井下氣液分離及同井回注技術的應用

摘 要

摘要：現有排水采氣技術雖然能夠有效地將井筒中的地層水采至地面，但也給地面的氣液分離帶來了困難，不僅需要建設大量的地面氣液分離設備，而且對所分離出的地層水的處理也需要投入
摘要：現有排水采氣技術雖然能夠有效地將井筒中的地層水采至地面，但也給地面的氣液分離帶來了困難，不僅需要建設大量的地面氣液分離設備，而且對所分離出的地層水的處理也需要投入大量的資金，影響著氣田的高效開發(fā)。為此，在對分離器的分離效率進行探討的基礎上，對井下氣液分離及同井回注技術在勝利油田氣井的應用效果、技術優(yōu)勢和存在的問題進行了討論?，F場生產表明：井下氣液分離及同井回注技術是在井下經過螺旋氣液分離器將出水氣井的產出液進行分離，然后將分離出的水在井下回注到另一水層或枯竭氣層中，該技術可以減少大量的地面設施、減少環(huán)境污染，具有較好的經濟效益和社會效益，也為勝利油田現已探明的34個淺層氣田的高效開采提供了有效的技術支撐。
關鍵詞：氣井；排水采氣；井下；氣水分離器；同井回注；效率；技術；勝利油田
0 引言
    勝利油氣區(qū)淺層氣藏多含有邊、底水，而由于淺層氣藏的氣井產量低、氣體流速慢，攜液能力差，一旦出水，在井底附近容易形成積液，造成氣井產氣量的減少甚至停產，國內現有的排水采氣工藝多是將井底積液采至地面，集中處理后經輸液管線由增壓設備回注到地層，但存在著地面設備多、投資大、污染環(huán)境等問題[1～3]。
    井下氣液分離及同井回注系統是一種結構簡單、體積小、投資低、效率高的排水采氣設備，能夠實現井下氣液分離、產出水同井回注的功能，可大幅度降低排水采氣的成本，是出水氣井開采中值得推廣的技術[4～6]。
1 工藝流程
圖1為井下氣液分離及同井回注系統工藝流程示意圖，工作原理是：氣層中噴出的氣水混合流穿過防砂管進入井筒，通過管柱的分流段，沿油管外壁向上流動，一直到螺旋氣液分離器。螺旋氣液分離器是一種結構簡單、新型、高效、緊湊的氣液分離裝置，氣水混合流進入分離器時，分離器中的固定式螺旋狀葉片使其旋轉，液滴由于慣性離心力的存在而甩向套管，被吸附在套管壁上；由于重力作用，液體和部分氣體通過套管與螺旋分離器的間隙在下部排出，而分離出的天然氣則繼續(xù)向上運動并沿軸向從設備頂部排出。
 
    氣液的分離屬于機械分離，即根據液體和氣體的重度差別，利用氣流方向和速度改變時的慣性作用，使液體和氣體簡單地相互分離，過程中間不存在物質之間的反應。螺旋氣液分離器用于實現氣-液分離的技術原理有碰撞聚結、離心分離和重力沉降。在井下螺旋氣液分離器內，水滴在螺旋運動過程中相互碰撞聚并，逐漸聚結成為大水滴，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壁匯集成水流后，沿套管內壁向下流動，一直流到分流管柱與套管內壁圍成的容器中，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，并由螺桿泵增壓后泵入油管，油管內的水柱壓力越聚越高，當其壓力高于下部注水層的壓力時，水通過管柱中心(回注管通道)向下回注到地層。另一方面，經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入輸氣管網。
2 工藝設備組成
    1) 地面驅動裝置安裝在井口，由驅動電機提供動力，并具有減速、變速和承受軸向力等作用。
    2) 螺桿泵是地層水回注的增壓設備，在驅動電機與螺桿泵之間有傳動桿聯接，驅動電機的動力通過傳動桿帶動螺桿泵旋轉，螺桿泵將井下分離出的液體增壓，為分離液回注提供動力。
    3) 氣液螺旋分離器是由設置在油套環(huán)空中的螺旋形隔板組成，氣液混合流在油套環(huán)形空間中向上快速流動，經過螺旋隔板時，在隔板的阻擋作用下開始旋轉，液滴在離心力作用下被甩到套管內壁上匯聚并形成液流，在重力作用下沿套管內壁向下流動并在儲液槽中儲存起來；氣體沿環(huán)形空間繼續(xù)上升至地面，從套管閥門處采出并進入輸氣管網。
    4) 防砂裝置由懸掛器、防砂管、封隔器、插管、篩管、單流閥等組成，上端是與回注裝置連接的油管內置密封接頭，其下依次有懸掛器(對整個防砂裝置起懸掛作用)、篩管、不銹鋼纖維濾砂管和封隔器，不銹鋼纖維濾砂管內置中心管等工具組成。其功能是防止井下出砂對機械系統的傷害，為系統的正常工作起防護作用。
    5) 地面監(jiān)控保護設備的主要功能是對氣井油壓、套壓、產氣量、產水量及井下液面的監(jiān)測和對系統中設備的保護，它對整個系統運行情況進行智能化全過程監(jiān)控。
3 分離器分離效率實驗
    通過在室內采用空氣與水為介質，利用自行設計的井下氣液分離器模擬井下氣液分離，從空氣介質中分離懸浮的水微粒。通過對實驗數據的測定，來檢測新型氣液分離器的分離效率。
3.1 實驗流程
    噴嘴用水由水泵供給，霧化所需壓縮空氣由空氣壓縮機產生。從水泵來的水與從空氣壓縮機來的高壓空氣混合后經過霧化噴嘴高速噴射，水被霧化為小水滴，隨氣流一起由下部進入氣液分離器。進入分離器后，水滴在離心力、浮力和重力的綜合作用下從氣相中分離出來，流向套管壁并沿液體匯聚槽向下流動，最后由底部導出，氣體環(huán)空中流動并從氣液分離器頂部逸出。
3.2 結論
    1) 氣體處理量不變條件下，分離效率隨注水量的變化無明顯的規(guī)律可循。但都具有較好的氣-水分離效果，其分離效率在90%以上，平均在95%左右(圖2)。
 
    2) 當注氣量增加時，分離效率略有降低，但分離效率基本在90%以上(圖3)。
 
4 現場應用
    在紅柳氣田墾東52-氣4井進行了現場試驗。
4.1 氣層情況
    墾東52-氣4井于2000年1月10日投產1號氣層，井段967.0～975.3m，射孔井段967.0～970.0m。投產初期套壓為9.0MPa，2.4mm氣嘴產氣能力為7640m3/d。實驗前，該井3.0mm氣嘴，油壓為5.0MPa、套壓為8.5MPa，產氣能力為4200m3/d，產水2.08m3/d，累計產氣305.66×104m3/d。
4.2 回注水層情況
    水層井段1039.3～1044.6m，電測解釋為水層，厚度為5.3m，平均滲透率為2.780μm2，含水飽和度為77.44%，孔隙度為35.77%，距離生產層64m。產氣層和注水層間套管外圍所注水泥致密，膠結良好，不存在串層情況。
4.3 實施效果
    該工藝技術在墾東52-氣4井應用后，解決了井底積液及產出液的處理問題，地面及井下設備運行平穩(wěn)，各項數據參數穩(wěn)定，產氣量為5200～6000m3/d，排水量為1.88～3.98m3/d，比實驗前增加氣量近2000m3/d，充分證實了設備的可靠性及工藝方案的可行性。
5 結束語
5.1 優(yōu)點
    1) 減少了因井底積液造成的氣井壓力損失，提高了產氣量和氣藏最終采收率。
    2) 減少了地面污水處理設施對出水氣井生產的制約，減少了污水處理費用，特別適用于邊遠出水氣井開發(fā)，能夠大幅度降低污水處理的投資，有顯著的經濟和環(huán)保效果。
    3) 勝利油田現探明淺層氣田34個，大多含有邊水或底水，該工藝的應用將為勝利油田淺層出水氣井的開采提供有效的技術支撐。
5.2 存在的問題
    1) 雖然室內分離試驗表明，該技術具有較好的分離效果，但井下分離效果難以監(jiān)測，回注污水對地層造成損害還有待于現場的進一步檢驗。
    2) 由于完井和修井作業(yè)費用昂貴，同時由于井下部件的增多，結構復雜，增加了修井作業(yè)的難度，事故率也會加大，應提高井內設備可靠性和使用壽命。
    3) 對回注水量的計量與壓力監(jiān)測比較困難。
    4) 雖然地面監(jiān)控系統能夠較為準確地掌握井下狀況，但對系統的生產和注水參數的調節(jié)依舊需要有經驗的操作人員完成，因此應對監(jiān)控數據進行自動調節(jié)，即研制一套完善的智能系統。
參考文獻
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(本文作者：趙勇1 賈浩民2 李敏1 屈子恒3 王偉波1 1.中國石化勝利油田分公司油氣集輸總廠；2.中國石油長慶油田公司采氣一廠；3.上海東方世紀學校)