井下气液分离技术

1、井下气液分离技术摘要气井产水量的不断增加对天然气生产构成严重威胁的影响越来越受到人们的关注和重视。井下气液分离系统具有一般分离装置所不具备的许多优点, 可根据要求在不同场合下使用; 结构简单, 体积小, 维修较容易; 使用方便、灵活, 可以单台使用, 也可并联或串联使用以加大处理量。总之, 实现井下气液分离、产出水回注和采气, 可以降低举升和处理费用, 增加生产寿命与提高采收率, 减少环境污染, 简化地面分离, 提高投资效益。关键字 分离器 气液分离 螺旋分离器第一章 前言1.1 引言在气井中常有地层水流入井底, 当气井产量高、井底气液速度大而井中流体的数量相对较少时, 水会完全被气流携带至地

2、面, 否则井筒中将出现积液。积液的存在能增大对气层的回压, 并限制其生产能力, 有时甚至将气层完全压死造成关井。目前气井排水、采气方法主要有气体动力学法、机械方法和物理化学方法3大类, 它们的共同点是将井下积液采至地面, 并在地面进行气液分离, 再经输液管线将分离的液体积聚到一处, 然后由增压泵回注到地层。存在着地面设备多、投资大、污染环境等问题。井下气液分离及回注技术是在井下利用气液分离装置将地层产出的天然气进行分离, 然后将富气流（气多水少）举升到地面, 而将富水流（水中气很少）在井下直接回注到回注层中。此项技术主要有降低举升和处理费用、延长气田的开采期、增加生产寿命与提高采收率、减少环境

3、污染、简化地面分离和提高投资效益等优点。1.2井下气液分离及回注技术的国内外现状1.2.1 国外发展现状自90年代以来, 国外注意到传统工艺在开采高含水气田所存在的问题, 研究采用低污染、低投入、高产出的采气新工艺, 在改进分离设备上取得了长足的进步, 成功研究出井下气液分离与产出水直接回注技术。这项技术的应用既可以进一步深化“稳产控水”工作, 同时还可以减少对地下水的污染, 降低开采成本, 提高采收率, 从而提高经济效益。井下气液分离的溶解于天然气流中的液滴，依靠常规的重力沉降已难以实现分离。一方面，因为井下气流的压力高、流速大、温度高，不可能用重力沉降分离器以提供有效的停留时间；另一方面，

4、由于井下气体流量大、分离效率要求高，分离器的尺寸应很大，受到井下空间的限制，无法实现。故必须采用专门的分离装置进行井下的气液分离。在国外，一般都采用旋流分离器或螺旋分离器进行井下分离。随着油气田开采技术的不断发展，各国研究人员开始注意到传统工艺在开采高含水气田所存在的问题，并将研究重点转移到低污染、低投入、高产出的采气新工艺上，尤其在改进分离设备和采气工艺上取得了长足的进展。1991年，加拿大 C-FER (the Centre for Engineering Research Inc.)率先提出“井下气液分离”的创意与设想，并开始对井下气液分离技术进行可行性研究，目的是通过减少采出水量来检验

5、降低气井举升费用和水处理费用的非常规方法。井下气液分离与产出水直接回注技术的应用既可以进一步深化“稳产控水”工作，同时还可减少对地下水的污染，降低开采成本，提高采收率，从而提高经济效益。该项技术将水力旋流器与常规井下采气系统相结合，实现采气、气液分离和采出水回注同井地层的设想。1994年7月，第一套ESPAQWANOT系统进行了现场试验，分离器工作状况良好；采到地面的水量明显减小。现场试验结果表明，使用井下分离系统后，气量、水量和气液比都发生急剧变化，充分体现了该系统的优点，但从设备设计和结构上看，仍需要进行大量的工作，以进一步完善该系统。1.2.2 国内发展现状目前我国部分气田己进入中、高含

6、水期开采阶段，气田生产废水的处理是一个重大问题。聚合物采气等新技术的开发与应用，更增加了气、水分离的难度。因而需要找出新的高效分离设备，以节省地面建设投资，改进或简化天然气集输工艺流程。井下气液分离技术的研究与应用可以满足这种形势的要求，因而应进行这一新技术的自行开发研究与应用工作，以提高我国的采气技术水平。第二章 井下气液分离形式及适用条件2.1井下气液分离技术的基本原理为了在井下分离出天然气流中的液滴, 依靠常规的重力沉降已难以实现。一方面, 因为井下气流的压力高、流速大、温度高,不可能为重力沉降分离器提供有效的停留时间; 另一方而, 由于井下气体流量大、分离效率要求高, 分离器的尺寸相应

7、很大, 受到井下空间的限制, 无法实现。故必须采用专门的分离装置进行井下的气液分离。气液的分离属于机械分离, 即根据液体和气体的重度差别, 利用气流方向和速度改变时的惯性作用, 使液体和气体简单地相互分离, 过程中间不存在物质之间的反应。螺旋气液分离器用于实现气) 液分离的技术原理有碰撞聚结、离心分离和重力沉降。在井下螺旋气液分离器内, 水滴在螺旋运动过程中相互碰撞聚并, 逐渐聚结成为大水滴, 在离心力和重力作用下, 从气相中分离出来。分离出的水沿套管内壁汇集成水流后, 沿套管内壁向下流动, 一直流到分流管柱与套管内壁围成的容器中, 并在该处累积成环形水柱, 在环形水柱的底部, 水由螺杆泵吸入

8、, 并由螺杆泵增压后泵入油管, 油管内的水柱压力越聚越高, 当其压力高于下部注水层的压力时, 水通过管柱中心( 回注管通道) 向下回注到地层。另一方面, 经分离器分离后的天然气部分,沿环形空间继续上升至地面, 从套管阀门处采出并进入输气管网。井下气液分离技术的基本原理是: 在1口高含水井中, 在井下利用某种分离装置将地层产出的流体（气井中主要是气与水）进行分离, 然后将富气流（气多水少）举升到地面, 而将富水流（水中气很少）在井下直接回注到某个选定的含水层或报废地层中（选定的注水层应为负压或地层具有良好的注水性,以利于顺利注入）, 如图1所示。图1 井下气液分离与回注工作原理示意图这种井下分离

9、回注系统的优点是:实施井下分离回注后, 可使高含水气井大幅度降低产液量和含水率, 从而可以大幅度降低举升成本和操作成本；节省了地面水处理费用, 减少防腐剂、防垢剂和絮凝剂等有毒化学剂的使用量, 降低了对环境的污染；可以延长应报废的高含水气井的经济寿命, 从而可以延长气田的开采期; 减少了用于回注产出水的注水井数目, 节约基建投资费用及增设地面设备的扩建费用投资；为了满足井下气、液分离和回注的要求, 必须研制许多新设备和井下新工具, 这样就推动了采气技术向更高级方向发展。同时, 新技术的出现, 也会改变人们的传统概念与观念。关于开采井的概念, 原来只有注入井、产出井, 现在有了采注井, 同一口井

10、既是产出井又是注入井。对于转注, 则有了分层转注的概念。2.2 井下气液分离系统主体为了在井下分离出天然气流中的液滴, 依靠常规的重力沉降已难以实现。一方面, 因为井下气流的压力高、流速大、温度高, 不可能用重力沉降分离器以提供有效的停留时间; 另一方面, 由于井下气体流量大、分离效率要求高,分离器的尺寸应很大,受到井下空间的限制, 无法实现。故必须采用专门的分离装置进行井下的气液分离。2.2.1 井下气液旋流分离器旋流分离是一种高效的多相流体分离技术, 它是在离心力的作用下根据两相或多相之间的密度差来实现两相或多相分离的。井下气液旋流分离器的工作原理与地面相同, 主要是利用离心力来分离气流中

11、的液滴(见图2)图2 井下气液旋流分离器工作原理示意图气流以切线方向从进口管进入分离器内或从螺旋线形入口进入旋腔, 并在其内作回转运动。由于气、液流的质量差异, 因而质量较重的液滴在离心力的作用下被抛到外壁, 而质量较轻的气体则留在内圈。这样大部分液滴与气体就进行了分离。被抛到器壁的液滴微粒由于其重力和气流的带动向下运动, 当到达圆锥体的底部时, 液体微粒就由排水口排出; 而气流则回转向上由出口管流出。地层流体进入气液分离器后, 含大量水的天然气被分离开来。分离出的水由注入装置注入排水层, 气与剩余的水（含水量的多少与分离器的分离效率有关）通过管路上行进入输气管线。分离原理：气液混合物首先经过

12、外管壁上的小孔进入到环空内部，再经过衬管上的通道进入衬管，最后由内吸管进入抽油泵。由于外管上的切向小孔的内表面是粗糙的，混合在液体里的气体经过时受到剪切作用，一部分气体被分离，由切向孔进入外管与内管环形空间的气液混合物形成旋转，在离心力的作用下，气液混合物进行第二次分离。气液两相存在密度差，气体上升经过外管排出，液体下降通过衬管进入由衬管和内吸管组成的环形空间，未被分离的气体利用重力分离原理进行第三次分离，最后剩余的液相被抽吸进入泵体。该分离器集剪切作用、离心力作用以及重力分离作用于一体，气液分离效率较高，适合于高气液比油井。2.2.2 井下螺旋分离器井下螺旋分离器通过电缆和钢绳下入井中, 固

13、定在油管内。它可将相对的干气气流从采出气流中分离出来, 并使之沿油管和套管之间的环空向上流动（见图3） 。与旋流分离器相似, 该分离器中没有运动部件,多相气流沿井筒上行进入螺旋段, 在这里, 固定不动的螺纹之间的螺距使得气流受力开始旋转。旋转产生离心力, 离心力使得液体沿分离器外壁流动, 气体则在中心流动。一部分分离出的液体会通过内壁上的特定孔眼排出, 并经过旁通管进入油套环空。气体和一部分残存的液体则被向上举升。然后分别通过各自的管路, 气流进入集输管网; 液流回注到注水层。该分离器的工作性能取决于螺旋的螺距、头数、直径、长度, 以及液流和气流的流量。在上述两方案中, 旋流气液分离器更适用于

14、含液量较高的气井。因为螺旋分离器受到井下空间的限制, 一般不适于处理大体积流量的含液气流。此外在其加工制造上也存在一定的难度。有关资料表明, 国外现场试验的结果是: 用气液分离器在井下进行气液分离使采到地面的水降低了一个数量级, 而对采气量基本上无影响。这一事实说明, 该项新技术是可行的。图3 井下螺旋分离器的示意图井下气液螺旋分离器的影响因素：从气液螺旋分离器的分气原理可以看出，气液分离器的分气效率主要受分离器本身的结构和流经分离器的流体两个方面的因素的影响。分离器及配套装置的结构因素与气液分离分离器的结构对气液分离发生作用主要体现在两个方面，一方面套管环空和衬管环空中的重力沉降作用，以及衬

15、管上的进液小孔对气泡的运动有阻挡等的共同作用，实现气液初步分离。另一方面分离器的特殊结构使流体的流动方向和流动速度发生变化，从而实现气液两相的分离。.流体因素与气液分离气液分离还受到气液比、流体流速，流体粘度和流动型态的影响。当流速增大时，一方面套管的环形空间和分离器的内流速增大，气泡的运动速度增大，使得更多的气泡被分离出来，从而有效的提高分气效率；另一方面，相应的进液孔处的流动速度也增大，气泡来不及分离更容易被液流带入衬管环形空间和分离器内部。同时在分离器外管壁和吸入管之间的环形空间中，流动速度也增大，使得更多的气泡跟随液流向下运动，从而使得分气效率降低。如果液相的粘度很高的情况时，气泡的相

16、对滑脱速度减小，液流携带气泡的能力增强，从而使分气效率急剧降低。2.2.3井下复合式气液分离器河南油田分公司石油工程技术研究院于2004年研制了井下复合式气液分离器。该气液分离器将重力分离和旋流分离有机地结合在一起, 能使含溶解气的油流产生搅拌、转向和速度突然增加等效果, 有助于游离气的析出, 实现油气的高效分离, 可大大减少气体对泵的影响, 特别对高含气井有较好的气液分离效果。分离器结构：图4 复合式气液分离器结构1-放气阀；2-工作外套；3-螺旋管；4-螺旋外管；5-特殊接头；6-中心管；7-进液管；8-下接头工作原理：在泵上冲程, 油气混合液从进液管下行进入中心管过程中, 部分大气泡从混

17、合液中分离出来并上行, 从进液孔排出, 进入油套环空, 完成第1次分离即重力分离。但大部分小气泡仍被液体携带经中心管继续上行, 经特殊接头, 进入螺旋管。混合液进入螺旋通道后, 液体和气体同时沿轴线作圆周运动, 密度小的气体向轴线靠近, 并通过叶片与螺旋管之间的间隙上升到放气阀下部, 密度大的液体(水和油) 则远离轴线而靠近螺旋外管上行, 在泵的吸入力和螺旋力的作用下, 转向进入螺旋外管和工作外套之间的环空, 此时完成第2次分离即螺旋分离过程, 使混合液中大部分小的气泡在螺旋力的作用下从混合液中分离出来。经2次分离后的混合液在螺旋外管和工作外套之间的环空下行过程中,混合液中剩余的气体在重力作用

18、下又上升到放气阀下部, 这样完成第3次分离。经过3次彻底分离后的液体通过螺旋管的中心通道进入泵内, 被抽汲从油管排出。在泵的下冲程中, 在液体反馈力作用下打开放气阀, 聚集在放气阀下部的气体从放气阀排出进入油套环空。第三章 井下回注系统的形式及适用条件3.1井下回注系统形式的划分.按回注动力形式分为: 重力注入,由泵将分离水泵入油管内,水柱不断积聚, 当水的压头大于地层压力时, 水就会自动流入到回注层; 强迫注入, 由泵将分离水泵入油管内,在井下密封或者在井口安装盘根盒,在水柱压力和盘根盒压力的共同作用下( 实际上就是泵输出压力),依靠增压泵提供的压力将水强迫注入回注层。.按产层与回注层位置分

19、为回注层位于产层下面和回注层位于产层上面2 种。大多数DGWS 设计是回注层位于产层之下, 也有一些系统正在开发用于回注层位于产层之上的形式。.按增压泵形式分为杆式泵系统、改进的柱塞杆式泵系统、电潜泵系统和螺杆泵系统4 种。3.2井下回注系统的形式及适用条件.杆式泵系统 杆式泵的底端安装有旁通工具, 在上冲程时, 水从油套环空经过阀组被吸入泵室; 在下冲程时, 这些阀关闭而其他阀开启, 允许水流进油管。水不断在管柱内增加, 直到足够的压头使它依靠重力流进注水层。改进的柱塞杆式泵系统 改进的柱塞杆式泵结合了杆式泵形式, 将杆式泵的柱塞改成实心的, 底部连接一个内部安装有几组阀的特殊短接。上冲程时

20、, 活塞产生真空并将水吸入泵筒; 下冲程时, 活塞迫使水进入回注层。这种形式的DGWS可以产生比杆式泵系统更高的压力, 使回注层区域范围更广。改进的柱塞杆式泵更适合于高水量。电潜泵系统 电潜泵一般用于向地面提升液体, 在DGWS 技术应用中, 用于向下排水到回注层。该泵必须要有充分的电供应, 但现场一般不具备这种条件。电潜泵可以处理更高的水量。螺杆泵系统 螺杆泵系统已经在整个油田领域使用。在DGWS 应用中, 用于向下排水到回注层, 或者泵转子设计成反方向注水。在另一种结构中, 可以配合旁通工具, 将水泵入油管, 水柱将在自重力的作用下回注。第四章 总结井下分离回注技术存在的问题尽管井下气液分

21、离器系统具有很多优点, 但目前该系统仍存在一些局限性。这些局限性是研究工作所面临的挑战和有待解决的难题。(1).由于井下条件的限制, 加上各种不定因素的影响, 研究具有一定的风险性。(2).对套管尺寸有一定的要求。总的产气处理能力常受套管尺寸的制约。(3).产出气中含砂量的大小直接影响分离系统的工作效率, 这是值得进一步研究的问题。(4).井下分离出的水质一般难以达到地面的标准, 通常为污水携带油, 将这样/ 不纯0的水回注到地层中会不会对地层产生危害, 还有待进一步研究。(5).由于目前还没有经过长时间的现场使用检验, 无法进行使用寿命预测。同时, 井下部件的增加, 可能增加发生故障的概率。应进一步研究其可靠性、故障频率等。(6).井下的特殊工况, 要求使用性能更好的材料, 以增加其使用寿命。(7).井下测试资料的准确性是应用井下气液分离器的必要保证。从上述分析及对井下气液分离