## 一、专业标题 高含固量W/O乳化原油破乳工艺适应性评价与离心破乳参数响应面优化——以石西作业区高乳化原油为例

《Separations》：Applicability Evaluation of Demulsification Processes and Optimization of Centrifugal Demulsification Parameters for Highly Emulsified Crude Oil from the Shixi Operation Area

　　

## 三、摘要专业翻译

为解决石西作业区高含固量油包水（W/O）原油乳状液破乳困难的问题，对比了电脱水、超声破乳与离心破乳三种工艺的适应性，并采用响应面法（RSM）结合单因素实验对离心破乳与助剂复配工艺进行优化。结果表明：该乳状液含有大量胶质、沥青质及无机固体（包括FeS和碳酸盐），油水密度差小进一步阻碍了油水分离。常规电脱水与超声处理的最大破乳效率分别仅为52.6%和40%，无法满足处理要求。采用Box–Behnken响应面设计获得最优工艺条件。在中等有效基准条件下，确定适宜加量为2.0%硅酸钠和40 mg·L^?1 SP169。将优化工艺与助剂复配进行验证时，由分离游离水体积计算的破乳效率均值达93.5 ± 0.30%。显微观察表明，离心力场可破坏体系中的固体—有机质乳化聚集体结构。优化后的离心破乳工艺与助剂复配对该类高含固量原油乳状液具有良好适应性，可为现场破乳处理及类似乳状液处理提供参考。

## 四、论文主体解读

**研究背景与问题**

原油在开采、集输、处理过程中会与地层水、压裂返排液、修井液、化学驱液等水相充分混合，管道输送、泵送及设备扰动产生的剪切作用进一步形成稳定的油水乳状液。W/O乳状液中细小水滴分散于连续油相，不仅提高原油含水率、表观黏度和输送能耗，还会引发设备腐蚀、结垢、沉降设备处理能力下降及外输原油含水超标等问题。乳状液稳定性受原油组成、水滴粒径、油水密度差、界面张力、界面电性质及固体颗粒含量等多因素共同影响。原油中沥青质、胶质、蜡、环烷酸等天然表面活性组分在油水界面吸附形成具有一定强度和黏弹性的界面膜，阻碍水滴接触聚并；黏土、二氧化硅、腐蚀产物、无机盐、垢粒等细固体可与沥青质、胶质协同作用，进一步增强乳状液稳定性。现有破乳方法包括化学破乳、热化学破乳、电脱水、超声破乳和离心分离，但化学破乳剂易受原油组成、乳状液老化、破乳剂结构与加量影响，对颗粒—有机质复合界面膜的破坏能力有限；电脱水受FeS等导电颗粒影响易造成电场不均匀；超声破乳受频率、功率、温度、处理时间制约，对高强度复合界面膜适应性有限；离心分离则可大幅提高油、水及固体颗粒迁移沉降驱动力，适用于高含固量高稳定乳状液。目前针对无机固体颗粒、沥青质与胶质共同稳定的低黏原油高乳化体系，其稳定结构与强化破乳机理尚缺乏系统研究，尤其当油水密度差小、水滴细微、悬浮物含量高时，重力沉降被削弱、复合界面膜抑制水滴聚并，常规热化学破乳难以奏效。因此，研究人员以石西作业区高乳化原油为对象，分析其基础物性、界面特性、悬浮固体组成及微观形貌以探究高稳定性成因，对比电脱水、超声与离心三种工艺，并采用单因素实验与响应面法优化离心破乳工艺参数，为高含固量轻质油区块高乳化原油破乳工艺选择与实验室参数优化提供参考。

**关键技术方法**

研究人员取新疆油田石西作业区集中处理站沉降罐乳化层W/O乳状液样品，4 °C密封冷藏并于7 d内完成实验，实验前45 °C恒温水浴老化24 h并手动翻转100次混匀。采用流变仪测定流变性质、自动表面张力仪测定油水界面张力、光学显微镜观察微观结构，X射线衍射分析悬浮固体物相；分别以高频脉冲电脱水仪、浴式超声反应器（25 kHz、150 W）和高速台式离心机（F-34-6-38转子，最高12000 r/min）开展三类破乳实验；以分离游离水体积法和JSH3202原油含水分析仪测定残余水含量法双重表征破乳效率，并参照SY/T 5281-2000与SY/T 5329-2012进行评价；采用Box–Behnken响应面设计优化离心转速、体系温度与破乳剂浓度，结合单因素实验筛选硅酸钠与SP169加量，并开展油—水—固三相物料平衡核算。

**研究结果**

3.1 原油物性与破乳难点分析：样品为W/O乳状液，转相实验表明含水率50%（油水比1:1）时黏度最大，高于50%转相为O/W，原样含水率35.56%低于转相点，确证为W/O型。乳状液密度0.9789 g/cm³，油水密度差仅0.0211 g/cm³；40 °C黏度11 mPa·s；界面张力2.4–2.7 mN/m；胶质与沥青质合计9.74%；悬浮物含量8300 mg·L^?1，XRD显示主要为FeS（34%）、CaCO₃（24%）、SiO₂（20%）、MgCO₃（12%）和Al₂O₃（10%）；水滴粒径多分布在20–105 μm，黑色无机固体颗粒附着于油水界面。由此得出，宽粒径分布、小油水密度差、高悬浮物含量与颗粒—有机质复合界面膜共同导致常规处理难以高效分离。

3.2 电脱水破乳适应性分析：随反应时间延长破乳效率逐渐升高，电场促进水滴极化、变形、碰撞与聚并；破乳剂浓度由50增至200 mg·L^?1效率提高；1 kV下效率仅约5–25%，5.85 kV下显著提升，60 °C、200 mg·L^?1、60 min时达最大值52.6%；升温有利于改善流动性、促进破乳剂扩散吸附。部分平行实验出现输出波动与保护性瞬跳，结合XRD结果推断大量导电FeS颗粒是电场失稳的重要原因。结论为该电极配置与设备条件下电脱水处理能力有限，且三工艺比较仅为工艺筛选的水平参考。

3.3 超声破乳适应性分析：45 °C下效率仅约4%–7%，60 °C下约9%–13%，80 °C下由约20%升至约40%；同浓度下效率顺序为80 °C>60 °C>45 °C，最高约40%（80 °C、200 mg·L^?1）。高含固体系中固体颗粒易衰减空化效应、放大性能差，故超声工艺最优条件下仍无法满足现场处理要求。

3.4 离心破乳适应性分析：3.4.1 温度、转速与破乳剂浓度影响——1000–2000 r/min（RCF 128.57–514.28 g）效率低于10%，3000 r/min（RCF 1157.13 g）明显提升，4000 r/min（RCF 2057.12 g）60 °C下达约60%–65%，6000 r/min（RCF 4628.52 g）时各温度均达约80%–90%且温差缩小，8000 r/min（RCF 8228.48 g）部分条件超过90%但增幅有限；温度效应与转速耦合而非简单线性，总体60 °C与80 °C较优；破乳剂浓度升高可一定程度提高效率，高浓度组6000–8000 r/min下可超90%。3.4.2 响应面优化——二次回归模型极显著（p<0.0001），失拟项不显著（p=0.0586>0.05），R²与调整R²接近1，因素影响排序为A（离心转速）>C（破乳剂浓度）>B（体系温度），AB交互接近显著（p=0.0846），A²与C²极显著；较优操作区间为6500–7500 r/min（RCF 5432.08–7232.06 g）、70–80 °C、破乳剂140–200 mg·L^?1；单目标优化预测最优条件为7016 r/min（RCF 6328.76 g）、74.8 °C、172.3 mg·L^?1，预测效率88.97%，信噪比97.88远高于临界值4。3.4.3 离心助剂加量影响——硅酸钠加量由0.5%增至1.5%时效率由80.3%升至84.0%，增至2.0%时跃升至90.5%（提高6.5个百分点），2.5%时仅91.0%，增效趋饱和，推荐2.0%；提出硅酸钠可能在油泥固体颗粒间形成硅溶胶多孔骨架、维持高渗透性并构建连通通道以释放束缚水的机理推测。SP169由0增至20 mg·L^?1效率由89.0%升至90.2%，30与40 mg·L^?1分别达91.0%与92.0%，50 mg·L^?1仍为92.0%，推荐约40 mg·L^?1，其机理推测为界面膜置换与吸附架桥削弱颗粒稳定作用。3.4.4 离心时间影响——1–3 min效率由约53%升至68%，5 min约73%，8 min约88%，8–10 min仅由约88%升至92%，趋于平衡，兼顾效率与处理量推荐8 min，追求最高效率可延长至10 min。3.4.5 响应面条件与助剂复配验证——在7016 r/min（RCF 6299.93 g）、74.8 °C、172.3 mg·L^?1破乳剂、2.0%硅酸钠、40 mg·L^?1 SP169、10 min条件下三次平行实验效率为93.2%、93.8%、93.5%，均值93.5 ± 0.30%；物料平衡显示固体相束缚水仅约占总水3.7%，体积法与质量法结果相近，表明水相释放较完全。3.4.6 离心前后显微观察——离心前可见由多个分散水滴、界面膜组分与固体颗粒构成的疏松不规则聚集体（标注尺寸392.55 μm与506.44 μm仅为视场典型聚集体示例，不代表整体统计平均粒径），界面仍被含颗粒复合膜稳定；处理后大而不规则聚集体比例下降、体系均匀性提高，表明强离心力场促进水滴、油、水与悬浮颗粒相对迁移，配合助剂削弱固体颗粒稳定作用，实现油、水、固有效分离。

3.5 经济分析：三种工艺各自最优条件汇总显示其温度、处理时间与药剂体系并不完全一致，仅为筛选参考；从破乳效率、处理周期、占地面积与适应性等工程维度比较后，以年处理1×10⁴ t高乳化原油、年运行8000 h、进料20 °C、处理温度74.8 °C、油田伴生气供热、成套橇装装置固定投资300万元、10年直线折旧、5%残值进行全成本核算，年总成本105.31万元，折合处理成本105.31元/吨；按现场测算降级损失约542元/吨、平均破乳效率93.5%计，年总效益542万元，扣除成本后年净利润436.69万元，静态投资回收期0.69年；敏感性分析表明处理规模与原油增值效益为中等敏感因素，药剂与能源价格波动影响较小，规模与效益同时下降20%时年净利润仍超300万元。

**讨论与结论**

讨论指出，电脱水、超声与离心分别在其单因素最优参数下运行，未开展同温、同时间、同药剂条件的严格控制对比，故工艺间比较仅为筛选性水平参考，结论仅适用于本文电极配置与设备条件，不意味其他电脱水装置或工艺不能取得更优性能；硅酸钠成孔骨架与SP169界面膜置换、吸附架桥机理均为基于实验观察与文献的推测，尚待后续表征实验验证。结论为：该乳状液初始含水率35.56%、悬浮固体含量高达8300 mg/L，固相以FeS、CaCO₃、SiO₂为主，胶质、沥青质与无机固体颗粒共同构成稳定复合界面，较小油水密度差进一步增加破乳难度并限制常规工艺效果；工艺筛选表明电脱水在其优化条件下最高效率52.6%，但因高含量导电FeS颗粒存在电场失稳与跳闸风险（按摘要所述最高效率52.6%），超声破乳最高仅40.0%且固体颗粒明显衰减空化，二者均不能满足该体系高效处理需求；离心破乳对高含固体系分离能力更强，经响应面优化主要工艺参数并复配硅酸钠与SP169后，最优条件下体积法破乳效率达93.5 ± 0.30%。本研究基于单批次现场样品的实验室间歇实验，尚未开展连续流与中试放大实验，处理通量、固相累积与排出、设备结垢及长期运行稳定性等放大效应需通过多批次样品与中试试验进一步研究；研究结果可为石西及类似工况高含固原油乳状液破乳工艺选择与实验室工艺参数优化提供参考。