随着国内外各大主力油田逐步进入高含水甚至特高含水开发阶段,以化学驱(聚合物驱、聚表剂驱、泡沫复合驱以及三元复合驱等)为代表的三次强化采油(EOR)技术被大量使用,使油田采出水的组分变得更为复杂,而且水包油(O/W)型乳化液的比例逐渐提高。针对大庆油田下属某联合站三元复合驱采出水的测试结果表明,污水黏度达到4~6mPa·s,Zeta电位提高到-50mV左右(水驱-10mV左右、聚合物驱-20mV左右),油水乳化液含量提高到80%左右(水驱20%左右、聚合物驱30%~40%)。表面活性剂的存在,使油滴表面的界面膜强度增大,油滴表面被表面活性剂分子包裹,造成油滴之间难以相互聚结。为了有针对性地处理高乳化含油污水,人们先后尝试采用化学破乳、生物破乳、膜分离、电絮凝、微波、超声波、石墨烯等方法或手段。虽然取得了一定效果,但从成本投入、运行费用、设备紧凑性、有无二次污染和副产物等方面衡量,都存在各自的缺点和不足。为此,迫切需要设法强化油水破乳和分离除油环节,进而研制开发新型高效的油田复杂采出水处理技术与设备。

  由于具有能耗低、结构简单、处理速度快等特点,油水乳化液的电场破乳近一个世纪前就开始引起人们的关注,并在石油开采、石油炼制等领域得到了广泛应用。但人们目前熟知的电场破乳技术主要用于连续油相中分散水相的分离去除,如高含水原油等油包水型(W/O型)乳化液的电场脱盐、脱水等处理。国内外大量的理论与实验研究证实,对于连续相为水相、分散相为油相的水包油型乳化液(O/W型)而言,外部电场也能驱动水中油滴的运动碰撞,引起油滴的聚结破乳,从而实现油水分离。本团队在电场破乳、电絮凝除油相关理论、设备、工艺领域开展了积极探索,研究了电场作用下油滴粒径的变化规律,开发了电场耦合斜板电极新结构,加工了相关小试、中试试验设备,正在积极开展现场中试验证研究。

  在外部电场作用下,油滴表面的电荷会根据外部电场方向重新分布,从而降低外部电场方向上的电势梯度。油滴表面电荷的重新分布会引起油滴表面极化,减小静电斥力,降低油滴聚结需要克服的能垒,促进油滴聚结。2016年,李冬青教授等人利用纳米Al2O3颗粒在水中带正电荷的特性,在静电引力作用下,使其粘附在连续水相中的带负电的油滴表面,通过显微观测低压直流电场作用下油滴表面纳米颗粒的移动分布变化,验证了外部电场引起水中油滴表面电荷的迁移和重新分布理论。外部电场除了改变油滴表面电荷的分布状态,还会引发电流体动力学(EHD)效应改变水中油滴运动状态。由于胶体粒子的存在干扰了电极周边的电场分布,产生了油滴表面切线方向的电场分量,从而驱动EHD流体放射状指向胶体内部,相邻胶体粒子相互卷入相关的流场,导致胶体粒子的聚集与聚结的发生。

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  本团队从2016年开始关注高乳化含油污水的低压电场破乳问题,通过文献查阅等途径密切跟踪该领域的研究动态,借鉴电絮凝技术的工作原理,自行设计搭建了静态序批式O/W型乳化液电场破乳预分水可视化实验装置。由“超纯水+煤油+span80乳化剂”配制稳定的高含油浓度O/W型乳化液,未施加电场时呈均匀乳白色。从O/W型乳化液在不同电场作用时间下的破乳分层照片可以看出,锥底量筒内的乳化液电场破乳分水后,从下至上逐渐分为水层、扩散层、乳化层和油层;随着电场作用时间的延长,乳化层不断破乳,而扩散层在电场作用下不断变成水层。在对乳化液理化特性进行量化表征以确保其稳定性相近的基础上,以预分水率为主要评价指标,系统实验研究了电场形式、峰值电压、脉冲频率、占空比及含水率对O/W型乳化液静态破乳预分水特性的影响。

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  本团队搭建了O/W型乳化液动态电场破乳实验装置,采用马尔文激光粒度仪,研究了电场参数对乳化液油滴粒径变化的影响,进一步优化了电场破乳处理油水乳化液的工艺条件,验证了电场破乳的油水分离效果。以乳化液中油滴粒径大于40 μm的油滴体积分数所占百分比(DG40)为评价指标,在最佳电压150V、频率1000Hz、占空比0.5、水力停留时间60s的条件下,含水率为90%的O/W型乳化液经电场破乳处理后,DG40由处理前的0增加到65.62%,电场破乳效果明显。

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  此外,本团队还在传统斜板除油器的基础上,将金属斜板接通外部电源,形成斜板与电絮凝复合除油技术。研究了反应器结构参数、电场参数等因素对除油效率的影响。结果表明,未加电时金属斜板的除油效率为74.1%,向倾斜金属极板施加低压电场后,除油效率提高至97.0%,水中单位质量油的能耗为0.66 kW·h/kg油,综合处理能耗显著低于传统电絮凝技术,为进一步提高传统电絮凝技术的工作效率提供了新思路。

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  在上述研究工作的基础上,本团队与中国石化胜利油田石油工程技术研究院合作,设计加工了15m3/h油田采出水电场破乳中试撬装设备,开展电场破乳处理油田采出水现场中试研究,进一步验证与优化设备的运行参数,为开展油田采出水电场破乳技术应用提供技术支撑。

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项目名称 时间 项目类型
油田采出水电场破乳净化处理技术研究 2020年01月~2022年12月 中国石油化工股份有限公司科研项目(320047)
聚驱采出水旋流电气浮处理关键技术研究 2021年01月~2023年12月 北京市教委科技发展计划面上项目(KM202110017007)
我们发表的文章及申请的专利
1 张雪, 陈家庆, 肖建洪, 等. 低压脉冲电场对高浓度O/W型乳化液破乳特性的影响[J]. 化工进展, 2019, 38(11):4838-4844.
2 Jianlong Hu, Jiaqing Chen, Xue Zhang, et al. Dynamic demulsification of oil-in-water emulsions with electrocoalescence: diameter distribution of oil droplets[J]. Separation and Purification Technology, 2021, 254: 117631.
3 Jianlong Hu, Jiaqing Chen, Fan Liu, et al. Enhancing oil removal from wastewater by combining inclined plate settler and electrocoagulation[J]. Separation Science and Technology, 2022, 57(17): 2824-2835.
4 胡建龙,陈家庆,刘帆. 一种电聚结强化纳米吸附沉淀污水处理方法[P]. 中华人民共和国国家知识产权局,ZL201911017486.9,2019年10月24日申请;2021年12月14日授权公告,CN110713303B.
供拓展阅读的国内外相关文献及专利
1 Ichikawa T, Nakajima Y. Rapid demulsification of dense oil-in-water emulsion by low external electric field: II. Theory[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2004, 242(1-3): 27-37.
2 Ichikawa T. Electrical demulsification of oil-in-water emulsion[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2007, 302(1-3): 581-586.
3 Li M, Li D. Redistribution of mobile surface charges of an oil droplet in water in applied electric field[J]. Advances in Colloid and Interface Science, 2016, 236: 142-151.
4 Vigo C, Ristenpart W. Aggregation and coalescence of oil droplets in water via electrohydrodynamic flows[J]. Langmuir, 2010, 26(13): 10703-10707.
5 Zhang H, Bukosky S, Ristenpart W. Low-voltage electrical demulsification of oily wastewater[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2018, 57(24): 8341-8347.
6 Ren B, Kang Y. Aggregation of oil droplets and demulsification performance of oil-in-water emulsion in bidirectional pulsed electric field[J]. Separation and Purification Technology, 2019, 211: 958-965.
7 Woehl T, Heatley K, Dutcher C, et al. Electrolyte-dependent aggregation of colloidal particles near electrodes in oscillatory electric fields[J]. Langmuir, 2014, 30(17): 4887-4894.