井下油水分離技術(shù)的現(xiàn)狀與展望

張金山，姜 偉，劉 慶，萬紅碧

（東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶163318）

井下油水分離技術(shù)是適應(yīng)于當今采油中后期階段采出液含水率偏高導(dǎo)致經(jīng)濟、能耗過大，環(huán)境污染嚴重問題的重要技術(shù)手段。將井下油水分離技術(shù)與油井的舉升系統(tǒng)、注水系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)在一口油井中同時完成油水分離、油的舉升和水的回注，即實現(xiàn)同井注采。同井注采是十幾年來國內(nèi)外不斷在研究的采油技術(shù)。這項技術(shù)最初由加拿大工程技術(shù)研究中心提出，隨后引得國內(nèi)外各大油田和公司的研究探索，直至目前，井下油水分離技術(shù)得到了很多的技術(shù)拓展，在各油田都有廣泛的應(yīng)用。雖然仍然存在一些關(guān)鍵的技術(shù)性問題，但通過不斷的實驗探索與研究，結(jié)果表明，井下油水分離技術(shù)可以很大程度的減少油田采油成本，是一項值得為之不斷深入研究、具有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)。

1 井下油水分離技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

在20世紀90年代初，北美的C-FER[2]率先提出了油水混合相在進行進行預(yù)先分離，將分離后的水相回注井下，并且通過實驗達到了預(yù)期效果，認為這種方式可行，從此將石油開采行業(yè)引進了新時代。

2000年全球遭遇油價下跌，石油行業(yè)為了避免遭受經(jīng)濟壓力不得不研發(fā)新技術(shù)，2001年Wood Group ESP公司率先研發(fā)出一種較為普通的dows系統(tǒng)，并且在相關(guān)油田進行實驗，效果明顯，但是只能在較大的管徑的工況下。

2001年C-FER等公司聯(lián)合研發(fā)出一種新興的旋流D裝置，能夠較好的與氣舉系統(tǒng)搭配，這種裝置能夠?qū)庖汗倘嗷旌舷喾蛛x后，將水繼續(xù)回注，實現(xiàn)同井注采。

2002年，俄羅斯在烏魯斯塔瑪克夫斯克油田進行了螺桿泵同井注采工藝的研究，這種工藝可將含水率控制在66%左右，緊接著俄羅斯國家石油工業(yè)科學(xué)研究院又研發(fā)了一種雙作用桿式泵，油水兩相可以經(jīng)過該裝置進行重力分離，是含水率降低到30%。

2004年，Denney主要針對井下分離系統(tǒng)和注采裝置進行的研究，認為分離系統(tǒng)主要是依靠重力式和旋流式的方式進行油水分離，根據(jù)他的分析，在復(fù)雜的同井注采條件下，這項技術(shù)還是不夠純熟，只能在部分油田得一試用，并不適合大部分油田。

2015年，Dellarole研發(fā)出一種由兩部分組成的分離系統(tǒng)，分別是重力分離系統(tǒng)和聚結(jié)分離系統(tǒng)，原理是油水經(jīng)過第一次重力分離后進入第二個系統(tǒng)進行聚結(jié)分離，這種裝置是同井注采在重力分離原理的基礎(chǔ)上進行二次改善。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

2014年，張廣健[3]針對大慶油田長垣地區(qū)的北2-丁4-53高含水油井，淺析井下油水旋流分離器的分離效果。

2019年西南石油大學(xué)的顧中浩[4]等人在原有的T型管分離技術(shù)基礎(chǔ)上進行研究，發(fā)現(xiàn)了一種新型的U型管分離結(jié)構(gòu)，并且利用軟件fluent進行模擬這種新型結(jié)構(gòu)裝置分離油水的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)裝置入口的的速度影響分離效果很大，隨著入口速度增加分離效率降低，而且分離效率也會受這種裝置的管徑影響。

2019年中國石化石油工程技術(shù)研究院的耿黎東等人發(fā)現(xiàn)了石墨烯具有獨特的疏水親油特性，這種三維石墨烯是由多個二維石墨烯單位組成的，這種結(jié)構(gòu)擁有豐富的孔眼，主要是具有超高的親油疏水性質(zhì)，能夠用作分離材料。設(shè)計出的超疏水性泡沫性質(zhì)的石墨烯對油和部分有機溶劑具有良好的吸附能力，提高采收率。

隨著我國石油行業(yè)的快速發(fā)展，在吸收國外的經(jīng)驗的同時，我們也對國外的旋流分離技術(shù)進行改進，例如把進液方式進行調(diào)整，旋流器結(jié)構(gòu)進行改進，讓這些技術(shù)更加純熟，適合我國油田開采，同時東北石油大學(xué)劉保君副教授這一年來一直在研究適合我國的重力分離技術(shù)，對多杯等流分流器進行改進，提高分離效率。

2 井下油水分離系統(tǒng)原理及分類

隨著油田開采進入衰減期，面臨著含水率增大問題，井下進行油水兩相分離的必要性越來越高，如今主要存在兩種分離方式，一是水利旋流分離；另一個是重力分離[5]。兩者大致的工作原理是在井下安裝油水分離設(shè)備或者是根據(jù)油水混合相的物性差異進行重力分離，將分離后的水相進行回注地下，但兩種方式在合理運用上都會因為地理和地質(zhì)條件存在差異，目的終究是為了實現(xiàn)同井注采。

2.1 重力分離系統(tǒng)

分離原理 在井下進行油水分離時，油層產(chǎn)出液首先進入到環(huán)形空間，由于油水兩相存在密度差，油在套管的上層，水在下層。進而可以將油通過動力系統(tǒng)向地面舉升，分離后的水進行回注。該系統(tǒng)主要采用有桿泵和井筒重力沉降分離相組合的方式[6]，通常運用奪杯多瓦棱形等效分離器，具有代表性的系統(tǒng)如下。

圖1 油滴在瓦棱的一側(cè)流動狀態(tài)Fig.1 Flow of oil droplets on one side of the warping

2.1.1 雙作用泵系統(tǒng) 該系統(tǒng)的主要設(shè)備就是雙作用泵。油層采出液在系統(tǒng)的井筒中依靠重力原理進行分離，生產(chǎn)層和注入層層間由封隔器相隔。雙作用泵柱塞的上部進行油分離，下部進行水分離；上沖程時，泵腔上部的吸入凡爾處于關(guān)閉狀態(tài)，排出凡爾處于打開狀態(tài)，泵腔下部的開關(guān)狀態(tài)正好相反。在這個過程中完成油的舉升和水的吸入。下沖程時各凡爾的狀態(tài)與上沖程相反；雙作用泵系統(tǒng)適用于動液面高、注入壓力低、生產(chǎn)層與注入層具體較遠的油井。在系統(tǒng)運行時，由于雙作用泵自身帶有下行阻力，柱塞上下的面積差也會導(dǎo)致出現(xiàn)下行阻力，所以在條件不相符的油井使用該系統(tǒng)會因雙作用泵的下行阻力過大而對生產(chǎn)造成影響。

2.1.2 雙凡爾串聯(lián)泵系統(tǒng) 雙凡爾串聯(lián)泵系統(tǒng)可以簡單理解為將兩個單獨工作的單作用泵串聯(lián)到一起，用雙凡爾串聯(lián)泵替代了原來的雙作用泵，而且在柱塞之間進行密封措施。系統(tǒng)運行時，位于上面的泵吸入油，位于下部的泵吸入水，上沖程屬于吸入過程。下沖程時，上部的泵將油舉升，下部的泵注入水。由于兩個泵是相同的，所以兩個泵的柱塞尺寸相同，兩柱塞間加有密封裝置，所以兩個泵都可以進行相對獨立的工作，也消除了因柱塞面積差帶來的阻力隱患。

2.2 旋流分離系統(tǒng)

分離原理 在井下安裝旋流分離器，當油層采出液通過旋流分離器時，旋流器高速旋轉(zhuǎn)，油水兩相存有密度差，在離心力的作用下油水會發(fā)生分離。分離后的原油通過上出口被舉升至地面，分離后的水經(jīng)下出口回注到水層。該系統(tǒng)主要采用不同的泵與水力旋流器相組合的方式[7]。代表性的系統(tǒng)見圖2。

圖2 油水在旋流器中流動示意圖Fig.2 Flow diagram of oil and water in the cyclone

2.2.1 單泵單馬達系統(tǒng) 單泵單馬達系統(tǒng)主要由3部分組成，電泵機組、旋流器和封隔器。系統(tǒng)運行時，首先電泵會給油層采出液增壓，經(jīng)增壓后的混合液再進入旋流分離器進行油水分離，油舉升至地面，分離后的水經(jīng)封隔器下部回注到水層。在該系統(tǒng)中，油層采出液進入旋流器的能量和注入、舉升的能量來源都由電泵提供，這是該系統(tǒng)的主要特點。據(jù)統(tǒng)計分析，該系統(tǒng)的適用井口條件為：井深小，注入壓力高。2.2.2 雙泵單馬達系統(tǒng) 雙泵單馬達系統(tǒng)中的兩臺泵一臺作為采出泵，一臺作為注入泵。兩臺泵都由一臺馬達帶動。系統(tǒng)運行時，首先由注入泵給油層采出液增壓，增壓后的混合液在進入水力旋流器進行油水分離，然后由采出泵給分離后的油再次加壓，之后直接舉升至地面。分離后的水經(jīng)封隔器回注到水層。在這個系統(tǒng)中，油層采出液進入到旋流分離器的能量由注入泵來提供；舉升所需要的能量由采出泵來提供。系統(tǒng)能量供應(yīng)充足，所以適用于舉升能量要求比較大的油井。

2.2.3 雙泵雙馬達系統(tǒng) 雙泵雙馬達系統(tǒng)包括兩臺泵，注入泵和采出泵，和由兩臺電機分別控制的兩套電泵機組。系統(tǒng)運行時，首先油層采出液直接進入井下旋流器進行油水分離，隨之分離出來的油經(jīng)采出泵，直接被舉升至地面，分離后的水由注入泵加壓回注到注水層。這個系統(tǒng)特點在于油層采出液先進行分離，然后分別加壓，兩套電潛泵設(shè)備所要求的套管尺寸會相對大一些。該系統(tǒng)能量供應(yīng)和加壓設(shè)施都十分充足，因此適用于要求注入壓力比較高的深井。

3 井下油水分離技術(shù)發(fā)展方向

截至當今，井下油水分離技術(shù)在井下采油工藝的應(yīng)用中還存在很多的技術(shù)問題沒有解決或者需要進一步完善[8]。比如井下分離效果不能實時檢測；由于地質(zhì)條件造成的出砂嚴重的問題；水力旋流系統(tǒng)對工況條件和各參數(shù)的要求十分苛刻且造價昂貴，重力分離系統(tǒng)分離時間過長等。因此，筆者針對問題對井下油水分離技術(shù)的發(fā)展方向進行討論。

3.1 井下油水分離系統(tǒng)自動、智能化

研制智能檢測系統(tǒng)，對井下工藝參數(shù)：采出液量、分離效果、各子系統(tǒng)壓力、注水量值等參數(shù)進行實時監(jiān)控，并且當有工藝參數(shù)處于不正常值時可以做到自動調(diào)節(jié)。當井下混合液流態(tài)發(fā)生變化時，系統(tǒng)可自動控制閥門，改變注水量以適應(yīng)新的工況條件。井下工況應(yīng)定時傳送到地面系統(tǒng)，檢查井下系統(tǒng)是否正常工作，避免系統(tǒng)失誤造成損失。

3.2 提高井下油水分離系統(tǒng)的適應(yīng)性

油水分離系統(tǒng)自身存在局限性，對油井工況要求比較高。因此，應(yīng)致力于提高該系統(tǒng)的適應(yīng)性進行研究，使其應(yīng)用范圍變得廣泛。為解決砂堵問題，可在旋流器上附加設(shè)備，分離油砂。研究含氣、含砂、含聚合物等復(fù)雜工況下的分離裝置，提高分離效率。開展高壓回注技術(shù)研究，提高系統(tǒng)回注能效，滿足各類油田區(qū)塊應(yīng)用。為回注水質(zhì)量制定標準，規(guī)范井下注水水質(zhì)要求。拓展技術(shù)應(yīng)用。

3.3 研制高效設(shè)備、降低采油成本

井下油水分離分離效率的高低主要取決于運用分離設(shè)備的分離效果。目前，使用的分離器主要是旋流器和重力沉降式分離器，優(yōu)化并改進這些裝置結(jié)構(gòu)，尤其是水里旋流器的環(huán)形空間角度結(jié)構(gòu)和重力離器的瓦棱數(shù)和瓦棱之間的角度參數(shù)，我們可以在分離器內(nèi)加入超疏水性質(zhì)的石墨烯，提高其分離效果是提高采油效益，減小成本的有效方法。另外，除油水分離系統(tǒng)外，動力系統(tǒng)、封隔系統(tǒng)[9]以及檢測系統(tǒng)設(shè)備的優(yōu)化與改進同樣可以減少經(jīng)濟投入，同樣也是技術(shù)發(fā)展的重要內(nèi)容。

3.4 井下油水分離技術(shù)區(qū)塊應(yīng)用

目前，井下油水分離技術(shù)運用在同井注采工藝中在單井測試方面已經(jīng)取得了一定的成功。接下來的技術(shù)發(fā)展方向是將該技術(shù)與具體油藏相聯(lián)系，在區(qū)塊進行技術(shù)應(yīng)用。通過增加注水點來針對水區(qū)開發(fā)區(qū)塊的開采；采用井與井之間交叉注水、互驅(qū)互采的方式來解決小斷塊油藏和位于偏僻地區(qū)油藏等帶來的問題；大幅度減少地面采出液量、注水量，達到“反向錐進”[10]的效果來克服底水錐油藏問題。

4 結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步和對井下油水分離技術(shù)不斷地研究探索，這項技術(shù)必將走向成熟而被廣泛應(yīng)用。水力旋流器將會不斷地完善，筆者在這里提出一種新型裝配結(jié)構(gòu)，運用水力旋流器和重力分離系統(tǒng)組合，在同井注采開采過程中個進行油水多效二次分離，但經(jīng)過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)多適合于同井注采中的上采下注結(jié)構(gòu)，主要是因為上采下注這種結(jié)構(gòu)有更多的裝配空間和分離空間，開發(fā)層系的油水吸入井筒過后，流入最下部，首先，經(jīng)過水里旋流器一次分離后，進入中立分離系統(tǒng)進行二次分離。同時我們還可以改善中立分離系統(tǒng)中的奪杯分離器，采用最新的親油超疏水的三維石墨烯材質(zhì)制成多杯分離器層間墊片，提高油水分離效率。同時井下與地面合成的檢測系統(tǒng)將脫離人工控制完全實現(xiàn)自動化采油過程。各子系統(tǒng)的組成呈現(xiàn)最穩(wěn)定、最優(yōu)化狀態(tài)，達到穩(wěn)油控水，節(jié)能降耗的目的?？傊谑突?，機械，自動化等多學(xué)科多領(lǐng)域作為科技支撐的背景下，井下油水分離同井注采技術(shù)必將發(fā)展為高效、節(jié)能、穩(wěn)定、低成本、小型化、智能化的成熟技術(shù)[11]。在當代油田高含水率的形式下形成油田開采新模式，不斷引領(lǐng)采油技術(shù)的發(fā)展。

綜上所述，井下油水分離技術(shù)是一項技術(shù)領(lǐng)域廣泛、綜合效率高、有效節(jié)能降耗降低采油成本的，待發(fā)展完善的采油技術(shù)。本文介紹了該技術(shù)的發(fā)展歷史、主要技術(shù)原理與分類。直接探討技術(shù)發(fā)展方向的同時，間接表明了該技術(shù)的不足。希望該技術(shù)可以早日開啟采油新時代，滿足我國能源需求。