走了大量的热量造成。水的平均比热容为4.2kJ/(kg*K),原油的平均比热容为2.1kJ/(kg*K)，把1kg的水提高1℃要比把1kg的油提高1℃多吸收一倍的热量，为了保持水位高度，不断的打底水，又使得热量被水带走。
4.2改进后的热化学脱水工艺
4.2.1比热容和加热炉出口温度的关系。
由加热炉的热负荷Q=GC（T2-T1）
得
Q——热负荷
C——比热容
G——单位时间加热的液量
T2——加热炉出口温度
T1——加热炉进口温度
图4.1比热容和加热炉出口温度的关系
由图4.1可以看出，被加热介质的比热越大，加热炉出口的温度越小，即被加热介质含水越低，加热炉出口温度越高。因此，以净化油作为换热介质便可以解决这一个问题。
4.2.2以净化油作为换热介质的应用
现场应用的方法是把脱水泵的进口改在净化油罐上。
这种工艺把二级罐和净化油罐整体做为一个换热器，以净化油做为换热介质，被加热后进入二级罐，提高二级罐油层的温度，使稠油在二级罐内脱水，脱水后的稠油溢流进入净化油罐，同时提高净化油罐的温度，实现三次沉降脱水。
