同井注采油水分离器的优化设计

杨树人，谢 威

(1.东北石油大学，黑龙江 大庆 163318;

2.中油大庆油田有限责任公司，黑龙江 大庆 163001)

同井注采油水分离器的优化设计

杨树人1，谢 威2

(1.东北石油大学，黑龙江 大庆 163318;

2.中油大庆油田有限责任公司，黑龙江 大庆 163001)

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的分离原理，优化设计多杯等流型油水分离器。设计过程中，对分离器由上至下每层开口数目和孔径逐级分段增大，各进液孔进液量相近，且各采出液在分离器内的停留时间足够长;通过不同分段方式、开孔数目以及不同孔径的优化组合分析，考虑到机械加工的要求，利用流体动力学原理，对孔径大小、孔径分级和开孔数目等参数进行了优化设计，在保证各部位沉降杯内采出液的停留时间超过150s的前提下，充分发挥了各沉降杯的作用，有效地缩短了井下油水分离器的长度，节约了生产成本和作业成本。

多杯等流型;同井注采;高含水油井;油水分离器;优化设计

引 言

井下油水分离技术(DOWS)［1－2］是一项新型技术，它可解决高含水油田［3－4］开发过程中，油井采出量高、分离工作量大的问题，解决因注水带来的巨大投资和能量损耗，有显著的经济效益和环保效果。目前井下油水分离基本方式主要有2种［5－6］:旋流分离技术［7］和重力分离技术［8］。利用与多杯等流型气锚相似的分离原理［9］，设计出的多杯等流型油水分离器，能够解决现有井下离心式油水分离器分离效果不好，无法得到规模化应用的问题。

1 多杯等流型油水分离器

图1为多杯等流型井下油水分离器示意图。图2为不同类型沉降杯。多杯等流型井下油水分离器中心管上安装多个沉降杯［10］，沉降杯内钻有排除固体杂质的漏砂孔。中心管在每个靠近沉降杯内侧底部的位置钻有进液孔，将中心管连接成若干根，每根之间安装有1个保护体。中心管是回注水进液通道，油套环空为采出液进液通道，下接丝堵。

图1 多杯等流型井下油水分离器

图2 不同类型沉降杯

该分离器连接于抽油泵下部，地层产出液先进入沉降杯，被分离成含水较高的回注水和含水较低的采出液，而后通过进液孔进入抽油泵。进液孔的过流面积大小根据抽油机上冲程过程中的最大产量精确计算，使得每个杯进入油水分离器中心管的液量近似相等。

2 同井注采工艺参数设计方法

地层产出液流经沉降杯，通过油、水密度差异，实现自然沉降分离，分离后含水较高的回注水进入中心管，被抽油泵采出;含水较低的产出液进入油套环空，被抽油泵采出。在整个分离过程中，必须保证每1个沉降杯在抽油泵每次抽吸时的进液量近似相等，为此开展了等流参数设计水力计算分析。

(1)中心管内摩阻压差:

式中:Δpf为分离器中心管内的摩阻压差，Pa;ρ为采出液的密度，kg/m3;hf为中心管内水头损失，m;Q0为分离器日处理量，m3/d;υ为采出液的运动黏度，m2/s;D为分离器中心管内径，m;L为中心管长，m。

(2)中心管内外压差:

式中:Δp为分离器中心管内外压差(工作压差)，Pa;hj为孔口局部水头损失，m;ξ微孔为局部阻力系数;v为孔口流速，m/s。

由实验数据分析可确定局部阻力系数为1.5。

(3)采出液在每个杯中的停留时间:

式中:t为采出液在沉降杯中的停留时间，s;V为沉降杯的容积，m3;q为单孔进液流量［11］，m3/s;m为每层孔数。

图3为停留时间计算框图。室内实验研究结果表明，保证油水有效分离最小停留时间为150 s。在某些情况下，有可能出现产出液在靠近最下端的某些分离器内的停留时间低于最小停留时间，这部分停留时间较短的进液流量与总进液流量(处理量)的比值称为低停时间流量百分比，简称“低停比例”。

图3 停留时间计算流程

3 优化实例

大庆某油田高含水油井采出液含水率约为90%，运动黏度为2.9×10－6m2/s，日处理量分别为60、80 m3/d，锚管内径为38 mm，锚碗容积为0.2 L，锚碗间距为0.045 m，锚管长度为30～80 m。采用上述理论运用VB6.0编制优化软件系统，根据需要，设定不同的孔径级数和级差，同时也可以设定不同的开孔数目和孔数级差，并以图形方式直接显示出停留时间的分布情况，使得分离器设计软件更加灵活实用。

针对日处理量为80 m3/d的油井，综合考虑多杯等流型分离器的孔径分级和孔数分级交叉变化，进一步计算分析得出低停比例的变化情况。图4为孔数分级、孔径分级与低停时间流量百分比的关系曲线。根据图4显示的结果，考虑到机械加工的特点，单从低停比例最小的角度设计方案如下:锚管长度为40 m，均分成每段8 m，孔径为5级且孔数为2 级:孔径大小分别为 0.9、1.0、1.1、1.2、1.3 mm;前3段孔数为4，后2段孔数为6。针对产液量为60 m3/d的油井，依据同样的方式，合理设计方案如下:锚管长度为36 m，均分成每段3 m，孔径为3级且孔数为3级:孔径大小分别为0.9、1.0、1.1 mm;第1段孔数为4，第2段孔数为6，第3段孔数为12。

图4 孔数分级、孔径分级与低停时间流量百分比的关系曲线

该设计方案保证了各部位沉降杯内采出液的停留时间均大于150 s，达到了油水有效分离的效果，满足了现场生产需求。

4 结论

(1)同井注采工艺技术研究现已进入现场试验阶段。该技术可解决现有井下离心式油水分离器分离效果不好而无法得到规模化应用的问题。

(2)利用流体动力学原理，多杯等流型分离器进行了优化设计研究，对孔径大小、孔径分级和开孔数目等参数进行了优化设计，在保证各部位沉降杯内采出液的停留时间超过150 s的前提下，充分发挥了各沉降杯的作用，有效地缩短了井下油水分离器的长度，节约了生产成本和作业成本。

［1］邵建萍，牛宝荣.井下油水分离技术综述［J］.国外油田工程，2006，22(9):16 －17.

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Optimization design of oil－water separator for injection－production in the same well

YANG Shu － ren1，XIE Wei2
(1．Northeast Petroleum University，Daqing，Heilongjiang 163318，China;
2．Daqing Oilfield Co．，Ltd．，PetroChina，Daqing，Heilongjiang 163001，China)

To realize both injection and production in the same oil wells with high watercut，the multi－cup uniform flux oil－ water separator was designed based on the principle of the multi－ cup uniform flux gas anchor．During the design process，the number and size of openings of the separator were gradually increased layer by layer from top to bottom with almost the equal amount of fluids entering each opening and enough time for the produced fluids to stay inside the separator．Through optimal combining different ways of segmentation with the number and size of the openings and considering the machining requirements，the size，grading and number of the openings were optimally designed based on hydrodynamics．On the condition of allowing the produced fluids to stay inside the settling cups for over 150s，the functions of the settling cups were brought into full play，effectively reducing the length of the down-hole oil－ water separator and saving both production and operation costs．

multi－cup uniform flux;injection－production in the same well;high water cut well;oil－water separator;optimization design

TE931

A

1006－6535(2011)06－0106－03

20110517;改回日期20110925

中国石油天然气股份公司科研项目“高含水油田提高采收率关键技术”(2010B－0811)部分内容

杨树人(1963–)，男，教授，1984年毕业于哈尔滨工程大学船舶设计与海洋工程专业，2006年毕业于东北石油大学油气田开发工程专业，获博士学位，现从事油气田开发工程研究工作。

编辑 王 昱