煤層氣L型水平井無桿泵油水分離裝置研發與應用

原紅超 安玉敏 張 慧 賈慧敏 王漢雄 邱志紅

(1.中國石油華北油田山西煤層氣勘探開發分公司,山西 047000；2.中國石油華北油田公司,河北 062552)

1 煤層氣L型水平井

水平井是煤層氣開發的主力井型，是煤層氣高效開發的關鍵技術。初期主要采用多分支裸眼水平井，多分支裸眼水平井煤層進尺大(一般大于4000m)，單井控制面積大(一般大于0.35km2)，單井日產氣量分布范圍大(1000～60000m3)，在現場實施過程中單井產量兩極分化明顯，高產井產量達到40000m3以上，低產井產量僅1000m3，且低產井比例較大，主要是由于裸眼完井井眼垮塌嚴重，且無法實施解堵等重復作業，可控性較差。

為了解決上述問題，探索實施了單支水平井，在水平井井眼中下入篩管，實現了井眼支撐，有效預防了垮塌，且能夠實現修井作業。單支水平井最初為U型水平井，由工程井和排采洞穴直井組成，二者通過洞穴相互溝通，溝通技術難度大，成本高。因此在U型井的基礎上，采用了L型水平井技術(圖1)，降低了穿針技術難度，大幅降低了成本。但取消排采洞穴直井導致成熟的抽油機管式泵排采工藝不能滿足排采要求，而采用無桿泵舉升系統。

圖1 L型水平井井身結構圖

2 煤層氣無桿泵與油水混合物

經過幾年的科研攻關，華北油田初步形成了適宜煤層氣開發的無桿舉升工藝，地面動力系統采用三柱塞泵，井下舉升系統采用活塞泵，舉升動力主要靠水力介質傳輸，即地面動力系統以水力為介質通過換向系統交替驅動井下舉升系統往復運動，實現煤層氣產出水舉升。這些無桿設備采用地面柱塞泵提供動力，為降低柱塞泵工作過程中柱塞和盤根摩擦產生的阻力和熱量，減緩盤根與柱塞磨損，必須保持少量水從柱塞泵中流出對盤根與柱塞進行潤滑和冷卻，稱為冷卻潤滑液。由于盤根攜帶潤滑油，冷卻潤滑水會將盤根上的潤滑油攜帶出來，形成油水混合物；另外給柱塞提供動力的曲軸箱中的齒輪需要經常用油進行養護，由于給柱塞傳遞動力的拉桿頻繁運動將養護用油帶入冷卻潤滑液，形成油水混合物。由于這些油水混合物會造成土壤和水源污染，且有安全風險，不能直接排放。

煤層氣井柱塞泵冷卻潤滑液油水混合物的特點是，油和水量均較少，油多以油膜的形式存在，油水混合物產量為0.1～0.2m3/d。分目前這種油水混合物的處理方式有3種：第一，將油水混合物運輸至特定的污水處理點進行處理，這種方法的缺點在于：對于山地地形運輸成本高、處理效率低，且受天氣、道路等多方面因素影響，存在運輸不及時，導致污水溢出污染土地的風險；第二，通過人工撈油，將處理干凈的污水直接排入蒸發池進行蒸發，將撈出的油集中處理，這樣降低了拉運成本，但是人工撈油費時、費力、效率低、效果差，且同樣存在受天氣等外界因素限制，存在處理不及時造成污染的現象；第三，加化學藥物進行油、水分離。該方法成本高且化學藥物分離會造成二次污染。

3 油水分離裝置設計

3.1 主要結構

柱塞泵冷卻潤滑液油水分離裝置包括分離箱、進水系統、集油排油系統、排水系統4個主要部分(圖2、圖3)。

1—分離箱；2—進水管；3—排水淹深管；4—出水管；5—三通；6—鎖緊螺帽+墊片；7—集油管；8—集油孔；9—絲堵；10—水位調節閥；11—水面高度；15—油面高度。圖2 柱塞泵冷卻潤滑液油水分離裝置正面圖

1—分離箱；2—進水管；3—出水淹深管；4—出水管；5—三通；6—鎖緊螺帽+墊片；7—集油管；8—集油孔；9—絲堵；12—集油盒；13—排油閥。圖3 為柱塞泵冷卻潤滑液油水分離裝置俯視圖

分離箱作用是為油水分離提供空間，材質可以為塑料、鋼制或其他合成材料，為了便于連接一般采用鋼制；進水系統主要為進水管，作用是為含油冷卻潤滑液提供進口，進水管通過焊接等形式與分離箱連接，進水管材質任意，保證不漏水即可。

集油排油系統主要包括：三通、鎖緊螺帽+墊片、集油管、集油孔、絲堵、集油盒、排油閥等部件。其中集油系統中絲堵通過絲扣與集油管相連接，集油管上有一排小孔為集油孔，集油管通過絲扣與三通相連接，鎖緊螺帽擰在集油管的絲扣上，位于集油管絲扣與三通之間，墊片位于鎖緊螺帽和三通之間；其中排油系統中集油盒通過三通與集油系統相連接，集油盒末端安裝排油閥，集油盒以焊接的方式與分離箱連接。漂浮在液面上的油通過集油孔進入集油管，然后通過三通流入集油盒并通過排油閥排出，在平時，排油閥處于關閉狀態，廢油聚集在集油盒中，定期打開排油閥將油排出進行集中處理。集油盒為長方體箱體。需要說明的是，為了防止水進入集油管，集油孔在每個集油管上只有一排，孔間距、大小不限，根據水中含油量確定，含油較稠且量較大時，集油孔直徑應大些。一般選用直徑為4mm，間隔為10cm。集油管為鋼制圓管，集油管+三通的總長度應該小于分離箱的長邊長度。

在初次安裝時，集油管的底面應剛好接觸水面，通過調節鎖緊螺帽+墊片在集油管絲扣上的位置，保證集油管和三通用絲扣連接擰緊后，集油孔正好于漂浮油接觸。其實現方式是，在擰緊集油管與三通間絲扣的過程中，當集油孔與正好于漂浮油接觸時停止擰緊絲扣，通過擰緊鎖緊螺帽并擠壓墊片與三通形成密封，這樣可以保證集油孔總是與油面保持適當位置。

集油孔的位置應該高于出水管底面高度，使水不能進入集油孔中；集油孔的位置應低于進水口底面高度，避免集油過多時，油面堵塞進水口。為了使油順利排出，積油盒與水平面成一定角度呈下坡狀，角度可以為15°～20°。排油閥可以為任何形式的閥門，為了便于排油一般采用球閥。

排水系統主要包括排水淹深管、出水管、水位調節閥。排水淹深管通過焊接與出水管連接，出水管通過焊接與分離箱連接；水位調節閥為中空圓管，外壁增加絲扣，而排水淹深管內壁增加絲扣，水位調節閥與排水淹深管通過絲扣連接。在重力作用下，脫油后的清水通過淹深管在進入出水管排出。排水淹深管底部與分離箱保持一定距離，使排水淹深管與分離箱形成連通器，分離器中只有水時，水面位置與出水管底面持平；由于含油量較少，油層厚度較小，壓力較小，可近似的認為水和油的分界面也基本在水面位置處。水位調節閥高度應高于出水管的直徑。水位調節閥內壁設置十字槽，可通過特制螺絲刀調節水位調節閥在排水淹深管中的相對位置。初次安裝時水位調節閥頂面高度應與出水管底面高度相同。水位調節閥的功能包括：通過調整其頂面與出水管底面間的高差，來調整分離箱內水面高度，進而調整漂浮在水面上的油面高度。通過不斷調節水位調節閥的位置進而調整油面高度，使油面高度與集油孔高度相適應。出水管頂面高度應低于進水管底面高度，以便于分離箱中的液體在重力作用下排出。

3.2 各部分相互協調方面。

為了避免由進水管進入的液體沖擊已經分離的油膜，同時避免未充分分離的液體直接進入集油孔，將進水管與集油排油系統分別布置在分離箱兩邊，中間應保持一定的距離；為了充分分離油水，進水管應與排水系統分別布置在分離箱短邊上，保持兩者之間的距離(圖2)。為了最大限度的收集油，避免油漂浮在水面上，可以通過調節水位調節閥的高度，同時可轉動集油管的方位調節集油孔與油面距離，使集油孔正好位于油面底部。