海上高含氣井新型井下氣液分離器設(shè)計(jì)及性能評(píng)價(jià)*

鄭春峰 楊萬(wàn)有 孟熙然 李 昂 沈 瓊 趙景輝 薛德棟

(1. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 300452； 2. 大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠 黑龍江大慶 163511)

海上油田的人工舉升方式以電泵舉升為主，但在高含氣井況下，過(guò)多氣體進(jìn)泵后會(huì)造成電泵泵腔內(nèi)大部分空間被氣體占據(jù)，加劇了電泵機(jī)組振動(dòng)，經(jīng)常性欠載停機(jī)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成電泵生產(chǎn)中斷，從而使檢泵周期縮短，電泵排量和揚(yáng)程效率大幅度下降，電泵電纜絕緣降低。因此，高含氣井電泵平穩(wěn)運(yùn)行的難點(diǎn)在于如何控制過(guò)泵混合流體的含氣率低于15%～30%[1-2]。

通常情況下，礦場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)電泵舉升工藝井下氣體處理常采用以下方式：對(duì)于含氣率小于10%左右的井況,采用安裝吸入口工具；對(duì)于含氣率小于30%左右的井況,采用單級(jí)油氣分離器處理；對(duì)于含氣率小于50%左右的井況,采用雙級(jí)油氣分離器處理；對(duì)于含氣率大于60%左右的井況,采用氣體分離大師處理；對(duì)于含氣率50%左右、含水率20%左右的高含氣率、低含水率井況,采用氣體處理器處理。目前已有多種氣液處理技術(shù)應(yīng)用于油氣田開(kāi)發(fā)生產(chǎn)實(shí)踐中[3-6]，其分離機(jī)理主要包括重力沉降式和旋流式：重力式氣液分離器受井下較小空間的限制很難提供充分的氣液分離時(shí)間，從而導(dǎo)致氣液分離效果不佳，一般適用于低產(chǎn)量、低含氣率的氣井；旋流式分離器具有小巧靈便、運(yùn)行高效、投資及運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，但因其具有空間利用率不高、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜等特點(diǎn)，無(wú)法處理體積流量大的含液氣流，強(qiáng)旋流場(chǎng)易形成氣芯貫穿旋流器，對(duì)彈狀流和攪混流適應(yīng)性差，能分離出的液體量有限[7-11]。

現(xiàn)有氣液分離技術(shù)在高含氣井況中的應(yīng)用效果并不理想，特別是在高產(chǎn)液量、高含氣率及復(fù)雜流型等工況下，氣液混合物難以實(shí)現(xiàn)氣液的高效分離。為此,本文開(kāi)發(fā)了一種應(yīng)對(duì)高含氣井況的新型井下氣液分離器，旨在實(shí)現(xiàn)高含氣井況下氣液混合物的高效分離，以此實(shí)現(xiàn)電泵在高含氣井況下的平穩(wěn)運(yùn)行，為海上高含氣井況電泵舉升提供了一種新的解決思路。

1 新型井下氣液分離器設(shè)計(jì)

1.1 工藝管柱設(shè)計(jì)

井下氣液分離舉升工藝管柱以海上常用Y型分采管柱為主體結(jié)構(gòu)，在此管柱基礎(chǔ)上增設(shè)了滑套式導(dǎo)液器、氣液分離器和排氣管，通過(guò)管柱組合結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了大幅度降低過(guò)泵混合流體的含氣率的目的。該工藝管柱采用一趟管柱下入的形式，依次包括生產(chǎn)滑套、滑套式導(dǎo)液器、新型井下氣液分離器、電泵、特殊Y接頭、排氣管、過(guò)電纜封隔器和井下安全閥等部件，管柱下入到位后投堵塞器，打壓座封過(guò)電纜封隔器，驗(yàn)封成功后可直接轉(zhuǎn)入生產(chǎn)，如圖1所示。新工藝管柱實(shí)現(xiàn)了地層產(chǎn)出液從滑套式導(dǎo)液器進(jìn)入新型井下氣液分離器，能夠?qū)崿F(xiàn)地層產(chǎn)出液的高效分離。分離后的富液流排至油套環(huán)空并通過(guò)電泵增壓舉升至地面，富氣流通過(guò)排氣管排至特殊Y接頭上方，在氣液密度差的作用下流溢流至井口，從而實(shí)現(xiàn)高含氣井況電泵的高效舉升。

圖1 井下氣液分離舉升工藝管柱示意圖

新型井下氣液分離器所在的工藝管柱未阻擋從井口至儲(chǔ)層的主測(cè)試通道，既滿足了海上鋼絲和電纜分層地層測(cè)試的需求，又實(shí)現(xiàn)了高含氣井況井下氣液的高效分離。該工藝管柱與海上常規(guī)Y型生產(chǎn)管柱相類(lèi)似，作業(yè)實(shí)施方案成熟，大大降低了作業(yè)及運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 分離原理

新型井下氣液分離器主要結(jié)構(gòu)包括進(jìn)液短節(jié)、出液口、旋流裝置、內(nèi)外筒體、分離擋板、排氣管及出氣短節(jié)等部件組成，如圖2所示。該分離器利用三級(jí)分離原理實(shí)現(xiàn)井下氣液的高效分離。

圖2 新型井下氣液分離器結(jié)構(gòu)示意圖

1) 一級(jí)旋流分離。地層產(chǎn)出液通過(guò)進(jìn)液短節(jié)進(jìn)入新型井下氣液分離器外筒體和內(nèi)筒體的環(huán)形空間，在旋流裝置產(chǎn)生旋流場(chǎng)的作用下，由直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾麟x心運(yùn)動(dòng)，經(jīng)充分發(fā)展后氣相在內(nèi)筒體中心聚集并形成氣芯，液相在氣芯周?chē)纬森h(huán)形液膜。

2) 二級(jí)重力分離。經(jīng)過(guò)一級(jí)分離后，地層產(chǎn)出液進(jìn)入重力分離腔室，密度大的液相在離心力作用下沿內(nèi)筒體壁面向下運(yùn)動(dòng)并從出液口流出，密度小的氣相沿內(nèi)筒體中心區(qū)域向上運(yùn)動(dòng)并從出氣短節(jié)排出。

3) 三級(jí)碰撞分離。受地層產(chǎn)出液流型的影響，少許液滴會(huì)到達(dá)排氣管入口處，通過(guò)在排氣管下端設(shè)置的分離擋板阻擋大部分液滴，防止液滴直接進(jìn)入排氣管。

2 氣液分離性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了客觀評(píng)價(jià)新型井下氣液分離器的分離性能，本文引入以下5個(gè)量：運(yùn)行分流比、旋流離心加速度、出液口液中含氣率、出氣口氣中含液率和分離效率。

運(yùn)行分流比和旋流離心加速度是新型井下氣液分離器高效分離控制的關(guān)鍵參數(shù)，表示為

(1)

(2)

式(1)～(2)中：Fk為運(yùn)行分流比，無(wú)量綱；Qo為出液口總體積流量，m3/d；Qi為入口總體積流量，m3/d；a為旋流離心加速度，m/s2；H為旋流裝置高度，mm；D為旋流裝置內(nèi)切入口寬度，mm；r為旋流裝置內(nèi)切半徑，mm；g為重力加速度，m/s2。

出液口液中含氣率可以直觀地評(píng)價(jià)分離后富液流中的氣體含量，該指標(biāo)是保證電泵平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)。出氣口氣中含液率可以判斷分離后的富氣流是否有充足的攜帶能力溢流至井口。根據(jù)礦場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)出氣口氣中含液率控制在10%以?xún)?nèi)、出液口液中含氣率應(yīng)控制在15%以?xún)?nèi)時(shí)，則可以保證氣體溢流至井口及電泵的平穩(wěn)運(yùn)行。

(3)

(4)

式(3)～(4)中：flg為出液口液中含氣率，%；Qlg為出液口氣相體積流量，m3/d；Qll為出液口液相體積流量，m3/d；fgl為出氣口氣中含液率，%；Qgl為出氣口液相體積流量，m3/d；Qgg為出氣口氣相體積流量，m3/d。

分離效率是新型井下氣液分離性能評(píng)價(jià)關(guān)鍵指標(biāo)，該指標(biāo)可以整體評(píng)估氣液分離器的分離性能。

(5)

式(5)中：η為分離效率，%；Qig為進(jìn)液口氣相體積流量，m3/d。

3 新型氣液分離器性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置及流程

分離性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(圖3)的主要裝置包括新型氣液分離器、空氣壓縮機(jī)、離心泵、氣液摻混器和分離罐；通過(guò)壓力傳感器、氣液流量和連續(xù)液面記錄儀等設(shè)備，計(jì)量不同位置的流體壓力、流量和液面高度等信息；通過(guò)電控調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)極調(diào)控。

圖3 新型井下氣液分離器性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)流程主要包括以下8個(gè)步驟：

1) 連接實(shí)驗(yàn)設(shè)備，檢查管路是否暢通，檢查電路確保用電安全，調(diào)試空壓機(jī)和離心泵，水罐灌滿水，氣液分離器傾斜夾角調(diào)到實(shí)驗(yàn)初值；

2) 打開(kāi)所有調(diào)節(jié)閥，開(kāi)啟空壓機(jī)和離心泵，緩慢提升工作壓力，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定循環(huán)5～10 min，檢查實(shí)驗(yàn)環(huán)路中是否存在泄漏點(diǎn)，確保無(wú)泄壓點(diǎn)；

3) 調(diào)節(jié)分離罐末端的調(diào)節(jié)閥，使排量和壓力緩慢上升，實(shí)驗(yàn)環(huán)境壓力調(diào)至實(shí)驗(yàn)初值；

4) 緩慢同步調(diào)節(jié)空壓機(jī)和離心泵出口端的電控調(diào)節(jié)閥，使系統(tǒng)供氣量和供液量為實(shí)驗(yàn)初值(例如調(diào)整氣量130.6 m3/d、液量69.4 m3/d，此時(shí)氣液分離器入口含氣率為65.3%)；

5) 調(diào)節(jié)氣液分離器出液口處電控調(diào)節(jié)閥，使運(yùn)行分流比為實(shí)驗(yàn)初值，并記錄氣液分離器入口總體積流量、出液口氣相體積流量、出液口液相體積流量、出氣口液相體積流量和出氣口氣相體積流量，并計(jì)算出在設(shè)定運(yùn)行分流比下分離后出液口液中含氣率、出氣口氣中含液率和分離效率；

6) 調(diào)節(jié)氣液分離器出液口的電控調(diào)節(jié)閥開(kāi)度以改變運(yùn)行分流比，計(jì)算不同運(yùn)行分流比的出液口液中含氣率、出氣口氣中含液率和氣液分離器的分離效率；

7) 改變實(shí)驗(yàn)環(huán)境壓力、系統(tǒng)供氣量、供液量及入口含氣量，重復(fù)步驟3～6，完成特定工況的氣液分離器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)；

8) 完成所有實(shí)驗(yàn)后，先關(guān)停空壓機(jī)，再關(guān)停離心泵，拆卸設(shè)備、清洗設(shè)備。

3.2 分離性能評(píng)價(jià)

1) 運(yùn)行分流比。

將實(shí)驗(yàn)環(huán)境壓力設(shè)置為4.0 MPa，入口總體積流量設(shè)置為200 m3/d，入口含氣率設(shè)置為65.3%，運(yùn)行分流比分別設(shè)置為0.13、0.23、0.33、0.54和0.72，分析運(yùn)行分流比對(duì)新型井下氣液分離器分離性能的影響，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，隨著運(yùn)行分流比的增加，出液口液中含氣率增加，出氣口氣中含液率減少，曲線形態(tài)呈現(xiàn)“半交叉X形狀”。交叉點(diǎn)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行分流比為新型井下氣液分離器最佳工作點(diǎn)，此時(shí)出液口液中含氣率和出氣口氣中含液率為3.4%，最佳工作點(diǎn)處的分離效率為99.1%。根據(jù)氣中含液率小于10%、液中含氣率小于15%的礦場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)及式(1)、(3)、(4)可知，運(yùn)行分流比設(shè)定在0.27～0.40時(shí)，新型井下氣液分離器可實(shí)現(xiàn)高效分離，分離效率為91.2%～98.0%。

圖4 不同運(yùn)行分流比分離性能評(píng)價(jià)曲線

2) 入口含氣率。

將實(shí)驗(yàn)環(huán)境壓力設(shè)置為4.0 MPa，入口總體積流量設(shè)置為200 m3/d，入口含氣率分別設(shè)置為29.7%、40.2%、49.6%、65.3%和75.1%，運(yùn)行分流比調(diào)試范圍為0.13～0.88，分析入口含氣率對(duì)新型井下氣液分離器分離性能的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同入口含氣率的分離性能評(píng)價(jià)曲線

當(dāng)入口含氣率為65.3%和75.1%時(shí)(圖5a)，分離性能曲線形態(tài)呈現(xiàn)出明顯的“半交叉X形狀”。當(dāng)入口含氣率為65.3%時(shí)，對(duì)應(yīng)的新型井下氣液分離器最佳工作點(diǎn)出液口液中含氣率和出氣口氣中含液率為2.8%，通過(guò)式(5)可知，最佳工作點(diǎn)處的分離效率為99.7%。根據(jù)氣中含液率小于10%、液中含氣率小于15%的礦場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)及式(1)、(3)、(4)可知，運(yùn)行分流比設(shè)定在0.28～0.40時(shí)，新型井下氣液分離器可實(shí)現(xiàn)高效分離，分離效率為97.9%～99.2%。當(dāng)入口含氣率為75.1%時(shí)，對(duì)應(yīng)的新型井下氣液分離器最佳工作點(diǎn)出液口液中含氣率和出氣口氣中含液率為0.11%。通過(guò)式(5)可知，最佳工作點(diǎn)處的分離效率為99.8%。同理可知，運(yùn)行分流比設(shè)定在0.22～0.37時(shí)，新型井下氣液分離器可實(shí)現(xiàn)高效分離，分離效率為98.2%～99.5%。

當(dāng)入口含氣率為40.2%和49.6%時(shí)(圖5b)，分離性能曲線雖然仍有交叉點(diǎn)出現(xiàn)，但“半交叉X形狀”已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重偏離。當(dāng)入口含氣率為49.6%時(shí)，出液口液中含氣率大于15%，此時(shí)新型井下氣液分離器分離效率為90.5%；當(dāng)入口含氣率為40.2%時(shí)，出液口液中含氣率曲線出現(xiàn)明顯的先下降后上升的形態(tài)，此時(shí)新型井下氣液分離器分離效率僅為88.1%。

當(dāng)入口含氣率為29.7%時(shí)(圖5c)，分離性能曲線沒(méi)有出現(xiàn)交叉點(diǎn)，2個(gè)出口含氣偏高，且可調(diào)運(yùn)行分流比運(yùn)行區(qū)間非常窄，分離效率低于80%。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著入口含氣率的增加，新型井下氣液分離器出液口液中含氣率逐漸降低，出氣口氣中含液率逐漸降低，分離效率逐漸增加。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新型井下氣液分離器在高含氣工況下具有更好的分離性能，而低含氣工況的適用性較差。

3) 旋流離心加速度。

將實(shí)驗(yàn)環(huán)境壓力設(shè)置為4.0 MPa，入口含氣率設(shè)置為65.1%，按照式(2)設(shè)置旋流離心加速度分別為重力加速度(g)的8.5、16.1、19.9、28.8、31.1、36.6和44.8倍，運(yùn)行分流比調(diào)試范圍為0.08～0.76，分析旋流離心加速度對(duì)新型井下氣液分離器分離性能的影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同旋流離心加速度分離性能評(píng)價(jià)曲線

當(dāng)旋流離心加速度小于28.8g時(shí)(圖6a)，分離性能曲線形態(tài)呈現(xiàn)出明顯的“半交叉X形狀”，對(duì)應(yīng)的氣液分離器最佳工作點(diǎn)出液口液中含氣率小于2.44%，出氣口氣中含液率小于3.44%，最佳工作點(diǎn)處的分離效率為98.8%。根據(jù)氣中含液率小于10%、液中含氣率小于15%的礦場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)及式(1)、(3)、(4)可知，運(yùn)行分流比設(shè)定在0.26～0.49時(shí)，新型井下氣液分離器可實(shí)現(xiàn)高效分離，分離效率為98.8%～100%。

當(dāng)旋流離心加速度大于31.1g時(shí)(圖6b)，分離性能曲線形態(tài)雖然仍呈現(xiàn)出“半交叉X形狀”，但交叉點(diǎn)即氣液分離器最佳工作點(diǎn)處的出液口液中含氣率明顯增加(8.58%～13.83%)，出氣口氣中含液率也明顯增加(4.65%～8.96%)，最佳工作點(diǎn)處的分離效率僅為90.5%～92.3%。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著旋流離心加速度的增加，新型井下氣液分離器出液口液中含氣率逐漸增加，出氣口氣中含液率逐漸增加，分離效率逐漸降低。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新型井下氣液分離器在低旋流離心加速度工況下具有更好的分離性能，而在高旋流離心加速度工況下適用性較差。

4) 傾角。

將實(shí)驗(yàn)環(huán)境壓力設(shè)置為4.0 MPa，入口總體積流量設(shè)置為200 m3/d，入口含氣率設(shè)置為55%和65%，新型井下氣液分離器傾角分別設(shè)置為0°、45°、60°和70°，運(yùn)行分流比調(diào)試范圍為0.10～0.89，分析傾角變化對(duì)新型井下氣液分離器分離性能的影響結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同入口含氣率、不同傾角的分離性能評(píng)價(jià)曲線

當(dāng)入口含氣率為55%、傾角小于60°時(shí)(圖7a)，分離性能曲線形態(tài)呈現(xiàn)出 “半交叉X形狀”。對(duì)應(yīng)的新型井下氣液分離器最佳工作點(diǎn)出液口液中含氣率小于14.05%，出氣口氣中含液率小于11.04%，此時(shí)新型井下氣液分離器最低分離效率為87.3%～95.1%。根據(jù)氣中含液率小于10%、液中含氣率小于15%的礦場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)及式(1)、(3)、(4)可知，運(yùn)行分流比設(shè)定在0.42～0.57時(shí)，新型井下氣液分離器可實(shí)現(xiàn)高效分離，分離效率為76.7%～95.2%。

當(dāng)入口含氣率為55%、傾角為70°時(shí)(圖7b)，分離性能曲線雖然仍有交叉點(diǎn)出現(xiàn)，但“半交叉X形狀”已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重偏離。對(duì)應(yīng)的新型井下氣液分離器最佳工作點(diǎn)出液口液中含氣率18.2%，出氣口氣中含液率21.9%，此時(shí)新型井下氣液分離器最低分離效率為76.7%。

當(dāng)入口含氣率為65%、傾角小于60°時(shí)(圖7c)，分離性能曲線形態(tài)呈現(xiàn)出明顯的“半交叉X形狀”。對(duì)應(yīng)的新型井下氣液分離器最佳工作點(diǎn)出液口液中含氣率小于3.65%，出氣口氣中含液率小于5.21%，此時(shí)新型井下氣液分離器最低分離效率為97.5%～98.2%。同理，其運(yùn)行分流比設(shè)定在0.26～0.42時(shí)，新型井下氣液分離器可實(shí)現(xiàn)高效分離，分離效率為97.5%～100%。

當(dāng)入口含氣率為65%、傾角為70°時(shí)(圖7d)，分離性能曲線雖然仍有交叉點(diǎn)出現(xiàn)，但“半交叉X形狀”已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重偏離。對(duì)應(yīng)的新型井下氣液分離器最佳工作點(diǎn)出液口液中含氣率12.07%，出氣口氣中含液率5.68%，此時(shí)新型井下氣液分離器最低分離效率為95.8%。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在相同入口含氣率條件下，隨著傾角的增加，新型井下氣液分離器出液口液中含氣率逐漸增加，出氣口氣中含液率逐漸增加，分離效率逐漸降低。在相同的傾斜條件下，隨著入口含氣率的增加，新型井下氣液分離器出液口液中含氣率逐漸降低，出氣口氣中含液率逐漸降低，分離效率逐漸增加。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新型井下氣液分離器在低傾角和高入口含氣率工況下具有更好的分離性能。

5) 自適應(yīng)性能。

將實(shí)驗(yàn)環(huán)境壓力設(shè)置為4.0 MPa，入口總體積流量設(shè)置為200 m3/d，入口含氣率設(shè)置為59.3%，運(yùn)行分流比調(diào)試為0.41，新型井下氣液分離器傾角設(shè)置為0°，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持氣液分離器入口和2個(gè)出口開(kāi)度不變。在新型井下氣液分離器出口/入口開(kāi)度不變的前提下，分析入口含氣率對(duì)分離器自適應(yīng)性能的影響結(jié)果如圖8所示。

圖8 新型井下氣液分離器自適應(yīng)性能評(píng)價(jià)曲線

當(dāng)入口含氣率由23.1%增至85.1%時(shí)，新型井下氣液分離器出氣口氣中含液率呈現(xiàn)出逐步下降的趨勢(shì)，出液口液中含氣率呈現(xiàn)出逐步上升的趨勢(shì)。根據(jù)氣中含液率小于10%、液中含氣率小于15%的礦場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)及式(1)、(3)、(4)可知，入口含氣率控制在51.7%～69.5%時(shí)，新型井下氣液分離器可實(shí)現(xiàn)高效分離，分離效率為97.9%～99.2%。實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了新型井下氣液分離器具有較寬的自適應(yīng)入口含氣率變化的能力。

4 結(jié)論

1) 基于海上Y型分采管柱，設(shè)計(jì)了高含氣井新型井下氣液分離器，該分離器通過(guò)旋流離心分離、重力分離和碰撞分離的三級(jí)分離原理對(duì)高含氣井氣液進(jìn)行高效分離。

2) 氣液分離性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新型井下氣液分離器在合理的運(yùn)行分流比、高入口含氣率、低旋流離心加速度、低傾角等條件下具有較高的分離效率，同時(shí)具有較寬的自適應(yīng)入口含氣率變化能力，可為海上高含氣井電泵井的平穩(wěn)運(yùn)行提供有效的解決思路。