井下氣液分離技術(shù)

1、井下氣液分離技術(shù)摘要?dú)饩a(chǎn)水量的不斷增加對天然氣生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅的影響越來越受到人們的關(guān)注和重視。井下氣液分離系統(tǒng)具有一般分離裝置所不具備的許多優(yōu)點(diǎn), 可根據(jù)要求在不同場合下使用; 結(jié)構(gòu)簡單, 體積小, 維修較容易; 使用方便、靈活, 可以單臺使用, 也可并聯(lián)或串聯(lián)使用以加大處理量?？傊? 實(shí)現(xiàn)井下氣液分離、產(chǎn)出水回注和采氣, 可以降低舉升和處理費(fèi)用, 增加生產(chǎn)壽命與提高采收率, 減少環(huán)境污染, 簡化地面分離, 提高投資效益。關(guān)鍵字 分離器 氣液分離 螺旋分離器第一章 前言1.1 引言在氣井中常有地層水流入井底, 當(dāng)氣井產(chǎn)量高、井底氣液速度大而井中流體的數(shù)量相對較少時(shí), 水會完全被氣流攜帶至地

2、面, 否則井筒中將出現(xiàn)積液。積液的存在能增大對氣層的回壓, 并限制其生產(chǎn)能力, 有時(shí)甚至將氣層完全壓死造成關(guān)井。目前氣井排水、采氣方法主要有氣體動力學(xué)法、機(jī)械方法和物理化學(xué)方法3大類, 它們的共同點(diǎn)是將井下積液采至地面, 并在地面進(jìn)行氣液分離, 再經(jīng)輸液管線將分離的液體積聚到一處, 然后由增壓泵回注到地層。存在著地面設(shè)備多、投資大、污染環(huán)境等問題。井下氣液分離及回注技術(shù)是在井下利用氣液分離裝置將地層產(chǎn)出的天然氣進(jìn)行分離, 然后將富氣流（氣多水少）舉升到地面, 而將富水流（水中氣很少）在井下直接回注到回注層中。此項(xiàng)技術(shù)主要有降低舉升和處理費(fèi)用、延長氣田的開采期、增加生產(chǎn)壽命與提高采收率、減少環(huán)境

3、污染、簡化地面分離和提高投資效益等優(yōu)點(diǎn)。1.2井下氣液分離及回注技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀1.2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀自90年代以來, 國外注意到傳統(tǒng)工藝在開采高含水氣田所存在的問題, 研究采用低污染、低投入、高產(chǎn)出的采氣新工藝, 在改進(jìn)分離設(shè)備上取得了長足的進(jìn)步, 成功研究出井下氣液分離與產(chǎn)出水直接回注技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用既可以進(jìn)一步深化“穩(wěn)產(chǎn)控水”工作, 同時(shí)還可以減少對地下水的污染, 降低開采成本, 提高采收率, 從而提高經(jīng)濟(jì)效益。井下氣液分離的溶解于天然氣流中的液滴，依靠常規(guī)的重力沉降已難以實(shí)現(xiàn)分離。一方面，因?yàn)榫職饬鞯膲毫Ω?、流速大、溫度高，不可能用重力沉降分離器以提供有效的停留時(shí)間；另一方面，

4、由于井下氣體流量大、分離效率要求高，分離器的尺寸應(yīng)很大，受到井下空間的限制，無法實(shí)現(xiàn)。故必須采用專門的分離裝置進(jìn)行井下的氣液分離。在國外，一般都采用旋流分離器或螺旋分離器進(jìn)行井下分離。隨著油氣田開采技術(shù)的不斷發(fā)展，各國研究人員開始注意到傳統(tǒng)工藝在開采高含水氣田所存在的問題，并將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到低污染、低投入、高產(chǎn)出的采氣新工藝上，尤其在改進(jìn)分離設(shè)備和采氣工藝上取得了長足的進(jìn)展。1991年，加拿大 C-FER (the Centre for Engineering Research Inc.)率先提出“井下氣液分離”的創(chuàng)意與設(shè)想，并開始對井下氣液分離技術(shù)進(jìn)行可行性研究，目的是通過減少采出水量來檢驗(yàn)

5、降低氣井舉升費(fèi)用和水處理費(fèi)用的非常規(guī)方法。井下氣液分離與產(chǎn)出水直接回注技術(shù)的應(yīng)用既可以進(jìn)一步深化“穩(wěn)產(chǎn)控水”工作，同時(shí)還可減少對地下水的污染，降低開采成本，提高采收率，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。該項(xiàng)技術(shù)將水力旋流器與常規(guī)井下采氣系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)采氣、氣液分離和采出水回注同井地層的設(shè)想。1994年7月，第一套ESPAQWANOT系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，分離器工作狀況良好；采到地面的水量明顯減小?，F(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，使用井下分離系統(tǒng)后，氣量、水量和氣液比都發(fā)生急劇變化，充分體現(xiàn)了該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，但從設(shè)備設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)上看，仍需要進(jìn)行大量的工作，以進(jìn)一步完善該系統(tǒng)。1.2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀目前我國部分氣田己進(jìn)入中、高含

6、水期開采階段，氣田生產(chǎn)廢水的處理是一個(gè)重大問題。聚合物采氣等新技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，更增加了氣、水分離的難度。因而需要找出新的高效分離設(shè)備，以節(jié)省地面建設(shè)投資，改進(jìn)或簡化天然氣集輸工藝流程。井下氣液分離技術(shù)的研究與應(yīng)用可以滿足這種形勢的要求，因而應(yīng)進(jìn)行這一新技術(shù)的自行開發(fā)研究與應(yīng)用工作，以提高我國的采氣技術(shù)水平。第二章 井下氣液分離形式及適用條件2.1井下氣液分離技術(shù)的基本原理為了在井下分離出天然氣流中的液滴, 依靠常規(guī)的重力沉降已難以實(shí)現(xiàn)。一方面, 因?yàn)榫職饬鞯膲毫Ω?、流速大、溫度?不可能為重力沉降分離器提供有效的停留時(shí)間; 另一方而, 由于井下氣體流量大、分離效率要求高, 分離器的尺寸相應(yīng)

7、很大, 受到井下空間的限制, 無法實(shí)現(xiàn)。故必須采用專門的分離裝置進(jìn)行井下的氣液分離。氣液的分離屬于機(jī)械分離, 即根據(jù)液體和氣體的重度差別, 利用氣流方向和速度改變時(shí)的慣性作用, 使液體和氣體簡單地相互分離, 過程中間不存在物質(zhì)之間的反應(yīng)。螺旋氣液分離器用于實(shí)現(xiàn)氣) 液分離的技術(shù)原理有碰撞聚結(jié)、離心分離和重力沉降。在井下螺旋氣液分離器內(nèi), 水滴在螺旋運(yùn)動過程中相互碰撞聚并, 逐漸聚結(jié)成為大水滴, 在離心力和重力作用下, 從氣相中分離出來。分離出的水沿套管內(nèi)壁匯集成水流后, 沿套管內(nèi)壁向下流動, 一直流到分流管柱與套管內(nèi)壁圍成的容器中, 并在該處累積成環(huán)形水柱, 在環(huán)形水柱的底部, 水由螺桿泵吸入

8、, 并由螺桿泵增壓后泵入油管, 油管內(nèi)的水柱壓力越聚越高, 當(dāng)其壓力高于下部注水層的壓力時(shí), 水通過管柱中心( 回注管通道) 向下回注到地層。另一方面, 經(jīng)分離器分離后的天然氣部分,沿環(huán)形空間繼續(xù)上升至地面, 從套管閥門處采出并進(jìn)入輸氣管網(wǎng)。井下氣液分離技術(shù)的基本原理是: 在1口高含水井中, 在井下利用某種分離裝置將地層產(chǎn)出的流體（氣井中主要是氣與水）進(jìn)行分離, 然后將富氣流（氣多水少）舉升到地面, 而將富水流（水中氣很少）在井下直接回注到某個(gè)選定的含水層或報(bào)廢地層中（選定的注水層應(yīng)為負(fù)壓或地層具有良好的注水性,以利于順利注入）, 如圖1所示。圖1 井下氣液分離與回注工作原理示意圖這種井下分離

9、回注系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:實(shí)施井下分離回注后, 可使高含水氣井大幅度降低產(chǎn)液量和含水率, 從而可以大幅度降低舉升成本和操作成本；節(jié)省了地面水處理費(fèi)用, 減少防腐劑、防垢劑和絮凝劑等有毒化學(xué)劑的使用量, 降低了對環(huán)境的污染；可以延長應(yīng)報(bào)廢的高含水氣井的經(jīng)濟(jì)壽命, 從而可以延長氣田的開采期; 減少了用于回注產(chǎn)出水的注水井?dāng)?shù)目, 節(jié)約基建投資費(fèi)用及增設(shè)地面設(shè)備的擴(kuò)建費(fèi)用投資；為了滿足井下氣、液分離和回注的要求, 必須研制許多新設(shè)備和井下新工具, 這樣就推動了采氣技術(shù)向更高級方向發(fā)展。同時(shí), 新技術(shù)的出現(xiàn), 也會改變?nèi)藗兊膫鹘y(tǒng)概念與觀念。關(guān)于開采井的概念, 原來只有注入井、產(chǎn)出井, 現(xiàn)在有了采注井, 同一口井

10、既是產(chǎn)出井又是注入井。對于轉(zhuǎn)注, 則有了分層轉(zhuǎn)注的概念。2.2 井下氣液分離系統(tǒng)主體為了在井下分離出天然氣流中的液滴, 依靠常規(guī)的重力沉降已難以實(shí)現(xiàn)。一方面, 因?yàn)榫職饬鞯膲毫Ω?、流速大、溫度? 不可能用重力沉降分離器以提供有效的停留時(shí)間; 另一方面, 由于井下氣體流量大、分離效率要求高,分離器的尺寸應(yīng)很大,受到井下空間的限制, 無法實(shí)現(xiàn)。故必須采用專門的分離裝置進(jìn)行井下的氣液分離。2.2.1 井下氣液旋流分離器旋流分離是一種高效的多相流體分離技術(shù), 它是在離心力的作用下根據(jù)兩相或多相之間的密度差來實(shí)現(xiàn)兩相或多相分離的。井下氣液旋流分離器的工作原理與地面相同, 主要是利用離心力來分離氣流中

11、的液滴(見圖2)圖2 井下氣液旋流分離器工作原理示意圖氣流以切線方向從進(jìn)口管進(jìn)入分離器內(nèi)或從螺旋線形入口進(jìn)入旋腔, 并在其內(nèi)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動。由于氣、液流的質(zhì)量差異, 因而質(zhì)量較重的液滴在離心力的作用下被拋到外壁, 而質(zhì)量較輕的氣體則留在內(nèi)圈。這樣大部分液滴與氣體就進(jìn)行了分離。被拋到器壁的液滴微粒由于其重力和氣流的帶動向下運(yùn)動, 當(dāng)?shù)竭_(dá)圓錐體的底部時(shí), 液體微粒就由排水口排出; 而氣流則回轉(zhuǎn)向上由出口管流出。地層流體進(jìn)入氣液分離器后, 含大量水的天然氣被分離開來。分離出的水由注入裝置注入排水層, 氣與剩余的水（含水量的多少與分離器的分離效率有關(guān)）通過管路上行進(jìn)入輸氣管線。分離原理：氣液混合物首先經(jīng)過

12、外管壁上的小孔進(jìn)入到環(huán)空內(nèi)部，再經(jīng)過襯管上的通道進(jìn)入襯管，最后由內(nèi)吸管進(jìn)入抽油泵。由于外管上的切向小孔的內(nèi)表面是粗糙的，混合在液體里的氣體經(jīng)過時(shí)受到剪切作用，一部分氣體被分離，由切向孔進(jìn)入外管與內(nèi)管環(huán)形空間的氣液混合物形成旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，氣液混合物進(jìn)行第二次分離。氣液兩相存在密度差，氣體上升經(jīng)過外管排出，液體下降通過襯管進(jìn)入由襯管和內(nèi)吸管組成的環(huán)形空間，未被分離的氣體利用重力分離原理進(jìn)行第三次分離，最后剩余的液相被抽吸進(jìn)入泵體。該分離器集剪切作用、離心力作用以及重力分離作用于一體，氣液分離效率較高，適合于高氣液比油井。2.2.2 井下螺旋分離器井下螺旋分離器通過電纜和鋼繩下入井中, 固

13、定在油管內(nèi)。它可將相對的干氣氣流從采出氣流中分離出來, 并使之沿油管和套管之間的環(huán)空向上流動（見圖3） 。與旋流分離器相似, 該分離器中沒有運(yùn)動部件,多相氣流沿井筒上行進(jìn)入螺旋段, 在這里, 固定不動的螺紋之間的螺距使得氣流受力開始旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力, 離心力使得液體沿分離器外壁流動, 氣體則在中心流動。一部分分離出的液體會通過內(nèi)壁上的特定孔眼排出, 并經(jīng)過旁通管進(jìn)入油套環(huán)空。氣體和一部分殘存的液體則被向上舉升。然后分別通過各自的管路, 氣流進(jìn)入集輸管網(wǎng); 液流回注到注水層。該分離器的工作性能取決于螺旋的螺距、頭數(shù)、直徑、長度, 以及液流和氣流的流量。在上述兩方案中, 旋流氣液分離器更適用于

14、含液量較高的氣井。因?yàn)槁菪蛛x器受到井下空間的限制, 一般不適于處理大體積流量的含液氣流。此外在其加工制造上也存在一定的難度。有關(guān)資料表明, 國外現(xiàn)場試驗(yàn)的結(jié)果是: 用氣液分離器在井下進(jìn)行氣液分離使采到地面的水降低了一個(gè)數(shù)量級, 而對采氣量基本上無影響。這一事實(shí)說明, 該項(xiàng)新技術(shù)是可行的。圖3 井下螺旋分離器的示意圖井下氣液螺旋分離器的影響因素：從氣液螺旋分離器的分氣原理可以看出，氣液分離器的分氣效率主要受分離器本身的結(jié)構(gòu)和流經(jīng)分離器的流體兩個(gè)方面的因素的影響。分離器及配套裝置的結(jié)構(gòu)因素與氣液分離分離器的結(jié)構(gòu)對氣液分離發(fā)生作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面套管環(huán)空和襯管環(huán)空中的重力沉降作用，以及襯

15、管上的進(jìn)液小孔對氣泡的運(yùn)動有阻擋等的共同作用，實(shí)現(xiàn)氣液初步分離。另一方面分離器的特殊結(jié)構(gòu)使流體的流動方向和流動速度發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)氣液兩相的分離。.流體因素與氣液分離氣液分離還受到氣液比、流體流速，流體粘度和流動型態(tài)的影響。當(dāng)流速增大時(shí)，一方面套管的環(huán)形空間和分離器的內(nèi)流速增大，氣泡的運(yùn)動速度增大，使得更多的氣泡被分離出來，從而有效的提高分氣效率；另一方面，相應(yīng)的進(jìn)液孔處的流動速度也增大，氣泡來不及分離更容易被液流帶入襯管環(huán)形空間和分離器內(nèi)部。同時(shí)在分離器外管壁和吸入管之間的環(huán)形空間中，流動速度也增大，使得更多的氣泡跟隨液流向下運(yùn)動，從而使得分氣效率降低。如果液相的粘度很高的情況時(shí)，氣泡的相

16、對滑脫速度減小，液流攜帶氣泡的能力增強(qiáng)，從而使分氣效率急劇降低。2.2.3井下復(fù)合式氣液分離器河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院于2004年研制了井下復(fù)合式氣液分離器。該氣液分離器將重力分離和旋流分離有機(jī)地結(jié)合在一起, 能使含溶解氣的油流產(chǎn)生攪拌、轉(zhuǎn)向和速度突然增加等效果, 有助于游離氣的析出, 實(shí)現(xiàn)油氣的高效分離, 可大大減少氣體對泵的影響, 特別對高含氣井有較好的氣液分離效果。分離器結(jié)構(gòu)：圖4 復(fù)合式氣液分離器結(jié)構(gòu)1-放氣閥；2-工作外套；3-螺旋管；4-螺旋外管；5-特殊接頭；6-中心管；7-進(jìn)液管；8-下接頭工作原理：在泵上沖程, 油氣混合液從進(jìn)液管下行進(jìn)入中心管過程中, 部分大氣泡從混

17、合液中分離出來并上行, 從進(jìn)液孔排出, 進(jìn)入油套環(huán)空, 完成第1次分離即重力分離。但大部分小氣泡仍被液體攜帶經(jīng)中心管繼續(xù)上行, 經(jīng)特殊接頭, 進(jìn)入螺旋管?；旌弦哼M(jìn)入螺旋通道后, 液體和氣體同時(shí)沿軸線作圓周運(yùn)動, 密度小的氣體向軸線靠近, 并通過葉片與螺旋管之間的間隙上升到放氣閥下部, 密度大的液體(水和油) 則遠(yuǎn)離軸線而靠近螺旋外管上行, 在泵的吸入力和螺旋力的作用下, 轉(zhuǎn)向進(jìn)入螺旋外管和工作外套之間的環(huán)空, 此時(shí)完成第2次分離即螺旋分離過程, 使混合液中大部分小的氣泡在螺旋力的作用下從混合液中分離出來。經(jīng)2次分離后的混合液在螺旋外管和工作外套之間的環(huán)空下行過程中,混合液中剩余的氣體在重力作用

18、下又上升到放氣閥下部, 這樣完成第3次分離。經(jīng)過3次徹底分離后的液體通過螺旋管的中心通道進(jìn)入泵內(nèi), 被抽汲從油管排出。在泵的下沖程中, 在液體反饋力作用下打開放氣閥, 聚集在放氣閥下部的氣體從放氣閥排出進(jìn)入油套環(huán)空。第三章 井下回注系統(tǒng)的形式及適用條件3.1井下回注系統(tǒng)形式的劃分.按回注動力形式分為: 重力注入,由泵將分離水泵入油管內(nèi),水柱不斷積聚, 當(dāng)水的壓頭大于地層壓力時(shí), 水就會自動流入到回注層; 強(qiáng)迫注入, 由泵將分離水泵入油管內(nèi),在井下密封或者在井口安裝盤根盒,在水柱壓力和盤根盒壓力的共同作用下( 實(shí)際上就是泵輸出壓力),依靠增壓泵提供的壓力將水強(qiáng)迫注入回注層。.按產(chǎn)層與回注層位置分

19、為回注層位于產(chǎn)層下面和回注層位于產(chǎn)層上面2 種。大多數(shù)DGWS 設(shè)計(jì)是回注層位于產(chǎn)層之下, 也有一些系統(tǒng)正在開發(fā)用于回注層位于產(chǎn)層之上的形式。.按增壓泵形式分為桿式泵系統(tǒng)、改進(jìn)的柱塞桿式泵系統(tǒng)、電潛泵系統(tǒng)和螺桿泵系統(tǒng)4 種。3.2井下回注系統(tǒng)的形式及適用條件.桿式泵系統(tǒng) 桿式泵的底端安裝有旁通工具, 在上沖程時(shí), 水從油套環(huán)空經(jīng)過閥組被吸入泵室; 在下沖程時(shí), 這些閥關(guān)閉而其他閥開啟, 允許水流進(jìn)油管。水不斷在管柱內(nèi)增加, 直到足夠的壓頭使它依靠重力流進(jìn)注水層。改進(jìn)的柱塞桿式泵系統(tǒng) 改進(jìn)的柱塞桿式泵結(jié)合了桿式泵形式, 將桿式泵的柱塞改成實(shí)心的, 底部連接一個(gè)內(nèi)部安裝有幾組閥的特殊短接。上沖程時(shí)

20、, 活塞產(chǎn)生真空并將水吸入泵筒; 下沖程時(shí), 活塞迫使水進(jìn)入回注層。這種形式的DGWS可以產(chǎn)生比桿式泵系統(tǒng)更高的壓力, 使回注層區(qū)域范圍更廣。改進(jìn)的柱塞桿式泵更適合于高水量。電潛泵系統(tǒng) 電潛泵一般用于向地面提升液體, 在DGWS 技術(shù)應(yīng)用中, 用于向下排水到回注層。該泵必須要有充分的電供應(yīng), 但現(xiàn)場一般不具備這種條件。電潛泵可以處理更高的水量。螺桿泵系統(tǒng) 螺桿泵系統(tǒng)已經(jīng)在整個(gè)油田領(lǐng)域使用。在DGWS 應(yīng)用中, 用于向下排水到回注層, 或者泵轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)成反方向注水。在另一種結(jié)構(gòu)中, 可以配合旁通工具, 將水泵入油管, 水柱將在自重力的作用下回注。第四章 總結(jié)井下分離回注技術(shù)存在的問題盡管井下氣液分

21、離器系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn), 但目前該系統(tǒng)仍存在一些局限性。這些局限性是研究工作所面臨的挑戰(zhàn)和有待解決的難題。(1).由于井下條件的限制, 加上各種不定因素的影響, 研究具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性。(2).對套管尺寸有一定的要求。總的產(chǎn)氣處理能力常受套管尺寸的制約。(3).產(chǎn)出氣中含砂量的大小直接影響分離系統(tǒng)的工作效率, 這是值得進(jìn)一步研究的問題。(4).井下分離出的水質(zhì)一般難以達(dá)到地面的標(biāo)準(zhǔn), 通常為污水?dāng)y帶油, 將這樣/ 不純0的水回注到地層中會不會對地層產(chǎn)生危害, 還有待進(jìn)一步研究。(5).由于目前還沒有經(jīng)過長時(shí)間的現(xiàn)場使用檢驗(yàn), 無法進(jìn)行使用壽命預(yù)測。同時(shí), 井下部件的增加, 可能增加發(fā)生故障的概率。應(yīng)進(jìn)一步研究其可靠性、故障頻率等。(6).井下的特殊工況, 要求使用性能更好的材料, 以增加其使用壽命。(7).井下測試資料的準(zhǔn)確性是應(yīng)用井下氣液分離器的必要保證。從上述分析及對井下氣液分離