同井注采油水分離器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊樹人，謝 威

(1.東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318;

2.中油大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江 大慶 163001)

同井注采油水分離器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊樹人1，謝 威2

(1.東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318;

2.中油大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江 大慶 163001)

為實(shí)現(xiàn)高含水油井同井注采工藝，根據(jù)與多杯等流型氣錨相似的分離原理，優(yōu)化設(shè)計(jì)多杯等流型油水分離器。設(shè)計(jì)過程中，對分離器由上至下每層開口數(shù)目和孔徑逐級分段增大，各進(jìn)液孔進(jìn)液量相近，且各采出液在分離器內(nèi)的停留時(shí)間足夠長;通過不同分段方式、開孔數(shù)目以及不同孔徑的優(yōu)化組合分析，考慮到機(jī)械加工的要求，利用流體動(dòng)力學(xué)原理，對孔徑大小、孔徑分級和開孔數(shù)目等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證各部位沉降杯內(nèi)采出液的停留時(shí)間超過150s的前提下，充分發(fā)揮了各沉降杯的作用，有效地縮短了井下油水分離器的長度，節(jié)約了生產(chǎn)成本和作業(yè)成本。

多杯等流型;同井注采;高含水油井;油水分離器;優(yōu)化設(shè)計(jì)

引 言

井下油水分離技術(shù)(DOWS)［1－2］是一項(xiàng)新型技術(shù)，它可解決高含水油田［3－4］開發(fā)過程中，油井采出量高、分離工作量大的問題，解決因注水帶來的巨大投資和能量損耗，有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效果。目前井下油水分離基本方式主要有2種［5－6］:旋流分離技術(shù)［7］和重力分離技術(shù)［8］。利用與多杯等流型氣錨相似的分離原理［9］，設(shè)計(jì)出的多杯等流型油水分離器，能夠解決現(xiàn)有井下離心式油水分離器分離效果不好，無法得到規(guī)?；瘧?yīng)用的問題。

1 多杯等流型油水分離器

圖1為多杯等流型井下油水分離器示意圖。圖2為不同類型沉降杯。多杯等流型井下油水分離器中心管上安裝多個(gè)沉降杯［10］，沉降杯內(nèi)鉆有排除固體雜質(zhì)的漏砂孔。中心管在每個(gè)靠近沉降杯內(nèi)側(cè)底部的位置鉆有進(jìn)液孔，將中心管連接成若干根，每根之間安裝有1個(gè)保護(hù)體。中心管是回注水進(jìn)液通道，油套環(huán)空為采出液進(jìn)液通道，下接絲堵。

圖1 多杯等流型井下油水分離器

圖2 不同類型沉降杯

該分離器連接于抽油泵下部，地層產(chǎn)出液先進(jìn)入沉降杯，被分離成含水較高的回注水和含水較低的采出液，而后通過進(jìn)液孔進(jìn)入抽油泵。進(jìn)液孔的過流面積大小根據(jù)抽油機(jī)上沖程過程中的最大產(chǎn)量精確計(jì)算，使得每個(gè)杯進(jìn)入油水分離器中心管的液量近似相等。

2 同井注采工藝參數(shù)設(shè)計(jì)方法

地層產(chǎn)出液流經(jīng)沉降杯，通過油、水密度差異，實(shí)現(xiàn)自然沉降分離，分離后含水較高的回注水進(jìn)入中心管，被抽油泵采出;含水較低的產(chǎn)出液進(jìn)入油套環(huán)空，被抽油泵采出。在整個(gè)分離過程中，必須保證每1個(gè)沉降杯在抽油泵每次抽吸時(shí)的進(jìn)液量近似相等，為此開展了等流參數(shù)設(shè)計(jì)水力計(jì)算分析。

(1)中心管內(nèi)摩阻壓差:

式中:Δpf為分離器中心管內(nèi)的摩阻壓差，Pa;ρ為采出液的密度，kg/m3;hf為中心管內(nèi)水頭損失，m;Q0為分離器日處理量，m3/d;υ為采出液的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s;D為分離器中心管內(nèi)徑，m;L為中心管長，m。

(2)中心管內(nèi)外壓差:

式中:Δp為分離器中心管內(nèi)外壓差(工作壓差)，Pa;hj為孔口局部水頭損失，m;ξ微孔為局部阻力系數(shù);v為孔口流速，m/s。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可確定局部阻力系數(shù)為1.5。

(3)采出液在每個(gè)杯中的停留時(shí)間:

式中:t為采出液在沉降杯中的停留時(shí)間，s;V為沉降杯的容積，m3;q為單孔進(jìn)液流量［11］，m3/s;m為每層孔數(shù)。

圖3為停留時(shí)間計(jì)算框圖。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，保證油水有效分離最小停留時(shí)間為150 s。在某些情況下，有可能出現(xiàn)產(chǎn)出液在靠近最下端的某些分離器內(nèi)的停留時(shí)間低于最小停留時(shí)間，這部分停留時(shí)間較短的進(jìn)液流量與總進(jìn)液流量(處理量)的比值稱為低停時(shí)間流量百分比，簡稱“低停比例”。

圖3 停留時(shí)間計(jì)算流程

3 優(yōu)化實(shí)例

大慶某油田高含水油井采出液含水率約為90%，運(yùn)動(dòng)黏度為2.9×10－6m2/s，日處理量分別為60、80 m3/d，錨管內(nèi)徑為38 mm，錨碗容積為0.2 L，錨碗間距為0.045 m，錨管長度為30～80 m。采用上述理論運(yùn)用VB6.0編制優(yōu)化軟件系統(tǒng)，根據(jù)需要，設(shè)定不同的孔徑級數(shù)和級差，同時(shí)也可以設(shè)定不同的開孔數(shù)目和孔數(shù)級差，并以圖形方式直接顯示出停留時(shí)間的分布情況，使得分離器設(shè)計(jì)軟件更加靈活實(shí)用。

針對日處理量為80 m3/d的油井，綜合考慮多杯等流型分離器的孔徑分級和孔數(shù)分級交叉變化，進(jìn)一步計(jì)算分析得出低停比例的變化情況。圖4為孔數(shù)分級、孔徑分級與低停時(shí)間流量百分比的關(guān)系曲線。根據(jù)圖4顯示的結(jié)果，考慮到機(jī)械加工的特點(diǎn)，單從低停比例最小的角度設(shè)計(jì)方案如下:錨管長度為40 m，均分成每段8 m，孔徑為5級且孔數(shù)為2 級:孔徑大小分別為 0.9、1.0、1.1、1.2、1.3 mm;前3段孔數(shù)為4，后2段孔數(shù)為6。針對產(chǎn)液量為60 m3/d的油井，依據(jù)同樣的方式，合理設(shè)計(jì)方案如下:錨管長度為36 m，均分成每段3 m，孔徑為3級且孔數(shù)為3級:孔徑大小分別為0.9、1.0、1.1 mm;第1段孔數(shù)為4，第2段孔數(shù)為6，第3段孔數(shù)為12。

圖4 孔數(shù)分級、孔徑分級與低停時(shí)間流量百分比的關(guān)系曲線

該設(shè)計(jì)方案保證了各部位沉降杯內(nèi)采出液的停留時(shí)間均大于150 s，達(dá)到了油水有效分離的效果，滿足了現(xiàn)場生產(chǎn)需求。

4 結(jié)論

(1)同井注采工藝技術(shù)研究現(xiàn)已進(jìn)入現(xiàn)場試驗(yàn)階段。該技術(shù)可解決現(xiàn)有井下離心式油水分離器分離效果不好而無法得到規(guī)?；瘧?yīng)用的問題。

(2)利用流體動(dòng)力學(xué)原理，多杯等流型分離器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，對孔徑大小、孔徑分級和開孔數(shù)目等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證各部位沉降杯內(nèi)采出液的停留時(shí)間超過150 s的前提下，充分發(fā)揮了各沉降杯的作用，有效地縮短了井下油水分離器的長度，節(jié)約了生產(chǎn)成本和作業(yè)成本。

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Optimization design of oil－water separator for injection－production in the same well

YANG Shu － ren1，XIE Wei2
(1．Northeast Petroleum University，Daqing，Heilongjiang 163318，China;
2．Daqing Oilfield Co．，Ltd．，PetroChina，Daqing，Heilongjiang 163001，China)

To realize both injection and production in the same oil wells with high watercut，the multi－cup uniform flux oil－ water separator was designed based on the principle of the multi－ cup uniform flux gas anchor．During the design process，the number and size of openings of the separator were gradually increased layer by layer from top to bottom with almost the equal amount of fluids entering each opening and enough time for the produced fluids to stay inside the separator．Through optimal combining different ways of segmentation with the number and size of the openings and considering the machining requirements，the size，grading and number of the openings were optimally designed based on hydrodynamics．On the condition of allowing the produced fluids to stay inside the settling cups for over 150s，the functions of the settling cups were brought into full play，effectively reducing the length of the down-hole oil－ water separator and saving both production and operation costs．

multi－cup uniform flux;injection－production in the same well;high water cut well;oil－water separator;optimization design

TE931

A

1006－6535(2011)06－0106－03

20110517;改回日期20110925

中國石油天然氣股份公司科研項(xiàng)目“高含水油田提高采收率關(guān)鍵技術(shù)”(2010B－0811)部分內(nèi)容

楊樹人(1963–)，男，教授，1984年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)船舶設(shè)計(jì)與海洋工程專業(yè)，2006年畢業(yè)于東北石油大學(xué)油氣田開發(fā)工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)從事油氣田開發(fā)工程研究工作。

編輯 王 昱