井下油水分離的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

段錚， 李鋒， 鄒信波， 高曉飛， 萬鈞， 王勝， 史仕熒

（1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳518067；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300452；3.中國科學(xué)院力學(xué)研究所，北京100190）

0 引言

井下油水分離（DOWS）技術(shù)是指在井底對產(chǎn)液進行就地分離并將水回注到廢層中的一種技術(shù)[1]。這種技術(shù)能夠大大節(jié)省水處理的成本，但是也是一種極具挑戰(zhàn)的技術(shù)[2]。通常井筒中留給分離器的徑向尺寸不到150 mm，不僅如此，安裝井下配件涉及到一系列的費用，需要井下油水分離系統(tǒng)穩(wěn)定高效。DOWS系統(tǒng)通常用在高含水油井中，應(yīng)用在油井開采的中后期，將開采前期所使用的常規(guī)泵送系統(tǒng)換成井下油水分離器系統(tǒng)，其費用包括裝置的費用和修井費，是常規(guī)泵送系統(tǒng)費用的2～3倍[3]。例如，一套水力旋流型井下油水分離器價格約為25 萬美元，修井費約為10多萬美元；一套重力式油水分離系統(tǒng)價格約為14萬美元。其費用如此之高，加上用在油井開采的中后期，為了快速收回成本，一般用在產(chǎn)液量較大的油井中才更有經(jīng)濟價值；由于下井費用高，還要求井下油水分離器的工藝簡單、操作方便可靠、使用范圍寬，減少出現(xiàn)事故的概率，節(jié)省成本[4]。如果井下油水分離處理量大、結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、安全可靠，就能很快收回成本。

1 井下油水分離器的研究現(xiàn)狀總括

目前國內(nèi)外提出的用于井下油水分離原理主要有以下3種：重力式，離心式和隔膜式。隔膜分離技術(shù)通過使用聚合物隔膜的油相毛管力要小于水相、具有半透性從而對油水進行分離，隔膜的孔徑很小，甚至可以實現(xiàn)無水采油。由于隔膜的孔徑較小，需要很大的流壓驅(qū)動流體通過，雖沒有機械運動部件，但也存在一些問題，如污垢會堵塞小孔，導(dǎo)致失效，一旦失效，維護比較麻煩，且不同的井底流壓下要采用不同薄膜，處理量有限。目前這種方法正在研制中，還沒有在井下做過現(xiàn)場試驗。

目前已經(jīng)在油井中應(yīng)用過的井下油水分離原理有2種，即重力式井下油水分離和旋流型井下油水分離。

重力式DOWS按所使用的泵的類型分為3種：雙作用泵系統(tǒng)（DAPS）、三作用泵系統(tǒng)（TAPS）和Q-Sep G系統(tǒng)。雙作用泵DOWS系統(tǒng)較常用，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理是利用重力原理，當(dāng)產(chǎn)液進入有套環(huán)空內(nèi)后實現(xiàn)油水分離，油液上升至油套環(huán)空上方，水向下運動到油套環(huán)空下方[5]。上沖程時，實現(xiàn)排油進入油管和吸水進入注水腔內(nèi)；下沖程時，實現(xiàn)吸油至桿式泵柱塞內(nèi)和將水注入地層。重力式井下油水分離器的現(xiàn)場試驗表明，能夠達到減少采出水的目的，但是重力式井下油水分離器的最大局限性是處理量不大，最大處理量為1200 桶/d(約200 m3/d)，并要求足夠的垂直高度和井筒體積，為使產(chǎn)液在生產(chǎn)層與回注層間得到充分的重力沉降分離，其長度通常達到上百米。不僅如此，重力式井下油水分離器的回注層只能在生產(chǎn)層的下面，在水平井中安裝重力式油水分離器對分離不利。重力式井下油水分離器在分離含氣或細(xì)沙等產(chǎn)出液時，分離效果不太好。目前，總體而言，成功運行的重力式DOWS系統(tǒng)一般應(yīng)用在高含水率的油井（含水率大于95%），高地層溫度（大于100 ℉），低含沙，產(chǎn)液低腐蝕，原油低密度，直井，并且生產(chǎn)層與回注層的參數(shù)都很清楚[6]。

圖1 雙作用重力式DOWS系統(tǒng)示意圖

旋流型井下油水分離是目前研究較多的一種井下油水分離方式，它利用高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，密度小的油相在向心浮力作用下向軸心附近運動形成油核，經(jīng)旋流器的溢流口排出，密度大的水相在旋流作用下運動到壁面附近，由下部的底流口流出回注到處理層，其工作原理及系統(tǒng)示意如圖2所示。在1994年夏季于加拿大阿爾伯達省中部一口高含水井（含水率為98.9%）進行試驗，正常運行8個月，產(chǎn)至地面的水大大減少[7]。但是自首次試驗成功已有20多年，旋流式DOWS系統(tǒng)并沒有得到普及應(yīng)用，原因有很多，井下實時監(jiān)控技術(shù)還不完善；大處理量的井下分離系統(tǒng)還不成熟；持久的分離泵送系統(tǒng)還有待進一步發(fā)展，使用旋流式DOWS費用高等。這樣一來，對于一般含水率低的油田，完全可以充分利用地面上的分離系統(tǒng)來分離，操控性好，費用低，使用DOWS費用一般較高，因此開發(fā)商一般不愿意在這種油井中使用DOWS；對于含水率較高的油井，一般只有產(chǎn)量較大的油井采油投入DOWS 才更具有經(jīng)濟效益，這樣即使含油率低，但是總的產(chǎn)油量大，所帶來的收益高，油田還是愿意使用的；但是傳統(tǒng)的水力旋流器處理量小，在大產(chǎn)量的油井中一般將旋流器并聯(lián)以提高處理量（如圖3）。由于每個水力旋流器都有其最優(yōu)工作區(qū)間，在實際應(yīng)用中需要根據(jù)實際來流工況進行具體參數(shù)調(diào)節(jié)，而在井下，產(chǎn)液的參數(shù)是變化的，加上并聯(lián)后流動分配難以預(yù)測，實時的監(jiān)控調(diào)節(jié)還不完善，很可能使有的水力旋流器處于非最佳工況而將油回注地層，這種情形導(dǎo)致的DOWS不可靠性是目前不敢推廣使用的重要原因之一[8-9]。

圖2 旋流式井下分離系統(tǒng)示意圖

圖3 井下油水旋流器并聯(lián)示意圖

2 井下油水分離的國外研究進展

針對水力旋流器在井下應(yīng)用時存在的問題歸納如下：1）實際需求處理量大的油水分離器，而單級水力旋流器處理量??；2）水力旋流器并聯(lián)可增加處理量，但是系統(tǒng)復(fù)雜，且井下實時監(jiān)控很難做到，油井產(chǎn)液狀態(tài)并不是一直不變的，難以根據(jù)來液工況實現(xiàn)工況調(diào)節(jié)從而使每個旋流器處于最佳工況區(qū)，有將油回注地層的風(fēng)險[10]；3）水力旋流器的經(jīng)典設(shè)計是Martin Thew針對污水處理經(jīng)過近10 a的研究在1984年提出的，其初衷是用來除去污水中所含有的極少量的油（＜1%），通常油滴粒徑較小，因此需要小直徑、長細(xì)錐增大離心力，促進粒徑較小的油滴分離，對于將這種小型水力旋流器用于含油較高的產(chǎn)液，幾乎沒有經(jīng)驗；4） 決定水力旋流器具有較好的分離性能因素有密度差異大（至少為0.05）、分散相粒徑大和黏度低（一般低于5～10 mPa·s）[11]。流體在水力旋流器中流動時，所受到的剪切率較高，這對于污水處理來說問題不大，因為高剪切時，平均油滴直徑小于50 μm，進一步增大剪切速率，平均油滴尺寸降低幅度不大[12]。但是對于含油率較高的產(chǎn)液，高剪切會形成油包水分散相，從而降低了分散相相對于水相的密度差，增大了油相的分離難度，這也是水力旋流器在DOWS系統(tǒng)的應(yīng)用中成功的油井含水率通常為95%以上的原因之一[9]。

針對上述問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了關(guān)于應(yīng)用于井下油水分離的分離器結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。

2.1 國外井下油水分離的研究進展

井下油水分離與產(chǎn)出水回注技術(shù)在加拿大前沿工程研究中心（C-FER）早在1991年率先提出來的，并在20世紀(jì)90年代進行了廣泛的研究和現(xiàn)場試驗。C-FER和新典范工程有限公司（NPEL）在3家采油公司及AOSTRA的支持下，在1992年申請了采用旋流分離技術(shù)及其它工人舉升設(shè)備實現(xiàn)井下油水分離的多項專利，并在3年內(nèi)進行了樣機試制和現(xiàn)場試驗等發(fā)展階段。

為了適應(yīng)井下油水分離的需求，Southampton University(英國南安普頓大學(xué))的Martin Thew等[13]提出對于井下油水旋流分離器，可以增大傳統(tǒng)的水力旋流器的錐角、柱體直徑（42.07 mm）和底流管直徑（10 mm），并進行了相關(guān)的實驗，得到了其在1.2 m3/h時，對于入口含油率為10%的來液，分離效率達99.45%，比舊設(shè)計有所提高，但是其處理量仍然較小。

West Virginia University (美國西弗吉尼亞大學(xué))的Ahmed A. Yusif[14]研制的井下油水旋流分離器基于水力旋流器，研究對比了入口直徑為24.5 mm和50 mm兩種結(jié)構(gòu)對分離效果的影響，得到了在10 m3/h，入口含油率低于5%，其余工況相同時，大入口直徑能夠提高分離效率。

Oak Ridge National Laboratory（美國橡樹嶺國家實驗室）的K. Thomas Klasson等[15]研制了用于井下的動態(tài)旋流器，如圖4所示。其利用馬達帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動形成旋流場，在旋流場中分布在中心區(qū)域的油從中心口道流出，分布在邊壁上的水在邊壁處的出口流出，最后利用擋板將分離后的油水分隔開來。并進行了直徑在20～250 mm范圍內(nèi)的這種動態(tài)旋流器的實驗，可以發(fā)現(xiàn)其最大處理量能夠達到19.2 m3/h，分出的水中含油率低于0.2%（此文認(rèn)為回注水只要水中含油低于此標(biāo)準(zhǔn)即可回注）。但是，在實際井下，留給分離器的空間很有限，通常不會超過150 mm；加上井下高壓動態(tài)旋流器難密封等問題，一般還是選擇靜態(tài)旋流器作為井下分離的核心部件。

圖4 井下動態(tài)旋流器示意圖

為了提高處理量，Michigan State University(美國密歇根州立大學(xué))的Petty等[16]在井下油水旋流分離器的研制方面提出對水力旋流器進行改造，將長細(xì)錐改用柱體，提出φ5 mm雙入口出口柱形旋流器結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。研究發(fā)現(xiàn)，雙入口出口結(jié)構(gòu)提高了流場的對稱性，對于穩(wěn)定油核起到了積極的促進作用，不僅如此，還增大了入口面積，結(jié)合細(xì)長錐改為柱體，相對于錐形旋流器提高了處理量，但是仍然沒有解決結(jié)構(gòu)緊湊型的問題。

從上述國外的井下油水分離研究可以看出，對于井下油水分離的研制，錐形旋流器的柱體直徑達到68 mm，但是處理量仍然只有10 m3/h，且入口含油率通常很低，低于10%，動態(tài)旋流器的徑向尺寸太大，甚至達到250 mm，處理量仍然低于20 m3/h，單體處理量均較小，而直徑在250 mm左右的油井產(chǎn)液至少50 m3/h。因此，如何改進分離器結(jié)構(gòu)、提高處理量仍然是目前國內(nèi)外學(xué)者研究的重點，但至今還沒有非常符合井下實際需求的油水分離器結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。

2.2 國內(nèi)井下油水分離的研究進展

圖5 柱形旋流器結(jié)構(gòu)示意圖

國內(nèi)在井下油水分離器的研制方面，也大都基于水力旋流器的結(jié)構(gòu)形式，上海大學(xué)的Li Dong等在井下油水分離器的研制方面對比了柱體直徑為60 mm的傳統(tǒng)水力旋流器在不同入口結(jié)構(gòu)時分離性能的優(yōu)劣，發(fā)現(xiàn)帶螺旋線導(dǎo)流的矩形入口結(jié)構(gòu)比單矩形入口的導(dǎo)流效果更好，導(dǎo)流后的分離性能更優(yōu)。前者在入口流量為4.4 m3/h時，入口含油率為9.7%，分離效率達99.4%，可見其處理量仍然非常小[17]。

大慶石油學(xué)院的王尊策等[18]對傳統(tǒng)水力旋流器的大錐角參數(shù)進行優(yōu)化后得出結(jié)論：相對于傳統(tǒng)的20°大錐角角度，當(dāng)其角度增大到26°時，旋流后中心區(qū)域的油核濃度更高，分離效率也越高。

西南石油大學(xué)的鐘功祥等研制的井下油水旋流分離器也是基于傳統(tǒng)的水力旋流器，進行相關(guān)的數(shù)值仿真分析。

中國石油大學(xué)的李增亮等在井下處理流量為80～200 m3/d時，采用兩根水力旋流器串聯(lián)處理，可以使分出的水中含油率低于0.02%。

中國科學(xué)院力學(xué)研究所的應(yīng)用多相流實驗室提出一種導(dǎo)流片型井下油水旋流分離器，利用一種其中導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)為直板半橢圓形導(dǎo)流片，這種導(dǎo)流片導(dǎo)流后形成的旋流場比較強，將與管中心線近似平行的來流直接強力轉(zhuǎn)換成具有切向速度的流場，轉(zhuǎn)換迅速。其工作原理為：油水兩相經(jīng)過導(dǎo)流片后形成旋流場，密度小的油相在旋流場中運動到管道軸心線附近形成油核；密度大的水相則向管壁附近做向上旋轉(zhuǎn)運動，進入套筒內(nèi)，最終從除水口流出；位于油核中的富油相繼續(xù)向上運動，從出油口流出。目前這種導(dǎo)流片型井下油水旋流分離器經(jīng)過實驗室室內(nèi)實驗已證明能夠很好地實現(xiàn)油水分離，其結(jié)構(gòu)緊湊，并已經(jīng)在中海油曹妃甸某油井下進行了現(xiàn)場實驗，目前已經(jīng)成功運轉(zhuǎn)1.5 a，現(xiàn)場實驗表明性能良好，穩(wěn)定可靠，能夠有效地實現(xiàn)井下油水分離并就地回注地層的功能[19]。

圖6 導(dǎo)流片型井下油水旋流分離器

3 井下油水分離的工業(yè)化應(yīng)用進展

國外在20世紀(jì)90年代，進行一定規(guī)模的井下油水分離實驗。C-FER工藝公司同Pan Canadian石油股份公司合作開發(fā)并試驗出新一代的與氣舉系統(tǒng)配套運行的水力旋流分離器型DOWS裝置，其根據(jù)處理量采用圖3的方式將樹根水力旋流器并聯(lián)，從而增大系統(tǒng)的處理量。如該系統(tǒng)的用于7 in套管中每天可處理2500 bbl；用在9 in套管中每天可處理15 000 bbl。3個歐洲公司(Weir Norge AS、Kvaemer Oilfield Products和Norsk Hydro AS) 攜手合作開發(fā)出新型、稱之為H-SEP的重力分離器型DOWS。這種設(shè)計允許重力分離出現(xiàn)在大位移井的水平段中，并且可以用于含水率在1%～90%的油井中。

國外在20世紀(jì)90年代進行大規(guī)模的實驗，國內(nèi)在井下油水分離方面的研究和應(yīng)用落后于國外大約10 a，在井下油水旋流分離器的研制方面，也大都采用國外的結(jié)構(gòu)形式。國外在20世紀(jì)的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，井下油水旋流分離器的可靠性有問題，即運行一段時間后井下油水分離就會失效，即運行一段時間后，油井的含水率恢復(fù)原狀[20]。

4 井下油水分離的工業(yè)化應(yīng)用存在的問題

國外在20世紀(jì)的井下應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，有些地區(qū)應(yīng)用該技術(shù)不成功，在幾天或幾個月內(nèi)就失敗了。這些不成功的原因主要是性能的不穩(wěn)定，回注一段時間后即發(fā)現(xiàn)失效，如在得克薩斯西部的一個現(xiàn)場應(yīng)用中，早期分離效果很好，但很快就失敗了，主要是由于硬件故障（如閥門失效、電纜與輸送管斷裂、分離系統(tǒng)發(fā)生腐蝕結(jié)構(gòu)等）、生產(chǎn)層與回注層發(fā)生串通、液體與儲層不匹配使?jié)B透率和注入能力下降等諸多設(shè)計上的缺陷[21]。

失效方面的原因還有一個重要的因素，即采用樹根水力旋流器并聯(lián)，使得系統(tǒng)復(fù)雜；井下應(yīng)用時的振動，還有水力旋流器為了適應(yīng)井下狹窄的空間導(dǎo)致體積小，內(nèi)部流速過高，使得砂子很快就破壞了核心部件——旋流器，從而使得系統(tǒng)失效。

5 井下油水分離的發(fā)展方向

井下油水分離的成功實施，關(guān)鍵在于兩條：1）穩(wěn)定可靠的分離器；2）可靠的配套系統(tǒng)設(shè)計。對于大產(chǎn)量的井下油水分離而言，目前通過國內(nèi)外調(diào)研發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)流片型油水旋流分離器能夠有效地進行井下油水分離，其具有性能可靠、系統(tǒng)簡單（采用單根即可實現(xiàn)）、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點；對于小產(chǎn)量的井下油水分離而言，導(dǎo)流片型井下油水旋流分離器采用軸向進口，相對于切向式入口的水力旋流器而言，能夠更有效地利用井下的空間，使得井下油水分離系統(tǒng)設(shè)計更可靠。