同井注采油水分離器的優化設計

楊樹人，謝 威

(1.東北石油大學，黑龍江 大慶 163318;

2.中油大慶油田有限責任公司，黑龍江 大慶 163001)

同井注采油水分離器的優化設計

楊樹人1，謝 威2

(1.東北石油大學，黑龍江 大慶 163318;

2.中油大慶油田有限責任公司，黑龍江 大慶 163001)

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的分離原理，優化設計多杯等流型油水分離器。設計過程中，對分離器由上至下每層開口數目和孔徑逐級分段增大，各進液孔進液量相近，且各采出液在分離器內的停留時間足夠長;通過不同分段方式、開孔數目以及不同孔徑的優化組合分析，考慮到機械加工的要求，利用流體動力學原理，對孔徑大小、孔徑分級和開孔數目等參數進行了優化設計，在保證各部位沉降杯內采出液的停留時間超過150s的前提下，充分發揮了各沉降杯的作用，有效地縮短了井下油水分離器的長度，節約了生產成本和作業成本。

多杯等流型;同井注采;高含水油井;油水分離器;優化設計

引 言

井下油水分離技術(DOWS)［1－2］是一項新型技術，它可解決高含水油田［3－4］開發過程中，油井采出量高、分離工作量大的問題，解決因注水帶來的巨大投資和能量損耗，有顯著的經濟效益和環保效果。目前井下油水分離基本方式主要有2種［5－6］:旋流分離技術［7］和重力分離技術［8］。利用與多杯等流型氣錨相似的分離原理［9］，設計出的多杯等流型油水分離器，能夠解決現有井下離心式油水分離器分離效果不好，無法得到規模化應用的問題。

1 多杯等流型油水分離器

圖1為多杯等流型井下油水分離器示意圖。圖2為不同類型沉降杯。多杯等流型井下油水分離器中心管上安裝多個沉降杯［10］，沉降杯內鉆有排除固體雜質的漏砂孔。中心管在每個靠近沉降杯內側底部的位置鉆有進液孔，將中心管連接成若干根，每根之間安裝有1個保護體。中心管是回注水進液通道，油套環空為采出液進液通道，下接絲堵。

圖1 多杯等流型井下油水分離器

圖2 不同類型沉降杯

該分離器連接于抽油泵下部，地層產出液先進入沉降杯，被分離成含水較高的回注水和含水較低的采出液，而后通過進液孔進入抽油泵。進液孔的過流面積大小根據抽油機上沖程過程中的最大產量精確計算，使得每個杯進入油水分離器中心管的液量近似相等。

2 同井注采工藝參數設計方法

地層產出液流經沉降杯，通過油、水密度差異，實現自然沉降分離，分離后含水較高的回注水進入中心管，被抽油泵采出;含水較低的產出液進入油套環空，被抽油泵采出。在整個分離過程中，必須保證每1個沉降杯在抽油泵每次抽吸時的進液量近似相等，為此開展了等流參數設計水力計算分析。

(1)中心管內摩阻壓差:

式中:Δpf為分離器中心管內的摩阻壓差，Pa;ρ為采出液的密度，kg/m3;hf為中心管內水頭損失，m;Q0為分離器日處理量，m3/d;υ為采出液的運動黏度，m2/s;D為分離器中心管內徑，m;L為中心管長，m。

(2)中心管內外壓差:

式中:Δp為分離器中心管內外壓差(工作壓差)，Pa;hj為孔口局部水頭損失，m;ξ微孔為局部阻力系數;v為孔口流速，m/s。

由實驗數據分析可確定局部阻力系數為1.5。

(3)采出液在每個杯中的停留時間:

式中:t為采出液在沉降杯中的停留時間，s;V為沉降杯的容積，m3;q為單孔進液流量［11］，m3/s;m為每層孔數。

圖3為停留時間計算框圖。室內實驗研究結果表明，保證油水有效分離最小停留時間為150 s。在某些情況下，有可能出現產出液在靠近最下端的某些分離器內的停留時間低于最小停留時間，這部分停留時間較短的進液流量與總進液流量(處理量)的比值稱為低停時間流量百分比，簡稱“低停比例”。

圖3 停留時間計算流程

3 優化實例

大慶某油田高含水油井采出液含水率約為90%，運動黏度為2.9×10－6m2/s，日處理量分別為60、80 m3/d，錨管內徑為38 mm，錨碗容積為0.2 L，錨碗間距為0.045 m，錨管長度為30～80 m。采用上述理論運用VB6.0編制優化軟件系統，根據需要，設定不同的孔徑級數和級差，同時也可以設定不同的開孔數目和孔數級差，并以圖形方式直接顯示出停留時間的分布情況，使得分離器設計軟件更加靈活實用。

針對日處理量為80 m3/d的油井，綜合考慮多杯等流型分離器的孔徑分級和孔數分級交叉變化，進一步計算分析得出低停比例的變化情況。圖4為孔數分級、孔徑分級與低停時間流量百分比的關系曲線。根據圖4顯示的結果，考慮到機械加工的特點，單從低停比例最小的角度設計方案如下:錨管長度為40 m，均分成每段8 m，孔徑為5級且孔數為2 級:孔徑大小分別為 0.9、1.0、1.1、1.2、1.3 mm;前3段孔數為4，后2段孔數為6。針對產液量為60 m3/d的油井，依據同樣的方式，合理設計方案如下:錨管長度為36 m，均分成每段3 m，孔徑為3級且孔數為3級:孔徑大小分別為0.9、1.0、1.1 mm;第1段孔數為4，第2段孔數為6，第3段孔數為12。

圖4 孔數分級、孔徑分級與低停時間流量百分比的關系曲線

該設計方案保證了各部位沉降杯內采出液的停留時間均大于150 s，達到了油水有效分離的效果，滿足了現場生產需求。

4 結論

(1)同井注采工藝技術研究現已進入現場試驗階段。該技術可解決現有井下離心式油水分離器分離效果不好而無法得到規模化應用的問題。

(2)利用流體動力學原理，多杯等流型分離器進行了優化設計研究，對孔徑大小、孔徑分級和開孔數目等參數進行了優化設計，在保證各部位沉降杯內采出液的停留時間超過150 s的前提下，充分發揮了各沉降杯的作用，有效地縮短了井下油水分離器的長度，節約了生產成本和作業成本。

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［7］孫青松.井下油水分離技術在遼河油區的應用［J］.特種油氣藏，2003，10(4):70 －72.

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Optimization design of oil－water separator for injection－production in the same well

YANG Shu － ren1，XIE Wei2
(1．Northeast Petroleum University，Daqing，Heilongjiang 163318，China;
2．Daqing Oilfield Co．，Ltd．，PetroChina，Daqing，Heilongjiang 163001，China)

To realize both injection and production in the same oil wells with high watercut，the multi－cup uniform flux oil－ water separator was designed based on the principle of the multi－ cup uniform flux gas anchor．During the design process，the number and size of openings of the separator were gradually increased layer by layer from top to bottom with almost the equal amount of fluids entering each opening and enough time for the produced fluids to stay inside the separator．Through optimal combining different ways of segmentation with the number and size of the openings and considering the machining requirements，the size，grading and number of the openings were optimally designed based on hydrodynamics．On the condition of allowing the produced fluids to stay inside the settling cups for over 150s，the functions of the settling cups were brought into full play，effectively reducing the length of the down-hole oil－ water separator and saving both production and operation costs．

multi－cup uniform flux;injection－production in the same well;high water cut well;oil－water separator;optimization design

TE931

A

1006－6535(2011)06－0106－03

20110517;改回日期20110925

中國石油天然氣股份公司科研項目“高含水油田提高采收率關鍵技術”(2010B－0811)部分內容

楊樹人(1963–)，男，教授，1984年畢業于哈爾濱工程大學船舶設計與海洋工程專業，2006年畢業于東北石油大學油氣田開發工程專業，獲博士學位，現從事油氣田開發工程研究工作。

編輯 王 昱