海上油田電潛泵井下油水分離回注系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計研究

尹莎莎 (中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司鉆采工程研究院，天津 300452)

0 引言

隨著油田生產(chǎn)規(guī)模的擴大，我國現(xiàn)有的很多油田都進入了中后期的開采階段，這一階段面臨著高含水率問題，增大了開采難度[1]。為解決開采工作中面臨的這一難題，逐步出現(xiàn)了井下油水分離技術(shù)。各種井下油水分離技術(shù)的出現(xiàn)，為油田開發(fā)開采提供了巨大的便捷[2]。針對海上高含水油田產(chǎn)水量大、地面水處理受限等問題開發(fā)的井下油水分離及回注技術(shù)，將地層產(chǎn)出液直接在井下進行油水分離，分離出的水直接在井下回注至同井目標層位，分離出的低含水產(chǎn)液通過電泵舉升到井口，從而大幅降低井口產(chǎn)水量。目前形成單級處理量達到3 000 m3/d 的系列產(chǎn)品。

1 井下油水分離系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

海上油田電潛泵井下油水分離回注系統(tǒng)由產(chǎn)出層子系統(tǒng)、注入層子系統(tǒng)、電潛泵子系統(tǒng)、井筒多相管流子系統(tǒng)、油水分離器子系統(tǒng)、監(jiān)測控制子系統(tǒng)6 個子系統(tǒng)組成。井下油水分離回注系統(tǒng)以Y 管分采管柱為基礎(chǔ)，Y 接頭上懸掛井下油水分離器，電泵出口與井下油水分離器入口相連，另一側(cè)管柱油管與橋式通道在頂部封隔器上連接，通過橋式通道與注水層聯(lián)通。

1.2 工作原理

井下油水分離回注管柱通過一趟管柱下入，其下部插入密封分別與頂部封隔器及隔離封隔器對接。啟泵生產(chǎn)后，產(chǎn)出液通過帶孔管進入中心管，經(jīng)橋式通道、泵吸入口，進入油水分離器，分離出的水經(jīng)分離器出水口、控制水嘴流入另一側(cè)的回注管柱，并注入注水層；剩余富含油的產(chǎn)液經(jīng)泵增壓后舉升至地面。

回注管柱一側(cè)安裝回注水調(diào)控裝置以及信號電纜，可在地面對回注水量進行監(jiān)測、調(diào)控，調(diào)節(jié)分流比，保證分離器工作效率與分離效果，同時管柱上設(shè)有回注水取樣管線，可在地面對回注水水質(zhì)進行監(jiān)測。同時，可通過油管直接注酸的方式，實對回注層的酸化解堵。

1.3 技術(shù)特點

(1)工藝管柱以成熟的Y 管管柱為基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)緊湊，施工工藝成熟，最大限度降低了改造成本，減少了作業(yè)操作難度；

(2)采用的管式分離器，節(jié)流壓差小且無運動部件，故障率低；

(3)監(jiān)測控制子系統(tǒng)實現(xiàn)了回注端流量的監(jiān)測和控制，準確掌握注采參數(shù)，有效保證了油水分離器的工作效率，一定程度規(guī)避了分離器失效風險。

2 井下油水分離系統(tǒng)協(xié)調(diào)關(guān)系分析

井下油水分離系統(tǒng)通過電潛泵實現(xiàn)產(chǎn)出層舉升能量供給的同時，也通過電潛泵為分離后的水回注提供注入能量。由于生產(chǎn)過程中，產(chǎn)出端與回注端連接且相互關(guān)聯(lián)影響，因此系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計在滿足產(chǎn)出端、回注端系統(tǒng)協(xié)調(diào)關(guān)系的同時，也需要滿足整體系統(tǒng)的協(xié)調(diào)。

2.1 產(chǎn)出端系統(tǒng)協(xié)調(diào)關(guān)系分析

產(chǎn)出端系統(tǒng)由產(chǎn)出層子系統(tǒng)、井筒多相管流子系統(tǒng)、電潛泵子系統(tǒng)、油水分離器子系統(tǒng)構(gòu)成，每個子系統(tǒng)有各自不同的流動規(guī)律。要使油井高效率地穩(wěn)定生產(chǎn)，就必須在參數(shù)設(shè)計時充分利用各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)的油井生產(chǎn)規(guī)律。協(xié)調(diào)的關(guān)鍵在于以產(chǎn)出端系統(tǒng)為對象，以產(chǎn)出層供液能力為依據(jù)，以產(chǎn)出端系統(tǒng)的協(xié)調(diào)為基礎(chǔ)，把獲得規(guī)定產(chǎn)量下最高泵效和最低能耗作為設(shè)計目標。

2.2 回注端系統(tǒng)協(xié)調(diào)關(guān)系分析

回注端系統(tǒng)由電潛泵子系統(tǒng)、油水分離器子系統(tǒng)、井筒多相管流子系統(tǒng)、注入層子系統(tǒng)構(gòu)成。與產(chǎn)出端系統(tǒng)的差別主要在于注入層子系統(tǒng)與產(chǎn)出層子系統(tǒng)的差別。同理，要使回注端穩(wěn)定注入，參數(shù)設(shè)計時充分利用各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)的注入規(guī)律。協(xié)調(diào)的關(guān)鍵在于以注入端系統(tǒng)為對象，以回注層吸水能力為依據(jù)，以回注端系統(tǒng)的協(xié)調(diào)為基礎(chǔ)，把實現(xiàn)高效油水分離和回注作為設(shè)計目標。

2.3 整體系統(tǒng)協(xié)調(diào)關(guān)系分析

產(chǎn)出端與回注端系統(tǒng)共用電潛泵子系統(tǒng)、油水分離子系統(tǒng)，以電潛泵子系統(tǒng)作為能量來源、以油水分離子系統(tǒng)實現(xiàn)劃分，因此實現(xiàn)整體系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，關(guān)鍵在于產(chǎn)出端與回注端系統(tǒng)在電潛泵子系統(tǒng)處的協(xié)調(diào)。

3 系統(tǒng)電泵機組參數(shù)設(shè)計

3.1 求解點的選擇

系統(tǒng)節(jié)點分析求解點的選擇主要取決于所要研究解決的問題。井下油水分離系統(tǒng)節(jié)點分析的主要目的在于通過優(yōu)選合適的電泵舉升參數(shù)并結(jié)合水嘴的調(diào)節(jié)，既滿足地面產(chǎn)液量和井口壓力的要求，又滿足回注水量的要求[3]。井下油水分離器是產(chǎn)出和回注流動系統(tǒng)的銜接處，因此選擇井下油水分離器出口為求解點。

3.2 節(jié)點分析

3.2.1 節(jié)點分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

(1)泵掛深度：1 750 m；

(2) Y 接頭上部油管：外徑114.3 mm、長度1 550 m；

(3)回注水管柱組成：外徑76 mm油管(約10 m) +外徑114.3 mm 油管與內(nèi)徑220 mm 套管環(huán)空(約150 m) +外徑193.7 mm 罐裝系統(tǒng)與內(nèi)徑220 mm 套管環(huán)空(約35 m) +外徑114.3 mm 油管與內(nèi)徑220 mm套管環(huán)空(約420 m)；

(4)產(chǎn)液層地層壓力：24.56×106Pa；

(5)產(chǎn)液層采液指數(shù)：1 844×106m3/(d·Pa)；

(6)回注層地層壓力：19.75×106Pa；

(7)回注層吸水指數(shù)：預估在276×106m3/(d·Pa)～484.5×106m3/(d·Pa)之間。

3.2.2 井筒壓力分布計算基本步驟

沿井筒的壓力分布可以根據(jù)多相管流的壓力梯度進行計算。由于多相管流中流體物性會隨井筒內(nèi)壓力和溫度的變化而變化，即流體物性參數(shù)是壓力和溫度的函數(shù)，使得沿井筒的壓力梯度不是一個常數(shù)[4]。為此，多相管流井筒壓力分布需要按照分段流體物性進行分段計算?？刹捎冒瓷疃仍隽康桶磯毫υ隽康鷥煞N迭代途徑進行，本次計算采用按深度增量迭代法。

多相垂直管流計算準確程度受多種因素的影響，關(guān)鍵是不同壓力和溫度下的流體性質(zhì)參數(shù)的變化[5]。Wellflo、Pipesim 等軟件不僅具有計算流體性質(zhì)參數(shù)的相關(guān)式可供選用，還可以根據(jù)油田高壓物性實驗資料對計算公式進行檢驗和必要的修正，在油井壓降計算及選泵設(shè)計中應(yīng)用較好，因此可借助相關(guān)軟件建模輔助計算。

3.2.3 產(chǎn)出端系統(tǒng)分析計算

(1)產(chǎn)出層產(chǎn)液能力分析

式中：Q產(chǎn)為地層產(chǎn)液量(m3/d)；J產(chǎn)為地面產(chǎn)液指數(shù)(m3/(d·Pa))；Pe為產(chǎn)出層地層靜 壓(Pa)；Pwf為產(chǎn)液量為時的井底流壓(Pa)。

(2) PVT 擬合。根據(jù)油田高壓物性實驗資料擬合，選擇適用的流體性質(zhì)參數(shù)的相關(guān)式，并對計算公式進行檢驗和必要的修正。

(3)流動相關(guān)式選擇。選用Hagedorn-Brown 方法計算井筒壓力分布[6]。

(4)計算井下分離器出口處壓力。根據(jù)地面產(chǎn)液量1 800 m3/d、地面要求最小井口油壓2.2×106Pa、油水分離器下入斜深為1 550 m( 垂深約1 464 m)，反推井下分離器出口處壓力。

3.2.4 回注流動系統(tǒng)分析計算

分別取回注層吸水指數(shù)J吸1=276×106m3/(d·Pa)、J吸2=484.5×106m3/(d·Pa)、地層壓力19.75×106Pa，反推回注層滿足回注水量1 080 m3/d 所需的井底流壓。

(5)應(yīng)用wellflo 軟件建立回注流動系統(tǒng)模型。

(6)計算井下分離器出口處壓力。

假設(shè)井下水嘴全開，應(yīng)用模型反推當回注量為1 080 m3/d 時，回注流動系統(tǒng)使井底流壓為達到Pwf水層1=23.66×106Pa、Pwf水層2=21.98×106Pa 時需要的井下分離器出口處壓力。

3.2.5 系統(tǒng)分析

由上述計算結(jié)果可知，該井產(chǎn)出流動系統(tǒng)所需的最小井下分離器出口壓力為16.841×106Pa，而回注系統(tǒng)所需的井下分離器出口壓力為(16.188～17.866)×106Pa，為保證所選電泵能夠滿足產(chǎn)出和回注要求，因此井下油水分離系統(tǒng)電泵參數(shù)設(shè)計需滿足分離器出口壓力≥17.866×106Pa。

3.2.6 電泵參數(shù)設(shè)計

以產(chǎn)液量1 800 m3/d、分離器出口壓力為17.866×106Pa 進行井下油水分離電泵參數(shù)設(shè)計，其設(shè)計結(jié)果能夠滿足設(shè)計的要求。但是考慮到產(chǎn)液指數(shù)、吸水指數(shù)或地層壓力的變化，按照“產(chǎn)液量1 800 m3/d、分離器出口壓力為17.866×106Pa”條件選擇的電泵參數(shù)可能出現(xiàn)無法滿足設(shè)計要求的情況，因此建議考慮一定的余量進行電泵參數(shù)設(shè)計，通過可調(diào)水嘴的調(diào)節(jié)使所選參數(shù)能夠在較長時間內(nèi)滿足油井的正常生產(chǎn)。

針對該井，以產(chǎn)液量1 800 m3/d、分離器出口壓力為20×106Pa 進行井下油水分離電泵參數(shù)設(shè)計。設(shè)計結(jié)果如表1 所示。

表1 井下油水分離電泵參數(shù)

4 現(xiàn)場試驗效果

2021 年4 月，該井完成井下油水分離工藝施工，啟井返排。工藝實施前，該井井口產(chǎn)液量1 780.8 m3/d，含水率約97.8%；2021 年6 月15 日，電泵頻率49 Hz，根據(jù)下電潛泵的泵工作曲線模擬計算，井下泵排量約1 202 m3/d，井口產(chǎn)液量550.3 m3/d、產(chǎn)油量23.1 m3/d，井口含水率降低至95.8%，井下回注水量約651.9 m3/d。減少651.9 m3/d 產(chǎn)出水的地面水處理費用，假設(shè)處理水費用7 元/ m3，年生產(chǎn)300 天，可節(jié)省費用651.9×300×7=136.9 萬元。同時工藝實施后有效釋放了地面處理設(shè)備容量，為其余井提液措施的實施奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

本文基于工藝特點，綜合進行產(chǎn)出端系統(tǒng)協(xié)調(diào)關(guān)系分析、回注端系統(tǒng)協(xié)調(diào)關(guān)系分析、整體系統(tǒng)協(xié)調(diào)關(guān)系分析，從機理研究出發(fā)，采用節(jié)點和系統(tǒng)分析方法，形成了海上油田電潛泵井下油水分離回注系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計方法，有效支撐了井下油水分離工藝的應(yīng)用，緩解了海上高含水油田產(chǎn)水量大、地面水處理受限等問題。同時該分析設(shè)計方法對于其余類型的一井多用工藝參數(shù)設(shè)計具有顯著的指導意義。