海上油田大处理量井下油水分离技术研究及应用.pdf
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1、第 卷第期 年 月中 国 海 上 油 气 中 国 海 洋 石 油 集 团 有 限 公 司“十 三 五”科 技 重 大 项 目“海 上 高 效 采 油 新 技 术井 下 油 水 分 离 技 术 产 业 化 应 用 研 究(编 号:)”部 分 研 究 成 果。第 一 作 者 简 介:王 胜,男,高 级 工 程 师,主 要 从 事 海 上 油 田 采 油 工 艺、提 高 采 收 率 等 研 究 工 作。地 址:天 津 市 滨 海 新 区 塘 沽 渤 海 石 油 路 滨 海新 村 西 区 合 作 楼 (邮 编:)。:。通 信 作 者 简 介:史 仕 荧,女,副 研 究 员,主 要 从 事 多 相 流
2、动 及 分 离 研 究 工 作。地 址:北 京 市 海 淀 区 北 四 环 西 路 号(邮 编:)。:。文 章 编 号:?()?:?引 用:王 胜,刘 敏,段 铮,等海 上 油 田 大 处 理 量 井 下 油 水 分 离 技 术 研 究 及 应 用中 国 海 上 油 气,():,():海 上 油 田 大 处 理 量 井 下 油 水 分 离 技 术 研 究 及 应 用王胜,刘敏,段铮万钧郭 沛 文王瑶马 喜 超史 仕 荧(海 洋 油 气 高 效 开 发 全 国 重 点 实 验 室北 京 ;中 海 油 能 源 发 展 股 份 有 限 公 司 工 程 技 术 分 公 司天 津 ;中 海 石 油(中
3、国)有 限 公 司 深 圳 分 公 司广 东 深 圳 ;中 国 科 学 院 力 学 研 究 所北 京 )摘要海 上 油 田 部 分 生 产 井 产 液 量 大、含 水 高,导 致 平 台 水 处 理 压 力 大、海 管 外 输 容 量 受 限 等 问 题,影 响 到油 田 提 液 稳 产。针 对 油 田 减 少 产 出 水 的 需 求 开 发 了 单 级 大 排 量 管 式 井 下 油 水 分 离 器,以 海 上 油 田井 为例,开 展 了 管 式 油 水 分 离 器 油 水 分 离 性 能 的 室 内 实 验 研 究,并 采 用 软 件 以 数 值 模 拟 方 法 分 析 了 管 式井 下
4、分 离 器 入 口 含 油 率、分 流 比 和 入 口 流 量 对 分 离 性 能 的 影 响;结 合井 注 采 参 数 设 计 要 求,确 定 目 标 井 的管 式 井 下 油 水 分 离 器 结 构 参 数,并 设 计 与 井 况 相 适 应 的“采 下 注 上”的 罐 装 泵 式 工 艺 管 柱,以 解 决 海 上 油 田 大处 理 量 工 况 需 求。研 究 表 明,管 式 井 下 油 水 分 离 器 可 实 现 高 效 油 水 分 离,分 离 出 的 水 中 含 油 率 低 于 ;罐装 泵 工 艺 结 构 紧 凑、功 能 完 善,能 满 足 海 上 油 田 大 处 理 量 需 求;现
5、 场 试 验 中 井 下 处 理 量 最 高 达 到 ,并 可 将 高 含 水 油 井 产 液 中 以 上 的 含 水 直 接 在 井 下 分 离 并 回 注,高 峰 期 日 减 少 产 出 水 超 。本项 研 究 可 为 油 水 旋 流 分 离 技 术 在 海 上 油 田 的 应 用 及 实 践 提 供 借 鉴。关 键 词海 上 油 田;大 处 理 量;管 式;井 下 油 水 分 离;采 下 注 上;罐 装 工 艺中 图 分 类 号:文 献 标 识 码:犚 犲 狊 犲 犪 狉 犮 犺 犪 狀 犱 犪 狆 狆 犾犻犮 犪 狋犻狅 狀 狅 犳 犱 狅 狑 狀 犺 狅犾犲 狅犻犾 狑 犪 狋犲 狉
6、 狊 犲 狆 犪 狉 犪 狋犻狅 狀 狋犲 犮 犺 狀 狅犾狅 犵 狔 狑 犻狋 犺犾犪 狉 犵 犲 狆 狉 狅 犮 犲 狊狊犻 狀 犵 犮 犪 狆 犪 犮犻狋 狔 犻 狀 狅 犳犳狊 犺 狅 狉 犲 狅犻犾犳犻犲犾 犱 ,(犖 犪 狋犻 狅 狀 犪 犾 犓 犲 狔 犔 犪 犫 狅 狉 犪 狋狅 狉 狔 狅 犳 犗 犳 犳 狊 犺 狅 狉 犲 犗 犻犾 犪 狀 犱 犌 犪 狊 犈 狓 狆 犾 狅 犻狋 犪 狋犻 狅 狀,犅 犲犻 犼犻 狀 犵 ,犆 犺 犻 狀 犪;犆 犖 犗 犗 犆犈 狀 犲狉 犜犲犮 犺 犇 狉犻犾犾犻 狀 犵 牔 犘 狉 狅 犱 狌 犮狋犻狅 狀 犆 狅,犜 犻 犪 狀
7、犼犻 狀 ,犆 犺犻 狀 犪;犆 犖 犗 犗 犆 犆 犺犻 狀 犪 犔 犻 犿 犻狋犲 犱,犛 犺 犲 狀 狕 犺 犲 狀 犅 狉 犪 狀 犮 犺,犛 犺 犲 狀 狕 犺 犲 狀,犌 狌 犪 狀 犵 犱 狅 狀 犵 ,犆 犺 犻 狀 犪;犐 狀 狊狋犻狋 狌 狋犲 狅 犳 犕 犲 犮 犺 犪 狀 犻犮狊,犆 犺 犻 狀 犲狊犲 犃 犮 犪 犱 犲 犿 狔 狅 犳 犛 犮犻犲 狀 犮 犲狊,犅 犲犻 犼犻 狀 犵 ,犆 犺 犻 狀 犪)犃 犫 狊狋狉 犪 犮狋:,第 卷第期王胜 等:海 上 油 田 大 处 理 量 井 下 油 水 分 离 技 术 研 究 及 应 用 ,“”,犓 犲 狔 狑 狅 狉
8、 犱 狊:;海 上 油 田 经 过 多 年 的 高 速 开 发 逐 渐 进 入 高 含水、特 高 含 水 期,因 高 含 水 油 井 产 液 量 大、产 液 含 水率 高,油 田 濒 临 经 济 开 采 极 限 等 问 题 。因 此,针对 中 高 含 水 期 的 海 上 油 田,如 何 降 低 油 井 产 水 量、实现 油 田 的 稳 产,同 时 降 低 水 处 理 设 施 成 本 并 减 少 油田 生 产 水 外 排 压 力,已 成 为 高 含 水 油 田 开 发 面 临 的一 个 重 要 问 题 。井 下 油 水 分 离 与 产 出 水 回 注 技术 可 大 幅 降 低 井 口 产 水 量
9、,尤 其 对 于 海 上 油 田 可 减轻 海 管 输 送 和 平 台 水 处 理 设 备 能 力 受 限 等 方 面 的 压力,有 利 于 实 现 节 能 减 排、降 低 生 产 运 营 成 本 。该 技 术 由 加 拿 大 前 沿 工 程 技 术 研 究 中 心 于 年提 出 并 在 随 后 开 展 了 广 泛 的 研 究 和 现 场 实 验,发现 井 下 水 力 旋 流 器 存 在 可 靠 性 的 问 题;不 仅 如 此,因水 力 旋 流 器 的 结 构 不 紧 凑,将 其 应 用 在 井 下,单 根 处理 量 通 常 最 大 不 到 ,在 井 下 应 用 时 采 用 多根 并 联,结
10、构 和 系 统 操 控 复 杂,产 液 含 砂 等 使 得 水 力旋 流 器 堵 塞 或 将 其 磨 损 穿 孔 而 失 效,导 致 整 个 系 统失 效 概 率 增 大。国 内 现 有 技 术 大 多 针 对 陆 地 油田 产 液 量 较 低、有 杆 泵 举 升 方 式 等 工 况 设 计,因 可 靠性 等 问 题 国 内 各 油 田 尚 未 有 大 规 模 应 用,现 场 成 熟应 用 案 例 也 较 少,同 时 也 难 于 满 足 海 上 油 田 的 工 况需 求 。海 上 油 田 具 有 产 液 量 大、电 潜 泵 举 升 使 用 率 高等 特 点,因 此 海 上 油 田 油 水 旋
11、流 分 离 技 术 需 要 在 紧 凑性、高 效 性、可 靠 性 等 方 面 进 优 化 。本 文 提 出 一种 管 式 井 下 油 水 分 离 器,基 于 室 内 实 验、数 值 模 拟 及现 场 应 用 试 验 等,分 析 油 水 分 离 性 能 主 要 影 响 因 素、现 场 工 艺 方 案 及 应 用 效 果 等。本 文 研 究 可 为 油 水 旋流 分 离 技 术 在 海 上 油 田 的 应 用 及 实 践 提 供 借 鉴。管 式 井 下 油 水 分 离 器 的 室 内 实 验 研 究管 式 井 下 油 水 分 离 器 原 理 见 图,通 过 固 定 在管 道 内 的 流 线 型 导
12、 流 片 诱 导 形 成 旋 流 场,油 水 两 相在 旋 流 场 中 因 密 度 差 异,油 相 向 管 道 中 心 运 动 最 后从 管 道 中 心 的 出 油 口 流 出,水 相 向 管 壁 运 动 然 后 在惯 性 作 用 下 从 侧 部 出 水 口 流 出。图 管 式 井 下 油 水 分 离 器 原 理 示 意 图犉 犻犵 犛 犮 犺 犲 犿 犪 狋犻犮 犱 犻犪 犵 狉 犪 犿 狅 犳 狋 狌 犫 狌 犾犪 狉 犱 狅 狑 狀 犺 狅犾犲狅犻犾 狑 犪 狋犲 狉 狊犲 狆 犪 狉 犪 狋 狅 狉 狆 狉犻 狀 犮犻 狆 犾犲 管 式 井 下 油 水 分 离 器 相 对 于 水 力
13、旋 流 器 的 切 向入 口 起 旋 而 言,其 采 用 在 管 道 中 轴 向 安 装 的 导 流 片形 成 旋 流 场 结 构 紧 凑,在 相 同 的 筒 体 直 径 下 油 滴 迁 中 国 海 上 油 气 年 月移 到 管 道 中 心 的 平 均 距 离 更 短,分 离 效 率 更 高;除 此之 外,其 采 用 直 筒 取 代 锥 形 结 构,压 降 小,能 够 提 高处 理 量 而 不 带 来 大 的 压 降,因 此 在 井 下 单 根 能 达 到 的 处 理 量,相 对 于 需 要 多 根 并 联 的 井 下水 力 旋 流 器 分 离 系 统 而 言 更 可 靠;轴 向 安 装 的
14、导 流片 沿 轴 向 对 称,导 流 后 形 成 的 油 水 分 布 也 是 沿 管 道轴 向 对 称 分 布,改 善 了 传 统 锥 式 分 离 器 入 口 结 构 所带 来 的 流 场 不 对 称 的 弊 端,又 进 一 步 促 进 了 油 水 分离 的 高 效 性,导 流 效 果 更 优 越、油 核 更 稳 定,更 适 合大 排 量 井 下 油 水 分 离 。室 内 实 验 系 统对 管 式 油 水 分 离 器 的 油 水 分 离 性 能 开 展 室 内 实验 验 证。实 验 用 管 式 井 下 油 水 分 离 器 内 通 径 ,导 流 片 角 度 。实 验 中 油 水 两 相 分 别
15、通 过 油 泵、水 泵 计 量 后 混 合 进 入 分 离 器,分 离 后 的 油 相 进 入 重力 沉 降 罐,分 离 后 的 水 相 经 过 计 量 和 测 试 水 中 含 油率 后 进 入 取 样 桶(图)。水 中 含 油 率 的 测 试 采 用 手 持 式 测 油 仪,其 采 用 荧 光 分 析 方 法 测试 水 中 的 含 油 率。图 管 式 井 下 油 水 分 离 器 室 内 实 验 系 统 示 意 图犉 犻犵 犛 犮 犺 犲 犿 犪 狋犻犮 犱 犻犪 犵 狉 犪 犿 狅 犳 犻 狀 犱 狅 狅 狉 狋犲狊狋 狊 狔 狊狋犲 犿 犳 狅 狉 狋 狌 犫 狌 犾犪 狉犱 狅 狑 狀
16、犺 狅犾犲 狅犻犾 狑 犪 狋犲 狉 狊犲 狆 犪 狉 犪 狋 狅 狉 在 常 压 下,实 验 中 水 相 密 度 和 动 力 黏 度 分别 为 和 ,油 相 密 度 和 动 力黏 度 分 别 为 和 ,油 水 界 面 张力 。实 验 结 果 及 分 析管 式 油 水 分 离 器 的 入 口 流 速 为 、含 油率 为 时,从 分 离 器 的 油 水 分 离 效 果(图)可 以看 出,出 水 口 含 油 率 随 分 流 比 的 增 大 而 增 加;当 分 流比 低 于 时,出 水 口 的 水 中 含 油 率 低 于 ;当 分 流 比 为 时,水 中 含 油 率 达 到 ,证明 新 设 计 的
17、分 离 器 能 够 有 效 的 进 行 油 水 分 离。也 就是 说,管 式 井 下 油 水 分 离 器 采 用 流 线 型 导 流 片 起 旋图 管 式 井 下 油 水 分 离 器 分 离 性 能 实 验 结 果犉 犻犵 犜 犲狊狋 狉 犲狊 狌 犾狋狊 狅 犳 狊犲 狆 犪 狉 犪 狋犻狅 狀 狆 犲 狉犳 狅 狉 犿 犪 狀 犮 犲 狅 犳 狋 狌 犫 狌 犾犪 狉犱 狅 狑 狀 犺 狅犾犲 狅犻犾 狑 犪 狋犲 狉 狊犲 狆 犪 狉 犪 狋 狅 狉形 成 旋 流 场,分 散 相 油 滴 在 旋 流 场 中 迁 移 运 动 到 轴心 区 域 形 成 油 核,最 后 通 过 中 心 区 域
18、 的 单 管 分 油 设计 是 合 理 的。因 此,管 式 井 下 油 水 分 离 器 在 井 下 应用 时,可 以 通 过 调 节 出 水 口 流 量 的 方 法 来 改 变 分 流比,直 至 出 水 口 水 中 含 油 率 满 足 工 程 要 求 为 止。管 式 井 下 油 水 分 离 器 的 数 值 模 拟 研 究由 于 管 式 井 下 油 水 分 离 器 应 用 于 实 际 工 况 的复 杂 性,如 流 量 大、不 同 油 井 油 品 密 度 不 确 定 等,室 内 实 验 无 法 很 好 地 开 展 实 物 性 能 预 测。因 此采 用 软 件,模 拟 分 析 管 式 井 下 油 水
19、 分 离 器内 部 流 动 的 分 布 规 律,并 结 合 目 标 井 模 拟 实际 工 况 参 数 对 分 离 器 油 水 分 离 的 性 能 影 响,评价 管 式 井 下 油 水 分 离 器 的 设 计 效 果 及 进 行 性 能预 测。第 卷第期王胜 等:海 上 油 田 大 处 理 量 井 下 油 水 分 离 技 术 研 究 及 应 用 数 值 模 型 及 目 标 井 工 艺 参 数 设 计在 管 式 井 下 油 水 分 离 器 应 用 前 需 对 其 性 能 进 行预 测。利 用 软 件 建 立 管 式 井 下 油 水 分 离 器的 数 值 计 算 物 理 模 型(图),该 模 型 将
20、 管 式 井 下 油水 分 离 器 划 分 为个 区 域,分 别 为 导 流 片 处、中 间 柱体 段、出 水 口 和 出 油 口 部 分,其 中 柱 体 段 生 成 结 构 网格,其 余个 区 域 形 状 较 复 杂 处 采 用 混 合 网 格,并 将网 格 扭 曲 率 控 制 在 以 内;个 部 分 一 共 网 格 数为 万,网 格 大 小 平 均 为 ,通 过 软 件 开 展 分 离 性 能 的 数 值 模 拟。以 海上 某 油 田井 的 物 性 参 数 为 模 拟 参 数:原 油 密 度 ,黏 度 ,油 井 无 油 层 气,仅 含微 量 溶 解 气,气 油 比 ,悬 浮 固 体 含 量
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- 海上 油田 处理 井下 油水 分离 技术研究 应用