井下油水分離裝置現狀與展望

易良平, 張程, 楊兆中, 李小剛

(1.西南石油大學機電工程學院, 成都 610500; 2.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室, 成都 610500)

油田進入開發中后期,大多數井的采出液的含水率都很高,含水率大于等于90%[1],部分井液的含水率超過95%[2]。在開發過程中主要存在以下問題：如何解決高含水率井采出液在舉升過程中的能耗問題;采出液的油水分離和水處理帶來的經濟成本問題;從地層采出油后為了補充和保持油層壓力而進行的水回注問題。為了解決這些難題,井下油水分離(downhole oil-water separation,DOWS)技術應運而生。井下油水分離技術是適用于當今采油中后期階段采出液含水率偏高導致開采經濟成本高、能耗過大、環境污染等嚴重問題的重要技術手段[3]。

1991年,加拿大前沿工程研究中心(C-FER)提出井下油水分離同井注采技術,并于20世紀90年代進行了廣泛的研究和現場試驗[4]。井下油水分離裝置(器)作為井下油水分離的關鍵部分,分離裝置運用的主要技術有：泵式分離系統、膜分離技術、管道分離技術、水力旋流技術,研究與應用較多的為水力旋流技術。但是,由于井下油水分離技術受到井眼尺寸大小、分離裝置的分離效率、井下監測技術等問題的限制,其發展和應用較少。

鑒于此,針對井下油水分離裝置研究現狀進行梳理總結,指出其中的技術難點與潛在不足,分析前人提出的改進與優化方案,并展望未來井下油水分離裝置的發展趨勢,為井下油水分離裝置的研究與設計提供一定的技術參考。

1 井下油水分離裝置研究現狀

1.1 泵式分離系統

泵式井下油水分離系統采用電潛泵、螺桿泵、離心泵等與水力旋流器結合使用在井下進行采出液的預分離。

顏廷俊等[5]、周曉君[6]研制的井下油水分離系統在現場試驗中取得了顯著的降水穩油效果。王德民等[7]將高效井下油水分離、橋式封隔器等工藝的有桿泵同井注采技術相結合在大慶油田得到現場應用。尹莎莎[8]對海上油田電潛泵井下油水分離回注系統進行參數設計研究和現場試驗有效支撐了井下油水分離工藝的應用,緩解了海上高含水油田產水量大、地面水處理受限等問題。同時,雙作用泵抽油系統[9]和三作用泵系統[10]利用重力分離的原理將井筒內產出液進行油水分離,并將富油液舉升至地面,富水液注入注水層段,達到降低產出液含水率和采油成本、提高原油產量、保護環境的目的。

對于高含水油田,尤其是注水開發投資大、產量低的邊遠小斷塊油田而言,徐文慶[11]研制的有桿泵井下油水分離裝置可以大幅度降低注水開發和地面水處理的生產成本,提高經濟效益。李棟[12]研發的有桿泵井下油水分離系統若在實際工作時與整個區塊的注采開發方案配合,能夠達到更好的生產效果。

Zhao等[13]研發的一種地面驅動單螺桿泵井下油水分離系統,其結構如圖1[13]所示,采用兩級串聯的水力旋流器提高了分離效率,此系統適用于51/2的套管和27/8的油管,同時可以實現注采一體化。

1為桿夾具;2為減速器殼體;3為密封盒;4為三通管;5為通管道;6為套管;7為油管;8為抽油桿;9為回轉接頭;10為外殼A;11為單螺桿抽水機;12為泵接頭;13為上部橫流通道;14為第一水力旋流器;15為外殼B;16為中央橫流通道;17為第二水力旋流器;18為外殼C;19為下部橫流通道;20為內管;21為丟手接頭;22為Y441封隔器;23為外管;24為滑動開關;25為Y341封隔器;26為止回閥;27為球座;28為篩管;29為絲堵;a～ f為流道

李增亮等[14]、趙傳偉等[15]進行了螺桿泵井下油水分離系統設計及地面試驗,結果表明：采用螺桿泵的井下油水分離系統降低了井下機組的復雜性,易于井下施工;兩級串聯的水力旋流器分離效果能夠達到注水要求。鐘功祥等[16]設計出一種有桿泵井下油水分離系統,其系統方案如圖2[16]所示。通過設計正交試驗對分離器進行仿真分析,得到單級旋流器底流口含油質量濃度降低8.7%,同時對不同入口速度分離性能進行探究,入口速度越高,軸向速度和切向速度越高,徑向壓力梯度越大,旋流器頂端的三角油相聚集區域越小,分離效果越好。為了彌補現有技術不能滿足井下工況診斷的需要,Jiang等[17]提出了一種有桿泵井下油水分離系統故障預診斷方法,在現場18口井的應用中,注水泵故障判斷結果與檢泵結果吻合度高達91.3%,為有桿泵井下油水分離系統的現場應用和工況診斷提供了必要的理論指導。Liu等[18]對中國分層注水井下監測和數據傳輸技術的發展情況進行概述,并指出應發展井下無線通信技術,實現測量和調整自動化的同時與地面移動通信網絡接軌,快速建設覆蓋控制中心、配水站、油藏的數字通信網絡,為油藏數字化開發提供技術支撐。

圖2 有桿泵井下油水分離系統方案圖[16]

目前對泵式井下油水分離系統的研究主要采用地面預試驗對分離器進行分離效率的探究,以期現場推廣與應用做理論指導。泵式井下油水分離系統的主要結構為泵,泵的性能影響著整個系統的分離效率,泵按其結構可分為柱塞泵、螺桿泵、齒輪泵、葉片泵等。對于泵式井下油水分離系統而言,需要采用高性能的泵有利于提高分離效率,但同時也需要考慮泵的壽命與動力來源,有時也需進行多級分離器的應用才能達到較好的分離效果。但泵式井下油水分離器的工作參數及其復雜程度對系統設計影響較大,系統匹配設計比較困難,最終影響其研究、應用、發展。

1.2 膜分離裝置

井下油水分離膜分離裝置中最重要的部分是分離膜的材料、結構,其原理主要是利用膜的選擇透過性。

康紅兵等[19]研發出一種基于膜分離的井下油水分離裝置,通過膜材料的優選、膜通量實驗、膜油水分離實驗優選出4種適用于高含水油井采油的井下油水分離的膜材料,這有助于提高高含水油田采油井下油水分離的效率。鐘功祥等[20]設計出一種井下油水膜分離器,其結構如圖3[20]所示。其原理是將常規的旋流分離器技術與膜分離技術進行有機結合,通過仿真對比分離器的內部流場和常規旋流分離器的流場,結果表明：此膜分離器擁有處理量大、可連續動態處理、可避免未分離的產出液造成污染等優點[21]。

1為圓柱筒;2為上壓緊帽;3為不銹鋼網內錐筒;4為超親水/疏油分離膜;5為外筒;6為不銹鋼網外錐筒;7為底流管;8為下壓緊帽;9為并緊螺母;10為外蓋;11為密封圈;M為分離器壁面

Patel等[22]基于聚四氟乙烯研發出一種膜分離井下油水分離系統來代替傳統的水力旋流井下油水分離,其結構示意圖如圖4[22]所示。與傳統井下油水分離相比,壓降更小;聚四氟乙烯膜在酸性和堿性環境中都具有良好的耐腐蝕性能;薄膜具有很強的機械強度,其效率不會隨著溫度的變化而降低。

圖4 聚四氟乙烯膜分離結構[22]

王瑤等[23]研究了納米膜材料在井下油水分離中的應用,并結合水力旋流器設計出一種井下納米油水分離管柱,結果表明：此項技術可有效降低回注水含油率?；诖?王瑤等[24]又運用“旋流+親油疏水膜”工藝設計的井下油水分離裝置在不安裝帶孔玻璃罩的條件下分離效果更佳。文獻[25-26]在納米油水分離膜技術方面取得重要進展,這為油水分離膜抗污染方面做出了重大貢獻。

中國對井下油水膜分離裝置的研究由最初研究單一膜結構的分離效率轉為水力旋流器與分離膜相結合的方式[27]。油水分離膜作為膜分離裝置的關鍵結構,在實際分離過程中存在分離效果是否達標、使用壽命長短、制作材料是否經濟環保等問題。因此,研究開發新型的抗污染能力強、通量大、成本低、綠色、環保的超親水油水分離膜對于井下油水膜分離器會有更廣闊的應用前景。單一的膜分離可能存在分離效率低的問題,大多數情況下需要與水力旋流器配合使用。

1.3 管道分離裝置

管道分離技術可分為T型分岔管路分離技術、柱型管道式旋流分離技術、導流片型管道式油水分離器[25]。但其原理基本都是利用重力沉降和離心旋流技術,管道的管徑大小、管道長度是影響分離效率的主要原因,且在海上高含水油田比較適用。

陳頌陽等[28]進行了管道式油水分離系統分離特性研究,管道式油水分離系統由T型管路和柱型旋流器組成,結構示意圖如圖5[28]所示。其數值模擬和現場物理實驗表明：該分離系統適用于高含水油井的初步分離,減小了后續設備的處理壓力。

1為I級柱形分離器入口;2為I級柱形分離器溢流口;3為I級柱形分離器底流口;4為垂直管段;5為上水平管段;6為下水平管段;7為分岔接頭;8為變徑接頭;9為多分岔管路上出口;10為Ⅱ級柱形分離器溢流口;11為II級柱形分離器入口;12為Ⅱ級柱形分離器底流口

管道油水分離技術在稠油的試驗與應用、油氣混合介質的分離應用中也有一定的成效[29-31],工程應用實踐表明：管道分離技術具有工藝模塊化設計、應用靈活、占地小、分離效率高等優點,可適用于油氣水分離、液固分離、除砂、洗砂等不同場景,具有較好的技術經濟價值和廣闊的應用前景。

牛貴峰[32]針對海上高含水油田井下油水分離及回注技術進行研究,摒棄了傳統油水兩相的反向流動油水分離,采用半橢圓形導流片形成的旋流場有效減小了反向流動所帶來的油水重新摻混的弊端,安裝沿軸向對稱的導流片改善了傳統單一入口結構所帶來的流場不對稱的弊端。顧中浩等[33]在“T”形管道分離技術的基礎上提出了“U”形管進行油水分離,并利用FLUENT軟件對其研發設計的油水分離裝置進行模擬分析,結果表明：管徑大小和入口速度大小是影響分離效果的主要因素。華劍等[34]基于管式油水分離原理設計的Y型管式油水分離結構與T型相比,在支管與主管交匯處湍動能小,不易產生渦流現象,更利于油水分離。王勝等[35]對海上油田大處理量井下油水分離技術進及應用行研究,研發的單級大排量管式井下油水分離器現場試驗中井下處理量最高達到2 000 m3/d,可為井下油水旋流分離技術在海上油田的應用及實踐提供借鑒。

目前井下管道油水分離裝置在陸地井中主要是利用導流型水力旋流器與直管道進行油水分離,由于陸地井井眼尺寸受限,其應用更偏向于海上油田。井下管道油水分離裝置因其使用場景和分離效益的原因,在井下油水分離方面研究與應用都極其少。

1.4 水力旋流器

井下水力旋流器同井注采油水分離裝置的研究始于20世紀50—60年代[36]。近年來,對于井下水力旋流油水分離裝置的研究主要是在：入流口的方式(徑向進流或軸向進流或混入式)、錐段的錐角大小與錐形結構、底流口與溢流口是否在同側等方面。常見的徑向進流雙錐形水力旋流器如圖6[37]所示,其主要結構有：入口、溢流口、大錐段、小錐段、尾管和底流口。入口是混合液的進入口,溢流口為脫水后的出油口,底流口為出水口,大、小錐段是混合液的旋流空間。

圖6 雙錐形水力旋流器[37]

水力旋流器可分為靜態和動態水力旋流器,但動態水力旋流器與靜態水力旋流器相比,能夠更好地從水中分離出更小的油滴、具有更低的入口壓力[38]。所以對于井下油水分離水力旋流器而言,動態水力旋流器更有優勢。

曾濤等[39]以三相旋流器、動態旋流器、氣浮旋流一體化分離裝置為研究對象對水力旋流器在油田采出液應用進展進行研究。趙宗昌等[40]通過設置預旋噴嘴使轉動式油水分離水力旋流器的分離效率與靜止式相比顯著提高。Petty等[41]設計的一種雙入口和雙出口水力旋流器用于井下油水分離,與錐形分離器相比,油水混合液的處理量增大,但存在結構較大、不緊湊等問題。Klasson等[42]研究并設計了一種通過馬達轉動的井下動態旋流器用于油水分離。

楊曉惠[43]設計軸流導葉式水力旋流器井下油水分離系統,與采用切入式水力旋流器的常規井下油水分離系統相比,該系統具有能耗低、結構緊湊、徑向尺寸小等特點。呂鳳霞等[44]通過試驗研究發現：流量和分流比增加對旋流分離器的壓力損失較大,小錐段為旋流分離器的主要分離段;在滿足工藝要求的前提下,分流比越小越好;對比不同類型的入口流道,當徑向尺寸減小時,漸變截面直線型入口更利于旋流器能量的分配,同時也降低了不必要的壓力損失。楊樹人等[45]為實現高含水油井同井注采工藝,根據與多杯等流型氣錨相似分離原理優化設計出一種多杯等流型油水分離器,其結構如圖7[45]所示。

圖7 多杯等流型油水分離器結構示意圖[45]

王德民等[46]在其基礎上對多杯等流型油水分離器進一步進行了結構優化與分離效果的分析,結果表明：沉降杯底部瓦棱狀傾角、棱數為特殊值時,分離器進液量最大,分離效率最高;沉降杯進液間隙越小,分離效果越好;沉降杯高度為15 mm分離器分離效果最好;加入親油填料介質有利于油水混合液的分離;在分離器額定分離能力內,不同含氣量對分離效率沒有影響。這也是首次分析了氣相因素對井下水力旋流器的分離效率的影響。

水力旋流器廣泛運用于陸地井,但運用與海上井的研究和報道較少。鄒潔純等[47]根據油井的特征確定了海上井下水力旋流器的結構及其尺寸,并對其進行數值模擬得到分流比在25% 時其分離效率最高。丁文剛等[48]對海上井下油水分離旋流器結構設計及優化研究,并從設計的幾種分離器中優選出了變螺距螺線導流式單錐旋流器。史仕熒等[49]研究設計出一種用于油水分離的柱形旋流分離器,其結構如圖8[49]所示。該柱形分離器已經廣泛應用于遼河油田、勝利油田、南海海上采油平臺等生產現場或中試裝置,具有占地小、分離效率高、前景廣闊的特點[50]。楊兆銘等[51]認為,目前對柱形旋流器的研究還存在油水微團破碎機理不明確、設計規范和生產標準不健全、評價指標待量化等缺陷。

圖8 柱形旋流器結構示意圖[49]

中外學者利用計算流體動力學仿真分析和物模實驗對水力旋流器進行結構與參數的優化設計。張瑞霞等[52]利用相似準則設計出一種旋流器分離器,并選擇典型的旋流器模型對該井下旋流油水分離器進行研究。趙立新等[53]基于現有油水分離的研究成果,提出了一種同向出流倒錐式旋流器,運用FLUENT軟件分析了旋流器的典型結構參數(溢流管直徑、溢流管伸入長度、錐角和出水口尺寸)對其分離性能的影響。Yin等[54]在三維穩態假設下對全尺度油水旋流器進行了建模和模擬分析。Hussain等[55]對單入口和雙入口水力旋流器的流動結構對分離性能的影響進行研究。Zhao等[56]對井下油水分離裝置(圖9[56])進行優化設計,采用計算流體動力學來計算每種特殊情況下的底流油濃度,并分析了優化前后的分離性能變化。Zeng等[57]對不同的流速下新型軸向水力旋流器(圖10[57])分離性能影響參數進行數值模擬研究。

1為油管;2為桿;3為油管接頭;4為螺釘泵;5為上部交叉通道螺紋接頭;6為第一脫油水力旋流器;7為外殼;8為中央交叉通道螺紋接頭;9為第二脫油水力旋流器;10為下部交叉通道螺紋接頭;11為內管;12為外管;a～ f為流道;g～k為流道

圖10 新型軸向水力旋流器結構圖[57]

任向海等[58]針對高含水低產量稠油井進行井下油水旋流分離器結構優選,其試驗結果為碳酸鹽巖縫洞型油藏開展稠油井井下同井注采工藝提供了一定的技術支撐。Zhan等[59]對軸向液-液水力旋流器進行數值研究。韓連福等[60]對特高含水下對雙錐型旋流分離器內油水兩相流流動特性進行了研究。

文獻[61-65]對于水力旋流器分離性能進行了一系列的研究在中國處于領先水平,包括對水力旋流器的溢流管結構、錐角、入流口的流速以及采出液包含氣相、旋流器堵塞情況下等對油水分離效率的影響[66-68],并對水力旋流器進行了一系列優化[69-71]。其實驗研究結果為井下水力旋流器油水分離裝置現場應用提供參考和指導。

研究表明,旋流器的各個參數(旋流器直徑、入流口直徑、錐體角度、溢流管直徑、底流口直徑、錐比、入口流量與流速、入流口方向等)是影響水力旋流器分離效果的重要原因,同時溫度、采出液的含水率也影響著分離效果。

學者們對井下水力旋流器油水分離裝置的研究由“單一靜態旋流器分離——多級動態旋流器組合分離”的轉變,同時也通過數值模擬與室內實驗的方式對井下水力旋流油水分離裝置進行理論研究與結構的優化,但其存在與現場工況匹配度低、現場試驗與室內實驗相比分離效率有所下降。

綜上所述,泵式分離系統、膜分離裝置、管道分離裝置和水力旋流器對于井下油水分離而言,各有各的優缺點和不同的使用場景,但水力旋流器在井下油水分離裝置中扮演著重要角色,其發展歷程較為長久,且需要結合其他分離裝置進行協同作業,從而達到高效分離。在未來,采用多種分離工藝相結合的方法可提高井下油水分離裝置的分離效率。

2 存在問題與挑戰

相較于井下油水分離方法與工藝而言,井下油水分離裝置是實現井下油水分離的前提。裝置的性能在很大程度上決定了分離的效率,同時結合分離工藝將分離效率達到最大。對于井下分離裝置而言,目前主要存在問題與挑戰[2,4,37,72]

(1)由于井下油水分離同井注采技術需要在同一口井中完成分離、舉升、注水等一系列作業,這就對油水分離裝置(系統)的穩定性、可靠性、使用壽命提出了更高要求。

(2)實時井下監測技術的缺失使得井下油水分離作業失去了“眼睛”,無法對井下油水分離作業進行實時監測。

(3)針對某些特殊情況,如產氣較高井和出砂井對分離裝置的分離效率和壽命提出更高要求,同時旋流分離器井下作業對工況要求也十分苛刻;

(4)如何檢測分離后注水的水質是否達到注水環保標準(要求)也是井下油水分離同井注采技術面臨的重大挑戰,如果回注水達不到標準不僅對地層產生損傷或破壞,還會產生環境污染,注水層的選擇也至關重要。

(5)受井筒徑向作業空間的限制,無法設計大尺寸的分離器(系統)進行井下油水分離,這直接影響分離效率和經濟效益。

基于上述原因,井下油水分離系統的設計和應用都將面臨巨大挑戰,這也是井下油水分離同井注采技術無法大面積推廣與應用的重要原因。

3 結論與展望

油田進入開發中后期,采出液含水率的急劇上升,使得開發難度增大、開采成本增加。DOWS是一種較為可行的去水采油技術。泵式分離系統、膜分離裝置、管道分離裝置和水力旋流器是目前主流的研究方向,但泵式分離系統對泵的性能和動力來源有一定要求、膜分離裝置對于出砂井的油水分離而言增加了分離難度、管道分離裝置適用于高含水的海上油水分離、水力旋流器存在徑向尺寸受限等問題。針對目前井下油水分離技術及裝置發展現狀而言,對其做出以下展望。

(1)推進研發低能耗、高效率、高壽命、結構簡單、可靠性高、并帶有監測功能的井下油水分離裝置。

(2)圍繞以“油水分離裝置-油水分工藝-油水分離裝置”的理念進行井下油水分離裝置的研發、試驗與推廣。

(3)增加對井下油水分離技術的理論研究,采取 “區塊化”協同注采開發,提高井下油水分離系統的生產效果與經濟效益。

(4)目前井下油水分離采用物理沉降與離心分離的方式進行,形式單一,在未來引進更加先進的物理、化學、生物相復合的油水處理工藝可實現對高含水采出液更加高效分離。