CN112949218B - 一种特高含水水平井油水旋流分离器分离效果的评价方法 - Google Patents

一种特高含水水平井油水旋流分离器分离效果的评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于石油工程技术领域，具体涉及一种特高含水水平井油水旋流分离器分离效果的评价方法，1、根据特高含水水平井油水流动特性，确立水平旋流分离器的入口几何参数、入口位置与入口流向；2、以二锥段旋流分离器为初始旋流分离器采用ERT观测流体，确立水平旋流分离器内油水两相流的时空演化规律；3、依据油水两相流的时空演化规律，通过对速度场和组分分布的分析确立利于油水两相流分离的因素；4、依据利于油水两相流分离的因素，修改初始旋流分离器的参数，确立特高含水水平旋流分离器的形状与参数；5、建立特高含水水平旋流分离器分离阈值预测模型，评价分离器的油水分离效果。为水平井同井注采工艺的实施提供了有力保证。

Description

一种特高含水水平井油水旋流分离器分离效果的评价方法
技术领域：
本发明属于石油工程技术领域，具体涉及一种特高含水水平井油水旋流分离器分离效果的评价方法。
背景技术：
同井注采是一种新型的石油开发工艺，它可以延长油田开采寿命、提高油气采收率。同井注采的关键技术是井下油水分离，实现油水分离的部件叫油水旋流分离器，旋流分离器的主要功能是将油井生产出的原油和水进行有效分离并且分别提取，这可以使得生产利益最大化。随着石油生产需要和石油科技的进步，根据不同的油井情况，石油工程师设计研制了各式各样的油水旋流分离器，比如重力式、过滤式和离心式等等，不同的油水旋流分离器适用于的不同的生产条件，分离效果也各不相同。目前，油水旋流分离器都应用在垂直井作业上。水平井可以增加与油藏的接触面积，改善和控制油藏内的压降或注入压力剖面，能够更好的增加油井产能。水平井同样可采用同井注采技术提高油气采收率，但目前没有合适的水平油水旋流分离器且缺乏有效的分离效果评价方法，这阻碍了水平井同井注采工艺的实施。
本发明在现有油水旋流分离器的基础上，利用电阻层析成像技术优化设计了一种新水平油水旋流分离器，并采用灰关联法对该分离器的分离效果进行评价。
发明内容：
本发明的目的是提供一种特高含水水平井油水旋流分离器分离效果的评价方法，解决目前水平井由于缺乏井下油水旋流分离器而无法实现同井注采工艺的问题。
本发明采用的技术方案为：
一种特高含水水平井油水旋流分离器分离效果的评价方法，所述评价方法包括以下步骤：
步骤一、根据特高含水水平井油水流动特性，确立水平旋流分离器的入口几何参数、入口位置与入口流向；
特高含水水平井中油水流动特性获取方法如下：
采用PIV技术观测特高含水水平模拟井中油水流动特性，其具有以下特性：油相为离散相，主要以细小泡状流的形式分散在管道的上壁，水相为连续相，主要在油相的下部分流动；
旋流分离器入口参数设置如下：由下往上、斜切向进入作为流体的入口方向可以减小流体速度损失和力量损失；流体入口形状为“外小内大”的矩形变截面形，其中入口外径da＝10mm，内径db＝15mm，入口长为25mm，旋流器入口位置距离上管壁
Figure GDA0003191194430000021
式中d为管道直径；
步骤二、以二锥段旋流分离器为初始旋流分离器，采用电阻层析成像(ElectricalResistance Tomography，ERT)观测流体，确立水平旋流分离器内油水两相流的时空演化规律；
确立水平旋流分离器内流体的时空演化规律的方法如下：
n台ERT成像仪所获流动参数如下：
油相流速为U＝(u1,u2,...,ui,...,un)，式中ui第i台ERT成像仪所获油相流速，水相流速为V＝(v1,v2,...,vi,...,vn)，式中vi为第i台ERT成像仪所获水相流速，含油率分布函数H＝(h(x1,y1),h(x2,y2),h(x2,y2),...,h(xi,yi),...,h(xn,yn))，式中h(xi,yi)第i台ERT成像仪所获油相分布函数，含水率分布函数W＝(w(x1,y1),w(x2,y2),w(x2,y2),...,w(xi,yi),...,w(xn,yn))，式中w(xi,yi)第i台ERT成像仪所获水相分布函数；
水平旋流分离器内流体的时空演化规律采用下式表示：
Figure GDA0003191194430000031
式中，Δt是油水两相流流经相邻两台ERT成像仪所需时间，dui、dvi、dh(xi,yi)、dw(xi,yi)分别是油水两相流在从第i-1台ERT成像仪到第i台ERT成像仪区间的油相速度平均变化率、水相速度平均变化率、含油率分布函数变化率、含水率分布函数变化率；
步骤三：依据油水两相流的时空演化规律，通过对速度场和组分分布的分析确立利于油水两相流分离的因素；
对速度场和组分分布确立利于油水两相流分离的因素方法如下：
依据dui、dvi插值形成油水两相流的速度曲线，考察油相切向速度变化率duli、油相法向速度变化率duri、水相切向速度变化率dvli、水相法向速度变化率dvri，依据dh(xi,yi)、dw(xi,yi)形成油相组分分布曲线和水相组分分布曲线，固定油相切向速度变化率duli、油相法向速度变化率duri、水相切向速度变化率dvli、水相法向速度变化率dvri的四个参量中的三个参量，增加剩余参量的值，如果dh(xi,yi)在某区域的值越来越大、并且该区域越来越小，那么该剩余参量就是决定油水分离的主要因素；
步骤四、依据利于油水两相流分离的因素，修改初始旋流分离器的参数，确立特高含水水平旋流分离器的形状与参数；
特高含水水平旋流分离器的形状与参数如下：
旋流腔直径Dc＝61mm，旋流腔腔长Lcy＝58mm；分离腔上侧曲面弧度为0.17，分离腔下侧曲面弧度为0.09，分离腔长为Lc＝425mm；尾流管直径du＝21mm，尾流管长Lu＝70mm；出油管直径d0＝5mm，出油管长Lo＝25mm；出液管直径dw＝10mm，出液管长Lw＝25mm；
步骤五、建立特高含水水平旋流分离器分离阈值预测模型，评价水平旋流分离器的油水分离效果；
特高含水产液含水率不同，其分离后的含水率也不会完全相同，因此评价特高含水水平旋流器的油水分离指标也不完全相同，由于油水两相流的流动符合能量释放原理，而灰色系统理论符合能量释放原理，故可采用灰色系统理论来判定分离阈值。含水率95.8％、96.8％、97.8％、98.8％、99.8％的油水两相流分离后期望含水率分别为92.3％、92.4％、92.7％、93.0％、93.3％，含水率从95.0％到99.8％，以0.1％为步进建立特高含水水平旋流分离器分离阈值预测模型；
采用灰关联评价特高含水水平旋流分离器的油水分离效果的方法如下：
特高含水水平旋流分离器分离阈值灰预测模型如下：
Figure GDA0003191194430000051
式中，
Figure GDA0003191194430000052
为特高含水水平旋流器的油水分离器出油管道末端的含水率的灰预测值，ht为特高含水水平旋流器的油水分离器出油管道末端的含水率，α为特高含水水平旋流器的油水分离器出油管道末端的含水率GM(1,1)灰发展系数，μ是特高含水水平旋流器的油水分离器出油管道末端的含水率GM(1,1)灰作用量，t为步进序号，α和μ的获取方法为：
Figure GDA0003191194430000053
其中，B为特高含水水平旋流器的油水分离器出油管道末端的含水率灰矩阵，Y为特高含水水平旋流器的油水分离器出油管道末端的含水率原始矩阵，B和Y的计算公式如下：
Figure GDA0003191194430000054
式中，z(1)(t)为特高含水水平旋流器的油水分离器出油管道末端的含水率背景序列，其表达式如下：
z(1)(t)＝0.5ht+0.5ht-1
特高含水水平旋流分离器分离效果评价模型如下：
Figure GDA0003191194430000061
式中，λ为分离评价系数，在特高含水水平旋流分离器评价中取0.003；
步骤六、如果分离效果满足设计要求，则特高含水水平旋流分离器采用步骤四中的形状与参数；如果分离效果不满足设计要求，重复步骤二至步骤六直至满足设计要求为止。
本发明的有益效果：提供了一种特高含水水平井油水旋流分离器分离效果的评价方法，解决目前水平井由于缺乏井下油水旋流分离器而无法实现同井注采工艺的问题。其主要优点如下：
(1)、优化了特高含水水平旋流分离器，为特高含水水平井同井注采工艺的实施提供了关键部件；
(2)、建立特高含水水平旋流分离器分离阈值预测模型，通过该模型可准确评价油水分离效果。
附图说明：
图1是实施例一中评价方法的流程框图；
图2是实施例一中分离效果图；
图3实施例一中水平旋流分离器的形状示意图；
具体实施方式：
实施例一
参照各图，一种特高含水水平井油水旋流分离器分离效果的评价方法，所述评价方法包括以下步骤：
步骤一、根据特高含水水平井油水流动特性，确立水平旋流分离器的入口几何参数、入口位置与入口流向；
特高含水水平井中油水流动特性获取方法如下：
采用PIV技术观测特高含水水平模拟井中油水流动特性，其具有以下特性：油相为离散相，主要以细小泡状流的形式分散在管道的上壁，水相为连续相，主要在油相的下部分流动；
旋流分离器入口参数设置如下：由下往上、斜切向进入作为流体的入口方向可以减小流体速度损失和力量损失；流体入口形状为“外小内大”的矩形变截面形，其中入口外径da＝10mm，内径db＝15mm，入口长为25mm，旋流器入口位置距离上管壁
Figure GDA0003191194430000071
式中d为管道直径；
步骤二、以二锥段旋流分离器为初始旋流分离器，采用ERT观测流体，确立水平旋流分离器内油水两相流的时空演化规律；
确立水平旋流分离器内流体的时空演化规律的方法如下：
n台ERT成像仪所获流动参数如下：
油相流速为U＝(u1,u2,...,ui,...,un)，式中ui第i台ERT成像仪所获油相流速，水相流速为V＝(v1,v2,...,vi,...,vn)，式中vi为第i台ERT成像仪所获水相流速，含油率分布函数H＝(h(x1,y1),h(x2,y2),h(x2,y2),...,h(xi,yi),...,h(xn,yn))，式中h(xi,yi)第i台ERT成像仪所获油相分布函数，含水率分布函数W＝(w(x1,y1),w(x2,y2),w(x2,y2),...,w(xi,yi),...,w(xn,yn))，式中w(xi,yi)第i台ERT成像仪所获水相分布函数；
水平旋流分离器内流体的时空演化规律采用下式表示：
Figure GDA0003191194430000081
式中，Δt是油水两相流流经相邻两台ERT成像仪所需时间，dui、dvi、dh(xi,yi)、dw(xi,yi)分别是油水两相流在从第i-1台ERT成像仪到第i台ERT成像仪区间的油相速度平均变化率、水相速度平均变化率、含油率分布函数变化率、含水率分布函数变化率；
步骤三：依据油水两相流的时空演化规律，通过对速度场和组分分布的分析确立利于油水两相流分离的因素；
对速度场和组分分布确立利于油水两相流分离的因素方法如下：
依据dui、dvi插值形成油水两相流的速度曲线，考察油相切向速度变化率duli、油相法向速度变化率duri、水相切向速度变化率dvli、水相法向速度变化率dvri，依据dh(xi,yi)、dw(xi,yi)形成油相组分分布曲线和水相组分分布曲线，固定油相切向速度变化率duli、油相法向速度变化率duri、水相切向速度变化率dvli、水相法向速度变化率dvri的四个参量中的三个参量，增加剩余参量的值，如果dh(xi,yi)在某区域的值越来越大、并且该区域越来越小，那么该剩余参量就是决定油水分离的主要因素；
步骤四、依据利于油水两相流分离的因素，修改初始旋流分离器的参数，确立特高含水水平旋流分离器的形状与参数；
特高含水水平旋流分离器的形状与参数如下：
旋流腔直径Dc＝61mm，旋流腔腔长Lcy＝58mm；分离腔上侧曲面弧度为0.17，分离腔下侧曲面弧度为0.09，分离腔长为Lc＝425mm；尾流管直径du＝21mm，尾流管长Lu＝70mm；出油管直径d0＝5mm，出油管长Lo＝25mm；出液管直径dw＝10mm，出液管长Lw＝25mm；
步骤五、建立特高含水水平旋流分离器分离阈值预测模型，评价水平旋流分离器的油水分离效果；
特高含水产液含水率不同，其分离后的含水率也不会完全相同，因此评价特高含水水平旋流器的油水分离指标也不完全相同，由于油水两相流的流动符合能量释放原理，而灰色系统理论符合能量释放原理，故可采用灰色系统理论来判定分离阈值。含水率95.8％、96.8％、97.8％、98.8％、99.8％的油水两相流分离后期望含水率分别为92.3％、92.4％、92.7％、93.0％、93.3％，含水率从95.0％到99.8％，以0.1％为步进建立特高含水水平旋流分离器分离阈值预测模型；
采用灰关联评价特高含水水平旋流分离器的油水分离效果的方法如下：
特高含水水平旋流分离器分离阈值灰预测模型如下：
Figure GDA0003191194430000091
式中，
Figure GDA0003191194430000092
为特高含水水平旋流器的油水分离器出油管道末端的含水率的灰预测值，ht为特高含水水平旋流器的油水分离器出油管道末端的含水率，α为特高含水水平旋流器的油水分离器出油管道末端的含水率GM(1,1)灰发展系数，μ是特高含水水平旋流器的油水分离器出油管道末端的含水率GM(1,1)灰作用量，t为步进序号，α和μ的获取方法为：
Figure GDA0003191194430000101
其中，B为特高含水水平旋流器的油水分离器出油管道末端的含水率灰矩阵，Y为特高含水水平旋流器的油水分离器出油管道末端的含水率原始矩阵，B和Y的计算公式如下：
Figure GDA0003191194430000102
式中，z(1)(t)为特高含水水平旋流器的油水分离器出油管道末端的含水率背景序列，其表达式如下：
z(1)(t)＝0.5ht+0.5ht-1
特高含水水平旋流分离器分离效果评价模型如下：
Figure GDA0003191194430000103
式中，λ为分离评价系数，在特高含水水平旋流分离器评价中取0.003；
步骤六、如果分离效果满足设计要求，则特高含水水平旋流分离器采用步骤四中的形状与参数；如果分离效果不满足设计要求，重复步骤二至步骤六直至满足设计要求为止。
采用不同含水率的特高含水油水两相流做油水分离，分离前后的含水率如图2所示，由图2可知，分离后所有的含水率都在期待阈值之下，故说明本评价方法有效。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明只局限于上述具体实施。在不脱离本发明整体思路和权利要求所保护的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种特高含水水平井油水旋流分离器分离效果的评价方法，其特征在于：所述评价方法包括以下步骤：
步骤一、根据特高含水水平井油水流动特性，确立水平旋流分离器的入口几何参数、入口位置与入口流向；
特高含水水平井中油水流动特性获取方法如下：
采用PIV技术观测特高含水水平模拟井中油水流动特性，其具有以下特性：油相为离散相，主要以细小泡状流的形式分散在管道的上壁，水相为连续相，主要在油相的下部分流动；
步骤二、以二锥段旋流分离器为初始旋流分离器，采用电阻层析成像观测流体，确立水平旋流分离器内油水两相流的时空演化规律；
确立水平旋流分离器内流体的时空演化规律的方法如下：
n台ERT成像仪所获流动参数如下：
油相流速为U＝(u1,u2,...,ui,...,un)，式中ui为第i台ERT成像仪所获油相流速，水相流速为V＝(v1,v2,...,vi,...,vn)，式中vi为第i台ERT成像仪所获水相流速，含油率分布函数H＝(h(x1,y1),h(x2,y2),h(x2,y2),...,h(xi,yi),...,h(xn,yn))，式中h(xi,yi)为第i台ERT成像仪所获油相分布函数，含水率分布函数W＝(w(x1,y1),w(x2,y2),w(x2,y2),...,w(xi,yi),...,w(xn,yn))，式中w(xi,yi)为第i台ERT成像仪所获水相分布函数；
水平旋流分离器内流体的时空演化规律采用下式表示：
Figure FDA0003191194420000021
式中，Δt是油水两相流流经相邻两台ERT成像仪所需时间，dui、dvi、dh(xi,yi)、dw(xi,yi)分别是油水两相流在从第i-1台ERT成像仪到第i台ERT成像仪区间的油相速度平均变化率、水相速度平均变化率、含油率分布函数变化率、含水率分布函数变化率；
步骤三：依据油水两相流的时空演化规律，通过对速度场和组分分布的分析确立利于油水两相流分离的因素；
对速度场和组分分布确立利于油水两相流分离的因素方法如下：
依据dui、dvi插值形成油水两相流的速度曲线，考察油相切向速度变化率duli、油相法向速度变化率duri、水相切向速度变化率dvli、水相法向速度变化率dvri，依据dh(xi,yi)、dw(xi,yi)形成油相组分分布曲线和水相组分分布曲线，固定油相切向速度变化率duli、油相法向速度变化率duri、水相切向速度变化率dvli、水相法向速度变化率dvri的四个参量中的三个参量，增加剩余参量的值，如果dh(xi,yi)在某区域的值越来越大、并且该区域越来越小，那么该剩余参量就是决定油水分离的主要因素；
步骤四、依据利于油水两相流分离的因素，修改初始旋流分离器的参数，确立特高含水水平旋流分离器的形状与参数；
步骤五、建立特高含水水平旋流分离器分离阈值预测模型，评价水平旋流分离器的油水分离效果；
采用灰关联评价特高含水水平旋流分离器的油水分离效果的方法如下：
特高含水水平旋流分离器分离阈值灰预测模型如下：
Figure FDA0003191194420000031
式中，
Figure FDA0003191194420000032
为特高含水水平旋流器的油水分离器出油管道末端的含水率的灰预测值，ht为特高含水水平旋流器的油水分离器出油管道末端的含水率，α为特高含水水平旋流器的油水分离器出油管道末端的含水率GM(1,1)灰发展系数，μ是特高含水水平旋流器的油水分离器出油管道末端的含水率GM(1,1)灰作用量，t为步进序号，α和μ的获取方法为：
Figure FDA0003191194420000033
其中，B为特高含水水平旋流器的油水分离器出油管道末端的含水率灰矩阵，Y为特高含水水平旋流器的油水分离器出油管道末端的含水率原始矩阵，B和Y的计算公式如下：
Figure FDA0003191194420000041
式中，z(1)(t)为特高含水水平旋流器的油水分离器出油管道末端的含水率背景序列，其表达式如下：
z(1)(t)＝0.5ht+0.5ht-1
特高含水水平旋流分离器分离效果评价模型如下：
Figure FDA0003191194420000042
式中，λ为分离评价系数，在特高含水水平旋流分离器评价中取0.003；
步骤六、如果分离效果满足设计要求，则特高含水水平旋流分离器采用步骤四中的形状与参数；如果分离效果不满足设计要求，重复步骤二至步骤六直至满足设计要求为止。
2.根据权利要求1所述的一种特高含水水平井油水旋流分离器分离效果的评价方法，其特征在于：所述步骤一中的旋流分离器入口参数设置如下：由下往上、斜切向进入作为流体的入口方向可以减小流体速度损失和力量损失；流体入口形状为“外小内大”的矩形变截面形，其中入口外径da＝10mm，内径db＝15mm，入口长为25mm，旋流器入口位置距离上管壁
Figure FDA0003191194420000051
式中d为管道直径。
3.根据权利要求1所述的一种特高含水水平井油水旋流分离器分离效果的评价方法，其特征在于：所述步骤四中特高含水水平旋流分离器的形状与参数如下：
旋流腔直径Dc＝61mm，旋流腔腔长Lcy＝58mm；分离腔上侧曲面弧度为0.17，分离腔下侧曲面弧度为0.09，分离腔长为Lc＝425mm；尾流管直径du＝21mm，尾流管长Lu＝70mm；出油管直径d0＝5mm，出油管长Lo＝25mm；出液管直径dw＝10mm，出液管长Lw＝25mm。
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