（机械工程专业论文）不动管柱底流可调式电潜泵井下油水分离系统的设计研究.pdf

嘲瓣 t h er e s e a r c ha n dd e s i g no fe s pd o w n h o l eo i l w a t e rs e p a r a t i o n w i t hf i x e ds t r i n ga n du n d e r f l o wa d ju s t a b l e at h e s i ss u b m i t t e df o r t h ed e g r e eo fe n g i n e e r i n gm a s t e r c a n d i d a t e ：d o n gx i a n g w e i s u p e r v i s o r ：p r o f l iz e n g l i a n g c o l l e g eo f m e c h a n i c a l & e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 1 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：壑查 日期：沙f 1 年f 月3 。日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者躲丝盗 指导教师签名：蕃繇 日期：2 d 年 日期：扫，j 年 期3o 日 月7 摘要 井下油水分离技术是一项高效、环保、节能的新技术，但是其装置结构复杂、适应 性差、成本高等问题一直制约着此项技术的发展，针对以上问题，本文提出几种新型式 的井下油水分离系统的设计方案，主要介绍了采用电动潜油形式的设计方案，动力泵采 用离心泵或螺杆泵，同时简单介绍了地驱螺杆泵形式的井下油水分离系统设计方案，并 介绍了相应的可调底流过流面积的井下一体化管柱结构，这些新方案的提出为井下油水 分离技术的进一步发展打下基础。 首先，进行了井下油水分离系统节点分析，系统依托各个节点，各部分协调工作， 实现预期的工作流程。在此基础上介绍了电动潜油离心泵、电动潜油螺杆泵和地面驱动 螺杆泵井下油水分离系统的设计方案，并介绍了井下油水分离系统的主要部件，包括电 泵机组、串联式双级水力旋流器等。 其次，介绍了井下油水分离同井采注管柱结构，对各部分及相关工艺进行了说明。 重点介绍了底流调节机构的设计方案，介绍了底流调节结构的工作原理及各部分的结 构。 第三，依托计算流体力学软件f l u e n t ，对井下双级水力旋流器进行了仿真研究。 通过对单相流场的仿真，得到了单锥与双锥旋流器内流场的速度分布和压力分布规律， 并分别得到了两级旋流器的压降规律，通过对比不同分流比和流量下的仿真结果，分析 了操作参数对旋流器内流场的影响；通过添加多相流模型，对旋流器的两相流场进行仿 真模拟，并对两级旋流器的分离性能做出了评价。 最后，进行了井下油水分离器的地面试验研究，通过地面试验分析了分流比、流量 等操作参数对底流含油量的影响。 关键词：井下油水分离，电动潜油，地面驱动，管柱结构，底流可调，仿真，地面 试验 t i o n f r i e n d l y , e n e r g y - e f f i c i e n tt e c h n o l o g y ，b u ti t sd e v i c es t r u c t u r ei sc o m p l e x ，u n a d a p t a b l e ，c o s th i g h e r p r o b l e mh a sa l w a y sr e s t r i c t st h ed e v e l o p m e n to ft h i st e c h n o l o g y t os o l v et h e s ep r o b l e m st h i s p a p e rp u t sf o r w a r ds e v e r a ln e wt y p eo fd e s i g ns c h e m eo fd o w n h o l eo i l - w a t e rs e p a r a t i o n s y s t e m w h i c hi n c l u d et h eu s eo fe l e c t r i cs u b m e r s i b l eo rg r o u n dd r i v em o d e 、析t l lc e n t r i f u g a l p u m po rs c r e wp u m p t h e s en e ws c h e m e sp r o m o t et h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fd o w n h o l e o i l w a t e rs e p a r a t i o n f i r s t ，t h i sp a p e rc o n d u c tn o d ea n a l y s i so ft h ed o w n h o l ew a t e r - o i ls e p a r a t i o ns y s t e m ， r e l y i n go ne a c hc o d e ，t h ec o o r d i n a t i o no ft h ev a r i o u sp a r t so f t h es y s t e mt oa c h i e v et h ed e s i r e d w o r k f l o w o nt h i sb a s i s ，i ti n t r o d u c e ss o m es c h e m e s ，w h i c hi n c l u d et h ee l e c t r i cs u b m e r s i b l e p u m p ，e l e c t r i cs u b m e r s i b l es c r e wp u m pa n dt h es u r f a c ed r i v i n gs c r e wd o w n h o l eo i l - w a t e r s e p a r a t i o ns y s t e m ，a n d i n t r o d u c e st h e m a j o r d o w n h o l eo i l - w a t e r s e p a r a t i o ns y s t e m c o m p o n e n t s ，i n c l u d i n gp u m p u n i t si ns e r i e sa n dd u a l - s t a g eh y d r o c y c l o n e s e c o n d l y , t h ei n t r o d u c t i o no ft h ed o w n h o l eo i l w a t e rs e p a r a t i o ns t r i n g s t r u c t u r ea n d r e l a t e dt e c h n o l o g ya r ed e s c r i b e d t h i sf o c u s e so nt h ed e s g i ns c h e m eo fa d j u s t i n gu n d e r f l o w m e c h a n i s m ，a n di n t r o d u c e dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fe a c hp a r to ft h eu n d e r f l o wc o n t r o l s t r u c t u r e t h i r d ，b a s i n go nc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ss o f t w a r ef l u e n t ，t h i sp a p e rs i m u l a t e s t h ef l o wf i e l do ft h ed o w n h o l ed u a l s t a g eh y d r o c y c l o n e t h r o u g ht h es i m u l a t i o no f s i n g l e p h a s ef l o wf i e l d i to b t a i n st h er e g u l a rp a t t e r no fv e l o c i t ya n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nw i 也 s i n g l e - c o n i ca n dd o u b l ec o n i ch y d r o c y c l o n er e s p e c t l y t h ep r e s s u r ed r o pc o r r e l a t i o no f d u a l s t a g eh y d r o c y c l o n ei sa l s oo b t a i n e d t h r o u g hc o m p a r i s i o no fs i m u l a t i o nr e s u l t s 、 ，i t l l d i f f e r e n ts p l i tr a t i oa n df l o wr a t e ，i ti st ob ek n o w nt h a to p e r a t i n gp a r a m e t e r si n f l u e n c et h e f l o wf i e l d p a t t e r nn o t a b l y t h r o u g ha d d i n gm u l t i p h a s em o d e l ，t w o s t a g e f l o wf i e l di s 目录 第一章绪论1 1 1 井下油水分离技术的研究背景及介绍1 1 1 1 高含水油井导致的问题1 1 1 2 井下油水分离技术的介绍2 1 2 井下油水分离技术的研究现状3 1 3 井下油水分离技术的研究方法4 1 3 1 井下油水分离系统匹配设计5 1 3 2 井下油水分离系统硬件开发6 1 3 3 数值模拟6 1 3 4 实验研究7 1 4 本次研究的主要内容8 第二章井下油水分离系统工作原理及方案设计9 2 1 井下油水分离系统工作原理9 2 1 1 井下油水分离系统组成及工作原理9 2 1 2 井下油水分离节点分析1 0 2 2 井下油水分离系统方案设计1 2 2 2 1 电动潜油离心泵井下油水分离系统方案设计1 2 2 2 2 电动潜油螺杆泵井下油水分离系统方案设计1 4 2 2 3 地面驱动螺杆泵井下油水分离系统介绍1 5 2 3 井下油水分离系统主要部件介绍1 6 2 3 1 电动潜油离心泵机组1 6 2 3 2 电动潜油螺杆泵机组1 6 2 3 3 串联式双级水力旋流器1 8 第三章井下油水分离管柱结构2 l 3 1 井下油水分离同井采注工艺管柱结构2 1 3 1 1 油水分离器总成2 2 3 1 2 丢手接头2 3 3 1 3 上封隔器与下封隔器2 4 4 3 几何模型与网格划分3 3 4 3 1 几何模型3 3 4 3 2 网格划分3 4 4 4 液一液水力旋流器的单相流场数值模拟3 6 4 4 1 旋流器内流场的数学模型3 6 4 4 2 数值模拟离散格式及算法3 7 4 4 3 单锥水力旋流器单相流场仿真结果分析。3 8 4 4 4 双锥水力旋流器单相流场仿真结果分析4 4 4 4 5 操作参数对旋流器内流场的影响4 8 4 5 液一液水力旋流器两相流模拟5 3 4 5 1 多相流模型的选择5 4 4 5 2 仿真结果分析及两级旋流器分离性能评价5 4 4 6 小结5 8 第五章井下油水分离地面试验研究6 0 5 1 实验方案6 0 5 1 1 实验流程图及实验方法6 0 5 1 2 实验步骤6 l 4 4 4 5 6 8 9 0 o 2 2 2 3 孔 孔 丛 衢 弱 勰 凹 勉 弛 弛 第六章结论7 0 参考文献7 1 攻读硕士期间取得的成果7 4 致谢7 5 2 3 4 4 4 6 7 8 6 6 6 6 6 6 6 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 井下油水分离技术的研究背景及介绍 1 1 1 高含水油井导致的问题 大部分油井在投入生产之后，伴随着开发时间的延长，油田的进一步开采，为了提 高原油的产量，尤其是油田进入中后期开发后，普遍采用注水强驱技术，因而这就致使油 井的含水量逐渐上升，油田开采成本逐年上升，最终致使油井快速进入亏损生产阶段而 停产，并且较大比例的原油得不到开采，留在了储油层中，同时也给环境造成了一定程 度的影响采出液污水处理问题对环境影响很大【6 】【2 0 】【2 6 】【2 7 】【3 3 】。 世界上其他国家的许多常规油井，尤其是在东南亚和北美地区，由于油井含水率的 持续上升，造成了采油率逐渐降低，而抽汲费用却保持增长趋势，越来越多的高含水原 油通过抽汲过程举升至地面，然后进入地面油水分离管网中进行油水分离，待分离污水 液含有量达到一定指标后，再将其再回注到地层，复杂的处理过程，巨大的经济消耗， 使得对于这种高含水油井的开采越来越难。【2 0 】【2 6 】 像加拿大西部这样的老油区，油田的含水量已经大大超过含油量。常规油井产出液 的含水量较高，平均水油比可达六以上，有的甚至已达到二十，开采经济效益变得越来越 差。在加拿大阿尔伯达省里一些较大规模的老油田，其综合含水率也在不断上升。随着 油田采出液含水率的逐年提高，许多公司已经意识到大量的产出水使他们入不敷出。 c h e v r o n t e x a c o 石油公司的经营范围遍布全球，但它平均每天要举升和处理5 0 0 1 0 6b b l 的 含油污水。【3 】【1 2 】【1 3 】【2 2 】 ， 石油是现代社会应用最广泛的能源物质，在各个行业及日常生活中已必不可少， 而且由高含水原油的开采来的环境效应，对于石油工业来说并不是可以忽略的小事。现 今在石油工业中对环境影响较大的主要有：钻井含油污水排放量巨大，除少量达到排放 标准( 含有害物质量低于一定水平) 外，其余均未处理，有限的处理设备并不能满足巨 大的采出量；采油污水的排放达标率只有5 2 ，而这其中的稠油排放基本上全部是超标排 出；炼油污水的排放达标率较高，可以达到7 4 ，但对于环境保护来说，也是不小的负 担。所以含油污水的处理问题，怎样去降低含油污水的采出、处理、排放量是应当立项 解决的重大问题【1 4 j 。 在世界范围内，在进入高含水期后，许多油田开采出现了一系列的问题吲： 第一章绪论 ( 1 ) 高含水率造成了油田油井进入开采后期，甚至导致油井关闭，造成了采收率 的下降； ( 2 ) 开采成本剧增，综合经济效益变差； ( 3 ) 污水处理设备的投入和维修增加了设备维护工作量，使得原油开发附加值陡 增； ( 4 ) 含油污水的大量存在对环境造成了一定的负面影响。 我国许多油田的综合含水率已达到甚至超过8 0 9 6 ，属于中、高含水开采阶段，我国东 部主力油田的综合含水率已经超越9 0 ，含油污水处理困难，并且已经成为一严重的污染 源，这导致了在油田水驱注水采油过程中制约生产的主要因素是含油污水的处理能力 【l5 l 。从成本上说，油井开采和污水处理占大部分，当油井水油比( w a t e r o i lr a t i o ) 超过十比一就不经济了【3 1 。对于高含水油井的开采，含有污水的处理费用占总费用的3 4 以上，当油井水油比超过1 0 时，由于水处理费用和举升能耗，使油井经济效益大幅降低而 被迫关闭，而且含油污水还将污染环境。 高含水原油的开采带来了负面的经济效益，其中就包括与之相关污水处理费用等， 举升系统的设备、多相流集输管线、地面污水处理设备等均已达到操作运行的设计极限， 其容量的有限性制约了高含水油田的生产能力减少开采量是唯一的解决办法，但这 是被动的，是不合适的。同时随着采出水量的逐渐增加，而且地面处理设备的腐蚀日益 严重，导致维护费上升。因此，因此为满足石油的市场需求和提高油田开发的经济效益， 油井堵水作为一项关键技术被广泛采用，但其也存在一定风险成功率有限，致使大 量原油滞留地层。为了降低油井的含水率，在某些特殊储油带采取停井、重新完井的措 施以及由于含水量过高而及早关闭的油井，大量的原油滞留地层，采油率因此而变得更 低。 1 1 2 井下油水分离技术的介绍 上节分析了目前高含水油田油井暴露出的一些问题，以及这些问题对于油田经济效 益和环境的影响，在这个背景下，井下油水分离技术应运而生。井下油水分离技术成为 解决高含水油田开采成本高、环境污染严重的有效手段。作为解决油田高含水问题的有 效途径之一，井下油水分离技术具有以下突出优点： ( 1 ) 降低能耗和开采成本，可以降低将大量水采至地面的能耗； ( 2 ) 降低了污水处理费用，降低了采出水量，从而减少了陆地污水处理设施的建设、 维护、运行以及对设施周围环境清理的相关费用； 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 3 ) 提高油井产量，大大减轻了陆地污水处理设施对于高含水油井采出能力的制约， 使得油井的产液量增加，从而提高了油井的产量； ( 4 ) 延长油井生产寿命，延长了油井经济开采寿命，避免油井过早被迫停产，而且 可使某些已废弃油井重新生产： ( 5 ) 可提高单井采油量和油藏最终采收率，有效的进行油藏模拟，在此基础上，可 以指定计划，周期性的调整油藏的模式注水，改变地层的压力变动规律。 井下油水分离采油技术是上世纪末出现的一项新技术，它可以解决高含水油田出现 的种种问题，如注水带来的巨大投资和能量损耗，是一项很有前途的技术。井下油水分 离技术指的是在同一口油井中实现高含水原油分离、举升、回注工艺流程，分离、举升、 回注三个过程同时进行互不干扰，是一套完整的油水分离回注系统，主要包括动力泵 部分、油水分离部分、回注管线部分、举升管线部分等等。井下油水分离过程不同于其 他地面油水分离过程，它是在井下将产出水与油气分离，并将分离出的产出水注入其它 地层。 井下油水分离系统使得高含水采出液在井下直接进行油水分离，油水分离技术可以 使用旋流分离或重力式沉降或两者相结合的方法，分离后的浓缩油液被举升至地面，分 流后含少量油的水被回注到地层或者废弃层。 井下油水分离技术的应用可以减少水举升费用和污水的处理费用，并且减少了防腐 剂、絮凝剂和水化抑制剂等有毒化学品的使用量，降低环境污染的可能性，使因高含水 的原因而关闭的一些油井重新投产使用。油水分离技术的井下应用，可重发发挥井下物 理条件对于分离工艺的优势，提高分离效率，并且同井回注对于改善地层条件，平衡地 层压力都有巨大的优势【1 0 1 。 1 2 井下油水分离技术的研究现状 加拿大c f e r 工程研究中心于1 9 9 1 年首次提出了在井下进行油水分离的构想，为 降低开采成本，提高采收率，并进行了相关可行性研究。随后，包括n p e l 在内的多家 公司、院校、研究单位和石油开采设备供应商等参与了该课题的研究，形成了一个世界 性的j i p 联合工业研究项引3 】【8 】【9 】。另一方面，e d n m o t o n 工程研究中心协同其他公司合 作进行井下有分离技术的研究，经过多年的项目攻关，取得了突破性的进展，现已进入 商业性应用阶段。该技术使用水力旋流器作为井下油水分离的核心部件，并配合相应的 多相泵，改造了油井生产系统的配置方式，实现井下油水分离同井采注，实现了稳油、 3 解产出水对石油开采各个方面的 影响，了解井下油水分离系统进一步应用面临的主要挑战和机遇，包括储量采收率、操 作费用、投资开支、法规、腐蚀以及环境等问题。了解任何新技术的主要特性是确定其 最终价值和影响的关键。即使在开发6 年后，井下油水分离最终价值和影响也仍然是一 个未知数，不过它们大多数都是正面性的。 成功地实施井下油水分离技术，通常需要熟悉生产层和注入层特性。所关心的主要 涉及到的设计，因为井下油水分离系统对流量或组分变化的数量级通常比常规抽油系统 更加敏感，因为一旦确定了基本的油井动态，则井下油水分离装置就变得更简单易行和 可以预测。 井下油水分离技术在不同地层中的应用表明，对电潜泵、螺杆泵和有杆泵的选择标 准与常规装置的选择标准没有大的区别。在选择目的储层时，可以看出，在下列情况下 动态最佳：进入处置层的注入能力相当高；产量一般易于预测：不受可能需要的再完井 作业的影响，在开采层或注入层品质差，产出污物或固体颗粒，或者储层特性未曾预先 确定好的地方，其试验结果均不相同。在重油开采应用中，在泵型选择和泵的结构方面 可能还有某些问题1 4 6 1 。 把井下油水分离系统转到海上应用的工作已在进行，并且正在研制产液量和产油量 较高而至地面的产水量较低的设备。由于海上技术的发展，研制工作将扩展海上最流行 的气举井和自喷井。井下油水分离技术的应用经验正在迅速积累，至1 9 9 6 年底，在加 拿大西部和美国己完成了1 8 套以上井下油水分离装置的安装【2 】。三种样机系统矿场试验 成功地证实了井下分离的构想，产至地面的水减少了8 5 9 7 。目前正在为陆上和海上 设计大液量的应用，需要更多的部件设计、控制和连接的替选物，然而主要因素是提高 较大的套管。即使套管直径只增加几毫米，也能对可处理能力产生显著影响，因为限制 设计的因素往往是流动的截面积。 我国大部分油田已进入中、高含水阶段，综合含水质量分数已达到或超过8 0 ，因 此从2 0 世纪末开始，有部分高校和石油企业联合进行了井下油水分离项目研究，并分 别在辽河、胜利等油田进行现场试验，取得了一定的成效【7 】【1 6 】【2 3 】。 1 3 井下油水分离技术的研究方法 “井下油水分离”是一个完美的构想，但如何将构想转化为实物，应用到现场中才 是最关键的。设计开发一套完整的井下油水分离系统，从方案设计到装置设备研发还没 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 有一套完善的路线可以遵循，本节将介绍目前井下油水分离系统研发过程中所涉及的研 究内容及相应的研究方法。 1 3 1 井下油水分离系统匹配设计 井下油水分离系统由产出层子系统、注入层子系统、电潜泵子系统、多相管流子系 统和水力旋流器子系统等5 个子系统构成，为使各个子系统协调工作，按照预期的工况 发挥井下油水分离系统的作用，需要进行匹配设计。井下油水分离技术是一项先进的技 术，蕴藏着巨大的经济价值和环保效益，但是自此技术出现以来很长时间，该该技术仍 然处于试验阶段，主要原因有两方面，一方面，井下油水分离系统对油井条件要求较高， 很难有完全适用的油井；另一方面，整套系统结构复杂，机组匹配困难较大，井下参数 不易于监测，井下工况波动较大【1 1 。 节点分析方法是采用工程设计中常用的方法，可以有效的评价油井生产系统，节点 分析方法亦可以应用到井下油水分离系统的匹配设计中。与常规的采油系统相比较，井 下油水分离系统节点数目多，节点之间联系更为紧密，节点之间的压降( 能耗) 计算需 要依靠一些经验理论来完成，此外，还需要应用各个节点相关式，这些相关式可以通过 经验公式或者实验研究得到，如泵节点的压头一流量特性、水力旋流器节点压降比一分流 比特性、井底流入动态特性等等。井下油水分离系统匹配设计复杂的原因在于其“分流” 特性，流量在旋流器节点处分流为举升流和回注流，这造成了匹配计算过程不封闭，需 要迭代来寻找某一工况点，这同时又引出了优化设计的问题，在多个工况点中寻找最优 点，或产量最大，或分离性能最优等等。 。 在对井下油水分离系统的构成及协调关系进行分析的基础上，建立井下油水分离系 统的匹配设计方法，从而为该技术现场设计应用提供了依据。油液含水率、注水层气动 压力、注水层吸水指数、油水分离器分流比、油井产液量等参数均会对设计过程起一定 的影响作用，这其中油井产量、注水层注水启动压力和吸水指数的影响较大，而分流比 和含水率也有一定影响【l 。在井下油水分离系统中，由井下动力泵提供系统所需的总能 量( 注入能量、举升能量、分离能耗及其他损耗等) ，油水分离器则起到分配能量的功 能一部分分配给注入，另一部分则流向举升能量，因此对系统的协调工作起到决定 性作用，因此在进行设计时，建议首先根据油井的基础数据以及各项设计要求预先选择 较为合适的旋流器工作制度，然后再进行泵级数及其他参数的设计。 5 第一章绪论 1 3 2 井下油水分离系统硬件开发 井下机组装置的硬件实现问题，是井下油水分离由构想到方案设计到现场实施的关 键一步，使得井下油水分离技术由“原理”变为“现实 。硬件开发包括井下作封工艺 流程设计、井下工艺管柱设计、井下动力机组的设计、井下多交叉流道的设计以及各部 分之间的配套连接设计。硬件开发原则为：首先能够实现方案设计的工作流程，其次能 够保证井下运行过程中坐封及各部件的可靠性，再次是使系统具备井下调控能力。 井下坐封工艺流程是指系统的下入、坐封、起封过程中所涉及的操作规程。井下油 水分离系统需要封隔器来封隔采出层与注水层，因此座封过程必不可少。合理的坐封工 艺流程可以减少劳动强度，降低操作难度。 井下工艺管柱是井下油水分离系统的“骨架”，系统各部件依托于管柱布置在井筒 中。井下管柱结构的研发可以参照油田常规的管柱结构设计方法，充分考虑井筒空间的 有限性，尽量简化其结构，增强可靠性。如本文将提到的的内、外插管式的管柱结构就 是一种新颖、简洁的管柱结构。 井下动力机组的研发包括了许多方面，随驱动形式、动力泵类型的不同有所区别。 由于井下油水分离系统比较复杂，其采出、分离、回注过程对电泵机组提出了新的要求， 如电泵机组的井下布置连接方式，电机保护器、电缆接头的可靠性，电机的散热等等。 而且相对于常规的油井生产系统，井下油水分离系统能耗较高，要同时满足举升、注入、 分离的要求，这注定了其高能耗的特点，因而需要改进动力装置。 井下油水分离系统硬件开发的最后一项内容既是井下流道的设计，由于系统工作流 程的特殊性，需要设计复杂的流道结构，而在保证尽量简化结构的原则下，旁通管式的 流道结构已被淘汰，取而代之的是环壁扁平形的流道结构，不仅能够增大过流面积，还 有利于降低流道对其他部件的干扰。 1 3 3 数值模拟 数值模拟技术是依托计算流体力学( c f d ) 而发展起来的，近些年来许多学者将其应 用于井下油水分离技术的研究。数值模拟法有诸多优点，首先是几乎不需要试验设备， 不需要物理样机，方便快捷；其次，由于不需要其他的辅助实验设备，也就不存在辅助 实验设备对流场带来的负面影响；再者，数值模拟的结果明了，一个模拟仿真结果几乎 可以测得所有参数，不需要再重复相关工作，因而可以做到省时省力。 旋流分离设备虽然简单，但影响其分离效率的结构参数和操作参数很多，流动与分 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 离过程也复杂，不仅是典型的多相湍流，而且是有回旋的强旋湍流。自从上世纪8 0 年 代旋流分离技术开始应用到液液分离以来，研究者们主要采用了实验研究的方法来确 定优选旋流器的各种参数，并取得了一定的成果，得出了几种有代表性的液液旋流设备。 近十几年来，随着计算机硬件技术及c f d 仿真技术的日趋成熟，数值方法日益成为研 究油水分离用水力旋流器的一种重要手段。 国内外的研究者针对旋流器内的流动特性，采用各种不同的湍流模型进行数值研 究，得出了众多有意义的结论。从当今的研究结果来看，使用雷诺应力湍流模型( r s m ) 对水力旋流器旋流流场进行模拟，在模拟精度和耗费时间来说都可以被许多学者所接 受。虽然雷诺应力模型是基于各向异性的湍流模型，但该模型中湍流耗散率仍采用了各 向同性的表述，这对于具有强旋流的旋流器内流场的模拟是不好的。 对于多相流场的模拟，水力旋流器主要靠离心力来促使油水分离，采用基于欧拉 欧拉分析法的两相流动滑移模型得到的结果更符合实际，但它只适用于含有浓度较低的 情形，对于浓度较高的情形采用欧拉模型是可以实现的。 现阶段井下油水分离大多数使用旋流分离技术，其核心部件是水力旋流器，使用 c f d 研究水力旋流器主要有以下几方面： a 井下水力旋流器分离性能的评价和分离效率的预测： b 井下水力旋流器的参数敏感性分析； c 井下水力旋流器结构的优化设计； d 水力旋流器压降特性的预测。 1 3 4 实验研究 井下油水分离实验研究主要针对井下油水分离系统的核心部件油水分离器而 开展的，主要包括室内实验研究和油井现场地面试验。室内实验研究用来优选两级旋流 器的结构尺寸，系统的研究操作参数、结构参数以及物性参数对旋流器分离性能的影响， 为井下应用提供选择依据；油井现场地面试验研究主要针对某一口油井，用以评价两级 旋流器对该油井实际液流的分离性能，以及确定最佳操作参数。 通过室内实验研究，合理的设计实验方案，较大程度上模拟井下物理条件，从而取 得有价值的实验数据。通过室内实验研究，一方面用来评价所设计的双级水力旋流器的 分离性能是否满足要求，获取油水分离系统的最佳操作区间，系统的研究各种参数对旋 流器分离性能的影响；另一方面，获取能够水力旋流器压降特性的数据，回归出水力旋 7 第一章绪论 流器的流量一分流比一压降比特性公式，为井下油水分离系统的匹配设计及井下旋流器 的选型提供依据。 对于油井现场地面试验，油井( 未安装井下油水分离系统的普通产液井) 采出液直 接进入试验装置，更加真实有效的贴近的井下物理条件，作为井下油水分离系统应用前 的最后一步，对于验证所设计的油水分离系统是否达标至关重要。经过地面试验后，如 分离性能不满足要求，可及时调整更改直至达到分离性能指标要求。 1 4 本次研究的主要内容 本课题拟主要研究以下内容： 1 ) 井下油水分离同井采注一体化管柱的改进设计，增加了底流可调机构，可实现在地 面调节底流口过流面积； 2 ) 井下油水分离系统总体方案设计方法，提出多种新形式的设计方案； 3 ) 井下水力旋流器单相流场的数值模拟研究，通过单相流场的仿真，分析单锥与双锥 水力旋流器内流场特性，并分析操作参数变化对内流场的影响； 4 ) 井下双级水力旋流器两相流场的数值模拟研究，通过添加多相流模型，得到旋流器 内油相分布情况，对两级水力旋流器分离性能作出评价； 5 ) 两级串联水力旋流器油井现场地面试验。 3 计 图2 1 地面油水分离系统 f i g2 - 1t h eg r o u n dw a t e r - o i ls e p a r a t i o ns y s t e m 如图2 1 所示，为一地面用油水分离系统的示意图，其中使用水力旋流器作为油水 分离部件。由图中可以看出此地面油水分离系统由动力子系统( 提升泵、电机) 、油水 分离子系统( 双级水力旋流器) 以及管路子系统组成，待分离液经提升泵增压后，以一 定压力和流量进入油水分离器，经两级分离后，底流液由低含油量( 符合污水排放标准) 的污水液组成。 井下油水分离系统的工作原理及工作流程与地面油水分离系统相似，通过合理的装 置布置与流程设计，将动力系统与分离系统置于井下，实现在井下油水分离同井采注。 除动力、管路和油水分离三个子系统外，井下油水分离还包括采出过程和注入过程，因 此一套完整的井下油水分离系统包括动力子系统、油水分离子系统、多相管流子系统、 产出层子系统和注入层子系统。各子系统之间协调工作，缺一不可【2 9 】。 动力子系统为分离、采油、注水三个过程提供能量，可以采用潜油电机带动力泵方 案，也可以采用地面驱动的形式。采用潜油电机带动动力泵易于与现有的潜油电机采油 系统相结合，操作难度较低，但同样具有可靠性差及成本较高的缺点；地面驱动形式成 本较低，地面控制交易，不需配置井下动力电缆，可靠性较好，但下入深度有限( 由于 动力杆的力学问题) 。井下泵可以选用离心泵或者螺杆泵，两者都能提供连续供液，这 对于水力旋流器的分离性能至关重要。 9 除油水力 下油水分 图2 2 井下油水分离系统节点不意图 f i 9 2 2u n d e r g r o u n dw a t e r 。o i ls e p a r a t i o ns y s t e mn o d es c h e m e s 本系统采用水力旋流器作为油水分离部件，水力旋流分离技术的基本原理是离心沉 降原理，互不相容的油水混合液经过电潜泵增压进入旋流器中，在旋流器内做高速旋转 运动，由于油水密度差产生的离心力差使两相彼此之间分离，轻质油相逐渐向旋流器中 间聚拢，最终通过溢流口流出，水相通过底流口排出，从而实现油水分离。 如图2 2 所示，箭头所示方向指明了系统的工作流程，直观上演示了本系统的工作 原理及工作流程。油液在旋流器( 属于油水分离子系统) 处分流，旋流器的分流比决定 着系统的采注比，采出液含油量及注入水的含油量同样取决于旋流器的分离性能。由图 可以看出，本系统动力部分只有一套泵组成，由一套泵提供油液能量，经过分离后的剩 余能量分别用于举升和注入。由图所示，系统包含若干节点，各节点都具有自己的特性， 节点特性对于系统的匹配设计非常重要。 2 1 2 井下油水分离节点分析 采用节点分析方法可有效评价一个完整的井下油水分离生产系统，从井底到旋流器 入口，从旋流器溢流口到井口以及从旋流器底流口到注入层等，所有产生或损耗能量的 因素都考虑在内，包括液流流经动力泵的增压，流经井下节流装置( 油嘴等) 的压损及 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 旋流器的分流作用等等。图2 - 2 为井下油水分离系统节点分析示意图，箭头上的内容为 所用到的相关式。 井下油水分离生产系统是指油井生产过程中从油藏、动力泵、水力旋流器、井筒到 井口以及到注水层的整个流动系统。运用该方法通过节点把从油藏到井口和注水层所构 成的同井采注系统按照计算压力损失的公式或相关式分成段，用不同的计算公式对相应 的流动段进行计算。井下油水分离系统按照与子系统相对应的几个流动过程可分为：从 油藏到井底的流动属于油层渗流：从井底到动力泵入口属于多相管流；从动力入口到电 泵出口属于增压流动；从动力泵出口到水力旋流器入口属于多相管流；从水力旋流器入 口到溢流口和底流口，应用旋流器的压降特性；水力旋流器溢流口到井口属于井筒多相 管流；水力旋流器底流口到注水层一井简单相流动。每个流动过程都有各自不同的流动 规律，但是他们之间相互衔接、相互影响。 图2 - 3 井下油水分离系统节点分布示意图 f i 9 2 3u n d e r g r o u n dw a t e r o i ls e p a r a t i o ns y s t e mn o d ed i s t r i b u t i o ns c h e m e s 由图2 3 井下油水分离节点分布示意图可以看出，给出了九个节点，它们分别是： 式中，卸。流体经由采油层到动力泵入口处的压力降，m p a ； p 一流体经由动力泵为流体的增压值，m p a ； a 。流体经由旋流分离器入口到溢流i ：1 的压力降，m p a ； b 卅流体经由旋流分离器入口到底流口的压力降，m p a ； 卸：流体经由旋流分离器底流口到注水层的压力降，m p a ； 卸，流体经由旋流分离器溢流口到井口的压力降，m p a 。 2 2 井下油水分离系统方案设计 旋流分离器 压力，m p a ； 皿；p ，一 2 2 1 电动潜油离心泵井下油水分离系统方案设计 采用潜油电机带动离心泵作为系统的动力输出端，如图2 4 所示，电潜泵井下油水 分离系统主要包括电泵机组( 潜油电机、电机保护器、电缆接头) 、双级水力旋流器、 封隔器等。 本方案采用电潜离心泵作为举升泵和注水泵，由一台潜油电机带动，结构紧凑，处 理液量大，且可充分利用现有国产化配套设备。图2 4 展示了本方案设计的井下油水分 离系统组成及同井采注管柱示意图，主要由两大部分 1 2 图2 - 4 电潜泵水力旋流型井下油水分离系统 f i 9 2 - 4e s ph y d r o c y c l o n et y p ed o w s 该系统为单电机单泵系统，同时，采用了特制的倒置式双外壳电潜泵机组，双级串 联水力旋流器总成结构，双封隔器封隔采出层、注水层，总体结构简单，可以实现同井 既注又采，注采同时进行。装置总括起来主要由两大部分组成，即地面部分和井下部分。 图2 - 4 所示的主要为井下部分。这两部分的主要组成如下： 1 ) 地面部分 地面部分与普通电潜泵井的地面部分相同，主要由井口装置、变压器和控制柜等 组成。 2 ) 井下部分 井下部分自上而下由动力电缆、油管、倒置双外壳电潜离心泵机组、井下双级串联 式水力旋流分离器、井下坐封一体化管柱等组成。 1 3 第二章井下油水分离系统工作原理及方案设计 采用一套潜油离心泵机组，变旁通管油液通道为双外壳环形通道，不但加工制造非 常方便，过流面积大大提高，而且使大处理流量的机组的开发变为可行。更重要的是避 免了由于旁通管的存在，使井下坐封技术难度加大和加工制造、起下作业工艺十分困难 的致命缺点，从而使得与油田上的常规坐封工艺和起下作业工艺一致，并大大降低了加 工制造难度和制造成本。此外由单泵利