井下油水分离装置现状与展望

易良平, 张程, 杨兆中, 李小刚

(1.西南石油大学机电工程学院, 成都 610500; 2.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室, 成都 610500)

油田进入开发中后期,大多数井的采出液的含水率都很高,含水率大于等于90%[1],部分井液的含水率超过95%[2]。在开发过程中主要存在以下问题：如何解决高含水率井采出液在举升过程中的能耗问题;采出液的油水分离和水处理带来的经济成本问题;从地层采出油后为了补充和保持油层压力而进行的水回注问题。为了解决这些难题,井下油水分离(downhole oil-water separation,DOWS)技术应运而生。井下油水分离技术是适用于当今采油中后期阶段采出液含水率偏高导致开采经济成本高、能耗过大、环境污染等严重问题的重要技术手段[3]。

1991年,加拿大前沿工程研究中心(C-FER)提出井下油水分离同井注采技术,并于20世纪90年代进行了广泛的研究和现场试验[4]。井下油水分离装置(器)作为井下油水分离的关键部分,分离装置运用的主要技术有：泵式分离系统、膜分离技术、管道分离技术、水力旋流技术,研究与应用较多的为水力旋流技术。但是,由于井下油水分离技术受到井眼尺寸大小、分离装置的分离效率、井下监测技术等问题的限制,其发展和应用较少。

鉴于此,针对井下油水分离装置研究现状进行梳理总结,指出其中的技术难点与潜在不足,分析前人提出的改进与优化方案,并展望未来井下油水分离装置的发展趋势,为井下油水分离装置的研究与设计提供一定的技术参考。

1 井下油水分离装置研究现状

1.1 泵式分离系统

泵式井下油水分离系统采用电潜泵、螺杆泵、离心泵等与水力旋流器结合使用在井下进行采出液的预分离。

颜廷俊等[5]、周晓君[6]研制的井下油水分离系统在现场试验中取得了显著的降水稳油效果。王德民等[7]将高效井下油水分离、桥式封隔器等工艺的有杆泵同井注采技术相结合在大庆油田得到现场应用。尹莎莎[8]对海上油田电潜泵井下油水分离回注系统进行参数设计研究和现场试验有效支撑了井下油水分离工艺的应用,缓解了海上高含水油田产水量大、地面水处理受限等问题。同时,双作用泵抽油系统[9]和三作用泵系统[10]利用重力分离的原理将井筒内产出液进行油水分离,并将富油液举升至地面,富水液注入注水层段,达到降低产出液含水率和采油成本、提高原油产量、保护环境的目的。

对于高含水油田,尤其是注水开发投资大、产量低的边远小断块油田而言,徐文庆[11]研制的有杆泵井下油水分离装置可以大幅度降低注水开发和地面水处理的生产成本,提高经济效益。李栋[12]研发的有杆泵井下油水分离系统若在实际工作时与整个区块的注采开发方案配合,能够达到更好的生产效果。

Zhao等[13]研发的一种地面驱动单螺杆泵井下油水分离系统,其结构如图1[13]所示,采用两级串联的水力旋流器提高了分离效率,此系统适用于51/2的套管和27/8的油管,同时可以实现注采一体化。

1为杆夹具;2为减速器壳体;3为密封盒;4为三通管;5为通管道;6为套管;7为油管;8为抽油杆;9为回转接头;10为外壳A;11为单螺杆抽水机;12为泵接头;13为上部横流通道;14为第一水力旋流器;15为外壳B;16为中央横流通道;17为第二水力旋流器;18为外壳C;19为下部横流通道;20为内管;21为丢手接头;22为Y441封隔器;23为外管;24为滑动开关;25为Y341封隔器;26为止回阀;27为球座;28为筛管;29为丝堵;a～ f为流道

李增亮等[14]、赵传伟等[15]进行了螺杆泵井下油水分离系统设计及地面试验,结果表明：采用螺杆泵的井下油水分离系统降低了井下机组的复杂性,易于井下施工;两级串联的水力旋流器分离效果能够达到注水要求。钟功祥等[16]设计出一种有杆泵井下油水分离系统,其系统方案如图2[16]所示。通过设计正交试验对分离器进行仿真分析,得到单级旋流器底流口含油质量浓度降低8.7%,同时对不同入口速度分离性能进行探究,入口速度越高,轴向速度和切向速度越高,径向压力梯度越大,旋流器顶端的三角油相聚集区域越小,分离效果越好。为了弥补现有技术不能满足井下工况诊断的需要,Jiang等[17]提出了一种有杆泵井下油水分离系统故障预诊断方法,在现场18口井的应用中,注水泵故障判断结果与检泵结果吻合度高达91.3%,为有杆泵井下油水分离系统的现场应用和工况诊断提供了必要的理论指导。Liu等[18]对中国分层注水井下监测和数据传输技术的发展情况进行概述,并指出应发展井下无线通信技术,实现测量和调整自动化的同时与地面移动通信网络接轨,快速建设覆盖控制中心、配水站、油藏的数字通信网络,为油藏数字化开发提供技术支撑。

图2 有杆泵井下油水分离系统方案图[16]

目前对泵式井下油水分离系统的研究主要采用地面预试验对分离器进行分离效率的探究,以期现场推广与应用做理论指导。泵式井下油水分离系统的主要结构为泵,泵的性能影响着整个系统的分离效率,泵按其结构可分为柱塞泵、螺杆泵、齿轮泵、叶片泵等。对于泵式井下油水分离系统而言,需要采用高性能的泵有利于提高分离效率,但同时也需要考虑泵的寿命与动力来源,有时也需进行多级分离器的应用才能达到较好的分离效果。但泵式井下油水分离器的工作参数及其复杂程度对系统设计影响较大,系统匹配设计比较困难,最终影响其研究、应用、发展。

1.2 膜分离装置

井下油水分离膜分离装置中最重要的部分是分离膜的材料、结构,其原理主要是利用膜的选择透过性。

康红兵等[19]研发出一种基于膜分离的井下油水分离装置,通过膜材料的优选、膜通量实验、膜油水分离实验优选出4种适用于高含水油井采油的井下油水分离的膜材料,这有助于提高高含水油田采油井下油水分离的效率。钟功祥等[20]设计出一种井下油水膜分离器,其结构如图3[20]所示。其原理是将常规的旋流分离器技术与膜分离技术进行有机结合,通过仿真对比分离器的内部流场和常规旋流分离器的流场,结果表明：此膜分离器拥有处理量大、可连续动态处理、可避免未分离的产出液造成污染等优点[21]。

1为圆柱筒;2为上压紧帽;3为不锈钢网内锥筒;4为超亲水/疏油分离膜;5为外筒;6为不锈钢网外锥筒;7为底流管;8为下压紧帽;9为并紧螺母;10为外盖;11为密封圈;M为分离器壁面

Patel等[22]基于聚四氟乙烯研发出一种膜分离井下油水分离系统来代替传统的水力旋流井下油水分离,其结构示意图如图4[22]所示。与传统井下油水分离相比,压降更小;聚四氟乙烯膜在酸性和碱性环境中都具有良好的耐腐蚀性能;薄膜具有很强的机械强度,其效率不会随着温度的变化而降低。

图4 聚四氟乙烯膜分离结构[22]

王瑶等[23]研究了纳米膜材料在井下油水分离中的应用,并结合水力旋流器设计出一种井下纳米油水分离管柱,结果表明：此项技术可有效降低回注水含油率。基于此,王瑶等[24]又运用“旋流+亲油疏水膜”工艺设计的井下油水分离装置在不安装带孔玻璃罩的条件下分离效果更佳。文献[25-26]在纳米油水分离膜技术方面取得重要进展,这为油水分离膜抗污染方面做出了重大贡献。

中国对井下油水膜分离装置的研究由最初研究单一膜结构的分离效率转为水力旋流器与分离膜相结合的方式[27]。油水分离膜作为膜分离装置的关键结构,在实际分离过程中存在分离效果是否达标、使用寿命长短、制作材料是否经济环保等问题。因此,研究开发新型的抗污染能力强、通量大、成本低、绿色、环保的超亲水油水分离膜对于井下油水膜分离器会有更广阔的应用前景。单一的膜分离可能存在分离效率低的问题,大多数情况下需要与水力旋流器配合使用。

1.3 管道分离装置

管道分离技术可分为T型分岔管路分离技术、柱型管道式旋流分离技术、导流片型管道式油水分离器[25]。但其原理基本都是利用重力沉降和离心旋流技术,管道的管径大小、管道长度是影响分离效率的主要原因,且在海上高含水油田比较适用。

陈颂阳等[28]进行了管道式油水分离系统分离特性研究,管道式油水分离系统由T型管路和柱型旋流器组成,结构示意图如图5[28]所示。其数值模拟和现场物理实验表明：该分离系统适用于高含水油井的初步分离,减小了后续设备的处理压力。

1为I级柱形分离器入口;2为I级柱形分离器溢流口;3为I级柱形分离器底流口;4为垂直管段;5为上水平管段;6为下水平管段;7为分岔接头;8为变径接头;9为多分岔管路上出口;10为Ⅱ级柱形分离器溢流口;11为II级柱形分离器入口;12为Ⅱ级柱形分离器底流口

管道油水分离技术在稠油的试验与应用、油气混合介质的分离应用中也有一定的成效[29-31],工程应用实践表明：管道分离技术具有工艺模块化设计、应用灵活、占地小、分离效率高等优点,可适用于油气水分离、液固分离、除砂、洗砂等不同场景,具有较好的技术经济价值和广阔的应用前景。

牛贵峰[32]针对海上高含水油田井下油水分离及回注技术进行研究,摒弃了传统油水两相的反向流动油水分离,采用半椭圆形导流片形成的旋流场有效减小了反向流动所带来的油水重新掺混的弊端,安装沿轴向对称的导流片改善了传统单一入口结构所带来的流场不对称的弊端。顾中浩等[33]在“T”形管道分离技术的基础上提出了“U”形管进行油水分离,并利用FLUENT软件对其研发设计的油水分离装置进行模拟分析,结果表明：管径大小和入口速度大小是影响分离效果的主要因素。华剑等[34]基于管式油水分离原理设计的Y型管式油水分离结构与T型相比,在支管与主管交汇处湍动能小,不易产生涡流现象,更利于油水分离。王胜等[35]对海上油田大处理量井下油水分离技术进及应用行研究,研发的单级大排量管式井下油水分离器现场试验中井下处理量最高达到2 000 m3/d,可为井下油水旋流分离技术在海上油田的应用及实践提供借鉴。

目前井下管道油水分离装置在陆地井中主要是利用导流型水力旋流器与直管道进行油水分离,由于陆地井井眼尺寸受限,其应用更偏向于海上油田。井下管道油水分离装置因其使用场景和分离效益的原因,在井下油水分离方面研究与应用都极其少。

1.4 水力旋流器

井下水力旋流器同井注采油水分离装置的研究始于20世纪50—60年代[36]。近年来,对于井下水力旋流油水分离装置的研究主要是在：入流口的方式(径向进流或轴向进流或混入式)、锥段的锥角大小与锥形结构、底流口与溢流口是否在同侧等方面。常见的径向进流双锥形水力旋流器如图6[37]所示,其主要结构有：入口、溢流口、大锥段、小锥段、尾管和底流口。入口是混合液的进入口,溢流口为脱水后的出油口,底流口为出水口,大、小锥段是混合液的旋流空间。

图6 双锥形水力旋流器[37]

水力旋流器可分为静态和动态水力旋流器,但动态水力旋流器与静态水力旋流器相比,能够更好地从水中分离出更小的油滴、具有更低的入口压力[38]。所以对于井下油水分离水力旋流器而言,动态水力旋流器更有优势。

曾涛等[39]以三相旋流器、动态旋流器、气浮旋流一体化分离装置为研究对象对水力旋流器在油田采出液应用进展进行研究。赵宗昌等[40]通过设置预旋喷嘴使转动式油水分离水力旋流器的分离效率与静止式相比显著提高。Petty等[41]设计的一种双入口和双出口水力旋流器用于井下油水分离,与锥形分离器相比,油水混合液的处理量增大,但存在结构较大、不紧凑等问题。Klasson等[42]研究并设计了一种通过马达转动的井下动态旋流器用于油水分离。

杨晓惠[43]设计轴流导叶式水力旋流器井下油水分离系统,与采用切入式水力旋流器的常规井下油水分离系统相比,该系统具有能耗低、结构紧凑、径向尺寸小等特点。吕凤霞等[44]通过试验研究发现：流量和分流比增加对旋流分离器的压力损失较大,小锥段为旋流分离器的主要分离段;在满足工艺要求的前提下,分流比越小越好;对比不同类型的入口流道,当径向尺寸减小时,渐变截面直线型入口更利于旋流器能量的分配,同时也降低了不必要的压力损失。杨树人等[45]为实现高含水油井同井注采工艺,根据与多杯等流型气锚相似分离原理优化设计出一种多杯等流型油水分离器,其结构如图7[45]所示。

图7 多杯等流型油水分离器结构示意图[45]

王德民等[46]在其基础上对多杯等流型油水分离器进一步进行了结构优化与分离效果的分析,结果表明：沉降杯底部瓦棱状倾角、棱数为特殊值时,分离器进液量最大,分离效率最高;沉降杯进液间隙越小,分离效果越好;沉降杯高度为15 mm分离器分离效果最好;加入亲油填料介质有利于油水混合液的分离;在分离器额定分离能力内,不同含气量对分离效率没有影响。这也是首次分析了气相因素对井下水力旋流器的分离效率的影响。

水力旋流器广泛运用于陆地井,但运用与海上井的研究和报道较少。邹洁纯等[47]根据油井的特征确定了海上井下水力旋流器的结构及其尺寸,并对其进行数值模拟得到分流比在25% 时其分离效率最高。丁文刚等[48]对海上井下油水分离旋流器结构设计及优化研究,并从设计的几种分离器中优选出了变螺距螺线导流式单锥旋流器。史仕荧等[49]研究设计出一种用于油水分离的柱形旋流分离器,其结构如图8[49]所示。该柱形分离器已经广泛应用于辽河油田、胜利油田、南海海上采油平台等生产现场或中试装置,具有占地小、分离效率高、前景广阔的特点[50]。杨兆铭等[51]认为,目前对柱形旋流器的研究还存在油水微团破碎机理不明确、设计规范和生产标准不健全、评价指标待量化等缺陷。

图8 柱形旋流器结构示意图[49]

中外学者利用计算流体动力学仿真分析和物模实验对水力旋流器进行结构与参数的优化设计。张瑞霞等[52]利用相似准则设计出一种旋流器分离器,并选择典型的旋流器模型对该井下旋流油水分离器进行研究。赵立新等[53]基于现有油水分离的研究成果,提出了一种同向出流倒锥式旋流器,运用FLUENT软件分析了旋流器的典型结构参数(溢流管直径、溢流管伸入长度、锥角和出水口尺寸)对其分离性能的影响。Yin等[54]在三维稳态假设下对全尺度油水旋流器进行了建模和模拟分析。Hussain等[55]对单入口和双入口水力旋流器的流动结构对分离性能的影响进行研究。Zhao等[56]对井下油水分离装置(图9[56])进行优化设计,采用计算流体动力学来计算每种特殊情况下的底流油浓度,并分析了优化前后的分离性能变化。Zeng等[57]对不同的流速下新型轴向水力旋流器(图10[57])分离性能影响参数进行数值模拟研究。

1为油管;2为杆;3为油管接头;4为螺钉泵;5为上部交叉通道螺纹接头;6为第一脱油水力旋流器;7为外壳;8为中央交叉通道螺纹接头;9为第二脱油水力旋流器;10为下部交叉通道螺纹接头;11为内管;12为外管;a～ f为流道;g～k为流道

图10 新型轴向水力旋流器结构图[57]

任向海等[58]针对高含水低产量稠油井进行井下油水旋流分离器结构优选,其试验结果为碳酸盐岩缝洞型油藏开展稠油井井下同井注采工艺提供了一定的技术支撑。Zhan等[59]对轴向液-液水力旋流器进行数值研究。韩连福等[60]对特高含水下对双锥型旋流分离器内油水两相流流动特性进行了研究。

文献[61-65]对于水力旋流器分离性能进行了一系列的研究在中国处于领先水平,包括对水力旋流器的溢流管结构、锥角、入流口的流速以及采出液包含气相、旋流器堵塞情况下等对油水分离效率的影响[66-68],并对水力旋流器进行了一系列优化[69-71]。其实验研究结果为井下水力旋流器油水分离装置现场应用提供参考和指导。

研究表明,旋流器的各个参数(旋流器直径、入流口直径、锥体角度、溢流管直径、底流口直径、锥比、入口流量与流速、入流口方向等)是影响水力旋流器分离效果的重要原因,同时温度、采出液的含水率也影响着分离效果。

学者们对井下水力旋流器油水分离装置的研究由“单一静态旋流器分离——多级动态旋流器组合分离”的转变,同时也通过数值模拟与室内实验的方式对井下水力旋流油水分离装置进行理论研究与结构的优化,但其存在与现场工况匹配度低、现场试验与室内实验相比分离效率有所下降。

综上所述,泵式分离系统、膜分离装置、管道分离装置和水力旋流器对于井下油水分离而言,各有各的优缺点和不同的使用场景,但水力旋流器在井下油水分离装置中扮演着重要角色,其发展历程较为长久,且需要结合其他分离装置进行协同作业,从而达到高效分离。在未来,采用多种分离工艺相结合的方法可提高井下油水分离装置的分离效率。

2 存在问题与挑战

相较于井下油水分离方法与工艺而言,井下油水分离装置是实现井下油水分离的前提。装置的性能在很大程度上决定了分离的效率,同时结合分离工艺将分离效率达到最大。对于井下分离装置而言,目前主要存在问题与挑战[2,4,37,72]

(1)由于井下油水分离同井注采技术需要在同一口井中完成分离、举升、注水等一系列作业,这就对油水分离装置(系统)的稳定性、可靠性、使用寿命提出了更高要求。

(2)实时井下监测技术的缺失使得井下油水分离作业失去了“眼睛”,无法对井下油水分离作业进行实时监测。

(3)针对某些特殊情况,如产气较高井和出砂井对分离装置的分离效率和寿命提出更高要求,同时旋流分离器井下作业对工况要求也十分苛刻;

(4)如何检测分离后注水的水质是否达到注水环保标准(要求)也是井下油水分离同井注采技术面临的重大挑战,如果回注水达不到标准不仅对地层产生损伤或破坏,还会产生环境污染,注水层的选择也至关重要。

(5)受井筒径向作业空间的限制,无法设计大尺寸的分离器(系统)进行井下油水分离,这直接影响分离效率和经济效益。

基于上述原因,井下油水分离系统的设计和应用都将面临巨大挑战,这也是井下油水分离同井注采技术无法大面积推广与应用的重要原因。

3 结论与展望

油田进入开发中后期,采出液含水率的急剧上升,使得开发难度增大、开采成本增加。DOWS是一种较为可行的去水采油技术。泵式分离系统、膜分离装置、管道分离装置和水力旋流器是目前主流的研究方向,但泵式分离系统对泵的性能和动力来源有一定要求、膜分离装置对于出砂井的油水分离而言增加了分离难度、管道分离装置适用于高含水的海上油水分离、水力旋流器存在径向尺寸受限等问题。针对目前井下油水分离技术及装置发展现状而言,对其做出以下展望。

(1)推进研发低能耗、高效率、高寿命、结构简单、可靠性高、并带有监测功能的井下油水分离装置。

(2)围绕以“油水分离装置-油水分工艺-油水分离装置”的理念进行井下油水分离装置的研发、试验与推广。

(3)增加对井下油水分离技术的理论研究,采取 “区块化”协同注采开发,提高井下油水分离系统的生产效果与经济效益。

(4)目前井下油水分离采用物理沉降与离心分离的方式进行,形式单一,在未来引进更加先进的物理、化学、生物相复合的油水处理工艺可实现对高含水采出液更加高效分离。