煤层气L型水平井无杆泵油水分离装置研发与应用

原红超 安玉敏 张 慧 贾慧敏 王汉雄 邱志红

(1.中国石油华北油田山西煤层气勘探开发分公司,山西 047000；2.中国石油华北油田公司,河北 062552)

1 煤层气L型水平井

水平井是煤层气开发的主力井型，是煤层气高效开发的关键技术。初期主要采用多分支裸眼水平井，多分支裸眼水平井煤层进尺大(一般大于4000m)，单井控制面积大(一般大于0.35km2)，单井日产气量分布范围大(1000～60000m3)，在现场实施过程中单井产量两极分化明显，高产井产量达到40000m3以上，低产井产量仅1000m3，且低产井比例较大，主要是由于裸眼完井井眼垮塌严重，且无法实施解堵等重复作业，可控性较差。

为了解决上述问题，探索实施了单支水平井，在水平井井眼中下入筛管，实现了井眼支撑，有效预防了垮塌，且能够实现修井作业。单支水平井最初为U型水平井，由工程井和排采洞穴直井组成，二者通过洞穴相互沟通，沟通技术难度大，成本高。因此在U型井的基础上，采用了L型水平井技术(图1)，降低了穿针技术难度，大幅降低了成本。但取消排采洞穴直井导致成熟的抽油机管式泵排采工艺不能满足排采要求，而采用无杆泵举升系统。

图1 L型水平井井身结构图

2 煤层气无杆泵与油水混合物

经过几年的科研攻关，华北油田初步形成了适宜煤层气开发的无杆举升工艺，地面动力系统采用三柱塞泵，井下举升系统采用活塞泵，举升动力主要靠水力介质传输，即地面动力系统以水力为介质通过换向系统交替驱动井下举升系统往复运动，实现煤层气产出水举升。这些无杆设备采用地面柱塞泵提供动力，为降低柱塞泵工作过程中柱塞和盘根摩擦产生的阻力和热量，减缓盘根与柱塞磨损，必须保持少量水从柱塞泵中流出对盘根与柱塞进行润滑和冷却，称为冷却润滑液。由于盘根携带润滑油，冷却润滑水会将盘根上的润滑油携带出来，形成油水混合物；另外给柱塞提供动力的曲轴箱中的齿轮需要经常用油进行养护，由于给柱塞传递动力的拉杆频繁运动将养护用油带入冷却润滑液，形成油水混合物。由于这些油水混合物会造成土壤和水源污染，且有安全风险，不能直接排放。

煤层气井柱塞泵冷却润滑液油水混合物的特点是，油和水量均较少，油多以油膜的形式存在，油水混合物产量为0.1～0.2m3/d。分目前这种油水混合物的处理方式有3种：第一，将油水混合物运输至特定的污水处理点进行处理，这种方法的缺点在于：对于山地地形运输成本高、处理效率低，且受天气、道路等多方面因素影响，存在运输不及时，导致污水溢出污染土地的风险；第二，通过人工捞油，将处理干净的污水直接排入蒸发池进行蒸发，将捞出的油集中处理，这样降低了拉运成本，但是人工捞油费时、费力、效率低、效果差，且同样存在受天气等外界因素限制，存在处理不及时造成污染的现象；第三，加化学药物进行油、水分离。该方法成本高且化学药物分离会造成二次污染。

3 油水分离装置设计

3.1 主要结构

柱塞泵冷却润滑液油水分离装置包括分离箱、进水系统、集油排油系统、排水系统4个主要部分(图2、图3)。

1—分离箱；2—进水管；3—排水淹深管；4—出水管；5—三通；6—锁紧螺帽+垫片；7—集油管；8—集油孔；9—丝堵；10—水位调节阀；11—水面高度；15—油面高度。图2 柱塞泵冷却润滑液油水分离装置正面图

1—分离箱；2—进水管；3—出水淹深管；4—出水管；5—三通；6—锁紧螺帽+垫片；7—集油管；8—集油孔；9—丝堵；12—集油盒；13—排油阀。图3 为柱塞泵冷却润滑液油水分离装置俯视图

分离箱作用是为油水分离提供空间，材质可以为塑料、钢制或其他合成材料，为了便于连接一般采用钢制；进水系统主要为进水管，作用是为含油冷却润滑液提供进口，进水管通过焊接等形式与分离箱连接，进水管材质任意，保证不漏水即可。

集油排油系统主要包括：三通、锁紧螺帽+垫片、集油管、集油孔、丝堵、集油盒、排油阀等部件。其中集油系统中丝堵通过丝扣与集油管相连接，集油管上有一排小孔为集油孔，集油管通过丝扣与三通相连接，锁紧螺帽拧在集油管的丝扣上，位于集油管丝扣与三通之间，垫片位于锁紧螺帽和三通之间；其中排油系统中集油盒通过三通与集油系统相连接，集油盒末端安装排油阀，集油盒以焊接的方式与分离箱连接。漂浮在液面上的油通过集油孔进入集油管，然后通过三通流入集油盒并通过排油阀排出，在平时，排油阀处于关闭状态，废油聚集在集油盒中，定期打开排油阀将油排出进行集中处理。集油盒为长方体箱体。需要说明的是，为了防止水进入集油管，集油孔在每个集油管上只有一排，孔间距、大小不限，根据水中含油量确定，含油较稠且量较大时，集油孔直径应大些。一般选用直径为4mm，间隔为10cm。集油管为钢制圆管，集油管+三通的总长度应该小于分离箱的长边长度。

在初次安装时，集油管的底面应刚好接触水面，通过调节锁紧螺帽+垫片在集油管丝扣上的位置，保证集油管和三通用丝扣连接拧紧后，集油孔正好于漂浮油接触。其实现方式是，在拧紧集油管与三通间丝扣的过程中，当集油孔与正好于漂浮油接触时停止拧紧丝扣，通过拧紧锁紧螺帽并挤压垫片与三通形成密封，这样可以保证集油孔总是与油面保持适当位置。

集油孔的位置应该高于出水管底面高度，使水不能进入集油孔中；集油孔的位置应低于进水口底面高度，避免集油过多时，油面堵塞进水口。为了使油顺利排出，积油盒与水平面成一定角度呈下坡状，角度可以为15°～20°。排油阀可以为任何形式的阀门，为了便于排油一般采用球阀。

排水系统主要包括排水淹深管、出水管、水位调节阀。排水淹深管通过焊接与出水管连接，出水管通过焊接与分离箱连接；水位调节阀为中空圆管，外壁增加丝扣，而排水淹深管内壁增加丝扣，水位调节阀与排水淹深管通过丝扣连接。在重力作用下，脱油后的清水通过淹深管在进入出水管排出。排水淹深管底部与分离箱保持一定距离，使排水淹深管与分离箱形成连通器，分离器中只有水时，水面位置与出水管底面持平；由于含油量较少，油层厚度较小，压力较小，可近似的认为水和油的分界面也基本在水面位置处。水位调节阀高度应高于出水管的直径。水位调节阀内壁设置十字槽，可通过特制螺丝刀调节水位调节阀在排水淹深管中的相对位置。初次安装时水位调节阀顶面高度应与出水管底面高度相同。水位调节阀的功能包括：通过调整其顶面与出水管底面间的高差，来调整分离箱内水面高度，进而调整漂浮在水面上的油面高度。通过不断调节水位调节阀的位置进而调整油面高度，使油面高度与集油孔高度相适应。出水管顶面高度应低于进水管底面高度，以便于分离箱中的液体在重力作用下排出。

3.2 各部分相互协调方面。

为了避免由进水管进入的液体冲击已经分离的油膜，同时避免未充分分离的液体直接进入集油孔，将进水管与集油排油系统分别布置在分离箱两边，中间应保持一定的距离；为了充分分离油水，进水管应与排水系统分别布置在分离箱短边上，保持两者之间的距离(图2)。为了最大限度的收集油，避免油漂浮在水面上，可以通过调节水位调节阀的高度，同时可转动集油管的方位调节集油孔与油面距离，使集油孔正好位于油面底部。