串聯(lián)型氣液分離裝置研制及試驗研究

高　宇

(大慶油田有限責任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453)①

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串聯(lián)型氣液分離裝置研制及試驗研究

高宇

(大慶油田有限責任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453)①

摘要：為解決高氣液比油井泵效低的問題，設(shè)計一種串聯(lián)型氣液分離裝置。該裝置利用重力沉降原理進行氣液分離，當抽油機的理論產(chǎn)量或氣液比大于設(shè)計值時，可多級串聯(lián)，以達到理想的氣液分離效果。利用FLUENT軟件對氣液分離過程進行了數(shù)值模擬，并對中心管下端進液孔進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過試驗評價了氣液分離裝置在不同工況條件下的分離效果，與數(shù)模結(jié)果一致。通過不同級數(shù)的氣液分離裝置進行串聯(lián)，能夠大幅提高分離效率，且可實現(xiàn)單井的個性化設(shè)計，對于油井開采降本增效有重要意義。

關(guān)鍵詞：氣液分離器；串聯(lián)；數(shù)值模擬；分離效果

隨著油田開發(fā)進入中后期，氣體對抽油機泵效的影響日益明顯。對于高氣液比油井，要提高泵的充滿系數(shù)就必須降低進泵原油的含氣量，采用氣錨分氣技術(shù)是提高泵效的有效途徑之一[1]。國外早在20世紀60年代就開始廣泛使用簡單氣錨、多級簡單氣錨，到20世紀60年代中末期推出螺旋式氣錨，20世紀70年代出現(xiàn)碗式氣錨，20世紀80年代螺旋氣錨從理論上有所突破，直徑不斷減小，效率不斷提高[2-4]。

目前，國內(nèi)抽油機上應(yīng)用的井下氣體分離裝置大都是沉降式的氣錨，該氣錨適合斷續(xù)流的工況條件。它們設(shè)計的原理多數(shù)利用了氣體與液體的密度差，在泵的入口前設(shè)計“回”形通道，在生產(chǎn)過程中對氣液進行沉降式分離。這種氣錨對于低氣液比及低產(chǎn)量的油井，可以發(fā)揮出明顯優(yōu)勢，但在高氣液比及產(chǎn)量高的油井時，由于尺寸和空間的限制，達不到較好的分離效果。

為了有效地解決上述問題，開展了串聯(lián)型氣液分離裝置的研制，可根據(jù)油井氣液比及產(chǎn)液量進行多級串聯(lián)，實現(xiàn)單井的個性化設(shè)計，對于油井開采降本增效具有重要意義。

1工藝原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計

串聯(lián)型氣液分離裝置利用沉降原理進行氣液分離，每級氣液分離裝置結(jié)構(gòu)主要由上接頭、外管、中心管及下接頭組成，上、下接頭處的油管螺紋扣型一致，如圖1所示。外管和中心管之間形成一個靜態(tài)的腔室，外管的入口在氣液分離裝置的上方，而中心管的入口開在氣液分離裝置的下方，這樣使得流經(jīng)腔室的液體在抽油機的上沖程過程中達到設(shè)計流速，這個速度使得在抽油機下沖程時，分離出來的氣體經(jīng)外管的上口排到油套環(huán)空中，達到分離的效果。另外，當油井氣液比或產(chǎn)液量超過單級承受范圍時，可通過油管接箍將上一級氣液分離裝置的下接頭與下一級的上接頭相連，從而實現(xiàn)多級串聯(lián)的目的，以達到理想的氣液分離效果。

1—上接頭；2—外管；3—中心管；4—下接頭

該結(jié)構(gòu)具有4方面優(yōu)點：

1)分離效率高。單級使用時，氣液比50～200 m3/m3的情況下可實現(xiàn)90%以上的氣液分離。

2)適應(yīng)范圍廣。適應(yīng)排量范圍大，排量大(>70 m3/d)及氣液比高(>200 m3/m3)的抽油機井可雙級或三級串聯(lián)使用，提高分離效果。

3)單級氣錨體積小、質(zhì)量輕，便于運輸安裝。

4)起下方便，適合不同直徑的套管，不影響正常的作業(yè)施工程序。

2數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于一級氣液分離裝置與抽油泵吸入口距離更近，吸入阻力更小，因此在上沖程時吸入抽油泵的介質(zhì)大部分來自于一級氣液分離裝置，少量來自二級氣液分離裝置。但二級氣液分離裝置分離出的水更多而沒有能夠被吸入。因此，為了能夠使上沖程時一、二級氣液分離裝置流入到抽油泵的介質(zhì)基本相同，從流體力學方面考慮需要增大上面一級氣液分離裝置的阻力，解決辦法是減小上一級氣液分離裝置中心管處進液孔的直徑和數(shù)量。

為了評價不同級數(shù)對分離效果的影響，同時減少加工成本及試驗量，利用FLUENT軟件對單級、雙級氣液分離裝置進行模擬仿真，并對中心管下端進液孔進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，數(shù)學模型采用3D實體模型，如圖2所示。

圖2氣液分離裝置流體區(qū)域模型

設(shè)置入口流速為0.3 m/s，介質(zhì)含氣率40%，建立氣液分離裝置有效長度1 460 mm，內(nèi)管外徑32 mm，外管內(nèi)徑98 mm，求解氣液分離裝置出口介質(zhì)的含水率。模擬計算時，0～5 s是上沖程，中心管出口設(shè)置為出口；5～10 s為下沖程，中心管出口封閉；以此循環(huán)計算，直到中心管出口介質(zhì)含氣率穩(wěn)定。

對雙級氣液分離裝置上一級氣液分離裝置中心管處進液孔進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從原來的4個16 mm減少到1個10 mm，就可以使出口含氣量從原來的10%下降到0，與理論分析結(jié)果一致。如圖3所示。

圖3　一級氣液分離裝置不同中心管進液孔分離效果對比

圖4～5是優(yōu)化后雙級氣液分離裝置30 s(下沖程)時液相含量圖以及一級、二級氣液分離裝置各自出口流量和氣液分離裝置總流量。圖5中縱坐標負號表示流體向井底方向流動。從圖5中可以看到，氣液分離裝置總流量為7.0×10-4m3/s，一級氣液分離裝置平均流量是2.57×10-4m3/s，二級氣液分離裝置平均流量是4.43×10-4m3/s。由于一級氣液分離裝置分離出的液相會流到二級氣液分離裝置中，因此使二級氣液分離裝置流量大，更能有效發(fā)揮雙級氣液分離裝置的作用。

3.3.2 直流電源與信號源相互獨立，直流電源不受信號源發(fā)熱的影響，可靠性更高，同時維護與更換也更加方便。

圖4　雙級氣液分離裝置30 s(下沖程)時液相含量

圖5　雙級氣液分離裝置各級氣液分離裝置流量隨時間變化曲線

3試驗研究

3.1試驗流程

為了驗證理論分析結(jié)果與實際情況是否相符，在模擬井對氣液分離裝置進行了試驗。試驗介質(zhì)為清水和空氣，試驗參數(shù)為沖程1.8 m，沖次1、2、5、7、9 min-1，氣液比50、100、200、300、500、1 000、1 500、2 000 m3/t。

圖6為氣液分離裝置試驗流程圖，其中包括抽油機加載系統(tǒng)、氣體流程、液體流程、氣液分離裝置混氣裝置等幾個部分。各部分主要功能如下：

1)抽油機加載系統(tǒng)。抽油機加載系統(tǒng)主要包括抽油機、加載系統(tǒng)、井口系統(tǒng)等。滿足抽油泵工作的沖程、沖次以及油管出口壓力。

2)氣體流程。氣體流程主要完成向模擬井內(nèi)加入氣體，與加入液體混合后滿足試驗所要求的氣液比。同時加入的氣體還能夠從套管排出。套管可進行加壓試驗。

3)采出液流程。采出液流程主要滿足抽油泵采出液的計量、采出液壓力的調(diào)節(jié)、采出液的回注。

4)氣液分離裝置混氣裝置。氣液分離裝置混氣裝置是將加入氣體分別從12根內(nèi)徑4 mm的細管導入井下，氣管端部接有空隙為0.1 mm的過濾球，從而保證加入水中的氣體處于分散細密的狀態(tài)。

圖6　氣液分離裝置試驗流程

對單級氣液分離裝置進行模擬試驗，測試抽油泵的產(chǎn)液量，計算抽油泵的容積效率。試驗結(jié)果如圖7～8所示。

圖7　單級氣液分離裝置產(chǎn)液量變化曲線

圖8　單級氣液分離裝置容積效率變化曲線

由圖7～8計算結(jié)果可見：

1)在相同沖次條件下，隨著氣液比的增加，抽油泵的產(chǎn)液量逐漸降低，容積效率也逐漸減小。氣液比較小時下降速度較大，氣液比較大時下降速度較小。

2)在相同氣液比條件下，隨著沖次的增大抽油泵的產(chǎn)液量雖然增大，但容積效率逐漸減小。沖次越小產(chǎn)液量和容積效率變化越小。原因是由于沖次越小氣液分離時間越長，分離效果越好。從試驗數(shù)據(jù)可以看到，沖次為1 min-1，氣液比為0～1 000 m3/t，容積效率下降1.57%；沖次為9 min-1，氣液比為0～1 000 m3/t，容積效率下降65.31%。

3)氣液比為0～2 000 m3/t時，產(chǎn)液量和容積效率變化不是線性變化，而是隨著氣液比的增加產(chǎn)液量和容積效率先不變，而后在某點發(fā)生突然下降，下降速度較大，而后再緩慢降低。

對雙級氣液分離裝置進行模擬試驗，測試抽油泵的產(chǎn)液量，計算抽油泵的容積效率。試驗結(jié)果如圖9～10所示。

圖9　雙級氣液分離裝置產(chǎn)液量變化曲線

圖10　雙級氣液分離裝置容積效率變化曲線

由圖9～10計算結(jié)果可見：

1)在相同沖次條件下，隨著氣液比的增加，抽油泵的產(chǎn)液量逐漸降低，容積效率也逐漸減小。氣液比較小時下降速度較大，氣液比較大時下降速度較小。

2)在相同氣液比條件下，隨著沖次的增大抽油泵的產(chǎn)液量雖然增大，但容積效率逐漸減小。沖次越小產(chǎn)液量和容積效率變化越小。原因是由于沖次越小氣液分離時間越長，分離效果越好。從試驗數(shù)據(jù)可以看到，沖次1 min-1，氣液比為0～2 000 m3/t，容積效率下降1.55%；沖次9 min-1，氣液比為0～2 000 m3/t，容積效率下降44.55%。

3)雙級氣液分離裝置與單級氣液分離裝置相比分離效果明顯提高，產(chǎn)液量和容積效率曲線拐點后移，對應(yīng)的氣液比是單級的1.7～3.5倍。

4結(jié)論

1)串聯(lián)型氣液分離裝置利用沉降式原理進行氣液分離，并可以根據(jù)油井氣液比及產(chǎn)液量進行多級串聯(lián)，能夠?qū)崿F(xiàn)單井的個性化設(shè)計，這對于油井開采降本增效有重要意義。

2)對雙級氣液分離裝置進行改進，優(yōu)化上一級氣液分離裝置的中心管處進液孔結(jié)構(gòu)，從原來的4個16 mm減少到1個10 mm，就可以使出口含氣量從原來的10%下降到0，能夠有效發(fā)揮雙級氣液分離裝置的效果。

文章編號：1001-3482(2016)07-0048-05

收稿日期：①2015-12-29

作者簡介：高宇(1983-)，女，黑龍江哈爾濱人，工程師，碩士，2008年畢業(yè)于東北石油大學，主要研究領(lǐng)域為螺桿舉升技術(shù)及CO2驅(qū)采油技術(shù)，E-mail：yu1983619@163.com。

中圖分類號：TE931.203

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.07.010

Development and Experimental Study of Series Type Gas Liquid Separation Device

GAO Yu

(OilProductionEngineeringResearchInstitute，DaqingOilfieldCompanyLimited，Daqing163453，China)

Abstract：In order to solve the problem of low efficiency of high gas-liquid ratio oil wells，a series type gas liquid separation device was designed，and the theory of gravity setting was used to separate the gas and liquid.When theory yield or the gas-liquid rate of the oil pumps are greater than design valve，the ideal gas liquid separation can be achieved by multistage serials.The gas liquid separation process is simulated using FLUENT software，and the structural optimization of the inlet port on the lower end of the central tube is carried out.The separation effect of gas-liquid separation device under different working conditions was evaluated by experiment.It is consistent with the results of numerical simulations.It is important to improve the separation efficiency and realize the individual design of single well by using different series of gas and liquid separation devices.And it is important for reducing the efficiency of oil well production.

Keywords：gas liquid separator；multistage serials；numerical simulation；separation effect