韓洪升，李霄峰，呂 寧，趙淑紅

（1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶163318；

2.大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠實(shí)驗(yàn)大隊(duì)，黑龍江大慶163000） ＊

·試驗(yàn)研究·

沉砂對(duì)聚并等流分離器的油水分離效果試驗(yàn)研究

韓洪升1，李霄峰1，呂 寧2，趙淑紅1

（1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶163318；

2.大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠實(shí)驗(yàn)大隊(duì)，黑龍江大慶163000）＊

為評(píng)價(jià)聚并等流型油水分離器在排砂的同時(shí)對(duì)井下油水混合物的分離效果，進(jìn)行了室內(nèi)井筒模擬試驗(yàn)，繪制了不同含水率時(shí)單杯進(jìn)液量與油水分離后混合液含水率的關(guān)系曲線。試驗(yàn)表明：在單杯流量＜0.2m3／d時(shí)，排砂孔和沉砂對(duì)聚并等流分離器的油水分離效果沒有明顯影響；4個(gè)排砂孔的分離器沉砂分離效果要優(yōu)于其他個(gè)數(shù)排砂孔的分離器。

聚并等流型分離器；油水分離；沉砂；含水率；同井注采

油田產(chǎn)出水過多將導(dǎo)致水處理設(shè)備投入和操作費(fèi)用不斷增加，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致設(shè)備腐蝕和結(jié)垢及維護(hù)工作量和費(fèi)用的增加。油井出砂也是油田普遍存在的問題。油層出砂后會(huì)導(dǎo)致：①砂子在井內(nèi)沉積形成砂堵，從而降低油井產(chǎn)量，甚至使油井停產(chǎn)；②增加了清砂的作業(yè)工作量；③磨損設(shè)備及砂卡井下工具。若能通過在井下安裝油水分離器，實(shí)現(xiàn)油水分離同時(shí)進(jìn)行油井除砂，并將分離后的水注入其他地層（即同井注采工藝），可以減少地面污水處理量；同時(shí)采出液含水率也將降低，減少井下清砂工作量，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，從而節(jié)省生產(chǎn)成本，提高效益?，F(xiàn)有井下油水分離器從分離原理上可分為重力式油水分離器和離心力式油水分離器［1－7］，但是由于原油的黏度較大及油水混合液在分離器中停留時(shí)間過短等原因，分離效果不太理想。

大慶油田第一采油廠與東北石油大學(xué)聯(lián)合攻關(guān)，在油氣密度差的基礎(chǔ)上，根據(jù)延長(zhǎng)油井產(chǎn)出液在沉降杯中的滯留時(shí)間提高氣錨脫氣效率的原理，設(shè)計(jì)出了多杯等流型氣錨［8］，并在此基礎(chǔ)上研制出其改進(jìn)型即聚并等流型油水分離器。聚并等流油水分離器利用油井產(chǎn)出液中原油與水存在密度差，通過控制油水分離器沉降杯個(gè)數(shù)，使得沉降杯中液體的下降速度小于油水分層的速度，利用油水分層的速度與沉降杯中液體下降速度的差進(jìn)行井下油水分離。但是，對(duì)于聚并等流分離器排沙孔和沉砂對(duì)油水分離效率影響的試驗(yàn)研究目前還未見報(bào)道。針對(duì)該問題，筆者設(shè)計(jì)了試驗(yàn)裝置，對(duì)流量、沉砂和排沙孔數(shù)等因素對(duì)油水分離效果的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

聚并等流型分離器由中心管、沉降杯和定壓洗井閥組成。中心管上安裝有多個(gè)沉降杯，并在中心管靠近每個(gè)沉降杯內(nèi)側(cè)底部的位置鉆有若干個(gè)進(jìn)液孔［9］。抽油泵工作時(shí)，沉降杯和進(jìn)液孔是油水混合液進(jìn)入抽油泵的唯一通道，通過每個(gè)沉降杯進(jìn)入油水分離器內(nèi)管的混合液流量相等（q1＝q2＝qi＝Q／n＝q）。因此，能夠較容易保證每個(gè)沉降杯中液流下降的速度vx小于油水分層的速度vf，這樣就有足夠的時(shí)間進(jìn)行油水分離［10］。

經(jīng)過前期大量的優(yōu)選試驗(yàn)，設(shè)計(jì)出聚并等流分離器沉降杯，其形狀如圖1所示。該沉降杯底部為瓦棱狀，中部為圓柱形，上部為皇冠狀（其形狀取決于沉降杯底部形狀）。由于下一個(gè)沉降杯的皇冠與上一沉降杯的瓦棱狀的底部間距2mm，這樣油滴在沉降杯中上升距離更短，且更容易與瓦棱狀底部相碰撞，促進(jìn)油滴的聚并，從而提高分離效率。

圖1 聚并等流分離器沉降杯形狀

2 排砂試驗(yàn)

為了研究排沙孔和沉砂對(duì)聚并等流分離器油水分離效率的影響，需要同時(shí)進(jìn)行沉砂和油水分離試驗(yàn)。試驗(yàn)前，首先進(jìn)行排砂孔徑的優(yōu)選和不同排砂孔數(shù)排砂效果對(duì)比，使沉砂油水分離試驗(yàn)達(dá)到理想的效果。

2.1 排沙孔徑的優(yōu)選

根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，選用中心管進(jìn)液孔為6個(gè)（上、下2排相位角為30°）、孔徑為1.0mm的油水分離器進(jìn)行排砂試驗(yàn)。每個(gè)分離器中心管上安裝8個(gè)沉降杯，沉降杯排沙孔直徑分別為2、3、4、5mm，從上到下每種孔徑依次安裝2個(gè)杯子，分別標(biāo)為1～8號(hào)。試驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 排砂試驗(yàn)及井下沉砂油水分離試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)用砂采用篩選后的石英砂，粒徑為0.09～0.30mm。試驗(yàn)采用的聚合物溶液的質(zhì)量濃度為500mg／kg，粘度3.5mPa·s（剪切速率200s－1），砂子和聚合物溶液體積比為1%。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：除1號(hào)杯外，其余各個(gè)杯子中排砂孔的位置處均沒有沉砂，證明排砂孔均起到了作用；排砂孔徑大小對(duì)排砂量的影響不如沉砂流量的影響大（沉降杯的位置越往下，沉砂流量越大，因?yàn)槠浣邮芰松厦姹拥某辽埃?，增大排砂孔徑?duì)提高排砂效果不明顯。為了安全，取排砂孔直徑為?3mm。

2.2 不同孔數(shù)排砂效果對(duì)比

選取與孔徑優(yōu)選試驗(yàn)相同的中心管，安裝8個(gè)有效沉降杯（從上到下依次標(biāo)為1～8號(hào)）進(jìn)行排砂試驗(yàn)。其中1個(gè)分離器上部4個(gè)杯子為2個(gè)排砂孔（間隔180°）、下部4個(gè)杯子為4個(gè)排砂孔（兩孔間隔分別為60°和120°，對(duì)稱分布）；另外1個(gè)分離器上部4個(gè)杯子為6個(gè)排砂孔（兩孔間隔60°）、下部4個(gè)杯子為12個(gè)排砂孔（兩孔間隔30°），2種不同孔數(shù)的沉降杯之間用1個(gè)不打孔的沉降杯進(jìn)行隔離。排砂孔在杯子的最下端，孔徑均為?3mm，與中心管的孔眼錯(cuò)開。試驗(yàn)用的砂子、聚合物、流量、砂比及試驗(yàn)裝置均與孔徑選取試驗(yàn)相同。

試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，可以看出：2孔排砂效果最差，在排砂孔兩側(cè)沒有孔的位置，沉砂量較大；12孔排砂效果最好，但在下部的杯子中，仍有部分沉砂，說明沉砂流量增大會(huì)導(dǎo)致部分排砂孔堵塞；4孔和6孔排砂效果相差不大，在最上面的杯子中沉砂不多，但下部有部分沉砂。由于所有沉降杯都有沉砂，說明排砂孔眼數(shù)對(duì)排砂量的影響不如沉砂流量的影響大。

圖3 不同孔數(shù)排砂效果對(duì)比

3 沉砂和油水分離試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)裝置

根據(jù)前期沉砂試驗(yàn)結(jié)果，選取中心管進(jìn)液孔為?1mm、沉降杯排砂孔直徑為?3mm的油水分離器進(jìn)行油水分離試驗(yàn)，研究排沙孔及沉砂對(duì)聚并等流型油水分離器油水分離效率的影響。分別進(jìn)行沉降杯杯底不打孔及打2孔、4孔、6孔、12孔的分離器的油水分離試驗(yàn)以及2孔、4孔、6孔的分離器的沉砂和油水分離同步試驗(yàn)研究。試驗(yàn)介質(zhì)是白油和清水的混合液（含水率分別為90%、95%、98%），選用與排砂試驗(yàn)相同的試驗(yàn)裝置（如圖2所示）和試驗(yàn)用砂，砂子與油水混合液的體積比例為1%，從來液取樣口和分離后取樣口分別接取來液試樣和分離后油水混合液試樣，利用密度法測(cè)量混合液含水率。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如圖4～6所示，可以看出：?jiǎn)伪髁浚?.2m3／d時(shí)，各種情況下的分離效果相差不大，基本都達(dá)到100%，在此流量下，分離器沉降杯上的排砂孔和沉砂對(duì)油水分離效果基本沒有影響；當(dāng)單杯流量＞0.2m3／d時(shí)，隨著杯底孔數(shù)的增加，分離后混合液含水率呈下降趨勢(shì)，油水分離效果逐漸變差，這是由于排砂孔數(shù)增多使沉降杯中液體下降速度vx加快，減少了油水混合液在沉降杯中的停留分離時(shí)間所致。

圖4 含水率為80%時(shí)油水分離器單杯進(jìn)液量與油水分離后含水率關(guān)系

圖5 含水率為95%時(shí)油水分離器單杯進(jìn)液量與油水分離后含水率關(guān)系

圖6 含水率為98%時(shí)油水分離器單杯進(jìn)液量與油水分離后含水率關(guān)系

由圖4～6明顯反映出，相同孔數(shù)的分離器在有沉砂的情況下分離效果要比無(wú)沉砂的情況下分離效果差，這說明沉砂會(huì)影響分離效果。由于排砂孔增多會(huì)導(dǎo)致分離效率下降，沉砂量的增多也會(huì)導(dǎo)致分離效率下降，但排砂孔的增多會(huì)導(dǎo)致沉砂量減少。因此，在這2個(gè)因素的綜合影響下，在有沉砂的情況下，4孔分離器分離后混合液的含水率高于2孔和6孔分離器分離后混合液的含水率；4個(gè)排砂孔沉砂分離器的分離效果要優(yōu)于2個(gè)排砂孔和6個(gè)排沙孔沉砂分離器的分離效果；12孔的分離器無(wú)沉砂時(shí)的分離效果在各種分離情況中最差。因此，有沉砂時(shí)分離效果會(huì)更差，不建議采用12孔分離器。

油水分離后混合液含水率為99%時(shí)，各種分離器的總進(jìn)液量如表1。

表1 不同含水率混合液?jiǎn)伪M(jìn)液量 m3／d

假設(shè)沉降杯底無(wú)孔分離器的杯子個(gè)數(shù)為100個(gè)，在相同產(chǎn)量的情況下，要保持分離后原油含水率不變，各種分離器所需杯子的個(gè)數(shù)如表2（相比于普通型分離器）。

表2 各種分離器杯子的個(gè)數(shù)

綜合分析以上圖表可以看出：在無(wú)沉砂的情況下，油水分離后混合液含水率達(dá)到99%時(shí)，各種型號(hào)的分離器隨著油水混合液含水率的上升，單杯進(jìn)液量逐漸增大，分離器混合液處理量逐漸增大，從而沉降杯使用個(gè)數(shù)逐漸減少；隨著排砂孔數(shù)的增多，單杯進(jìn)液量逐漸減小，沉降杯使用個(gè)數(shù)逐漸增多。在有沉砂的情況下，4個(gè)排沙孔的分離器單杯進(jìn)液量最大，使用沉降杯數(shù)量最少，分離效果最佳。因此，建議實(shí)際生產(chǎn)時(shí)選用排砂孔直徑?3mm、孔數(shù)4個(gè)的分離器，分離后混合液含水率可接近100%，能夠有效地提高泵效、降低能耗。

4 結(jié)論

1） 當(dāng)單杯流量＜0.2m3／d時(shí)，排砂孔數(shù)和沉砂對(duì)聚并等流分離器的油水分離效果沒有明顯影響。

2） 有沉砂情況下，4個(gè)排沙孔的分離器單杯進(jìn)液量最大，使用沉降杯數(shù)量最少，沉砂后分離效果最佳，合理生產(chǎn)流量下，分離后混合液含水率接近100%。

3） 聚并等流分離器對(duì)油井排沙和井下油水分離都有很好的效果，采用該型油水分離器可以提高泵效，實(shí)現(xiàn)同井注采。

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Study of Effect of Sink Sand on Oil－water Separation in Gather and Flow Pattern Oil－water Separator

HAN Hong－sheng1，LI Xiao－feng1，LV Ning2，ZHAO Shu－h(huán)ong1
（1.College of Petroleum Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing163318，China；2.The Test Battalion of the First Oil Production Factory，Daqing Oilfield Co.，Ltd.，Daqing163000，China）

In order to evaluate the separation efficiency of oil－water mixture of the coherent and cocurrent flow pattern oil－water separator，the indoor wellbore simulation experiment was made.The relation curve was drawn between the fluid volume of single cup feeding at different watercontent and the moisture content of oil－water mixture after separation.The test showed that，at single－cup flow rate（less than 0.2m3／d），sand drainage hole and sunk sand had no efficiency to coherent and co－current flow hydrocyclone.The performance of hydrocyclone with four sand drainage holes is better than other ones with holes.

coherent and co－current flow separator；oil－water separation；sunk sand；moisture content；injection and production in same well

1001－3482（2012）03－0051－04

TE931.2

A

2011－09－23

韓洪升（1950－），男，河北滄州人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事多相流體力學(xué)和非牛頓流體力學(xué)方面的教學(xué)和研究。