海上高含氣井新型井下氣液分離器設計及性能評價*

鄭春峰 楊萬有 孟熙然 李 昂 沈 瓊 趙景輝 薛德棟

(1. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司 天津 300452； 2. 大慶油田有限責任公司第四采油廠 黑龍江大慶 163511)

海上油田的人工舉升方式以電泵舉升為主，但在高含氣井況下，過多氣體進泵后會造成電泵泵腔內(nèi)大部分空間被氣體占據(jù)，加劇了電泵機組振動，經(jīng)常性欠載停機，嚴重時會造成電泵生產(chǎn)中斷，從而使檢泵周期縮短，電泵排量和揚程效率大幅度下降，電泵電纜絕緣降低。因此，高含氣井電泵平穩(wěn)運行的難點在于如何控制過泵混合流體的含氣率低于15%～30%[1-2]。

通常情況下，礦場經(jīng)驗電泵舉升工藝井下氣體處理常采用以下方式：對于含氣率小于10%左右的井況,采用安裝吸入口工具；對于含氣率小于30%左右的井況,采用單級油氣分離器處理；對于含氣率小于50%左右的井況,采用雙級油氣分離器處理；對于含氣率大于60%左右的井況,采用氣體分離大師處理；對于含氣率50%左右、含水率20%左右的高含氣率、低含水率井況,采用氣體處理器處理。目前已有多種氣液處理技術應用于油氣田開發(fā)生產(chǎn)實踐中[3-6]，其分離機理主要包括重力沉降式和旋流式：重力式氣液分離器受井下較小空間的限制很難提供充分的氣液分離時間，從而導致氣液分離效果不佳，一般適用于低產(chǎn)量、低含氣率的氣井；旋流式分離器具有小巧靈便、運行高效、投資及運行費用低等優(yōu)點，但因其具有空間利用率不高、結構設計復雜等特點，無法處理體積流量大的含液氣流，強旋流場易形成氣芯貫穿旋流器，對彈狀流和攪混流適應性差，能分離出的液體量有限[7-11]。

現(xiàn)有氣液分離技術在高含氣井況中的應用效果并不理想，特別是在高產(chǎn)液量、高含氣率及復雜流型等工況下，氣液混合物難以實現(xiàn)氣液的高效分離。為此,本文開發(fā)了一種應對高含氣井況的新型井下氣液分離器，旨在實現(xiàn)高含氣井況下氣液混合物的高效分離，以此實現(xiàn)電泵在高含氣井況下的平穩(wěn)運行，為海上高含氣井況電泵舉升提供了一種新的解決思路。

1 新型井下氣液分離器設計

1.1 工藝管柱設計

井下氣液分離舉升工藝管柱以海上常用Y型分采管柱為主體結構，在此管柱基礎上增設了滑套式導液器、氣液分離器和排氣管，通過管柱組合結構創(chuàng)新設計實現(xiàn)了大幅度降低過泵混合流體的含氣率的目的。該工藝管柱采用一趟管柱下入的形式，依次包括生產(chǎn)滑套、滑套式導液器、新型井下氣液分離器、電泵、特殊Y接頭、排氣管、過電纜封隔器和井下安全閥等部件，管柱下入到位后投堵塞器，打壓座封過電纜封隔器，驗封成功后可直接轉入生產(chǎn)，如圖1所示。新工藝管柱實現(xiàn)了地層產(chǎn)出液從滑套式導液器進入新型井下氣液分離器，能夠?qū)崿F(xiàn)地層產(chǎn)出液的高效分離。分離后的富液流排至油套環(huán)空并通過電泵增壓舉升至地面，富氣流通過排氣管排至特殊Y接頭上方，在氣液密度差的作用下流溢流至井口，從而實現(xiàn)高含氣井況電泵的高效舉升。

圖1 井下氣液分離舉升工藝管柱示意圖

新型井下氣液分離器所在的工藝管柱未阻擋從井口至儲層的主測試通道，既滿足了海上鋼絲和電纜分層地層測試的需求，又實現(xiàn)了高含氣井況井下氣液的高效分離。該工藝管柱與海上常規(guī)Y型生產(chǎn)管柱相類似，作業(yè)實施方案成熟，大大降低了作業(yè)及運行風險。

1.2 分離原理

新型井下氣液分離器主要結構包括進液短節(jié)、出液口、旋流裝置、內(nèi)外筒體、分離擋板、排氣管及出氣短節(jié)等部件組成，如圖2所示。該分離器利用三級分離原理實現(xiàn)井下氣液的高效分離。

圖2 新型井下氣液分離器結構示意圖

1) 一級旋流分離。地層產(chǎn)出液通過進液短節(jié)進入新型井下氣液分離器外筒體和內(nèi)筒體的環(huán)形空間，在旋流裝置產(chǎn)生旋流場的作用下，由直線運動轉變?yōu)樾麟x心運動，經(jīng)充分發(fā)展后氣相在內(nèi)筒體中心聚集并形成氣芯，液相在氣芯周圍形成環(huán)形液膜。

2) 二級重力分離。經(jīng)過一級分離后，地層產(chǎn)出液進入重力分離腔室，密度大的液相在離心力作用下沿內(nèi)筒體壁面向下運動并從出液口流出，密度小的氣相沿內(nèi)筒體中心區(qū)域向上運動并從出氣短節(jié)排出。

3) 三級碰撞分離。受地層產(chǎn)出液流型的影響，少許液滴會到達排氣管入口處，通過在排氣管下端設置的分離擋板阻擋大部分液滴，防止液滴直接進入排氣管。

2 氣液分離性能評價指標

為了客觀評價新型井下氣液分離器的分離性能，本文引入以下5個量：運行分流比、旋流離心加速度、出液口液中含氣率、出氣口氣中含液率和分離效率。

運行分流比和旋流離心加速度是新型井下氣液分離器高效分離控制的關鍵參數(shù)，表示為

(1)

(2)

式(1)～(2)中：Fk為運行分流比，無量綱；Qo為出液口總體積流量，m3/d；Qi為入口總體積流量，m3/d；a為旋流離心加速度，m/s2；H為旋流裝置高度，mm；D為旋流裝置內(nèi)切入口寬度，mm；r為旋流裝置內(nèi)切半徑，mm；g為重力加速度，m/s2。

出液口液中含氣率可以直觀地評價分離后富液流中的氣體含量，該指標是保證電泵平穩(wěn)運行的關鍵參數(shù)。出氣口氣中含液率可以判斷分離后的富氣流是否有充足的攜帶能力溢流至井口。根據(jù)礦場經(jīng)驗，當出氣口氣中含液率控制在10%以內(nèi)、出液口液中含氣率應控制在15%以內(nèi)時，則可以保證氣體溢流至井口及電泵的平穩(wěn)運行。

(3)

(4)

式(3)～(4)中：flg為出液口液中含氣率，%；Qlg為出液口氣相體積流量，m3/d；Qll為出液口液相體積流量，m3/d；fgl為出氣口氣中含液率，%；Qgl為出氣口液相體積流量，m3/d；Qgg為出氣口氣相體積流量，m3/d。

分離效率是新型井下氣液分離性能評價關鍵指標，該指標可以整體評估氣液分離器的分離性能。

(5)

式(5)中：η為分離效率，%；Qig為進液口氣相體積流量，m3/d。

3 新型氣液分離器性能評價實驗

3.1 實驗裝置及流程

分離性能評價實驗平臺(圖3)的主要裝置包括新型氣液分離器、空氣壓縮機、離心泵、氣液摻混器和分離罐；通過壓力傳感器、氣液流量和連續(xù)液面記錄儀等設備，計量不同位置的流體壓力、流量和液面高度等信息；通過電控調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)遠程無極調(diào)控。

圖3 新型井下氣液分離器性能評價實驗裝置示意圖

實驗流程主要包括以下8個步驟：

1) 連接實驗設備，檢查管路是否暢通，檢查電路確保用電安全，調(diào)試空壓機和離心泵，水罐灌滿水，氣液分離器傾斜夾角調(diào)到實驗初值；

2) 打開所有調(diào)節(jié)閥，開啟空壓機和離心泵，緩慢提升工作壓力，實驗系統(tǒng)穩(wěn)定循環(huán)5～10 min，檢查實驗環(huán)路中是否存在泄漏點，確保無泄壓點；

3) 調(diào)節(jié)分離罐末端的調(diào)節(jié)閥，使排量和壓力緩慢上升，實驗環(huán)境壓力調(diào)至實驗初值；

4) 緩慢同步調(diào)節(jié)空壓機和離心泵出口端的電控調(diào)節(jié)閥，使系統(tǒng)供氣量和供液量為實驗初值(例如調(diào)整氣量130.6 m3/d、液量69.4 m3/d，此時氣液分離器入口含氣率為65.3%)；

5) 調(diào)節(jié)氣液分離器出液口處電控調(diào)節(jié)閥，使運行分流比為實驗初值，并記錄氣液分離器入口總體積流量、出液口氣相體積流量、出液口液相體積流量、出氣口液相體積流量和出氣口氣相體積流量，并計算出在設定運行分流比下分離后出液口液中含氣率、出氣口氣中含液率和分離效率；

6) 調(diào)節(jié)氣液分離器出液口的電控調(diào)節(jié)閥開度以改變運行分流比，計算不同運行分流比的出液口液中含氣率、出氣口氣中含液率和氣液分離器的分離效率；

7) 改變實驗環(huán)境壓力、系統(tǒng)供氣量、供液量及入口含氣量，重復步驟3～6，完成特定工況的氣液分離器性能測試實驗；

8) 完成所有實驗后，先關?？諌簷C，再關停離心泵，拆卸設備、清洗設備。

3.2 分離性能評價

1) 運行分流比。

將實驗環(huán)境壓力設置為4.0 MPa，入口總體積流量設置為200 m3/d，入口含氣率設置為65.3%，運行分流比分別設置為0.13、0.23、0.33、0.54和0.72，分析運行分流比對新型井下氣液分離器分離性能的影響，結果如圖4所示。由圖4可以看出，隨著運行分流比的增加，出液口液中含氣率增加，出氣口氣中含液率減少，曲線形態(tài)呈現(xiàn)“半交叉X形狀”。交叉點對應的運行分流比為新型井下氣液分離器最佳工作點，此時出液口液中含氣率和出氣口氣中含液率為3.4%，最佳工作點處的分離效率為99.1%。根據(jù)氣中含液率小于10%、液中含氣率小于15%的礦場經(jīng)驗及式(1)、(3)、(4)可知，運行分流比設定在0.27～0.40時，新型井下氣液分離器可實現(xiàn)高效分離，分離效率為91.2%～98.0%。

圖4 不同運行分流比分離性能評價曲線

2) 入口含氣率。

將實驗環(huán)境壓力設置為4.0 MPa，入口總體積流量設置為200 m3/d，入口含氣率分別設置為29.7%、40.2%、49.6%、65.3%和75.1%，運行分流比調(diào)試范圍為0.13～0.88，分析入口含氣率對新型井下氣液分離器分離性能的影響，結果如圖5所示。

圖5 不同入口含氣率的分離性能評價曲線

當入口含氣率為65.3%和75.1%時(圖5a)，分離性能曲線形態(tài)呈現(xiàn)出明顯的“半交叉X形狀”。當入口含氣率為65.3%時，對應的新型井下氣液分離器最佳工作點出液口液中含氣率和出氣口氣中含液率為2.8%，通過式(5)可知，最佳工作點處的分離效率為99.7%。根據(jù)氣中含液率小于10%、液中含氣率小于15%的礦場經(jīng)驗及式(1)、(3)、(4)可知，運行分流比設定在0.28～0.40時，新型井下氣液分離器可實現(xiàn)高效分離，分離效率為97.9%～99.2%。當入口含氣率為75.1%時，對應的新型井下氣液分離器最佳工作點出液口液中含氣率和出氣口氣中含液率為0.11%。通過式(5)可知，最佳工作點處的分離效率為99.8%。同理可知，運行分流比設定在0.22～0.37時，新型井下氣液分離器可實現(xiàn)高效分離，分離效率為98.2%～99.5%。

當入口含氣率為40.2%和49.6%時(圖5b)，分離性能曲線雖然仍有交叉點出現(xiàn)，但“半交叉X形狀”已經(jīng)發(fā)生嚴重偏離。當入口含氣率為49.6%時，出液口液中含氣率大于15%，此時新型井下氣液分離器分離效率為90.5%；當入口含氣率為40.2%時，出液口液中含氣率曲線出現(xiàn)明顯的先下降后上升的形態(tài)，此時新型井下氣液分離器分離效率僅為88.1%。

當入口含氣率為29.7%時(圖5c)，分離性能曲線沒有出現(xiàn)交叉點，2個出口含氣偏高，且可調(diào)運行分流比運行區(qū)間非常窄，分離效率低于80%。

實驗發(fā)現(xiàn)，隨著入口含氣率的增加，新型井下氣液分離器出液口液中含氣率逐漸降低，出氣口氣中含液率逐漸降低，分離效率逐漸增加。實驗驗證了新型井下氣液分離器在高含氣工況下具有更好的分離性能，而低含氣工況的適用性較差。

3) 旋流離心加速度。

將實驗環(huán)境壓力設置為4.0 MPa，入口含氣率設置為65.1%，按照式(2)設置旋流離心加速度分別為重力加速度(g)的8.5、16.1、19.9、28.8、31.1、36.6和44.8倍，運行分流比調(diào)試范圍為0.08～0.76，分析旋流離心加速度對新型井下氣液分離器分離性能的影響，結果如圖6所示。

圖6 不同旋流離心加速度分離性能評價曲線

當旋流離心加速度小于28.8g時(圖6a)，分離性能曲線形態(tài)呈現(xiàn)出明顯的“半交叉X形狀”，對應的氣液分離器最佳工作點出液口液中含氣率小于2.44%，出氣口氣中含液率小于3.44%，最佳工作點處的分離效率為98.8%。根據(jù)氣中含液率小于10%、液中含氣率小于15%的礦場經(jīng)驗及式(1)、(3)、(4)可知，運行分流比設定在0.26～0.49時，新型井下氣液分離器可實現(xiàn)高效分離，分離效率為98.8%～100%。

當旋流離心加速度大于31.1g時(圖6b)，分離性能曲線形態(tài)雖然仍呈現(xiàn)出“半交叉X形狀”，但交叉點即氣液分離器最佳工作點處的出液口液中含氣率明顯增加(8.58%～13.83%)，出氣口氣中含液率也明顯增加(4.65%～8.96%)，最佳工作點處的分離效率僅為90.5%～92.3%。

實驗發(fā)現(xiàn)，隨著旋流離心加速度的增加，新型井下氣液分離器出液口液中含氣率逐漸增加，出氣口氣中含液率逐漸增加，分離效率逐漸降低。實驗驗證了新型井下氣液分離器在低旋流離心加速度工況下具有更好的分離性能，而在高旋流離心加速度工況下適用性較差。

4) 傾角。

將實驗環(huán)境壓力設置為4.0 MPa，入口總體積流量設置為200 m3/d，入口含氣率設置為55%和65%，新型井下氣液分離器傾角分別設置為0°、45°、60°和70°，運行分流比調(diào)試范圍為0.10～0.89，分析傾角變化對新型井下氣液分離器分離性能的影響結果如圖7所示。

圖7 不同入口含氣率、不同傾角的分離性能評價曲線

當入口含氣率為55%、傾角小于60°時(圖7a)，分離性能曲線形態(tài)呈現(xiàn)出 “半交叉X形狀”。對應的新型井下氣液分離器最佳工作點出液口液中含氣率小于14.05%，出氣口氣中含液率小于11.04%，此時新型井下氣液分離器最低分離效率為87.3%～95.1%。根據(jù)氣中含液率小于10%、液中含氣率小于15%的礦場經(jīng)驗及式(1)、(3)、(4)可知，運行分流比設定在0.42～0.57時，新型井下氣液分離器可實現(xiàn)高效分離，分離效率為76.7%～95.2%。

當入口含氣率為55%、傾角為70°時(圖7b)，分離性能曲線雖然仍有交叉點出現(xiàn)，但“半交叉X形狀”已經(jīng)發(fā)生嚴重偏離。對應的新型井下氣液分離器最佳工作點出液口液中含氣率18.2%，出氣口氣中含液率21.9%，此時新型井下氣液分離器最低分離效率為76.7%。

當入口含氣率為65%、傾角小于60°時(圖7c)，分離性能曲線形態(tài)呈現(xiàn)出明顯的“半交叉X形狀”。對應的新型井下氣液分離器最佳工作點出液口液中含氣率小于3.65%，出氣口氣中含液率小于5.21%，此時新型井下氣液分離器最低分離效率為97.5%～98.2%。同理，其運行分流比設定在0.26～0.42時，新型井下氣液分離器可實現(xiàn)高效分離，分離效率為97.5%～100%。

當入口含氣率為65%、傾角為70°時(圖7d)，分離性能曲線雖然仍有交叉點出現(xiàn)，但“半交叉X形狀”已經(jīng)發(fā)生嚴重偏離。對應的新型井下氣液分離器最佳工作點出液口液中含氣率12.07%，出氣口氣中含液率5.68%，此時新型井下氣液分離器最低分離效率為95.8%。

實驗發(fā)現(xiàn)，在相同入口含氣率條件下，隨著傾角的增加，新型井下氣液分離器出液口液中含氣率逐漸增加，出氣口氣中含液率逐漸增加，分離效率逐漸降低。在相同的傾斜條件下，隨著入口含氣率的增加，新型井下氣液分離器出液口液中含氣率逐漸降低，出氣口氣中含液率逐漸降低，分離效率逐漸增加。實驗驗證了新型井下氣液分離器在低傾角和高入口含氣率工況下具有更好的分離性能。

5) 自適應性能。

將實驗環(huán)境壓力設置為4.0 MPa，入口總體積流量設置為200 m3/d，入口含氣率設置為59.3%，運行分流比調(diào)試為0.41，新型井下氣液分離器傾角設置為0°，實驗過程中保持氣液分離器入口和2個出口開度不變。在新型井下氣液分離器出口/入口開度不變的前提下，分析入口含氣率對分離器自適應性能的影響結果如圖8所示。

圖8 新型井下氣液分離器自適應性能評價曲線

當入口含氣率由23.1%增至85.1%時，新型井下氣液分離器出氣口氣中含液率呈現(xiàn)出逐步下降的趨勢，出液口液中含氣率呈現(xiàn)出逐步上升的趨勢。根據(jù)氣中含液率小于10%、液中含氣率小于15%的礦場經(jīng)驗及式(1)、(3)、(4)可知，入口含氣率控制在51.7%～69.5%時，新型井下氣液分離器可實現(xiàn)高效分離，分離效率為97.9%～99.2%。實驗進一步驗證了新型井下氣液分離器具有較寬的自適應入口含氣率變化的能力。

4 結論

1) 基于海上Y型分采管柱，設計了高含氣井新型井下氣液分離器，該分離器通過旋流離心分離、重力分離和碰撞分離的三級分離原理對高含氣井氣液進行高效分離。

2) 氣液分離性能評價實驗結果表明，新型井下氣液分離器在合理的運行分流比、高入口含氣率、低旋流離心加速度、低傾角等條件下具有較高的分離效率，同時具有較寬的自適應入口含氣率變化能力，可為海上高含氣井電泵井的平穩(wěn)運行提供有效的解決思路。