井下油水分離回注水液控閥裝置研究

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300457)①

目前，在開發(fā)的46個(gè)渤海油田中，有26個(gè)是高含水油田，其中1/5油井處于特高含水階段，綜合含水率達(dá)到85%。伴隨產(chǎn)出液含水率的提高，采出液水處理問題越來(lái)越突出。以曹妃甸區(qū)塊為代表的含水油田，綜合含水率達(dá)到90%以上，地面水處理無(wú)法滿足需求，對(duì)油井提出限流措施，影響產(chǎn)油量。

為解決產(chǎn)出液含水率高的問題，自1991年，加拿大、美國(guó)等國(guó)家開始了井下油水分離技術(shù)的研究，并進(jìn)行了前期試驗(yàn)。井下油水分離采用旋流分離或重力分離方式進(jìn)行采出液的分離，并將分離出的水回注地層。通過該方式在井下對(duì)產(chǎn)出液進(jìn)行了一次分離，降低了采出液含水量，降低了地面水處理流程壓力，提高了油田整體提液量[1-4]。

1 井下油水分離管柱組成及特點(diǎn)

1.1 管柱組成

井下油水分離管柱由井下產(chǎn)液通道、電潛泵機(jī)組、油水分離器、回注水調(diào)控裝置、取樣接頭、取樣管線及液控管線等組成，如圖1。油水分離器安裝在電泵上部，通過舉升壓力對(duì)采出液進(jìn)行分離，分離出含油采出液舉升至地面，分離出水通過回注水調(diào)控裝置回注至地層。回注水調(diào)控裝置可以根據(jù)要求調(diào)節(jié)開度大小，調(diào)整回注水量，從而實(shí)現(xiàn)油水分離分流比調(diào)節(jié)。電潛泵機(jī)組封裝在罐內(nèi)，組成罐裝泵，罐裝泵將產(chǎn)出液與回注水進(jìn)行了隔離，達(dá)到了工藝效果。

1.2 工作原理

圖1中，插入密封將產(chǎn)液層與注水層進(jìn)行隔離，帶孔管下入產(chǎn)液層，地層產(chǎn)液通過帶孔管的孔進(jìn)入油管內(nèi)部，并進(jìn)入到閉式罐裝泵內(nèi)部，通過電潛泵機(jī)組加壓，向上舉升至油水分離器，通過機(jī)械式油水分離，高壓帶油液向上舉升至地面，分離出水通過穩(wěn)流懸掛裝置進(jìn)入到回注水通道，通過回注水調(diào)控裝置進(jìn)入到套管環(huán)空，并進(jìn)入到注水層，完成分離液的回注。

該管柱在井下完成了采出液的一次分離，并將分離出的水回注地層，補(bǔ)充了地層能量。通過井下油水分離，降低了地面處理流程壓力，減小了同平臺(tái)其余油井的限流，增加了產(chǎn)油量。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

適用油井含水率 ≥85%

分離水含油 <2 000×10-6

2 回注水液控閥裝置

回注水裝置作用是對(duì)分離出的水進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，通過調(diào)整回注量，調(diào)整油水分離效果?；刈⑺刂蒲b置前期采用固定水嘴方式，但由于固定水嘴無(wú)法滿足調(diào)節(jié)功能，當(dāng)?shù)讓赢a(chǎn)液發(fā)生變化時(shí)，無(wú)法對(duì)分離效果進(jìn)行調(diào)整。電控回注水工作筒具有調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，但由于長(zhǎng)期井下高溫、震動(dòng)，工作筒工作壽命受到較大的影響，對(duì)整體工藝造成了影響。根據(jù)該管柱的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了回注水液控閥，該閥采用液壓控制方式進(jìn)行閥開度的調(diào)節(jié)，8個(gè)檔位保證了回注水調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，該工具具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高的特點(diǎn)，與油水分離器均為該工藝的核心部件[5-12]。

2.1 回注水液控閥結(jié)構(gòu)

回注水液控閥由上接頭、中心筒、活塞、中心管、導(dǎo)向銷釘、出水孔、下接頭及液壓油通道等組成，如圖2。中心管與活塞通過鍵連接，中心管分別設(shè)置了定位導(dǎo)向槽與中心管水嘴。正常工作時(shí)，通過液控管線加壓，液壓油由進(jìn)液通道進(jìn)入到活塞腔，推動(dòng)活塞帶動(dòng)中心管向上運(yùn)動(dòng)，定位導(dǎo)向槽沿導(dǎo)向銷釘向上運(yùn)動(dòng)，并沿導(dǎo)向槽發(fā)生旋轉(zhuǎn)，通過液壓通道2進(jìn)行加壓，液壓油進(jìn)入上活塞腔，推動(dòng)活塞攜帶中心管向下運(yùn)動(dòng)，直至中心管下放到位。通過導(dǎo)向槽定位槽與導(dǎo)向銷釘?shù)呐浜?，確定中心管最終位置。中心管水嘴與出水孔重合的大小決定回注水量的大小。該液控閥具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便、調(diào)節(jié)檔位多的特點(diǎn)，能夠?qū)刈⑺窟M(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，從而保證油水分離分流比。

2.2 技術(shù)參數(shù)

外形尺寸 ?116 mm×1 450 mm

中心通徑 ?62 mm

工作溫度 0～150℃

工作壓力 50 MPa

2.3 中心管水嘴結(jié)構(gòu)

為達(dá)到油水分離效果，需要回注水液控閥對(duì)回注量實(shí)現(xiàn)精細(xì)的調(diào)節(jié)，從而保證回注水控制，提高油水分離效率。中心管在換向過程中發(fā)生旋轉(zhuǎn)及上下運(yùn)動(dòng)，通過導(dǎo)向定位槽確定最終位置，通過中心管出水孔與出水孔重合面積的大小，確定最終出水面積。為達(dá)到調(diào)節(jié)效果，液控閥設(shè)置了8個(gè)檔位，其中0檔位全關(guān)狀態(tài)，每增加一檔位，過流通道增加一個(gè)等面積孔，通過8檔位閥實(shí)現(xiàn)回注量的精細(xì)調(diào)節(jié)。同時(shí)為保證滿足大排量回注水的要求，在第7個(gè)檔位設(shè)置了長(zhǎng)方形孔道，極大地增加過流面積，最大注入量可以達(dá)到2 800 m3/d。檔位與過流面積關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 中心管水嘴過流面積與檔位關(guān)系曲線

為保障回注水能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的調(diào)節(jié)，同時(shí)研究回注水流量與壓力損失、檔位的關(guān)系，對(duì)回注水液控閥流體特性進(jìn)行了建模分析，對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4所示。

模型基礎(chǔ)設(shè)置為穩(wěn)態(tài)模型，不考慮少量原油的影響，采用水作為介質(zhì)，選用壓力入口，自由出口對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行分析。分析在1～7檔時(shí)，壓力損失與流量的關(guān)系，關(guān)系曲線如圖5所示。

圖4 回注水液控閥流場(chǎng)分析模型

圖5 不同檔位壓力損失與回注流量關(guān)系曲線

通過觀察流量與壓力曲線，在1～6檔位時(shí)，流量壓力曲線近似為平方根函數(shù)曲線，通過數(shù)據(jù)擬合，得到該液壓閥流量與壓差的近似關(guān)系式為

式中：Q為液控閥回注水流量，m3/d；n為液控閥檔位；p為水嘴前后壓力損失，MPa。

為滿足大排量需求，液控閥的7檔設(shè)置為大過流孔道，過流面積達(dá)到140 mm2。大通道的設(shè)置滿足了高產(chǎn)液井回注的需求，7檔時(shí)流量與壓差的近似關(guān)系式為

通過壓力、流量與開度曲線發(fā)現(xiàn)，在回注水量小于800 m3/d時(shí)，可以通過水嘴及壓力實(shí)現(xiàn)精細(xì)的控制，同時(shí)當(dāng)液控閥處于7檔時(shí)，閥體水嘴開度達(dá)到最大，最大過流量可以達(dá)到2 800 m3/d。該閥滿足小排量精細(xì)調(diào)節(jié)的同時(shí)滿足了大排量的需求。

2.4 導(dǎo)向定位槽

導(dǎo)向定位槽作為液控閥的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，起限位及支撐導(dǎo)向作用，中心管上下移動(dòng)過程中，導(dǎo)向槽沿導(dǎo)向銷釘上下移動(dòng)，與導(dǎo)向銷釘配合可以實(shí)現(xiàn)中心軸的旋轉(zhuǎn)、換向及定位。導(dǎo)向定位槽結(jié)構(gòu)如圖6所示。在保證導(dǎo)向定位槽能夠沿限位銷釘運(yùn)動(dòng)的前提下，將限位銷釘尺寸最大化，保障換向安全及工具可靠性。

圖6 導(dǎo)向限位槽結(jié)構(gòu)示意

導(dǎo)向限位槽主要尺寸模型如圖7所示。

圖7 導(dǎo)向限位槽關(guān)鍵尺寸模型

圖7中：h為兩個(gè)圓心Ou點(diǎn)和Od點(diǎn)的縱坐標(biāo)差，h=h1+h2。

(1)

在整個(gè)導(dǎo)軌系統(tǒng)為平面的情況下，換向釘恰好可以通過的條件為

(2)

已知：d=82 mm、n=8，令上下導(dǎo)軌過渡凸起處的圓角半徑為3.0、2.5、2.0、1.5、1.0 mm，計(jì)算結(jié)果如表1。

表1 導(dǎo)向限位槽主要尺寸mm

倒角半徑R′導(dǎo)向釘最大半徑R導(dǎo)向釘圓整半徑R最小距離h3.05.625.512.262.56.126.012.262.06.626.512.261.57.127.012.261.07.627.512.26

通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇倒角半徑為2 mm，導(dǎo)向釘半徑為6.5 mm。在保證導(dǎo)向釘結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)增加倒角半徑，便于換向功能實(shí)現(xiàn)，減小換向摩擦力。

3 室內(nèi)試驗(yàn)

為驗(yàn)證液控閥導(dǎo)向定位槽換向機(jī)構(gòu)的可靠性與關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)液控閥進(jìn)行加壓換檔試驗(yàn)，如圖8所示。液控閥控制壓力與移動(dòng)位置關(guān)系如圖9。對(duì)液壓通道1進(jìn)行加壓，在液壓控制壓力到達(dá)3 MPa時(shí)，中心管開始動(dòng)作，導(dǎo)向槽1部分沿定位銷釘做直線運(yùn)動(dòng)，中心管推動(dòng)壓力基本維持在2.5 MPa左右；當(dāng)中心管運(yùn)動(dòng)到位置2時(shí)，定位銷釘與定位換向槽的倒角部分發(fā)生接觸，壓力波峰凸起達(dá)到3.5 MPa，中心管開始做上下運(yùn)動(dòng)同時(shí)伴隨旋轉(zhuǎn)換向運(yùn)動(dòng)，中心管繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，到達(dá)位置3，定位換向槽斜坡沿定位銷釘運(yùn)動(dòng)，此時(shí)壓力為 3 MPa。中心管向上移動(dòng)到位后，壓力會(huì)出現(xiàn)較大波峰。中心管正向推動(dòng)到位后，對(duì)液控閥進(jìn)行反向加壓，中心管向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)換向槽與銷釘接觸位置由位置4移動(dòng)到位置5，在接觸位置5的瞬間，出現(xiàn)壓力波峰，為3.5 MPa；在位置5移動(dòng)到位置6的過程中，管柱繼續(xù)做向下同時(shí)伴隨旋轉(zhuǎn)換向運(yùn)動(dòng)。進(jìn)入導(dǎo)向槽后，推動(dòng)壓力為2.5 MPa，向下運(yùn)動(dòng)到位后，壓力出現(xiàn)波峰值。

圖8 液控閥試驗(yàn)示意

圖9 液控閥控制壓力與移動(dòng)位置關(guān)系

試驗(yàn)結(jié)果表明：回注水液控閥換向機(jī)構(gòu)工作穩(wěn)定，換向槽及導(dǎo)向螺釘尺寸選擇合理，換向工作壓力低。換檔、限位以及控制過流孔等功能、性能完全滿足設(shè)計(jì)要求，能夠有效地對(duì)回注水過流面積進(jìn)行控制，滿足油水分離回注水調(diào)節(jié)的需求。

4 結(jié)論

1) 回注水液控閥克服了固定水嘴閥及電控閥的缺點(diǎn)，用于油水分離系統(tǒng)的回注水調(diào)節(jié)，可以實(shí)時(shí)、有效地調(diào)節(jié)油水分離效率，提高整體工藝可靠性。

2) 回注水液控閥水嘴可以實(shí)現(xiàn)800 m3/d以下回注水量的精細(xì)調(diào)節(jié)，同時(shí)能夠滿足大排量回注水的需求，最大回注量可以達(dá)到2 800 m3/d。

3) 通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化計(jì)算，確定了導(dǎo)向定位槽的關(guān)鍵尺寸，同時(shí)使定位銷釘尺寸得到了最優(yōu)化，保障了定位銷釘?shù)目煽啃浴?/p>

4) 試驗(yàn)證明，回注水液控閥換向壓力穩(wěn)定、同時(shí)換檔順利，限位機(jī)構(gòu)有效、合理，能夠?qū)崿F(xiàn)過流面積的有效控制。