同井注采井下油水分離器的研制及分離效果

王德民,王 研,劉金堂,何志國,張懷鈺,張蕾蕾,張 雨

(1.中國工程院,北京 100120;2.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司,黑龍江大慶 163453)

利用同井注采技術(shù),地層采出液進入井下油水分離器后,分離后的水經(jīng)分離器中心管進入由注入泵、密封活塞、橋式封隔器組成的密閉空間,經(jīng)橋式封隔器上的注入通道進入回注層;分離后剩余含油較多的采出液進入油套環(huán)空,通過上下級橋式封隔器、密封工藝管組成的橋式通道,后上行經(jīng)采出泵舉升到地面。從而實現(xiàn)地層液在井下油水分離,低含水部分被舉升到地面,低含油部分被注入到回注層。利用同井注采技術(shù),一方面可控制無效產(chǎn)液,減少油井產(chǎn)出水量,在生產(chǎn)井達(dá)到約98%的特高含水條件下,實施三次采油或四次采油,同時增加油水井對應(yīng)連通方向、增加注水層點和提高波及體積,從而提高采收率,使油井持續(xù)實現(xiàn)經(jīng)濟有效開采,有效延長油田開發(fā)周期;另一方面可有效緩解后續(xù)水處理壓力,輔助水井注水,減少地面注水量,減少地面油氣集輸系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模和數(shù)量,降低地面設(shè)備能耗水平和水處理成本;第三,可增加注水層系及注水井點,為完善注采關(guān)系提供有利條件。筆者通過試驗確定最佳井下油水分離器的結(jié)構(gòu)(包括沉降杯杯底瓦棱狀傾角、棱數(shù)、杯高、杯間進液間隙)、杯底形狀以及杯內(nèi)填料。

1 井下油水分離器原理

同井注采工藝管柱包括采出泵、密封活塞、橋式封隔器、注入泵和井下油水分離器等,如圖1所示。

高效井下油水分離器由沉降杯、中心管等組成,中心管上開進液孔,分離器連接于注入泵下部,具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。分離器分別利用了多杯等流原理、聚并原理、淺槽原理和相滲重力驅(qū)原理進行油水分離。

1.1 多杯等流原理

高效井下油水分離器由多個沉降杯組成,由于自下而上每個杯內(nèi)的液體進入油水分離器中心管的液量近似相等,因此地層產(chǎn)出液進入沉降杯后,液體的流速大幅度降低,進而利用油、水密度差異,實現(xiàn)自然沉降分離,分離的水進入中心管,被注入泵回注。含水較低的采出液進入油套環(huán)空被采出泵舉升到地面。

每個沉降杯中液體的下降速度為

(1)

式中,n為沉降杯的個數(shù);q為單個沉降杯中的液量,m3/s;F環(huán)為油水分離器中心管與沉降杯外徑之間的環(huán)形面積,m2;Q為油水分離總液量,m3/s。

由式(1)看出,液體流經(jīng)油水分離器時液流下降的速度v下有n個沉降杯分流,使得油水混合物有充分的時間分離。

圖1 同井注采工藝管柱Fig.1 Process string drawing of single-well injection and production

圖2 高效井下油水分離器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of high-efficient downhole oil/water separation

高效井下油水分離器工作過程中,只有保證每一個沉降杯在柱塞泵每次抽吸時的進液量近似相等,才能大幅度降低液體在沉降杯內(nèi)的下降速度,實現(xiàn)油水充分分離。通過水力學(xué)計算,確定不同分離液量條件下能夠保持等流的中心管進液孔過流面積及沉降杯的個數(shù)。

假設(shè)中心管最下端進液口孔口的工作壓差為Δp,則最上端孔口的工作壓差為Δp+Δpf,根據(jù)孔口流量計算公式可得最上端q1和最下端qn每個孔口的流量分別為

(2)

(3)

式中,q1為最上端單孔進液流量,m3/s;qn為最下端單孔進液流量,m3/s;ρ為采出液的密度,kg/m3;Δpf為分離器中心管內(nèi)的摩阻壓差,Pa;Δp為分離器中心管內(nèi)外的壓差,Pa;Ka為孔口流量系數(shù)。

定義最上端與最下端的單孔進液流量比為α,則

(4)

由式(4)看出,流量比α永遠(yuǎn)大于1.0。也就是說,由于磨阻壓差的存在會使最上端孔口處的內(nèi)外壓差比最下端孔口處的壓差大Δpf,因此通過中心管最上面沉降杯的單個孔口流量大于最下面沉降杯的單個孔口流量。通過改變中心管不同部位的進液孔孔徑,從而改變對應(yīng)的內(nèi)外壓差Δp,使流量比α小于1.05,實現(xiàn)近似等流。

1.2 聚并原理

沉降杯底部為瓦棱狀,頂部形狀與上一個杯底形狀相吻合。井下采出液進入沉降杯時,首先與瓦棱狀杯底接觸,比重較低的油滴沿瓦棱狀表面上升、聚并,在這一過程中小油滴逐漸聚并為大油滴,加快油滴上浮速度。

將沉降杯底部設(shè)計成瓦棱狀,如圖3(a)所示,瓦棱狀傾角設(shè)計30°、45°、60°,棱數(shù)設(shè)計6、9、12個,9種組合,用“傾角-棱數(shù)”表示,如傾角30°、棱數(shù)9個,表示為30-09。

沉降杯底部表面設(shè)計成鉆石形狀,如圖3(b)所示,使油滴更加容易聚集。

減少沉降杯間距(L)可以使采出液進入分離器后立刻與上一個沉降杯底接觸,使油滴產(chǎn)生聚集、聚并效果。分別將沉降杯杯間距設(shè)計為1.5、1.0、0.7、0.5 mm。通過試驗,尋找最優(yōu)的分離器結(jié)構(gòu)。

圖3 聚并原理沉降杯示意圖Fig.3 Diagram of coalescence settling cup

1.3 淺槽原理

減少沉降杯高度(h)可以減少油滴在沉降杯內(nèi)的上升距離和分離時間。在保證不阻擋中心管進液孔的情況下,將沉降杯高度設(shè)計為15、20、25、30、35、40、45 mm,每個沉降杯與中心管上的一組中心孔相對應(yīng)。通過試驗尋找最優(yōu)的分離器結(jié)構(gòu)。

1.4 相滲重力驅(qū)原理

在每個沉降杯內(nèi)設(shè)計填加親油介質(zhì)過濾體,利用相滲原理進一步提高井下分離效率。通過對不同材質(zhì)的親油介質(zhì)過濾體進行篩選,將親油性最好的過濾體做成絲狀固化成型完全充滿兩個沉降杯之間的環(huán)形瓦棱空間。流經(jīng)過濾體液體的壓差盡量小,介質(zhì)定型后形狀如圖4所示。

圖4 絲狀親油介質(zhì)定型后形狀示意圖Fig.4 Diagram of shape of filamentous oleophilic medium formed

根據(jù)相滲原理,油水在多孔介質(zhì)中的運動速度與其相滲透率成正比,與黏度成反比。當(dāng)含水率較高時水的相滲透率高于油的相滲透率,地下原油的黏度是水的15倍,在相滲和黏度的雙重作用下,多孔介質(zhì)中水的運動速度大于油的運動速度,產(chǎn)生油水分離。分離出的油主要聚集在分離器的進液口,在多孔介質(zhì)上以油膜狀態(tài)存在,水在油膜的下部。油膜在重力驅(qū)的作用下在多孔介質(zhì)內(nèi)向上運動,水向下運動。油膜向上碰到上一個沉降杯的杯底,延瓦棱進一步聚并,并在瓦棱的頂部排除分離器外。

2 不同油水分離器分離效率室內(nèi)試驗

將利用多杯等流原理、聚并原理、淺槽原理和相滲重力驅(qū)原理研制的油水分離器,通過不同來液含水率的分離效果試驗,優(yōu)選出最佳的沉降杯結(jié)構(gòu)和親油介質(zhì)過濾體。

2.1 試驗方案

為了優(yōu)化分離器沉降杯傾角(30°、60°、90°)、棱數(shù)(6、9、12個)、沉降杯高度(15、20、25、30、35、40、45 mm)、兩個沉降杯間的進液間隙(0.5、0.7、1.0、1.5、2.5 mm)、杯底結(jié)構(gòu)(光滑杯底和鉆石杯底)以及沉降杯內(nèi)填充不同介質(zhì),進行室內(nèi)試驗,優(yōu)選出分離效果好的分離器結(jié)構(gòu)。試驗中來液含水率為70%、80%、90%和95%,試驗介質(zhì)為白油和水。

2.2 試驗裝置

試驗裝置由儲液罐、油水分離器試驗套管以及螺桿泵等組成,如圖5所示。通過調(diào)節(jié)儲液罐油水兩個閥門的開啟度來調(diào)節(jié)油水混合物進入套管時的含水率;通過套管上的排出管路來保持套管內(nèi)液面。調(diào)節(jié)油水分離器出口處的閥門的開啟度來改變產(chǎn)液量。測量不同進液量條件下分離后液體的含水率。

圖5 油水分離器室內(nèi)試驗流程Fig.5 Flow chart of laboratory experiment of oil-water separator

試驗介質(zhì)采用10#白油和清水,由于10#白油的黏度與原油在井筒中黏度相近,因此用作模擬油。通過分光光度計測量油水混合物中白油的含量。

3 最佳分離效率的分離器結(jié)構(gòu)試驗

3.1 不同瓦棱狀傾角、棱數(shù)

不同杯底瓦棱狀傾角、棱數(shù)的油水分離器,在來液含水率70%、80%、90%和95%情況下進行分離效率對比試驗,油水分離試驗結(jié)果如圖6所示。

沉降杯底部瓦棱狀傾角30°、棱數(shù)為12個的分離器,在不同試驗含水率條件下,油水分離后水中含油率小于20×10-6時分離器進液量最大,分離效率最高。

圖6 各號分離器試驗流量與油水分離后含水率關(guān)系Fig.6 Relationship between experimental flow rate and water content after oil-water separation of various types of separators

3.2 淺槽原理試驗

分別對杯高15、20、25、30、35、40、45 mm的分離器,在來液含水率70%、80%、90%和95%情況下進行分離效率對比試驗,結(jié)果見圖7所示。

圖7 不同杯高油水分離器試驗流量與油水分離后含水率關(guān)系Fig.7 Relationship between experimental flow rate and water content after oil-water separation in oil-water separators with different cup heights

從試驗結(jié)果看出,沉降杯高度越短分離效果越好,杯高15 mm分離器與杯高45 mm分離器對比,來液含水率90%時分離效率提高48.9%。

3.3 不同沉降杯進液間隙

分別對杯高15 mm進液間隙為0.5、0.7、1.0、1.5、2.5 mm的分離器,在來液含水率70%、80%、90%和95%情況下進行分離效率對比試驗,結(jié)果如圖8所示。

從試驗結(jié)果得知,沉降杯進液間隙越小,分離效果越好。進液間隙為0.5 mm的分離器,與2.5 mm進液間隙對比,來液含水率80%時分離效率提高22%。

圖8 各種型號分離器進液量與油水分離后含水率關(guān)系Fig.8 Relationship between liquid intake of various types of separators and water content after oil-water separation

3.4 相滲重力驅(qū)原理試驗

針對杯高15 mm、進液間隙0.5 mm,不加填料的光滑杯底和鉆石杯底2種分離器以及4種分別加入不同親油填料介質(zhì)的鉆石杯底分離器,在來液含水率為70%、80%、90%和95%情況下進行分離效率對比試驗。結(jié)果如圖9所示。

從試驗結(jié)果得知,加入親油填料介質(zhì)的分離器,分離效果優(yōu)于不加親油填料介質(zhì)的分離器。鉆石杯底加入親油填料介質(zhì)4的分離器,與普通杯底的分離器對比,來液含水率95%時分離效率提高51.5%。

試驗結(jié)果表明,利用多杯等流原理、聚并原理、淺槽原理和相滲重力驅(qū)原理研制的沉降杯底部瓦棱狀傾角30°、棱數(shù)為12個、0.5 mm進液間隙、杯高15 mm、鉆石杯底、杯內(nèi)裝填親油介質(zhì)過濾體4的分離器,在來液含水率為95%,1.5倍安全系數(shù)情況下,分離器長度為9.12 m,處理液量為127 m3/d時,油水分離后水中含油為19.84 mg/L。在分離器額定分離能力內(nèi),來液含水率對分離效率沒有影響。

圖9 各種型號分離器進液量與油水分離后含水率關(guān)系Fig.9 Relationship between liquid intake of various types of separators and water content after oil-water separation

4 不同含氣條件下的油水分離試驗

為試驗不同的氣液比對分離效率的影響,對分離器進行加氣后的油水分離室內(nèi)試驗,試驗時氣油比為4(該氣油比為沉沒度800 m的井下氣油比),則折算到地面氣油比(r)應(yīng)為320;當(dāng)氣油比為8時,折算到地面氣油比應(yīng)為640。試驗結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同氣液比條件下鉆石杯底分離器油水分離試驗結(jié)果Fig.10 Comparison of experimental results of oil-water separation in diamond-shaped cup bottom separator under different gas-liquid ratio conditions

從試驗結(jié)果得知,在地面氣油比為0～640情況下,當(dāng)日處理液量在80 m3時,分離后水中含油均低于20×10-6。在分離器額定分離能力內(nèi),不同含氣量對分離效率沒有影響。

5 結(jié) 論

(1)沉降杯底部為瓦棱狀傾角30°、棱數(shù)12個的分離器,在不同試驗液體含水率時分離器進液量最大,分離效率最高。

(2)沉降杯進液間隙越小,分離效果越好。進液間隙為0.5 mm的分離器,與2.5 mm進液間隙對比,來液含水率80%時分離效率提高22%。

(3)沉降杯高度越短分離效果越好,杯高15 mm分離器分離效果最好。杯高15 mm分離器與杯高45 mm分離器對比,來液含水率90%時分離效率提高48.9%。

(4)加入親油填料介質(zhì)的分離器,分離效果優(yōu)于不加親油填料介質(zhì)的分離器。鉆石杯底加入親油填料介質(zhì)4的分離器,與普通杯底的分離器對比,來液含水率95%時分離效率提高51.5%。

(5)在分離器額定分離能力內(nèi),不同含氣量對分離效率沒有影響。

(6)利用多杯等流原理、聚并原理、淺槽原理和相滲原重力驅(qū)理研制的沉降杯底部瓦棱狀傾角30°、棱數(shù)為12個、0.5 mm進液間隙、杯高15 mm、鉆石杯底、杯內(nèi)裝填親油介質(zhì)過濾體4的分離器,在來液含水率95%,1.5倍安全系數(shù)情況下,分離器長度9.12 m,處理液量127 m3/d時,油水分離后水中含油低于20×10-6。