海上高含水大排量電潛泵井井下油水分離系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

于志剛 廖云虎 曾玉斌 顏明 穆永威

(中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

潛油電泵具有排量大、自動(dòng)化程度高、成本低等特點(diǎn)，是海上油田的主要舉升方式。隨著海上油田的深入開發(fā)，特別是油田進(jìn)入中后期開采階段，換大泵提液成為海上油田穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的一項(xiàng)主要措施。這就導(dǎo)致了大量的生產(chǎn)水被舉升到地面，使得海上平臺(tái)的水處理能力、海管液量的輸送能力等達(dá)到一定瓶頸，平臺(tái)污水處理、環(huán)保壓力增大。

井下油水分離(Downhole Oil-Water Separation，DOWS)是一項(xiàng)新興油田采液處理技術(shù)，它將油水分離裝置安裝在井下，從產(chǎn)出液中分離出來的大部分水通過增壓后在井筒中直接注入地層，而將富含油的流體舉升到地面[1-4]。該技術(shù)的成功應(yīng)用將極大地減輕平臺(tái)水處理系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，減少生產(chǎn)污水的排放，釋放海管輸送空間，為其他潛力井提液增產(chǎn)創(chuàng)造條件。

1 系統(tǒng)概況

1.1 DOWS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

電潛泵井下油水分離系統(tǒng)包括單泵單電機(jī)、雙泵單電機(jī)和雙泵雙電機(jī)3種結(jié)構(gòu)。對(duì)于海上大排量油井，雙泵雙電機(jī)井下油水分離結(jié)構(gòu)更具有適應(yīng)性和可靠性。

井下油水分離系統(tǒng)由生產(chǎn)層子系統(tǒng)、注入層子系統(tǒng)、電潛泵子系統(tǒng)、多相管流子系統(tǒng)和油水分離器子系統(tǒng)等5個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。其中前4個(gè)子系統(tǒng)的流動(dòng)規(guī)律與普通的電泵井基本相同，均有成熟的理論模型。例如，生產(chǎn)層子系統(tǒng)的流動(dòng)規(guī)律可用油井的流入動(dòng)態(tài)曲線(IPR)來描述。

圖1 雙泵雙電機(jī)井下油水分離系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

油水分離器是較為特殊的子系統(tǒng)，其流動(dòng)規(guī)律較為復(fù)雜，目前較多的是采用試驗(yàn)方法和數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究。通過對(duì)D80型旋流分離器壓降、流量特性關(guān)系的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論及關(guān)系式[5]。

當(dāng)入口流量改變時(shí)，水力旋流器的分流比基本保持不變。這樣，就可以根據(jù)旋流器的初始分流比確定出旋流器在井下工作時(shí)所舉升和注入的液量。

溢流口壓降與入口流量、溢流流量三者之間存在如下關(guān)系:

(1)

式中:Δpin— 溢流口壓降，MPa；Qi— 入口流量，m3h；Qu— 溢流流量，m3h。

當(dāng)入口流量改變時(shí),旋流器的壓降比基本保持不變。這樣可以根據(jù)溢流壓降piu及壓降比C計(jì)算出底流壓降，關(guān)系式為：

(2)

式中:Δpid— 底流口壓降，MPa；C— 壓降比，它等于溢流壓降與底流壓將的比值。

旋流分離器的壓降比與分流比關(guān)系只與本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得出的D80型旋流器的壓降比與分流比關(guān)系為：

C=0.000 4F2+0.063F+0.700 6

(3)

式中，F(xiàn)為分流比，為溢流流量與入口流量的比值。

根據(jù)分流比求得壓降比,進(jìn)而可求得溢流口或底流口的壓降，對(duì)流量分配及分離器壓力損失進(jìn)行計(jì)算。

1.2 高含水大排量電潛泵井DOWS技術(shù)選井原則

在海上油田應(yīng)用井下油水分離技術(shù)需具備以下條件：

(1)候選井有合適的注入層：注入層有較強(qiáng)的吸水能力，且注入層與生產(chǎn)層不連通。

(2)套管 ≥ 7"：主要是出于大排量油井設(shè)備選型的考慮，海上油田單井作業(yè)費(fèi)用高，只有對(duì)大排量油井實(shí)施該項(xiàng)技術(shù)，回注較多的生產(chǎn)水，節(jié)省較大的液量空間，才更具有經(jīng)濟(jì)效益。

(3)含水率 ≥85%，油水比重差 ≥10%，達(dá)到最佳的井下油水分離效果。

(4)井況清潔，不出砂或有很少量的砂(<100 mgL )。

(5)精確、可靠的注水層和生產(chǎn)層油藏?cái)?shù)據(jù)是工藝成功實(shí)施的關(guān)鍵。

2 海上大排量電潛泵井DOWS系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 基礎(chǔ)條件

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

采用節(jié)點(diǎn)分析法，定產(chǎn)量條件下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法如下：根據(jù)電潛泵井的目標(biāo)產(chǎn)液量進(jìn)行電潛泵機(jī)組的選型，使產(chǎn)液量在離心泵合理排量區(qū)間的最佳點(diǎn)，滿足井口油壓要求，即分離后產(chǎn)出流體能通過上泵順利舉升到地面；電潛泵機(jī)組和油水分離器等設(shè)備的最大外徑小于套管內(nèi)徑，并有足夠的作業(yè)空間；油水分離器出口壓力和流量滿足注入層壓力、流量協(xié)調(diào)關(guān)系。另外，設(shè)計(jì)假設(shè)：油水分離器入口壓力等于下部電潛泵機(jī)組的出口壓力；地層產(chǎn)出油完全舉升到地面；注水層注水啟動(dòng)壓力和吸水指數(shù)均視為常數(shù)[6-8]。設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 雙電泵井下油水分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化

結(jié)合海上高含水大排量電潛泵井的生產(chǎn)特點(diǎn)，對(duì)管柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，如圖3所示，該方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)雙電泵雙變頻控制。通過變頻技術(shù)可以調(diào)節(jié)雙電泵生產(chǎn)參數(shù)，調(diào)整油井產(chǎn)液量，滿足生產(chǎn)需求；根據(jù)注水層的壓力變化可及時(shí)調(diào)節(jié)注入壓力，下泵的出口壓力直接影響注水層注入效果，通過變頻調(diào)節(jié)下泵出口壓力，進(jìn)而控制油水分離器出口壓力，對(duì)回注層的注入壓力和注入量進(jìn)行大范圍調(diào)節(jié)。

(2)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。雙電泵及油水分離器均安裝監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過泵工況儀能及時(shí)了解電泵運(yùn)轉(zhuǎn)情況及出入口壓力；在油水分離器出口增設(shè)壓力傳感器監(jiān)測(cè)注入壓力，分析注水層吸水狀況及定性判斷是否堵塞；電潛泵工況儀也可以監(jiān)測(cè)生產(chǎn)層靜壓、了解油層壓力變化情況；油水分離器壓力傳感器也可以監(jiān)測(cè)注入層靜壓、判斷注入層壓力狀況。

(3)化學(xué)藥劑注入功能。毛細(xì)管線連接至油水分離器入口處，可根據(jù)情況注入化學(xué)藥劑使油水分離器達(dá)到最佳的分離效果，提高注入水水質(zhì)。

(4)注入水取樣功能。通過取樣管可以及時(shí)獲取注入水樣品，根據(jù)化驗(yàn)結(jié)果可進(jìn)行電潛泵變頻調(diào)節(jié)滿足注入需求，也可視情況注入化學(xué)藥劑提高注入水水質(zhì)。

(5)注水層解堵功能。注水層如出現(xiàn)注入壓力劇增或堵塞現(xiàn)象，該管柱設(shè)計(jì)有兩個(gè)自動(dòng)換向閥，具備注入通道進(jìn)行注水層解堵作業(yè)。

圖3 雙泵雙電機(jī)井下油水分離系統(tǒng)管柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

3 設(shè)計(jì)實(shí)例與效果分析

3.1 設(shè)計(jì)實(shí)例

結(jié)合南海西部油田各井的實(shí)際情況和井下油水分離技術(shù)的應(yīng)用條件，優(yōu)選出WC-X井作為井下油水分離工藝實(shí)施的候選井。該井為9-58”套管，有較好的注水層位，油水比重差為16.91%，含水率達(dá)87%，不出砂，且該井產(chǎn)液量大(2 140 m3d)，對(duì)其進(jìn)行井下油水分離可最大限度釋放平臺(tái)液量處理空間。WC-X基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 WC-X井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

對(duì)WC-X井進(jìn)行井下油水分離方案設(shè)計(jì)，最大產(chǎn)液量3 200 m3d，地面含水率降至50%，井口油壓大于1.5 MPa，泵入口壓力大于飽和壓力，設(shè)計(jì)結(jié)果詳見表 2，同時(shí)選擇配套雙級(jí)螺旋油水分離器，外徑為7”，管柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

表2 雙泵雙電機(jī)井下油水分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果

3.2 影響因素分析

目標(biāo)產(chǎn)液量和注水層的吸水能力是DOWS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，直接影響系統(tǒng)的設(shè)備選型和各項(xiàng)生產(chǎn)參數(shù)的變化。

(1)目標(biāo)產(chǎn)液量的影響。油層產(chǎn)液量對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響如圖4所示，它決定整個(gè)系統(tǒng)的總載荷和所需的總能量。產(chǎn)液量越大，需要舉升和注入的液量越大，所需注入壓力、下泵出口壓力和分離器出口壓力越高。上泵入口壓力受富含油流體舉升所需壓差和分離器出口壓力雙方面影響，其變化取決于兩個(gè)因素哪個(gè)影響較大，對(duì)于WC-X井而言，分離后富含油流體隨產(chǎn)液量的增大而增大，舉升所需壓差變化大于分離器出口壓力變化，因此上泵入口壓力呈降低趨勢(shì)，即所需上泵揚(yáng)程增大，級(jí)數(shù)增加。

圖4 目標(biāo)產(chǎn)液量與各種壓力關(guān)系圖

(2)吸水指數(shù)的影響。吸水指數(shù)決定注入層的注入能力，由圖5可見，吸水指數(shù)越高，所需注入壓力越小，下泵出口壓力越小，下泵所需級(jí)數(shù)減少；上泵的入口壓力也隨之降低，為滿足富含油流體舉升的需求，上泵所需揚(yáng)程需要增加。

圖5 吸水指數(shù)與各種壓力關(guān)系圖

3.3 生產(chǎn)效果預(yù)測(cè)

根據(jù)WC-X井的實(shí)際生產(chǎn)情況，該井實(shí)施井下油水分離后，將起到很好的增油降水作用，節(jié)約大量的污水處理成本，降低總的能耗，同時(shí)減少生產(chǎn)水的排放和對(duì)環(huán)境的污染。計(jì)算WC-X井實(shí)施井下油水分離后單井增加的產(chǎn)油量和為其他井創(chuàng)造提液空間增加的產(chǎn)油量，合計(jì)268.83d，如表3所示。

表3 WC-X井實(shí)施井下油水分離預(yù)計(jì)增加產(chǎn)油量

4 結(jié) 語

本次研究總結(jié)了井下油水分離技術(shù)的選井原則及應(yīng)用特點(diǎn)?；诰掠退蛛x系統(tǒng)的構(gòu)成，建立了雙泵雙電機(jī)井下油水分離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。結(jié)合海上油井井身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)優(yōu)化了雙泵雙電機(jī)井下油水分離系統(tǒng)方案，可實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的地面控制、井下監(jiān)測(cè)、注入水水質(zhì)監(jiān)測(cè)、注入?yún)?shù)調(diào)節(jié)、注水層解堵等功能。

設(shè)計(jì)實(shí)例表明，該技術(shù)能有效解決海上油田水處理、提液空間等瓶頸問題，尤其對(duì)高含水大排量電潛泵井具有較好的增產(chǎn)降本作用。

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