沉砂對聚并等流分離器的油水分離效果試驗研究

韓洪升，李霄峰，呂 寧，趙淑紅

（1.東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶163318；

2.大慶油田有限責任公司第一采油廠實驗大隊，黑龍江大慶163000） ＊

·試驗研究·

沉砂對聚并等流分離器的油水分離效果試驗研究

韓洪升1，李霄峰1，呂 寧2，趙淑紅1

（1.東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶163318；

2.大慶油田有限責任公司第一采油廠實驗大隊，黑龍江大慶163000）＊

為評價聚并等流型油水分離器在排砂的同時對井下油水混合物的分離效果，進行了室內井筒模擬試驗，繪制了不同含水率時單杯進液量與油水分離后混合液含水率的關系曲線。試驗表明：在單杯流量＜0.2m3／d時，排砂孔和沉砂對聚并等流分離器的油水分離效果沒有明顯影響；4個排砂孔的分離器沉砂分離效果要優(yōu)于其他個數(shù)排砂孔的分離器。

聚并等流型分離器；油水分離；沉砂；含水率；同井注采

油田產出水過多將導致水處理設備投入和操作費用不斷增加，同時還會導致設備腐蝕和結垢及維護工作量和費用的增加。油井出砂也是油田普遍存在的問題。油層出砂后會導致：①砂子在井內沉積形成砂堵，從而降低油井產量，甚至使油井停產；②增加了清砂的作業(yè)工作量；③磨損設備及砂卡井下工具。若能通過在井下安裝油水分離器，實現(xiàn)油水分離同時進行油井除砂，并將分離后的水注入其他地層（即同井注采工藝），可以減少地面污水處理量；同時采出液含水率也將降低，減少井下清砂工作量，延長設備使用壽命，從而節(jié)省生產成本，提高效益?，F(xiàn)有井下油水分離器從分離原理上可分為重力式油水分離器和離心力式油水分離器［1－7］，但是由于原油的黏度較大及油水混合液在分離器中停留時間過短等原因，分離效果不太理想。

大慶油田第一采油廠與東北石油大學聯(lián)合攻關，在油氣密度差的基礎上，根據延長油井產出液在沉降杯中的滯留時間提高氣錨脫氣效率的原理，設計出了多杯等流型氣錨［8］，并在此基礎上研制出其改進型即聚并等流型油水分離器。聚并等流油水分離器利用油井產出液中原油與水存在密度差，通過控制油水分離器沉降杯個數(shù)，使得沉降杯中液體的下降速度小于油水分層的速度，利用油水分層的速度與沉降杯中液體下降速度的差進行井下油水分離。但是，對于聚并等流分離器排沙孔和沉砂對油水分離效率影響的試驗研究目前還未見報道。針對該問題，筆者設計了試驗裝置，對流量、沉砂和排沙孔數(shù)等因素對油水分離效果的影響進行了試驗研究。

1 結構及工作原理

聚并等流型分離器由中心管、沉降杯和定壓洗井閥組成。中心管上安裝有多個沉降杯，并在中心管靠近每個沉降杯內側底部的位置鉆有若干個進液孔［9］。抽油泵工作時，沉降杯和進液孔是油水混合液進入抽油泵的唯一通道，通過每個沉降杯進入油水分離器內管的混合液流量相等（q1＝q2＝qi＝Q／n＝q）。因此，能夠較容易保證每個沉降杯中液流下降的速度vx小于油水分層的速度vf，這樣就有足夠的時間進行油水分離［10］。

經過前期大量的優(yōu)選試驗，設計出聚并等流分離器沉降杯，其形狀如圖1所示。該沉降杯底部為瓦棱狀，中部為圓柱形，上部為皇冠狀（其形狀取決于沉降杯底部形狀）。由于下一個沉降杯的皇冠與上一沉降杯的瓦棱狀的底部間距2mm，這樣油滴在沉降杯中上升距離更短，且更容易與瓦棱狀底部相碰撞，促進油滴的聚并，從而提高分離效率。

圖1 聚并等流分離器沉降杯形狀

2 排砂試驗

為了研究排沙孔和沉砂對聚并等流分離器油水分離效率的影響，需要同時進行沉砂和油水分離試驗。試驗前，首先進行排砂孔徑的優(yōu)選和不同排砂孔數(shù)排砂效果對比，使沉砂油水分離試驗達到理想的效果。

2.1 排沙孔徑的優(yōu)選

根據前期試驗結果，選用中心管進液孔為6個（上、下2排相位角為30°）、孔徑為1.0mm的油水分離器進行排砂試驗。每個分離器中心管上安裝8個沉降杯，沉降杯排沙孔直徑分別為2、3、4、5mm，從上到下每種孔徑依次安裝2個杯子，分別標為1～8號。試驗裝置如圖2所示。

圖2 排砂試驗及井下沉砂油水分離試驗裝置

試驗用砂采用篩選后的石英砂，粒徑為0.09～0.30mm。試驗采用的聚合物溶液的質量濃度為500mg／kg，粘度3.5mPa·s（剪切速率200s－1），砂子和聚合物溶液體積比為1%。

試驗發(fā)現(xiàn)：除1號杯外，其余各個杯子中排砂孔的位置處均沒有沉砂，證明排砂孔均起到了作用；排砂孔徑大小對排砂量的影響不如沉砂流量的影響大（沉降杯的位置越往下，沉砂流量越大，因為其接受了上面杯子的沉砂），增大排砂孔徑對提高排砂效果不明顯。為了安全，取排砂孔直徑為?3mm。

2.2 不同孔數(shù)排砂效果對比

選取與孔徑優(yōu)選試驗相同的中心管，安裝8個有效沉降杯（從上到下依次標為1～8號）進行排砂試驗。其中1個分離器上部4個杯子為2個排砂孔（間隔180°）、下部4個杯子為4個排砂孔（兩孔間隔分別為60°和120°，對稱分布）；另外1個分離器上部4個杯子為6個排砂孔（兩孔間隔60°）、下部4個杯子為12個排砂孔（兩孔間隔30°），2種不同孔數(shù)的沉降杯之間用1個不打孔的沉降杯進行隔離。排砂孔在杯子的最下端，孔徑均為?3mm，與中心管的孔眼錯開。試驗用的砂子、聚合物、流量、砂比及試驗裝置均與孔徑選取試驗相同。

試驗結果如圖3所示，可以看出：2孔排砂效果最差，在排砂孔兩側沒有孔的位置，沉砂量較大；12孔排砂效果最好，但在下部的杯子中，仍有部分沉砂，說明沉砂流量增大會導致部分排砂孔堵塞；4孔和6孔排砂效果相差不大，在最上面的杯子中沉砂不多，但下部有部分沉砂。由于所有沉降杯都有沉砂，說明排砂孔眼數(shù)對排砂量的影響不如沉砂流量的影響大。

圖3 不同孔數(shù)排砂效果對比

3 沉砂和油水分離試驗

3.1 試驗裝置

根據前期沉砂試驗結果，選取中心管進液孔為?1mm、沉降杯排砂孔直徑為?3mm的油水分離器進行油水分離試驗，研究排沙孔及沉砂對聚并等流型油水分離器油水分離效率的影響。分別進行沉降杯杯底不打孔及打2孔、4孔、6孔、12孔的分離器的油水分離試驗以及2孔、4孔、6孔的分離器的沉砂和油水分離同步試驗研究。試驗介質是白油和清水的混合液（含水率分別為90%、95%、98%），選用與排砂試驗相同的試驗裝置（如圖2所示）和試驗用砂，砂子與油水混合液的體積比例為1%，從來液取樣口和分離后取樣口分別接取來液試樣和分離后油水混合液試樣，利用密度法測量混合液含水率。

3.2 試驗結果

試驗結果如圖4～6所示，可以看出：單杯流量＜0.2m3／d時，各種情況下的分離效果相差不大，基本都達到100%，在此流量下，分離器沉降杯上的排砂孔和沉砂對油水分離效果基本沒有影響；當單杯流量＞0.2m3／d時，隨著杯底孔數(shù)的增加，分離后混合液含水率呈下降趨勢，油水分離效果逐漸變差，這是由于排砂孔數(shù)增多使沉降杯中液體下降速度vx加快，減少了油水混合液在沉降杯中的停留分離時間所致。

圖4 含水率為80%時油水分離器單杯進液量與油水分離后含水率關系

圖5 含水率為95%時油水分離器單杯進液量與油水分離后含水率關系

圖6 含水率為98%時油水分離器單杯進液量與油水分離后含水率關系

由圖4～6明顯反映出，相同孔數(shù)的分離器在有沉砂的情況下分離效果要比無沉砂的情況下分離效果差，這說明沉砂會影響分離效果。由于排砂孔增多會導致分離效率下降，沉砂量的增多也會導致分離效率下降，但排砂孔的增多會導致沉砂量減少。因此，在這2個因素的綜合影響下，在有沉砂的情況下，4孔分離器分離后混合液的含水率高于2孔和6孔分離器分離后混合液的含水率；4個排砂孔沉砂分離器的分離效果要優(yōu)于2個排砂孔和6個排沙孔沉砂分離器的分離效果；12孔的分離器無沉砂時的分離效果在各種分離情況中最差。因此，有沉砂時分離效果會更差，不建議采用12孔分離器。

油水分離后混合液含水率為99%時，各種分離器的總進液量如表1。

表1 不同含水率混合液單杯進液量 m3／d

假設沉降杯底無孔分離器的杯子個數(shù)為100個，在相同產量的情況下，要保持分離后原油含水率不變，各種分離器所需杯子的個數(shù)如表2（相比于普通型分離器）。

表2 各種分離器杯子的個數(shù)

綜合分析以上圖表可以看出：在無沉砂的情況下，油水分離后混合液含水率達到99%時，各種型號的分離器隨著油水混合液含水率的上升，單杯進液量逐漸增大，分離器混合液處理量逐漸增大，從而沉降杯使用個數(shù)逐漸減少；隨著排砂孔數(shù)的增多，單杯進液量逐漸減小，沉降杯使用個數(shù)逐漸增多。在有沉砂的情況下，4個排沙孔的分離器單杯進液量最大，使用沉降杯數(shù)量最少，分離效果最佳。因此，建議實際生產時選用排砂孔直徑?3mm、孔數(shù)4個的分離器，分離后混合液含水率可接近100%，能夠有效地提高泵效、降低能耗。

4 結論

1） 當單杯流量＜0.2m3／d時，排砂孔數(shù)和沉砂對聚并等流分離器的油水分離效果沒有明顯影響。

2） 有沉砂情況下，4個排沙孔的分離器單杯進液量最大，使用沉降杯數(shù)量最少，沉砂后分離效果最佳，合理生產流量下，分離后混合液含水率接近100%。

3） 聚并等流分離器對油井排沙和井下油水分離都有很好的效果，采用該型油水分離器可以提高泵效，實現(xiàn)同井注采。

［1］ 徐云霞，趙 彬.高效井下分離器的研制與應用［J］.石油礦場機械，2003，32（2）：61－62.

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Study of Effect of Sink Sand on Oil－water Separation in Gather and Flow Pattern Oil－water Separator

HAN Hong－sheng1，LI Xiao－feng1，LV Ning2，ZHAO Shu－h(huán)ong1
（1.College of Petroleum Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing163318，China；2.The Test Battalion of the First Oil Production Factory，Daqing Oilfield Co.，Ltd.，Daqing163000，China）

In order to evaluate the separation efficiency of oil－water mixture of the coherent and cocurrent flow pattern oil－water separator，the indoor wellbore simulation experiment was made.The relation curve was drawn between the fluid volume of single cup feeding at different watercontent and the moisture content of oil－water mixture after separation.The test showed that，at single－cup flow rate（less than 0.2m3／d），sand drainage hole and sunk sand had no efficiency to coherent and co－current flow hydrocyclone.The performance of hydrocyclone with four sand drainage holes is better than other ones with holes.

coherent and co－current flow separator；oil－water separation；sunk sand；moisture content；injection and production in same well

1001－3482（2012）03－0051－04

TE931.2

A

2011－09－23

韓洪升（1950－），男，河北滄州人，教授，博士生導師，主要從事多相流體力學和非牛頓流體力學方面的教學和研究。