井下油水分離回注水液控閥裝置研究

(中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300457)①

目前，在開發的46個渤海油田中，有26個是高含水油田，其中1/5油井處于特高含水階段，綜合含水率達到85%。伴隨產出液含水率的提高，采出液水處理問題越來越突出。以曹妃甸區塊為代表的含水油田，綜合含水率達到90%以上，地面水處理無法滿足需求，對油井提出限流措施，影響產油量。

為解決產出液含水率高的問題，自1991年，加拿大、美國等國家開始了井下油水分離技術的研究，并進行了前期試驗。井下油水分離采用旋流分離或重力分離方式進行采出液的分離，并將分離出的水回注地層。通過該方式在井下對產出液進行了一次分離，降低了采出液含水量，降低了地面水處理流程壓力，提高了油田整體提液量[1-4]。

1 井下油水分離管柱組成及特點

1.1 管柱組成

井下油水分離管柱由井下產液通道、電潛泵機組、油水分離器、回注水調控裝置、取樣接頭、取樣管線及液控管線等組成，如圖1。油水分離器安裝在電泵上部，通過舉升壓力對采出液進行分離，分離出含油采出液舉升至地面，分離出水通過回注水調控裝置回注至地層。回注水調控裝置可以根據要求調節開度大小，調整回注水量，從而實現油水分離分流比調節。電潛泵機組封裝在罐內，組成罐裝泵，罐裝泵將產出液與回注水進行了隔離，達到了工藝效果。

1.2 工作原理

圖1中，插入密封將產液層與注水層進行隔離，帶孔管下入產液層，地層產液通過帶孔管的孔進入油管內部，并進入到閉式罐裝泵內部，通過電潛泵機組加壓，向上舉升至油水分離器，通過機械式油水分離，高壓帶油液向上舉升至地面，分離出水通過穩流懸掛裝置進入到回注水通道，通過回注水調控裝置進入到套管環空，并進入到注水層，完成分離液的回注。

該管柱在井下完成了采出液的一次分離，并將分離出的水回注地層，補充了地層能量。通過井下油水分離，降低了地面處理流程壓力，減小了同平臺其余油井的限流，增加了產油量。

1.3 主要技術參數

適用油井含水率 ≥85%

分離水含油 <2 000×10-6

2 回注水液控閥裝置

回注水裝置作用是對分離出的水進行調節控制，通過調整回注量，調整油水分離效果。回注水控制裝置前期采用固定水嘴方式，但由于固定水嘴無法滿足調節功能，當底層產液發生變化時，無法對分離效果進行調整。電控回注水工作筒具有調節簡單的特點，但由于長期井下高溫、震動，工作筒工作壽命受到較大的影響，對整體工藝造成了影響。根據該管柱的特點，設計了回注水液控閥，該閥采用液壓控制方式進行閥開度的調節，8個檔位保證了回注水調節的穩定性，該工具具有結構簡單，可靠性高的特點，與油水分離器均為該工藝的核心部件[5-12]。

2.1 回注水液控閥結構

回注水液控閥由上接頭、中心筒、活塞、中心管、導向銷釘、出水孔、下接頭及液壓油通道等組成，如圖2。中心管與活塞通過鍵連接，中心管分別設置了定位導向槽與中心管水嘴。正常工作時，通過液控管線加壓，液壓油由進液通道進入到活塞腔，推動活塞帶動中心管向上運動，定位導向槽沿導向銷釘向上運動，并沿導向槽發生旋轉，通過液壓通道2進行加壓，液壓油進入上活塞腔，推動活塞攜帶中心管向下運動，直至中心管下放到位。通過導向槽定位槽與導向銷釘的配合，確定中心管最終位置。中心管水嘴與出水孔重合的大小決定回注水量的大小。該液控閥具有結構簡單，操作方便、調節檔位多的特點，能夠對回注水量進行精細調節，從而保證油水分離分流比。

2.2 技術參數

外形尺寸 ?116 mm×1 450 mm

中心通徑 ?62 mm

工作溫度 0～150℃

工作壓力 50 MPa

2.3 中心管水嘴結構

為達到油水分離效果，需要回注水液控閥對回注量實現精細的調節，從而保證回注水控制，提高油水分離效率。中心管在換向過程中發生旋轉及上下運動，通過導向定位槽確定最終位置，通過中心管出水孔與出水孔重合面積的大小，確定最終出水面積。為達到調節效果，液控閥設置了8個檔位，其中0檔位全關狀態，每增加一檔位，過流通道增加一個等面積孔，通過8檔位閥實現回注量的精細調節。同時為保證滿足大排量回注水的要求，在第7個檔位設置了長方形孔道，極大地增加過流面積，最大注入量可以達到2 800 m3/d。檔位與過流面積關系曲線如圖3所示。

圖3 中心管水嘴過流面積與檔位關系曲線

為保障回注水能夠實現穩定的調節，同時研究回注水流量與壓力損失、檔位的關系，對回注水液控閥流體特性進行了建模分析，對流場進行網格劃分，如圖4所示。

模型基礎設置為穩態模型，不考慮少量原油的影響，采用水作為介質，選用壓力入口，自由出口對流場進行分析。分析在1～7檔時，壓力損失與流量的關系，關系曲線如圖5所示。

圖4 回注水液控閥流場分析模型

圖5 不同檔位壓力損失與回注流量關系曲線

通過觀察流量與壓力曲線，在1～6檔位時，流量壓力曲線近似為平方根函數曲線，通過數據擬合，得到該液壓閥流量與壓差的近似關系式為

式中：Q為液控閥回注水流量，m3/d；n為液控閥檔位；p為水嘴前后壓力損失，MPa。

為滿足大排量需求，液控閥的7檔設置為大過流孔道，過流面積達到140 mm2。大通道的設置滿足了高產液井回注的需求，7檔時流量與壓差的近似關系式為

通過壓力、流量與開度曲線發現，在回注水量小于800 m3/d時，可以通過水嘴及壓力實現精細的控制，同時當液控閥處于7檔時，閥體水嘴開度達到最大，最大過流量可以達到2 800 m3/d。該閥滿足小排量精細調節的同時滿足了大排量的需求。

2.4 導向定位槽

導向定位槽作為液控閥的關鍵結構，起限位及支撐導向作用，中心管上下移動過程中，導向槽沿導向銷釘上下移動，與導向銷釘配合可以實現中心軸的旋轉、換向及定位。導向定位槽結構如圖6所示。在保證導向定位槽能夠沿限位銷釘運動的前提下，將限位銷釘尺寸最大化，保障換向安全及工具可靠性。

圖6 導向限位槽結構示意

導向限位槽主要尺寸模型如圖7所示。

圖7 導向限位槽關鍵尺寸模型

圖7中：h為兩個圓心Ou點和Od點的縱坐標差，h=h1+h2。

(1)

在整個導軌系統為平面的情況下，換向釘恰好可以通過的條件為

(2)

已知：d=82 mm、n=8，令上下導軌過渡凸起處的圓角半徑為3.0、2.5、2.0、1.5、1.0 mm，計算結果如表1。

表1 導向限位槽主要尺寸mm

倒角半徑R′導向釘最大半徑R導向釘圓整半徑R最小距離h3.05.625.512.262.56.126.012.262.06.626.512.261.57.127.012.261.07.627.512.26

通過結構優化設計，選擇倒角半徑為2 mm，導向釘半徑為6.5 mm。在保證導向釘結構強度的同時增加倒角半徑，便于換向功能實現，減小換向摩擦力。

3 室內試驗

為驗證液控閥導向定位槽換向機構的可靠性與關鍵參數設計的合理性，對液控閥進行加壓換檔試驗，如圖8所示。液控閥控制壓力與移動位置關系如圖9。對液壓通道1進行加壓，在液壓控制壓力到達3 MPa時，中心管開始動作，導向槽1部分沿定位銷釘做直線運動，中心管推動壓力基本維持在2.5 MPa左右；當中心管運動到位置2時，定位銷釘與定位換向槽的倒角部分發生接觸，壓力波峰凸起達到3.5 MPa，中心管開始做上下運動同時伴隨旋轉換向運動，中心管繼續運動，到達位置3，定位換向槽斜坡沿定位銷釘運動，此時壓力為 3 MPa。中心管向上移動到位后，壓力會出現較大波峰。中心管正向推動到位后，對液控閥進行反向加壓，中心管向下運動，此時換向槽與銷釘接觸位置由位置4移動到位置5，在接觸位置5的瞬間，出現壓力波峰，為3.5 MPa；在位置5移動到位置6的過程中，管柱繼續做向下同時伴隨旋轉換向運動。進入導向槽后，推動壓力為2.5 MPa，向下運動到位后，壓力出現波峰值。

圖8 液控閥試驗示意

圖9 液控閥控制壓力與移動位置關系

試驗結果表明：回注水液控閥換向機構工作穩定，換向槽及導向螺釘尺寸選擇合理，換向工作壓力低。換檔、限位以及控制過流孔等功能、性能完全滿足設計要求，能夠有效地對回注水過流面積進行控制，滿足油水分離回注水調節的需求。

4 結論

1) 回注水液控閥克服了固定水嘴閥及電控閥的缺點，用于油水分離系統的回注水調節，可以實時、有效地調節油水分離效率，提高整體工藝可靠性。

2) 回注水液控閥水嘴可以實現800 m3/d以下回注水量的精細調節，同時能夠滿足大排量回注水的需求，最大回注量可以達到2 800 m3/d。

3) 通過結構的優化計算，確定了導向定位槽的關鍵尺寸，同時使定位銷釘尺寸得到了最優化，保障了定位銷釘的可靠性。

4) 試驗證明，回注水液控閥換向壓力穩定、同時換檔順利，限位機構有效、合理，能夠實現過流面積的有效控制。