王德民,王 研,刘金堂,何志国,张怀钰,张蕾蕾,张 雨

(1.中国工程院,北京 100120;2.中国石油大庆油田有限责任公司,黑龙江大庆 163453)

利用同井注采技术,地层采出液进入井下油水分离器后,分离后的水经分离器中心管进入由注入泵、密封活塞、桥式封隔器组成的密闭空间,经桥式封隔器上的注入通道进入回注层;分离后剩余含油较多的采出液进入油套环空,通过上下级桥式封隔器、密封工艺管组成的桥式通道,后上行经采出泵举升到地面。从而实现地层液在井下油水分离,低含水部分被举升到地面,低含油部分被注入到回注层。利用同井注采技术,一方面可控制无效产液,减少油井产出水量,在生产井达到约98%的特高含水条件下,实施三次采油或四次采油,同时增加油水井对应连通方向、增加注水层点和提高波及体积,从而提高采收率,使油井持续实现经济有效开采,有效延长油田开发周期;另一方面可有效缓解后续水处理压力,辅助水井注水,减少地面注水量,减少地面油气集输系统建设规模和数量,降低地面设备能耗水平和水处理成本;第三,可增加注水层系及注水井点,为完善注采关系提供有利条件。笔者通过试验确定最佳井下油水分离器的结构(包括沉降杯杯底瓦棱状倾角、棱数、杯高、杯间进液间隙)、杯底形状以及杯内填料。

1 井下油水分离器原理

同井注采工艺管柱包括采出泵、密封活塞、桥式封隔器、注入泵和井下油水分离器等,如图1所示。

高效井下油水分离器由沉降杯、中心管等组成,中心管上开进液孔,分离器连接于注入泵下部,具体结构如图2所示。分离器分别利用了多杯等流原理、聚并原理、浅槽原理和相渗重力驱原理进行油水分离。

1.1 多杯等流原理

高效井下油水分离器由多个沉降杯组成,由于自下而上每个杯内的液体进入油水分离器中心管的液量近似相等,因此地层产出液进入沉降杯后,液体的流速大幅度降低,进而利用油、水密度差异,实现自然沉降分离,分离的水进入中心管,被注入泵回注。含水较低的采出液进入油套环空被采出泵举升到地面。

每个沉降杯中液体的下降速度为

(1)

式中,n为沉降杯的个数;q为单个沉降杯中的液量,m3/s;F环为油水分离器中心管与沉降杯外径之间的环形面积,m2;Q为油水分离总液量,m3/s。

由式(1)看出,液体流经油水分离器时液流下降的速度v下有n个沉降杯分流,使得油水混合物有充分的时间分离。

图1 同井注采工艺管柱Fig.1 Process string drawing of single-well injection and production

图2 高效井下油水分离器结构示意图Fig.2 Structure diagram of high-efficient downhole oil/water separation

高效井下油水分离器工作过程中,只有保证每一个沉降杯在柱塞泵每次抽吸时的进液量近似相等,才能大幅度降低液体在沉降杯内的下降速度,实现油水充分分离。通过水力学计算,确定不同分离液量条件下能够保持等流的中心管进液孔过流面积及沉降杯的个数。

假设中心管最下端进液口孔口的工作压差为Δp,则最上端孔口的工作压差为Δp+Δpf,根据孔口流量计算公式可得最上端q1和最下端qn每个孔口的流量分别为

(2)

(3)

式中,q1为最上端单孔进液流量,m3/s;qn为最下端单孔进液流量,m3/s;ρ为采出液的密度,kg/m3;Δpf为分离器中心管内的摩阻压差,Pa;Δp为分离器中心管内外的压差,Pa;Ka为孔口流量系数。

定义最上端与最下端的单孔进液流量比为α,则

(4)

由式(4)看出,流量比α永远大于1.0。也就是说,由于磨阻压差的存在会使最上端孔口处的内外压差比最下端孔口处的压差大Δpf,因此通过中心管最上面沉降杯的单个孔口流量大于最下面沉降杯的单个孔口流量。通过改变中心管不同部位的进液孔孔径,从而改变对应的内外压差Δp,使流量比α小于1.05,实现近似等流。

1.2 聚并原理

沉降杯底部为瓦棱状,顶部形状与上一个杯底形状相吻合。井下采出液进入沉降杯时,首先与瓦棱状杯底接触,比重较低的油滴沿瓦棱状表面上升、聚并,在这一过程中小油滴逐渐聚并为大油滴,加快油滴上浮速度。

将沉降杯底部设计成瓦棱状,如图3(a)所示,瓦棱状倾角设计30°、45°、60°,棱数设计6、9、12个,9种组合,用“倾角-棱数”表示,如倾角30°、棱数9个,表示为30-09。

沉降杯底部表面设计成钻石形状,如图3(b)所示,使油滴更加容易聚集。

减少沉降杯间距(L)可以使采出液进入分离器后立刻与上一个沉降杯底接触,使油滴产生聚集、聚并效果。分别将沉降杯杯间距设计为1.5、1.0、0.7、0.5 mm。通过试验,寻找最优的分离器结构。

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

1.3 浅槽原理

减少沉降杯高度(h)可以减少油滴在沉降杯内的上升距离和分离时间。在保证不阻挡中心管进液孔的情况下,将沉降杯高度设计为15、20、25、30、35、40、45 mm,每个沉降杯与中心管上的一组中心孔相对应。通过试验寻找最优的分离器结构。

1.4 相渗重力驱原理

在每个沉降杯内设计填加亲油介质过滤体,利用相渗原理进一步提高井下分离效率。通过对不同材质的亲油介质过滤体进行筛选,将亲油性最好的过滤体做成丝状固化成型完全充满两个沉降杯之间的环形瓦棱空间。流经过滤体液体的压差尽量小,介质定型后形状如图4所示。

图4 丝状亲油介质定型后形状示意图Fig.4 Diagram of shape of filamentous oleophilic medium formed

根据相渗原理,油水在多孔介质中的运动速度与其相渗透率成正比,与黏度成反比。当含水率较高时水的相渗透率高于油的相渗透率,地下原油的黏度是水的15倍,在相渗和黏度的双重作用下,多孔介质中水的运动速度大于油的运动速度,产生油水分离。分离出的油主要聚集在分离器的进液口,在多孔介质上以油膜状态存在,水在油膜的下部。油膜在重力驱的作用下在多孔介质内向上运动,水向下运动。油膜向上碰到上一个沉降杯的杯底,延瓦棱进一步聚并,并在瓦棱的顶部排除分离器外。

2 不同油水分离器分离效率室内试验

将利用多杯等流原理、聚并原理、浅槽原理和相渗重力驱原理研制的油水分离器,通过不同来液含水率的分离效果试验,优选出最佳的沉降杯结构和亲油介质过滤体。

2.1 试验方案

为了优化分离器沉降杯倾角(30°、60°、90°)、棱数(6、9、12个)、沉降杯高度(15、20、25、30、35、40、45 mm)、两个沉降杯间的进液间隙(0.5、0.7、1.0、1.5、2.5 mm)、杯底结构(光滑杯底和钻石杯底)以及沉降杯内填充不同介质,进行室内试验,优选出分离效果好的分离器结构。试验中来液含水率为70%、80%、90%和95%,试验介质为白油和水。

2.2 试验装置

试验装置由储液罐、油水分离器试验套管以及螺杆泵等组成,如图5所示。通过调节储液罐油水两个阀门的开启度来调节油水混合物进入套管时的含水率;通过套管上的排出管路来保持套管内液面。调节油水分离器出口处的阀门的开启度来改变产液量。测量不同进液量条件下分离后液体的含水率。

图5 油水分离器室内试验流程Fig.5 Flow chart of laboratory experiment of oil-water separator

试验介质采用10#白油和清水,由于10#白油的黏度与原油在井筒中黏度相近,因此用作模拟油。通过分光光度计测量油水混合物中白油的含量。

3 最佳分离效率的分离器结构试验

3.1 不同瓦棱状倾角、棱数

不同杯底瓦棱状倾角、棱数的油水分离器,在来液含水率70%、80%、90%和95%情况下进行分离效率对比试验,油水分离试验结果如图6所示。

沉降杯底部瓦棱状倾角30°、棱数为12个的分离器,在不同试验含水率条件下,油水分离后水中含油率小于20×10-6时分离器进液量最大,分离效率最高。

图6 各号分离器试验流量与油水分离后含水率关系Fig.6 Relationship between experimental flow rate and water content after oil-water separation of various types of separators

3.2 浅槽原理试验

分别对杯高15、20、25、30、35、40、45 mm的分离器,在来液含水率70%、80%、90%和95%情况下进行分离效率对比试验,结果见图7所示。

图7 不同杯高油水分离器试验流量与油水分离后含水率关系Fig.7 Relationship between experimental flow rate and water content after oil-water separation in oil-water separators with different cup heights

从试验结果看出,沉降杯高度越短分离效果越好,杯高15 mm分离器与杯高45 mm分离器对比,来液含水率90%时分离效率提高48.9%。

3.3 不同沉降杯进液间隙

分别对杯高15 mm进液间隙为0.5、0.7、1.0、1.5、2.5 mm的分离器,在来液含水率70%、80%、90%和95%情况下进行分离效率对比试验,结果如图8所示。

从试验结果得知,沉降杯进液间隙越小,分离效果越好。进液间隙为0.5 mm的分离器,与2.5 mm进液间隙对比,来液含水率80%时分离效率提高22%。

图8 各种型号分离器进液量与油水分离后含水率关系Fig.8 Relationship between liquid intake of various types of separators and water content after oil-water separation

3.4 相渗重力驱原理试验

针对杯高15 mm、进液间隙0.5 mm,不加填料的光滑杯底和钻石杯底2种分离器以及4种分别加入不同亲油填料介质的钻石杯底分离器,在来液含水率为70%、80%、90%和95%情况下进行分离效率对比试验。结果如图9所示。

从试验结果得知,加入亲油填料介质的分离器,分离效果优于不加亲油填料介质的分离器。钻石杯底加入亲油填料介质4的分离器,与普通杯底的分离器对比,来液含水率95%时分离效率提高51.5%。

试验结果表明,利用多杯等流原理、聚并原理、浅槽原理和相渗重力驱原理研制的沉降杯底部瓦棱状倾角30°、棱数为12个、0.5 mm进液间隙、杯高15 mm、钻石杯底、杯内装填亲油介质过滤体4的分离器,在来液含水率为95%,1.5倍安全系数情况下,分离器长度为9.12 m,处理液量为127 m3/d时,油水分离后水中含油为19.84 mg/L。在分离器额定分离能力内,来液含水率对分离效率没有影响。

图9 各种型号分离器进液量与油水分离后含水率关系Fig.9 Relationship between liquid intake of various types of separators and water content after oil-water separation

4 不同含气条件下的油水分离试验

为试验不同的气液比对分离效率的影响,对分离器进行加气后的油水分离室内试验,试验时气油比为4(该气油比为沉没度800 m的井下气油比),则折算到地面气油比(r)应为320;当气油比为8时,折算到地面气油比应为640。试验结果如图10所示。

图10 不同气液比条件下钻石杯底分离器油水分离试验结果Fig.10 Comparison of experimental results of oil-water separation in diamond-shaped cup bottom separator under different gas-liquid ratio conditions

从试验结果得知,在地面气油比为0～640情况下,当日处理液量在80 m3时,分离后水中含油均低于20×10-6。在分离器额定分离能力内,不同含气量对分离效率没有影响。

5 结 论

(1)沉降杯底部为瓦棱状倾角30°、棱数12个的分离器,在不同试验液体含水率时分离器进液量最大,分离效率最高。

(2)沉降杯进液间隙越小,分离效果越好。进液间隙为0.5 mm的分离器,与2.5 mm进液间隙对比,来液含水率80%时分离效率提高22%。

(3)沉降杯高度越短分离效果越好,杯高15 mm分离器分离效果最好。杯高15 mm分离器与杯高45 mm分离器对比,来液含水率90%时分离效率提高48.9%。

(4)加入亲油填料介质的分离器,分离效果优于不加亲油填料介质的分离器。钻石杯底加入亲油填料介质4的分离器,与普通杯底的分离器对比,来液含水率95%时分离效率提高51.5%。

(5)在分离器额定分离能力内,不同含气量对分离效率没有影响。

(6)利用多杯等流原理、聚并原理、浅槽原理和相渗原重力驱理研制的沉降杯底部瓦棱状倾角30°、棱数为12个、0.5 mm进液间隙、杯高15 mm、钻石杯底、杯内装填亲油介质过滤体4的分离器,在来液含水率95%,1.5倍安全系数情况下,分离器长度9.12 m,处理液量127 m3/d时,油水分离后水中含油低于20×10-6。