于志剛 廖云虎 曾玉斌 顏明 穆永威

(中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

潛油電泵具有排量大、自動化程度高、成本低等特點，是海上油田的主要舉升方式。隨著海上油田的深入開發(fā)，特別是油田進入中后期開采階段，換大泵提液成為海上油田穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的一項主要措施。這就導致了大量的生產(chǎn)水被舉升到地面，使得海上平臺的水處理能力、海管液量的輸送能力等達到一定瓶頸，平臺污水處理、環(huán)保壓力增大。

井下油水分離(Downhole Oil-Water Separation，DOWS)是一項新興油田采液處理技術(shù)，它將油水分離裝置安裝在井下，從產(chǎn)出液中分離出來的大部分水通過增壓后在井筒中直接注入地層，而將富含油的流體舉升到地面[1-4]。該技術(shù)的成功應(yīng)用將極大地減輕平臺水處理系統(tǒng)的負擔，減少生產(chǎn)污水的排放，釋放海管輸送空間，為其他潛力井提液增產(chǎn)創(chuàng)造條件。

1 系統(tǒng)概況

1.1 DOWS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

電潛泵井下油水分離系統(tǒng)包括單泵單電機、雙泵單電機和雙泵雙電機3種結(jié)構(gòu)。對于海上大排量油井，雙泵雙電機井下油水分離結(jié)構(gòu)更具有適應(yīng)性和可靠性。

井下油水分離系統(tǒng)由生產(chǎn)層子系統(tǒng)、注入層子系統(tǒng)、電潛泵子系統(tǒng)、多相管流子系統(tǒng)和油水分離器子系統(tǒng)等5個子系統(tǒng)構(gòu)成。其中前4個子系統(tǒng)的流動規(guī)律與普通的電泵井基本相同，均有成熟的理論模型。例如，生產(chǎn)層子系統(tǒng)的流動規(guī)律可用油井的流入動態(tài)曲線(IPR)來描述。

圖1 雙泵雙電機井下油水分離系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

油水分離器是較為特殊的子系統(tǒng)，其流動規(guī)律較為復雜，目前較多的是采用試驗方法和數(shù)值模擬方法進行研究。通過對D80型旋流分離器壓降、流量特性關(guān)系的室內(nèi)實驗研究，得到以下結(jié)論及關(guān)系式[5]。

當入口流量改變時，水力旋流器的分流比基本保持不變。這樣，就可以根據(jù)旋流器的初始分流比確定出旋流器在井下工作時所舉升和注入的液量。

溢流口壓降與入口流量、溢流流量三者之間存在如下關(guān)系:

(1)

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

當入口流量改變時,旋流器的壓降比基本保持不變。這樣可以根據(jù)溢流壓降piu及壓降比C計算出底流壓降，關(guān)系式為：

(2)

式中:Δpid— 底流口壓降，MPa；C— 壓降比，它等于溢流壓降與底流壓將的比值。

旋流分離器的壓降比與分流比關(guān)系只與本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)。室內(nèi)實驗得出的D80型旋流器的壓降比與分流比關(guān)系為：

C=0.000 4F2+0.063F+0.700 6

(3)

式中，F(xiàn)為分流比，為溢流流量與入口流量的比值。

根據(jù)分流比求得壓降比,進而可求得溢流口或底流口的壓降，對流量分配及分離器壓力損失進行計算。

1.2 高含水大排量電潛泵井DOWS技術(shù)選井原則

在海上油田應(yīng)用井下油水分離技術(shù)需具備以下條件：

(1)候選井有合適的注入層：注入層有較強的吸水能力，且注入層與生產(chǎn)層不連通。

(2)套管 ≥ 7"：主要是出于大排量油井設(shè)備選型的考慮，海上油田單井作業(yè)費用高，只有對大排量油井實施該項技術(shù)，回注較多的生產(chǎn)水，節(jié)省較大的液量空間，才更具有經(jīng)濟效益。

(3)含水率 ≥85%，油水比重差 ≥10%，達到最佳的井下油水分離效果。

(4)井況清潔，不出砂或有很少量的砂(<100 mgL )。

(5)精確、可靠的注水層和生產(chǎn)層油藏數(shù)據(jù)是工藝成功實施的關(guān)鍵。

2 海上大排量電潛泵井DOWS系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

2.1 基礎(chǔ)條件

2.2 優(yōu)化設(shè)計方法

采用節(jié)點分析法，定產(chǎn)量條件下的系統(tǒng)設(shè)計方法如下：根據(jù)電潛泵井的目標產(chǎn)液量進行電潛泵機組的選型，使產(chǎn)液量在離心泵合理排量區(qū)間的最佳點，滿足井口油壓要求，即分離后產(chǎn)出流體能通過上泵順利舉升到地面；電潛泵機組和油水分離器等設(shè)備的最大外徑小于套管內(nèi)徑，并有足夠的作業(yè)空間；油水分離器出口壓力和流量滿足注入層壓力、流量協(xié)調(diào)關(guān)系。另外，設(shè)計假設(shè)：油水分離器入口壓力等于下部電潛泵機組的出口壓力；地層產(chǎn)出油完全舉升到地面；注水層注水啟動壓力和吸水指數(shù)均視為常數(shù)[6-8]。設(shè)計方法及設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 雙電泵井下油水分離系統(tǒng)設(shè)計流程圖

2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化

結(jié)合海上高含水大排量電潛泵井的生產(chǎn)特點，對管柱結(jié)構(gòu)進行調(diào)整優(yōu)化，如圖3所示，該方案具有以下優(yōu)點：

(1)雙電泵雙變頻控制。通過變頻技術(shù)可以調(diào)節(jié)雙電泵生產(chǎn)參數(shù)，調(diào)整油井產(chǎn)液量，滿足生產(chǎn)需求；根據(jù)注水層的壓力變化可及時調(diào)節(jié)注入壓力，下泵的出口壓力直接影響注水層注入效果，通過變頻調(diào)節(jié)下泵出口壓力，進而控制油水分離器出口壓力，對回注層的注入壓力和注入量進行大范圍調(diào)節(jié)。

(2)壓力監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測。雙電泵及油水分離器均安裝監(jiān)測系統(tǒng)，通過泵工況儀能及時了解電泵運轉(zhuǎn)情況及出入口壓力；在油水分離器出口增設(shè)壓力傳感器監(jiān)測注入壓力，分析注水層吸水狀況及定性判斷是否堵塞；電潛泵工況儀也可以監(jiān)測生產(chǎn)層靜壓、了解油層壓力變化情況；油水分離器壓力傳感器也可以監(jiān)測注入層靜壓、判斷注入層壓力狀況。

(3)化學藥劑注入功能。毛細管線連接至油水分離器入口處，可根據(jù)情況注入化學藥劑使油水分離器達到最佳的分離效果，提高注入水水質(zhì)。

(4)注入水取樣功能。通過取樣管可以及時獲取注入水樣品，根據(jù)化驗結(jié)果可進行電潛泵變頻調(diào)節(jié)滿足注入需求，也可視情況注入化學藥劑提高注入水水質(zhì)。

(5)注水層解堵功能。注水層如出現(xiàn)注入壓力劇增或堵塞現(xiàn)象，該管柱設(shè)計有兩個自動換向閥，具備注入通道進行注水層解堵作業(yè)。

圖3 雙泵雙電機井下油水分離系統(tǒng)管柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

3 設(shè)計實例與效果分析

3.1 設(shè)計實例

結(jié)合南海西部油田各井的實際情況和井下油水分離技術(shù)的應(yīng)用條件，優(yōu)選出WC-X井作為井下油水分離工藝實施的候選井。該井為9-58”套管，有較好的注水層位，油水比重差為16.91%，含水率達87%，不出砂，且該井產(chǎn)液量大(2 140 m3d)，對其進行井下油水分離可最大限度釋放平臺液量處理空間。WC-X基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 WC-X井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

對WC-X井進行井下油水分離方案設(shè)計，最大產(chǎn)液量3 200 m3d，地面含水率降至50%，井口油壓大于1.5 MPa，泵入口壓力大于飽和壓力，設(shè)計結(jié)果詳見表 2，同時選擇配套雙級螺旋油水分離器，外徑為7”，管柱結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

表2 雙泵雙電機井下油水分離系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果

3.2 影響因素分析

目標產(chǎn)液量和注水層的吸水能力是DOWS系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵因素，直接影響系統(tǒng)的設(shè)備選型和各項生產(chǎn)參數(shù)的變化。

(1)目標產(chǎn)液量的影響。油層產(chǎn)液量對系統(tǒng)設(shè)計的影響如圖4所示，它決定整個系統(tǒng)的總載荷和所需的總能量。產(chǎn)液量越大，需要舉升和注入的液量越大，所需注入壓力、下泵出口壓力和分離器出口壓力越高。上泵入口壓力受富含油流體舉升所需壓差和分離器出口壓力雙方面影響，其變化取決于兩個因素哪個影響較大，對于WC-X井而言，分離后富含油流體隨產(chǎn)液量的增大而增大，舉升所需壓差變化大于分離器出口壓力變化，因此上泵入口壓力呈降低趨勢，即所需上泵揚程增大，級數(shù)增加。

圖4 目標產(chǎn)液量與各種壓力關(guān)系圖

(2)吸水指數(shù)的影響。吸水指數(shù)決定注入層的注入能力，由圖5可見，吸水指數(shù)越高，所需注入壓力越小，下泵出口壓力越小，下泵所需級數(shù)減少；上泵的入口壓力也隨之降低，為滿足富含油流體舉升的需求，上泵所需揚程需要增加。

圖5 吸水指數(shù)與各種壓力關(guān)系圖

3.3 生產(chǎn)效果預(yù)測

根據(jù)WC-X井的實際生產(chǎn)情況，該井實施井下油水分離后，將起到很好的增油降水作用，節(jié)約大量的污水處理成本，降低總的能耗，同時減少生產(chǎn)水的排放和對環(huán)境的污染。計算WC-X井實施井下油水分離后單井增加的產(chǎn)油量和為其他井創(chuàng)造提液空間增加的產(chǎn)油量，合計268.83d，如表3所示。

表3 WC-X井實施井下油水分離預(yù)計增加產(chǎn)油量

4 結(jié) 語

本次研究總結(jié)了井下油水分離技術(shù)的選井原則及應(yīng)用特點?；诰掠退蛛x系統(tǒng)的構(gòu)成，建立了雙泵雙電機井下油水分離系統(tǒng)的設(shè)計方法，為現(xiàn)場應(yīng)用提供了設(shè)計依據(jù)。結(jié)合海上油井井身結(jié)構(gòu)特點優(yōu)化了雙泵雙電機井下油水分離系統(tǒng)方案，可實現(xiàn)該系統(tǒng)的地面控制、井下監(jiān)測、注入水水質(zhì)監(jiān)測、注入?yún)?shù)調(diào)節(jié)、注水層解堵等功能。

設(shè)計實例表明，該技術(shù)能有效解決海上油田水處理、提液空間等瓶頸問題，尤其對高含水大排量電潛泵井具有較好的增產(chǎn)降本作用。

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