海上高含水大排量电潜泵井井下油水分离系统优化设计

2014-08-14于志刚廖云虎曾玉斌颜明穆永威

重庆科技学院学报（自然科学版） 2014年4期

于志刚廖云虎曾玉斌颜明穆永威

(中海石油(中国)有限公司湛江分公司，广东湛江 524057)

潜油电泵具有排量大、自动化程度高、成本低等特点，是海上油田的主要举升方式。随着海上油田的深入开发，特别是油田进入中后期开采阶段，换大泵提液成为海上油田稳产增产的一项主要措施。这就导致了大量的生产水被举升到地面，使得海上平台的水处理能力、海管液量的输送能力等达到一定瓶颈，平台污水处理、环保压力增大。

井下油水分离(Downhole Oil-Water Separation，DOWS)是一项新兴油田采液处理技术，它将油水分离装置安装在井下，从产出液中分离出来的大部分水通过增压后在井筒中直接注入地层，而将富含油的流体举升到地面[1-4]。该技术的成功应用将极大地减轻平台水处理系统的负担，减少生产污水的排放，释放海管输送空间，为其他潜力井提液增产创造条件。

1 系统概况

1.1 DOWS系统结构及工作原理

电潜泵井下油水分离系统包括单泵单电机、双泵单电机和双泵双电机3种结构。对于海上大排量油井，双泵双电机井下油水分离结构更具有适应性和可靠性。

井下油水分离系统由生产层子系统、注入层子系统、电潜泵子系统、多相管流子系统和油水分离器子系统等5个子系统构成。其中前4个子系统的流动规律与普通的电泵井基本相同，均有成熟的理论模型。例如，生产层子系统的流动规律可用油井的流入动态曲线(IPR)来描述。

图1 双泵双电机井下油水分离系统结构示意图

油水分离器是较为特殊的子系统，其流动规律较为复杂，目前较多的是采用试验方法和数值模拟方法进行研究。通过对D80型旋流分离器压降、流量特性关系的室内实验研究，得到以下结论及关系式[5]。

当入口流量改变时，水力旋流器的分流比基本保持不变。这样，就可以根据旋流器的初始分流比确定出旋流器在井下工作时所举升和注入的液量。

溢流口压降与入口流量、溢流流量三者之间存在如下关系:

(1)

式中:Δpin— 溢流口压降，MPa；Qi— 入口流量，m3h；Qu— 溢流流量，m3h。

当入口流量改变时,旋流器的压降比基本保持不变。这样可以根据溢流压降piu及压降比C计算出底流压降，关系式为：

(2)

式中:Δpid— 底流口压降，MPa；C— 压降比，它等于溢流压降与底流压将的比值。

旋流分离器的压降比与分流比关系只与本身的结构有关。室内实验得出的D80型旋流器的压降比与分流比关系为：

C=0.000 4F2+0.063F+0.700 6

(3)

式中，F为分流比，为溢流流量与入口流量的比值。

根据分流比求得压降比,进而可求得溢流口或底流口的压降，对流量分配及分离器压力损失进行计算。

1.2 高含水大排量电潜泵井DOWS技术选井原则

在海上油田应用井下油水分离技术需具备以下条件：

(1)候选井有合适的注入层：注入层有较强的吸水能力，且注入层与生产层不连通。

(2)套管 ≥ 7"：主要是出于大排量油井设备选型的考虑，海上油田单井作业费用高，只有对大排量油井实施该项技术，回注较多的生产水，节省较大的液量空间，才更具有经济效益。

(3)含水率 ≥85%，油水比重差 ≥10%，达到最佳的井下油水分离效果。

(4)井况清洁，不出砂或有很少量的砂(<100 mgL )。

(5)精确、可靠的注水层和生产层油藏数据是工艺成功实施的关键。

2 海上大排量电潜泵井DOWS系统优化设计

2.1 基础条件

2.2 优化设计方法

采用节点分析法，定产量条件下的系统设计方法如下：根据电潜泵井的目标产液量进行电潜泵机组的选型，使产液量在离心泵合理排量区间的最佳点，满足井口油压要求，即分离后产出流体能通过上泵顺利举升到地面；电潜泵机组和油水分离器等设备的最大外径小于套管内径，并有足够的作业空间；油水分离器出口压力和流量满足注入层压力、流量协调关系。另外，设计假设：油水分离器入口压力等于下部电潜泵机组的出口压力；地层产出油完全举升到地面；注水层注水启动压力和吸水指数均视为常数[6-8]。设计方法及设计流程如图2所示。

图2 双电泵井下油水分离系统设计流程图

2.3 系统结构方案优化

结合海上高含水大排量电潜泵井的生产特点，对管柱结构进行调整优化，如图3所示，该方案具有以下优点：

(1)双电泵双变频控制。通过变频技术可以调节双电泵生产参数，调整油井产液量，满足生产需求；根据注水层的压力变化可及时调节注入压力，下泵的出口压力直接影响注水层注入效果，通过变频调节下泵出口压力，进而控制油水分离器出口压力，对回注层的注入压力和注入量进行大范围调节。

(2)压力监测系统实时监测。双电泵及油水分离器均安装监测系统，通过泵工况仪能及时了解电泵运转情况及出入口压力；在油水分离器出口增设压力传感器监测注入压力，分析注水层吸水状况及定性判断是否堵塞；电潜泵工况仪也可以监测生产层静压、了解油层压力变化情况；油水分离器压力传感器也可以监测注入层静压、判断注入层压力状况。

(3)化学药剂注入功能。毛细管线连接至油水分离器入口处，可根据情况注入化学药剂使油水分离器达到最佳的分离效果，提高注入水水质。

(4)注入水取样功能。通过取样管可以及时获取注入水样品，根据化验结果可进行电潜泵变频调节满足注入需求，也可视情况注入化学药剂提高注入水水质。

(5)注水层解堵功能。注水层如出现注入压力剧增或堵塞现象，该管柱设计有两个自动换向阀，具备注入通道进行注水层解堵作业。

图3 双泵双电机井下油水分离系统管柱结构优化方案

3 设计实例与效果分析

3.1 设计实例

结合南海西部油田各井的实际情况和井下油水分离技术的应用条件，优选出WC-X井作为井下油水分离工艺实施的候选井。该井为9-58”套管，有较好的注水层位，油水比重差为16.91%，含水率达87%，不出砂，且该井产液量大(2 140 m3d)，对其进行井下油水分离可最大限度释放平台液量处理空间。WC-X基础数据如表1所示。

表1 WC-X井基础数据

对WC-X井进行井下油水分离方案设计，最大产液量3 200 m3d，地面含水率降至50%，井口油压大于1.5 MPa，泵入口压力大于饱和压力，设计结果详见表 2，同时选择配套双级螺旋油水分离器，外径为7”，管柱结构设计如图3所示。

表2 双泵双电机井下油水分离系统设计结果

3.2 影响因素分析

目标产液量和注水层的吸水能力是DOWS系统设计的关键因素，直接影响系统的设备选型和各项生产参数的变化。

(1)目标产液量的影响。油层产液量对系统设计的影响如图4所示，它决定整个系统的总载荷和所需的总能量。产液量越大，需要举升和注入的液量越大，所需注入压力、下泵出口压力和分离器出口压力越高。上泵入口压力受富含油流体举升所需压差和分离器出口压力双方面影响，其变化取决于两个因素哪个影响较大，对于WC-X井而言，分离后富含油流体随产液量的增大而增大，举升所需压差变化大于分离器出口压力变化，因此上泵入口压力呈降低趋势，即所需上泵扬程增大，级数增加。