自2007年以来，本团队结合当前高含水油田油井采出液“油水分离→原油脱水”处理或炼油厂原油脱盐处理环节所面临的难点需求，围绕全数字控制高频/高压脉冲交流电源、外置式紧凑型静电预聚结技术、电场强化型三相分离器技术、紧凑型静电分离器技术开展了一系列卓有成效的应用基础研究、技术创新和产品开发工作。

　　1.原油电脱水（盐）用高频/高压脉冲方波交流电源

　　（1）工程背景

　　随着全球重油油藏开采量的不断增大以及三次强化采油（EOR）技术的不断推广应用，原油重质化、劣质化趋势的不断加重，具体表现在油水密度差减小、原油乳化程度严重以及导电性增强，常规工频/高压电源往往会因在脱水器内部电极之间频繁发生短路而出现“跨电场”或跳闸现象，严重影响产品质量以及生产过程的正常进行，需要研制开发更为有效的脱水电源。原美国Cameron集团的研究表明，即便不对电脱水器进行任何内部结构上的改进，仅仅更换使用高频/高压脉冲交流电源，就能取得良好的处理效果，该公司目前已推出了双频(Dual Frequency)电源并得到了工业化应用。虽然国内自20世纪90年代以来开始关注原油脱水（盐）电源的高频化问题，也进行了大量积极探索或尝试，但受限于高频电源研发力量不足或应用基础研究工作薄弱等原因，迄今仍然未能进入大规模工业化应用的阶段。

　　（2）应用基础研究

　　包括W/O型原油乳化液在内的任何电介质都存在其固有的击穿伏秒特性曲线，当外加电压(电场)时间超过该电压下临界击穿时间时电介质会发生短路击穿，电场消失后短路会消失。通过调整高频脉冲的频率和占空比(脉冲宽度)，使高频脉冲的输出时间(脉冲宽度)小于原油乳化液在电极间形成短路击穿所需的时间，高频脉冲的间隔时间大于短路消失时间。也就是说，在乳化液短路击穿形成之前，高频脉冲就消失；乳化液短路消失，绝缘特性恢复后再发下一个脉冲。因此，利用高频脉冲的特性既可在电极间加较高的电场，又可避免形成短路击穿现象，从而解决复杂原油乳化液的脱水(盐)难题。

　　为了证明对于原油乳化液(W/O型乳化液)的电场破乳而言，高频/高压脉冲交流电场优于常规工频/高压交流电场，本团队本着静态与动态相结合、微观与宏观相结合、理论与实验相结合、室内与实际相结合的“四结合”思想，开展了大量的应用基础研究。采用（或建立）的评价指标包括：脱水率、油层含水率、流变性、稳定性(TSI)、粒径分布等；涉及的研究尺度包括微观、介观（“瓶试级”，乳化液用量150ml以下）、宏观三个尺度。例如，首次在国内建立了借助法国Formulaction公司Turbiscan LAB多重光散射仪筛选原油乳化液电脱水最优电场频率的研究方法，采用稳定动力学参数(Turbiscan Stability Index，TSI)定量表示乳化液的稳定性。

　　（3）产品开发工作

　　2008-2009年，本团队曾委托某高校定制提供“矩形波交流脉冲原油脱水电源”，使用过程中暴露了不少问题。随后开始自主研发，历经三代后基本定型，目前的主要技术规格为：输出电压20kV连续可调、输出频率500Hz～5kHz连续可调、输出电流5A；前级调压采用非隔离型DC/DC降压方式，采用三相AC380V交流输入或DC540V输入，电能转换效率可达94%以上。为了适应现场安全管理要求，2012年9月通过了国家防爆电气质量监督检验中心的防爆认证。

　　自主研制开发的高频/高压脉冲方波交流电源于2015年11月在山东京博石化东区常减压车间成功进行了工业侧线试验，处理对象为重质渣油。结果表明：①在各种流量和进油方式下，高频电源的电脱盐效果不仅优于“背对背”工频电源，而且优于在役电脱盐罐的脱盐效果；②高频电源在40m³/h和单进油方式下的电脱盐率达92.48%，远高于同期间在役2#电脱罐(电脱盐率81.29%)，水力停留时间还缩短一半以上(0.7h)、操作温度下降12℃以上。

　　2018年5月，开始为在山东京博石化制造两台高频/高压脉冲方波交流原油脱水电源，分别将其接入沥青装置第一级170m³电脱盐罐的上部和下部电场，保留原有工频/高压供电装置的备用状态。2018年11月运行投产结果表明，圆满完成合同规定，同等操作条件下脱盐率提高20%以上，一级脱后平均含盐量小于14mg/L。山东京博石化对运行效果非常满意，决定对沥青装置第一级电脱盐全部进行改造。2019年2月对接第一级电脱盐的2#罐、3#罐改造方案，2019年7月完成改造投用，2019年8月调试完成并正常运行，投产结果表明，圆满完成合同规定。

　　2.紧凑型静电预聚结技术

　　在常规电脱水器中，原油从罐底进入，整体呈自下而上的漫流态势，在此过程中受电场作用而聚结长大的分散相水颗粒开始发生逆流重力沉降。为了保证重力沉降过程的顺利进行，应该尽量保持电脱水器内的层流流态，因此常规电脱水器的容积较大、处理效率难以进一步提高。基于对适当湍流能够促进分散相水颗粒碰撞、有利于聚结等问题的全面认识，西方发达国家的研究人员打破数十年来常规电脱水器结构设计中的惯性思维模式，率先提出将水颗粒静电聚结长大与水颗粒重力沉降两个过程分开、予以先后实施的原油脱水方案，从而使得静电聚结设备紧凑化、高效化，这就是所谓的紧凑型静电预聚结原油脱水技术。

　　（1）紧凑型静电预聚结技术

　　在国家863计划项目的支持下，本团队自2007年起开始开展紧凑型静电预聚结技术的相关基础研究工作，具备从微观、介观以及宏观三个尺度评判静电聚结作用效果的实验条件。例如，在静态电聚结破乳实验中发现，室温条件下，经电场破乳后的乳化液脱水率可达72%，而同样条件下破乳剂作用后的脱水率仅有30%；在“破乳剂+电场”的联合作用下，脱水率可达到95%以上，充分说明电场针对原油乳化液破乳具有十分显著的促进效果。产品研发方面，本团队早期设计研发的紧凑型静电预聚结器采用与原Aker Process Systems公司CEC（Compact Electrostatic Coalescer）类似的结构设计方案，即自内而外立式圆筒套立式圆筒、高压电极和接地电极交替布置，存在大处理下结构实际上仍然不够紧凑的缺憾。几经转让兼并后，CEC技术目前归美国国民油井华高（NOV）公司所有。

　　自2016年以来，团队开始进行紧凑型多流道管式静电预聚结器的设计研发，加工了室内实验样机，并搭建了破乳性能测试评价用的全新动态实验系统，国内首次将瑞士Mettler Toledo公司的聚焦光束反射测量仪(FBRM)和实时颗粒图像测量仪(PVM)应用于紧凑型多流道管式静电预聚结器破乳性能的动态测试评价。从FBRM的测量结果可以发现，紧凑型多流道管式静电预聚结器在通电期间，小于10μm的小粒径数量迅速降低，分散相液滴的中位粒径及平均粒径均显著增长，并根据其增长幅度筛选出最优电场参数，经破乳处理的油水乳化液静置一段时间后，能够出现明显的油水分层现象。

　　（2）老化油处理用管式电场破乳器

　　由于油藏地质条件、油井措施作业、原油集输处理工艺等方面的原因，油田生产过程中往往会产生大量的老化油。中海油秦皇岛（QHD）32-6油田、涠洲（WZ）12-1油田、曹妃甸（CFD）油田等目前都面临着老化油难以处理的困境，将老化油回掺至电脱水器一并处理后达标外输是最佳解决方案，但直接回掺往往会导致电脱水器出现“跳电”现象。为此，有必要设计研制新型高效的管式电场破乳器，希望将老化油破乳处理后直接回掺至电脱水器而不影响其正常平稳工作。

　　团队与中海油研究总院合作，设计研制了基于高频/高压脉冲交流电源的“管式电场破乳器预破乳+新型卧式电脱水罐”老化油处理试验装置，前者的额定处理流量为20m³/h，后者的额定处理流量为10m³/h。2020年12月，在中海油LH 11-1油田“南海胜利”号FPSO上开展了老化油处理现场应用试验。试验结果表明，在来液含水率为20%-25%范围内，不使用破乳剂、仅管式电场破乳器加电而新型卧式电脱水分离罐不加电时，分离罐出口老化油的脱水率达79.6%，相比不加电时提升了约55%。同比条件下配合使用破乳剂，分离罐出口老化油的脱水率可进一步提升至85.7%，相比不加电时提升了约25%。2022年9月，整套装置在中海油涠洲陆上终端在此开展老化油处理试验。试验结果表明，在入口老化油含水率20%-30%、流量8.5m³/h、温度约95℃、不加破乳剂的工况条件下，新型卧式电脱水分离罐油出口的含水率可控制在2%以下。

　　（3）管式电场破乳分离器

　　前述管式电场破乳器属于2000年前出现的“先破乳聚结、再沉降分离，采用两体或一体式设备布局”概念范畴，“边破乳聚结、边沉降分离，在同一紧凑型设备中进行”的概念在2010年后开始受到关注，管式电场破乳分离器（Compact Electrostatic Coalescer & Separator，简称CES）正是上述理念的产物，是一种充分发挥了电场、离心力场和重力场协同作用的管式原油电脱水设备。其特征在于，电场破乳段和油水分离段自底部向上部依次连接，油水乳化液入口位于设备底部侧方，首先经过电场破乳段使原油乳化液中的小液滴聚结长大，然后经过旋流段、浅层沉降段等进行强化油水分离，使得出油口的含水率尽量降低。

　　团队自2017年以来，与中海油研究总院合作，在国家科技重大专项的资助下，开展了管式电场破乳分离器的自主设计研发工作，先后设计加工了室内实验样机和现场工程样机。2020年9月在中国石油华北油田分公司第一采油厂进行的工程应用测试结果表明，管式电场破乳分离器对油井采出液含水率变化有较强的适应能力，含水率达90%时仍然可以较好地控制油出口的含水率和水出口的含油浓度。两级串联运行管式紧凑型电场破乳旋流分离器第一级油出口的含水率可降低至<30%、水出口的含油浓度<2000ppm，第二级油出口的含水率可降低至3.3%、水出口的含油浓度<1000ppm。更为重要的是，管式紧凑型电场破乳旋流分离器的水力停留时间短，单级水力停留时间<1min，具有结构紧凑、占地面积小、运行稳定性强、适应工况范围大等特点。<>

　　3.电场强化型三相分离器技术

　　（1）背景描述

　　我国石油行业通行的《原油电脱水设计规范》(SY/T 0045-2008)要求，进入电脱水器的原油水含量不宜大于30%（质量分数），对于乳化严重、导电性强、击穿电压小于0.6kV/cm的原油水含量不宜大于10%。但随着国内东部油田逐步进入开采中后期以及三次强化采油（EOR）技术的推广应用，油井采出液不仅含水率高（常常在95%以上），而且成分复杂、乳化严重、导电性增强，致使油田联合站现役三相分离器的分水效率低下，集输处理系统的建设投资和加热等运行能耗居高不下。为了提升三相分离器的分离效率或预分水性能、拓展适用范围，就必须充分发挥重力、惯性、离心、膨胀(气液分离)以及电场破乳等多种分离原理的协同效应。本团队早在2009年就首次撰文系统介绍了国外的三相分离器内置式静电聚结器（Vessel Internal Electrostatic Coalescer，VIEC）技术。VIEC技术最早由ABB Offshore公司设计研发，几经兼并转让后目前由瑞士苏尔寿（Sulzer）所有，通过在三相分离器内适当区域加装VIEC墙，使原油乳化液在特定电场参数作用下发生破乳聚结，加快油水沉降分离过程。VIEC技术目前已有50多个工程应用案例，但大多应用于油井采出液含水率30%～50%（中低含水）的场合。近几年来，美国国民油井华高（NOV）公司也基于大致相同的工作理念，独立研制开发了ePack^TM电场强化型三相分离器，但迄今尚未见到油田现场工程应用方面的数据报道。

　　（2）技术研发

　　自2012年以来，在原中国石油集团工程建设有限公司（CPE）北京设计分公司、中石化胜利石油工程技术研究院等单位的支持下，本团队开展了电场强化型三相分离技术的应用基础研究、技术创新和产品开发工作，2014年在中国石油冀东油田陆上作业区高尚堡油区联合站首次成功进行现场试验，进而相继开发尝试了绝缘电极板的“高电压直接接入”、“低电压接入罐内升压”两种供电模式，并在国内外首次将其推广应用于高含水（>85%）复杂油井采出液处理场合。

　　2018年，本团队自主研发的电场强化型三相分离器中试装置在胜利油田桩西采油厂桩106转接站顺利完成中试试验，装置设计处理量为240m³/d。在通电状态下，中试装置油出口乳化油平均含水率（接近油出口综合含水率）仅为5.63%，最低时达到2.4%，而现场在役三相分离器油出口乳化油平均含水率的17.65%（综合含水率70%左右）。通过筛选出的最优电场参数组合，中试装置在最优电场参数下的电源能耗仅为840W，在体现优异破乳脱水能力同时也表现出明显的节能效果。

　　2020年10月，电场强化型三相分离器在中海油绥中36-1 CEPK平台针对稠油采出液进行了脱水试验，在来液含水率高达90%以上的工况下，不加化学药剂，油出口平均含水率能够降低至7%，平均脱水效率达到90%。目前，本团队设计研制的处理量10000m³/d的F4000电场强化型三相分离器，正在胜利油田孤岛采油厂孤五联进行现场试验。

　　4.相关实验仪器与设备

　　在油水两相介质中，分散相颗粒的增大程度往往决定着油水分离过程的难度大小，因此对于分散相液滴粒径的精确测量即成为衡量静电聚结程度的重要评判依据。本团队针对分散相液滴的微观测量评价手段，具有以显微粒子测速系统（Micro-PIV）、聚焦光束反射测量仪（FBRM）、颗粒录影测量仪（PVM）为代表的一系列先进实验仪器。同时为了更加清晰直观地表现出静电聚结技术对油水两相介质所产生的高效分离性能，通常需要针对电场破乳后的乳化液进行脱水率测定及油相表层含水率的测定，针对最优参数值的筛选，还需要进行乳化液稳定性测试，针对此类介观实验测试手段，本团队同样具备以Turbiscan动力学稳定性分析仪及旋转电流变仪等为代表的先进测量仪器。并且为了探究静电聚结器在不同电场参数条件下的破乳性能，实验室配备有国际先进水平的高频/高压电源系统，以及为了保证静电聚结技术相关实验的有效进行与数据准确性而配备的其他先进仪器设备。

仪器名称	型号	产地	图片
显微粒子测速系统（Micro-PIV）	Micro-PIV System	丹麦
聚焦光束反射测量仪(FBRM)	METTLER TOLEDO Particle Track G600	瑞士
实时颗粒图像测量仪(PVM)	METTLER TOLEDO Particle View V19	瑞士
数码电子显微镜	LEICA DM 2700 P	德国
数码高速摄影仪	Motion Pro Y3-S2	美国
马尔文激光粒度仪	Mastersizer 3000	英国
Turbiscan 动力学稳定性分析仪	Turbiscan LAB Expert	法国
旋转电流变仪	Anton Paar MCR302	奥地利
离心机	ORTOALRESA Digtor-21c	西班牙
焦油水分测定仪	KFO-30	中国
电压放大器	Trek Model 10/40A-HS	美国
函数信号发生器	GFG-3015	台湾
安捷伦示波器	S-620	美国
均质乳化机	KINEMATICA PT2500E	瑞士

　　5.科研立项及工程应用

　　自2007年以来，本团队陆续开展了各种与电场破乳脱水直接或间接相关的应用基础研究、技术创新和产品研发工作。不仅实现了高频/高压脉冲方波交流原油脱水（盐）电源的工程应用，而且自主设计研发的电场强化型三相分离器、管式电场破乳器、管式电场破乳分离器等先后成功进行了油田现场工业应用试验。

项目名称	时间	项目类型
紧凑型静电预聚结原油脱水的关键技术研究	2007年12月 ～ 2010年12月	国家863计划资源与环境技术领域2007年度专题课题
高频/高压原油脱水电源及内置静电聚结模块高效脱水技术研究	2012年8月 ～ 2016年12月	中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司项目
原油脱水用紧凑型管式静电聚结技术研究	2013年1月 ～ 2015年12月	北京市教委科技发展计划项目
老化油聚结破乳实验及样机试制和测试	2016年11月 ～ 2018年9月	中海石油(中国)有限公司北京研究中心项目
高效原油脱水处理技术研究	2017年01月 ～ 2020年6月	“十三五”国家科技重大专项子课题
联合站高效分水与低温破乳技术研究	2017年01月 ～ 2019年12月	中国石油化工股份有限公司重点科研项目
原油处理动态模拟系统试制	2019年9月 ～ 2020年12月	中海油研究总院有限责任公司项目
原油处理动态模拟系统试制——配套	2019年9月 ～ 2020年12月	中海石油（中国）有限公司北京研究中心项目
海上油田老化油处理技术放大测试试验研究——老化油处理设备设计及配套电源系统研制	2019年11月 ～ 2021年12月	中海石油（中国）有限公司北京研究中心科研项目
油水快速分离净化达标一体化工艺装备研制	2022年01月～2024年12月	中国石油化工股份有限公司科研项目
三相分离器内油水两相重力沉降机制与电场破乳协同分离性能研究	2023年1月 ～ 2026年12月	国家自然科学基金面上项目