1 前言

在原油脱水，脱盐过程中，采用高压电场是一种有效的方法^{[1, 2]}。为了提高采收率，化学驱强化采油技术得以推广^[3]。但由于采出液中存在碱、表面活性剂及聚合物，导致采出液破乳困难，加大了油水分离难度，使得电脱水器电流波动频繁^[4]，易短路，甚至出现“垮电场”等现象。研究表明，碱溶液很容易与原油形成W/O型乳状液^[5]。随着碱浓度的增加，油膜的强度逐渐增强，脱水率逐渐下降^{[6, 7]}。张付生等^[8]通过实验发现，随着碱含量的增加，乳状液的脱水率存在极小值。

马健伟^[9]指出加入聚合物后，破乳困难，脱水电流明显升高，并且脱水电流随着聚合物含量的增加而增加。张瑞泉^[6]通过实验发现W/O型模拟采出液热沉降脱水率随聚合物含量的增加呈现出先增大而后减小的趋势。而常玉霞^[10]发现乳状液液滴粒径随聚合物浓度的增大而减小。

张瑞泉^[6]发现模拟采出液的热沉降脱水率随表面活性剂的增加呈现出先增大而后减小的趋势。彭树锴^[5]也发现表面活性剂浓度低时对W/O型乳状液有破乳作用，浓度高时，有稳定作用。而李静^[11]通过实验发现表面活性剂浓度低于300 mg·L^-1时，随着表面活性剂加量增大，脱水率下降；高于300 mg·L^-1时，随表面活性剂浓度增大，脱水率增大。李杰训^[12]通过研究发现油水动态界面张力随着表面活性剂含量增高而降低，随着表面活性剂含量的增高，油珠粒径变小。马建伟^[9]经研究发现随着表面活性剂量的增加，油样的脱水电流升高。

目前只有少数学者研究了驱油剂对采出液电聚结破乳的影响，且多是从脱水电流及设备改造等问题入手^{[4, 9]}。部分学者^{[1, 2]}对电场强度、频率等电场参数的影响特性进行了研究，但缺乏驱油剂对静电聚结特性影响规律的研究。新型静电聚结器^[13]具有结构紧凑、节能降耗等优点，能够有效防止短路的发生。本文利用新型静电聚结器室内快速评价装置，系统研究了电场作用下碱、表面活性剂和聚合物三种驱油剂对静电聚结效果的影响规律。分析了不同波形、频率、电场强度下，液滴平均粒径、功率等的变化规律。

2 实验系统、方法及介质 2.1 实验系统及方法

本实验主要设备包括快速评价用静电聚结器(图 1)、任意波形发生器、高压电源放大器以及恒温水浴等。任意波形发生器(北京普源精电生产，型号DG1022A)可输出正弦波、方波、直流脉冲及交流脉冲等波形(图 2)。高压电源放大器(美国Trek公司生产，型号20/20C)实现升压作用。实验过程中，用泰克TDS1002B-BC双踪数字示波器可以实时观测并记录电流及电压值。设备连接如图 3所示。

快速评价实验用静电聚结器可以认为是由多层介质组成的同心圆柱电容(图 4)，其中r₁=12 mm，r₂=19 mm，r₃=21 mm，电极长度l =65 mm。当施加交流电场时，会产生一定的容抗和阻抗，其等效电路图为图 5。

带有夹层同心圆柱体的电容及电场分布的计算可以参考相关文献[14]，由于电场是非线性变化的，故乳状液中的电场强度取最大值与最小值的平均值进行计算。

同心圆柱电容为：

$ C = 2{\rm{\pi }}\varepsilon l/\ln \frac{{{r_2}}}{{{r_1}}} $

(1)

电容产生的容抗为：

$ {X_{\rm{C}}} = \frac{{\rm{1}}}{{{\rm{2\pi }}fC}} $

(2)

同心圆柱电阻为：

$ R = \frac{1}{{2{\rm{\pi }}\kappa }}l/\ln \frac{{{r_2}}}{{{r_1}}} $

(3)

分别计算得到R_e、C_e、R_i、C_i后，由公式$\frac{{\rm{1}}}{Z}=\frac{{\rm{1}}}{R} + \frac{{\rm{1}}}{{{\rm{j}}{X_{\rm{C}}}}}$，可分别求得Z_i和Z_e，然后可以得到总的阻抗为

$ Z = {Z_{\rm{i}}} + {Z_{\rm{e}}} $

(4)

假设两端电势差为U，则电流为：

$ I = \frac{U}{{\left| Z \right|}} $

(5)

功率为：

$ P = UI $

(6)

根据电压和电流可以计算得到总功率。

在稳定的乳状液体系中，液滴粒径增加但不会导致明显分离，对于这种体系可以通过取样结合拍照和图像处理的方法来进行液滴粒径分析^[13]。

2.2 实验介质

实验介质为沙特原油与自来水，用乳化机(IKA Image Lab)配制含水率为20%的油包水乳状液。利用密度计测量密度，旋转黏度计(德国安东帕，RheolabQC)测量黏度，使用表面/界面张力仪(KRUSS K10-ST)，采用板法测量表面张力。使用介电常数仪(南大万和，PCM-1A)测量介电常数，宽量程油料电导率测定仪(中国电器科学研究院，YX1154B)测量原油电导率，使用电导率仪(雷磁，DDS-1A)测量水的电导率。得到30℃，0.1 MPa时原油动力黏度为58.9 mPa·s，密度为904.16 kg·m^-3，表面张力30.3 mN·m^-1，相对介电常数为2.22，电导率为4.5 nS·m^-1。

选择表面活性剂、碱和聚合物配制水溶液。阴离子表面活性剂界面活性高，耐温性能好，在油田比较常用，本实验选用阴离子型表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(国药集团化学试剂有限公司)。碱选择Na₂CO₃(国药集团化学试剂有限公司)，根据所加质量分数不同，用自来水配制成pH值分别为8(0 mg·L^-1)、8.5(112.36 mg·L^-1)、9.5(4073.757 mg·L^-1)、10.5(8321 mg·L^-1)和11.5(11300 mg·L^-1)的水溶液。聚合物是部分水解聚丙烯酰胺(HPAM，中石油大庆炼化，相对分子质量300×10⁴~500×10⁴，水解度小于30%)。

测量了30℃时，不同水溶液的电导率、黏度和表面张力(表 1，表 2，表 3)。由于水的导电性很强，容易导致介电常数测量仪导通，所以根据文献其相对介电常数为80。

3 实验结果及讨论

通过控制乳化机的转速和乳化时间，使乳状液未加电时的初始平均粒径保持一致为5.0 μm。施加电场后，随电场强度增加，液滴粒径并非一直增大，当超过最优电场强度后，液滴容易发生破裂^[15]，导致平均粒径变小。低频和高频电场下最优电场强度不同，因此取不同频率最优电场强度下的两组数据进行分析：电场频率50 Hz，场强491.2 kV·m^-1；电场频率1000 Hz，场强245.6 kV·m^-1。

3.1 碱的影响 3.1.1 平均粒径

由图 6可以发现不同波形、频率和电场强度下，加碱后液滴平均粒径普遍高于未加碱时的，而且随碱含量增加，液滴粒径逐渐减小，最后趋于平缓，变化幅度不大。几种波形中，液滴聚结效果由好到差依次是交流脉冲、直流脉冲、方波和正弦交流。

加入碱后，碱会与原油中的酸反应，生成表面活性剂，导致表面张力下降，同时造成界面膜的强度增加，因此随着碱含量的增加，液膜界面强度增加，在受到电场力作用时，液膜排液速度较慢，聚结效率下降，导致聚结效果变差，但下降的速率逐渐减小，到9.5以后液滴聚结效果基本不变。加碱以后，水中的离子浓度增加，当电场发生周期性变化时正、负离子也不断往复运动，对界面膜产生持续的冲击，这有利于液膜破裂，发生聚结，因此添加碱以后，整体的聚结效果优于未加碱时的效果。但从实验中发现，pH高于9.5以后沉降出的水中颜色发黄，比未加碱时沉出的水颜色偏深，说明水中含油增加，对水质有不利的影响。

从表 2可以发现，加入碱后水的电导率明显增加，在液滴聚结微观实验过程中^[16]，也发现添加NaCl后，水的电导率增加，液滴运动速度提高，聚结时间减小，有利于水滴的聚结。

3.1.2 能耗

从图 7(a)中可以发现，随pH值增加，功率呈增加趋势，原因是pH增加使得水的电导率增加，从而导致实验介质的阻抗减小，进而增加了功率消耗。但是频率较高时(图 7(b))功率波动比较大，这种变化规律不明显，主要是高频时水滴振荡比较剧烈，并且交流脉冲，直流脉冲和方波会开始出现失真现象。50 Hz时能耗由高到低依次为交流脉冲，方波，直流脉冲和正弦交流。1000 Hz时能耗由高到低依次为交流脉冲，方波，正弦交流和直流脉冲。高频时功率普遍较高是因为频率增加，根据公式(2)聚结器的阻抗减小，电流增加，所以能耗增加。

采用绝缘电极的静电聚结器，施加交变电场时产生的能耗主要包括：极板间传导电流引起的传导电流能耗和使电介质反复极化所消耗的位移电流能耗^[17]。在液滴聚结过程中，克服液滴间的势垒^[18]也需要部分能量，这部分能量无法计算，也属于总能耗的一部分。因此聚结器的总能耗包括传导电流能耗、位移电流能耗和克服液滴间势垒的能耗，其中前两部分之和可以根据公式(1)~(6)计算得出。未加碱时(pH=8) f=50 Hz，E=491.2 kV·m^-1和f =1000 Hz，E=245.6 kV·m^-1时的传导电流能耗和位移电流能耗之和的理论值分别是0.746和3.623 W。根据示波器采集到的电流和电压信号可以计算得到不同波形下实际消耗的总功率。可以发现50 Hz(图 7(a))时，正弦交流电与理论计算值最接近，即大部分能耗以传导电流能耗和位移电流能耗的形式损耗了，相应的用于克服势垒的能耗就最少，从而导致聚结效果最差(图 6(a))，而方波、直流脉冲、交流脉冲的总能耗依次升高，这与图 6(a)中聚结效果变化规律一致。

1000 Hz(图 7(b))时，几种波形的功率相差不大，从图 6也可以发现，不同波形间的聚结效果也没有50 Hz时差别大。高频时直流脉冲的功率最小，主要是因为绝缘层的存在使波形发生了失真，导致电压和电流下降。Bailes^[19]也有类似发现。

3.2 表面活性剂的影响 3.2.1 平均粒径

由图 8可以发现，随着表面活性剂含量增加，聚结效果先变差后变好。50 Hz时在25 mg·L^-1，1000 Hz时在10 mg·L^-1处出现拐点。从波形角度，50 Hz时处理效果按降序排列为直流脉冲、交流脉冲、方波、正弦，其中直流脉冲与交流脉冲效果接近。而1000 Hz时依次是方波、交流脉冲、直流脉冲和正弦交流。

宫荣娜^[16]在研究液滴微观聚结机理时发现随着表面活性剂含量的增加，液滴变形度增大，聚结时间减小，而且从0到10 mg·L^-1时变化比较快，但在60 mg·L^-1后基本不变。在聚结过程中液滴变形度增大对界面膜的冲击就会增强，有利于液膜排液和液滴聚结。其根本原因是，加入表面活性剂后，界面张力下降，液滴回复力下降，电场作用力和回复力合力增大，导致液滴更容易变形。本研究中，在10 mg·L^-1或者25 mg·L^-1处之所以会出现拐点是因为从表面张力测量的数据(表 2)可以发现，此时的表面张力较未加表面活性剂时迅速降低，虽然液滴的回复力下降，但界面剪切弹性模量和界面剪切黏度的增加^[20]也会阻碍液滴变形，反而减小了液滴形变，阻碍了液膜排液。大于这个范围后，表面张力变化很小，此时回复力下降导致液滴变形度增大，而界面膜黏度的影响不那么明显，因此聚结效果会变好。

3.2.2 能耗

从图 9可以发现，50 Hz时能耗由高到低为方波，交流脉冲，直流脉冲和正弦交流。1000 Hz时能耗由高到低为交流脉冲，方波，正弦交流和直流脉冲。低频时，表面活性剂含量对功率影响小，四种波形下功率波动较小。随表面活性剂含量增加功率是上升的，但在50 mg·L^-1以后变化不大。因为从表 2可以发现，表面活性剂主要改变表面张力，对电导率影响不大，因此对电阻和功率的影响也不明显。

3.3 聚合物的影响 3.3.1 平均粒径

图 10表明，添加聚合物以后，液滴平均粒径普遍低于未加聚合物时的。液滴聚结效果方波较好，其后依次为交流脉冲、直流脉冲、正弦交流。随着聚合物含量增加，液滴平均粒径先减小后增加，拐点约为200 mg·L^-1。由于聚合物发生部分水解，在油水界面上扩散并吸附到油/水界面处，形成了具有一定黏弹性的界面膜，导致油水界面黏度增加。因此液滴聚结受到了界面膜的阻碍，导致添加聚合物后的液滴平均粒径要小于未加聚合物的工况。添加聚合物后，随聚合物含量的增加液滴平均粒径增加，但增加幅度很小。原因是随聚合物含量增加，其吸附扩散到界面膜后，有可能挤压了原油界面膜上活性组分的空间，降低了界面黏度，出现随着聚合物含量增加液滴平均粒径增大的情况，但此时液滴基本保持稳定，变化不大。

3.3.2 能耗

图 11表明，低频时正弦交流电场能耗较低，高频时直流脉冲相对能耗较低。主要原因是，低频时直流脉冲基本不失真，而且方波、直流脉冲和交流脉冲波形都存在电压的突变，这会形成较大的瞬时电流，因此功率较高。高频时，直流脉冲失真度较大，电压会减小，因此功率会相应降低。在图 7及图 9中也有类似规律。根据表 3发现聚合物含量对电导率影响不大，所以功率波动也不大。高频时，不同波形下功率随聚合物含量变化产生的波动比低频时更显著，在图 7和图 9中也有类似规律。

4 结论

(1)加碱后水溶液较未加碱时聚结效果提高，但随着碱含量的增加，聚结效果下降；施加交流脉冲、直流脉冲电场时聚结效果较好，高频电场有利于液滴聚结。

(2)随表面活性剂含量增加，聚结效果先下降后提高，转折点因频率而不同，低频时直流脉冲和交流脉冲聚结效果较好，高频时方波和交流脉冲聚结效果较好。

(3)含聚乳状液电场作用下聚结效果先下降后上升，但超过400 mg·L^-1后基本保持不变。不同频率下，方波和交流脉冲聚结效果较好。

(4)实验工况下，低频时正弦交流电场作用下能耗较低，高频时由于绝缘层引起波形失真，导致直流脉冲电场作用下能耗较低。综合比较，交流脉冲和方波电场作用下液滴聚结效果较好。

Nomenclature

C        -电容, F

E        -电场强度，kV·m^-1

f        -电场频率，Hz

I        -电流，A

l        -长度，m

P        -功率，W

r₁        -乳状液层内径，m

r₂        -乳状液层外径，m

r₃        -玻璃绝缘层外径，m

R        -电阻，Ω

U        -电压，V

Xc        -容抗，Ω

Z        -阻抗，Ω

ε₁        -乳状液介电常数，F·m^-1

ε₂        -玻璃介电常数，F·m^-1

τ        -表面张力，mN·m^-1

κ        -电导率，ms·cm^-1

μ        -黏度，mPa·s

上、下标         

e        -乳状液

i        -绝缘层