井下油/水分离(DOWS)技术前景可待

Posted 2023-01-12 系统

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黄中信，陈李斌(南阳石蜡精细化工厂，原河南油田炼油厂)
中国海上油困开发具有重大的战黪意义。海上油困开发的高风险和高投入海上水处理基础设旎建设的重要性，决定了应当重视能够实现井下水分离的技术，DOWS(并下油水分离)技术以其积极的效巢消除水处理设备有限的瓶颈"等优点与特点而备受世界各国的关注。
面对不断上升的油囝含水率和相对走高的国际原油价格作为一种优势菲常明显的新技术，其广泛，深入的应震前景可待。
在原油生产过程中，水处理非常重要。尤其是随着油田开发时间的延长，产水量持续增加时，水处理就更加重要了。将水从井下采出，增加了油管和处理设备的容量，DOWS技术能够减少水处理设备的扩建。DOWS以其积极的效果消除了水处理设备有限的“瓶颈"。井下油水分离的有利之处在于增加了生产状况好的井的产油量，减少了含油污水的排放，并保持了油藏压力。产水量的减少降低了对水处理的需求，同时也防止了腐蚀、结垢，大大减少了生产水的处理费用。通过降低含水率和回注提高采收率，在地面分离难以进行的条件下，DOWS技术提供了一种能够减少油气分离环境影响的、可行的选择。
井下油水分离系统的组成及技术应用现状
井下油水分离系统包括两个基本的系统组成：分离系统和泵送/注入系统。根据分离系统的不同主要有重力井下油水分离系统和水力旋流井下油水分离系统两种类型，除此另有一种叫薄膜井下油水分离系统。井下油水分离系统配套应用
的泵送/注入系统主要有电潜泵、螺杆泵、杆式抽油泵，它们均可以与水力旋流分离系统配套使用，重力分离系统则主要采用杆式抽油泵。井下油水分离系统也可以根据泵、分离器组合在井下的相对位置来分类，产出液先进入分离器的称为拉入式，先进入泵的称为推进式。一个DOWS系统包括许多组成部分，但两个最重要的部分是一套油水分离系统和至少一台用于将油举升到地面并将水回注到井下的泵。两种基本类型的DOWS已被研制出来：一种是机械分离，应用水力旋流分离器实现油水分离；另一种是在井筒中靠重力分离。
水力旋流分离器
水力旋流井下油水分离同样遵循Stokes法则。水力旋流分离器没有运动部件，它是利用水力旋流外形产生的巨大离心力来实现油水分离的。根据流体相对密度的不同，油、水分离后，水相被回注地下，油相被泵抽汲到地面。水力旋流
DOWS可以与电潜泵(ESP)、螺杆泵或有杆泵结合，单级水力旋流难以实现彻底分离，多级组合可以提高分离效率。水力旋流分离受吸人流体粘度影响很大，粘度超过5～10cp性能降低。注入和生产所需马力决定相应的泵数，双泵系统可以节约马力，因为处理水的压力低于举升油所需压力。水力旋流井下油水分离系统最常配套的是电潜泵，特别适于埋藏深的高产油藏。陆上安装的DOWS系统亦证明了工业生产泵和水力旋流器设计的合理性。
重力式DOWS
对于重力式DOWS来说，重力井下油水分离技术充分利用油套环空中油、水重力分异进行分离，其分离过程亦遵循Stoke法则。它使得进入井筒的油滴上升，在井内形成一个分散的油层。这种DOWS有两个吸入口：一个在油层内，加一个在水层中。随着抽油杆上下移动，油被举升到地面，水被回注地下。该技术主要与杆式抽油泵配套，根据泵的类型可以分为双作用泵系统(DAPS)、三作用泵系统(TAPS)和Q—SepG系统。最常用的是双作用泵系统。德士古公司就已开发出了重力式DOWS，即一个具有双重作用的抽汲系统(DAPS)。一个改进的方案也已被试验，即开发具有更高注入压力、有三重作用的抽汲系统(TAPS)。重力井下油水分离技术的主要缺点是，其处理量最多1200bbl/d，不能有效处理流体中的天然气与颗粒且注入压力有限。为了进行充分的重力分异，注水层和产层必须有足够的垂直距离。双作用泵系统应用中必须有足够的井筒容积来保证有相应的时间完成油滴的分离与举升。三作用泵系统(TAPS)是双作用泵系统(DAPS)的改进，应用在低渗注入层注入压力要求更高的情况。而Q—SepG系统的特点是，它可以避免注入压力下双作用泵系统在下冲程时的压应力。
薄膜井下油水分离系统
薄膜井下油水分离系统国外正在通过模拟研究进行现场开发与应用。该系统利用聚合材料薄膜的半透性进行油、水分离，薄膜孔隙越小需要更大的流压才能使液体通过，分离机理是薄膜的水相毛管力大于油相。薄膜井下油水分离系统
没有机械运动部件和先进传感器，长远来看会比现有的分离系统简化许多。该系统存在的主要问题是不同的井底流压下需要采用相应的薄膜，不同的薄膜具有不同的水相通过毛管力；如果采用相同的标准薄膜则需要安装井底压力控制设备，
这样会影响产量；此外薄膜分离系统性能还受薄膜类型、水动力条件、工作状态、薄膜堵塞等因素影响。
国外海上井下油/水分离技术的现场应用研究案例
大多数油田都是注水开发的。无论是陆上还是海上，经过初期的开发阶段后油井见水，产出液含水不断上升。通常，要将产出水处理到含油很低，对环境没有影响后排向海洋，这个过程是在浮式生产平台(FPU)上使用大罐完成，这对
空间狭小的平台而言意味着需要不断增加容量。对于开发后期的油田，海上井下油/水分离技术显然是更为吸引人的技术。据报道，壳牌公司、巴西石油公司等开发商目前正致力于采用该技术应对海上油田不断上升的含水。尤其是壳牌公司，在该领域的研发成果显著，下一个突破是智能井井下分离技术。
巴西石油公司与两家设备供应商联合，针对分离技术，分别开发了两条技术路线，项目计划分三步展开，首先是内部的整合，收集先导试验所需数据；第二步开发分离器与监控系统；第三步发现并解决技术问题，进行先导试验。采油树、管汇连接方式不同，可能会导致安装成本提高，或者流程增加降低产出液温度，从而不利于分离器工作，安装分离器必须考虑这个因素。生产平台则主要分为两种，半潜式与浮式产、储、卸平台。通常半潜式平台与生产管线连接方便，但是平台上没有多余空间，后者则相反。产出液分离水主要有三种处理方案：回注地层保持压力；回注含油饱和度底的处理层；安装回收管线，将分离水输往其他平台。先导试验计划将含油比控制在200ppm，注水质量与注水井注入能力降低的关系需要进一步研究，如果注入压力上升过快，可以考虑使注入压力高于地层破裂压力。原油粘度较大易于与水形成稳定的乳状液，实验表明需要引入破乳剂。
海上井下油/水分离系统的故障因素分析
无论是陆上还是海上，井下油水分离系统的设计显著影响安装费用，分离器安装在陆上还是海上，安装费用差别很大。海上安装的高风险，决定了海上修井的高费用，DOWS系统的故障因素如能得到及时正确地分析和处理，将会大大节
省或减少维修费用的支出。由于在海上应用金融风险加大，而且海上井下油水分离系统的费用/利益分析与陆上系统有着天壤之别，因此对海上油水分离系统故障因素的了解、分析和认识，具有非常重要的作用和意义。海上油水分离系统的故障可分为两大类：机械故障和工艺故障。
机械故障因素分析
管件故障分析。井下油水分离系统容易出现严重的包装问题，尤其是绕泵/电机系统的旁路油流的通道必须适应非常小的横截面积，暴露在非常高的流
速下，腐蚀易导致早期的故障。另外，由于这些流量旁路通道是薄泵的壁管组成的，常被连到泵/系统的外端，在系统安装过程中，这些管子更容易损坏。对于斜井，尤其如此。油井套管内径(ID)的限制在安装中必须改变。分离器系统包括和管汇系统相连的若干水力旋流器。正如外部旁通管一样，包装要求小直径的薄壁管汇系统。通常，这些管汇暴露在高流速下，分离器系统的内部渗漏只有在水下分离系统拆卸后才能发现；密封故障分析。井下分离系统的旋转密封要经受在电潜泵正常安装中未经受的压差。密封故障可能非常小，但对井下分离系统却很重要；泵/电机故障分析。井下油水分离系统安装的复杂性可导致电潜设计出现问题。需要在适当的流量下操作分离器，很难计算和核对泵产生的推力荷载，因此，不合适的推力轴承将会过早产生故障；封隔器故障分析。有些故障可引起隔离封隔器问题。在这种情况下，封隔器不能起到隔离生产层和处理层的作用。
固体开采因素分析
过量的固体开采可导致分离器、泵和旁路管线的机械故障。在这种情况下，固体过量开采，当进行地面检查时，整个泵/分离器系统充满固体。一种情况下固体为地层固体颗粒，另一种情况下固体是硫化铁垢。
沉淀/沉积垢的因素分析
如上所述，至少一种故障是由于形成了大量的硫化铁垢，油田的其它井也会形成硫化铁垢。因此，不能认为垢沉淀是井下油水分离器安装的结果。对于泵/分离系统垢的沉积，专家认为，它不是井下油水分离系统带来的问题，并且至今还没有遇见这种问题。由于系统不会引起油层压力或温度的明显降低，形成化合物的垢的溶解度保持或增加，因此，没有足够的经验证明结垢更易沉淀在拉过系统而不是推过系统。同样，对由于不相溶而沉积在采出水和处理层间的垢的认识亦缺乏经验。设计系统时，这也是应该考虑的一个因素。
与工艺相关的故障
当机械系统工作正常时，井下油水分离系统故障一般指分离不完全，有一些工艺变化直接影响分离性能。在大多数情况下，这些工艺变化致使乳化液增加，使用旋流分离器不能适当地分离。因此，井下油水分离系统的工艺设计是发生故
障的另一个决定要素。
DOWS技术前景可待
井下油水分离技术于20世纪90年代开始在石油天然气工业展开应用，文献调研表明从理论到实践尽管面临很大挑战，但该技术依然是一种优势非常明显的新技术。井下油水分离技术应用于高含水开发后期油田，具有降低水处理费用，提高原油产量，减少环境污染等优点与特点。薄膜分离系统是今后发展的重要方向。选井对于该技术应用成败影响巨大，需要考虑的因素主要是合适的注入层位和井身结构，良好的层问封隔与流体配伍性。先导试验使开发者和设备商获得了宝贵的选井经验，井下油水分离技术进一步推广需要专业技术人员提高对该技术机理和应用的认识，需要现场操作人员吸取现有的成功经验，需要对井下设备尤其是对海上油水分离系统易出现的故障及故障因素，有熟悉的了解与认识，充分发挥DOWS系统在井下实现油气水分离的技术优势，获取较大的经济效益。
从巴西海上井下油/水分离技术的现场应用研究案例分析中可知，影响井下分离技术应用成败的因素主要有：合适的注水层，它必须有较好的渗透性和孔隙度以吸收产出水，并且和生产层有良好的封隔；较高的油水比，含水高于80%时经济效果较好。产出水和注水层内流体配伍性良好；合适的井身结构，便于设备安装与工作；产出液密度适中，稠油不利于井下分离；地层必须固结良好，出砂会有很大影响。这种影响，具体说就是出砂是造成海上井下油水分离系统故障
的主要因素之一。此外，处理产出水产生的影响主要有两方面：降低水蚀确保流动；降低回压改善流动条件增加产量。因此，关于是否需要和如何进行井下油分离，国外研究人员已开发出了一种井下油水分离系统决策树，研究了影响技术
应用效果的经济指标，开展了针对油藏的评估、选井等可行性技术研究。对此，我国海上油田的开发应关注和借鉴。
随着油价的上涨，人们对DOWS的兴趣开始再度回升。2000年，中国进行了首次海上DOWS的安装，其它海上试验也随后进行。2001年，世界各地的石油公司又开始谨慎地考虑订购DOWS系统。几种新的DOWS在方案上的改进，为不同的市场划分提供了潜力。重要的影响因素包括油价、设备处理能力和管输能力的增加。面对不断上升的含水率和相对走高的国际原油价格，井下分离技术有着良好的发展前景。随着DOWS的更有效的使用，这种意义正在被提升，目的在于减少海上油田基础设施和设备的建设，以及陆上高含水油田的设备扩建和生产成本。对于DOWS来说，21世纪可能将会是更富有希望的时代。