CN113006767A - 井下油水分离器及其分离系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是井下油水分离器及其分离系统，其中井下油水分离器包括分离腔、油流管路、水流管路，分离腔的下端口为分离器进液口，分离器内设置多组隔板，各隔板倾斜且平行设置，多组隔板形成供油水混合液初步分离的缓冲空间；分离腔的顶部设置油流管路、水流管路，多组隔板位于油流管路、水流管路之间，各隔板的高位侧与油流管路对应，各隔板的低位侧与水流管路对应；油流管路和水流管路均向上延伸并形成相应的管路出口，油油流管路的内部包括多个交替设置的大截面段和小截面段，水流管路的长度大于油流管路的长度。本发明能自动识别流体类型，使不同类型的流体沿不同的管路流动，从而调整井下采出液的流量和含水率；油水分离效率高，处理量大。

Description

井下油水分离器及其分离系统

技术领域：

本发明涉及的是在井内分离井中所产物质的装置，具体涉及的是井下油水分离器及其分离系统。

背景技术：

随着油田开采时间的增长，产出液中含水率逐年增加，为此需要耗费大量人力物力对产出液进行分离处理，并将处理后的水回注到注水层，这使得油井经济效益显著降低。井下油水分离系统是指将油水分离器直接安装在井底，分离出产液中的绝大部分水并直接回注到注水层，而只将富油液体举升到地表，大幅减小地面产出液处理量，降低原油生产费用，并减少地面污水排放量。

目前，有两种井下油水分离技术得到广泛利用，分别为重力分离器和水力旋流器。重力分离器利用油水密度不同引起的重力差异进行分离，重质相的水下沉，而轻质相的油漂浮在水层上，从而实现油水的分离；水力旋流器则利用油水在高速旋转流场的离心力差异实现分离，重质相的水被甩向边壁，螺旋向下运动并从底流口流出，而轻质相的油则在旋流器中心轴附近形成油核，从上部的溢流口流出，从而达到油水分离的目的。

然而，在有限的井筒空间内，这两种井下油水分离器均存在较大局限性，主要表现为重力分离器体积大、分离效果差、分离效率低，水力旋流器附加压降过大、处理量低，这限制了井下油水分离技术在稠油油藏、深水开发以及高温高压环境的使用和推广。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种井下油水分离器及分离系统，以克服现有技术的缺陷。

发明内容：

本发明的目的是提供井下油水分离器及其分离系统，这种井下油水分离器及其分离系统用于解决现有井下油水分离装置体积大分离效率低或处理量低，而影响在稠油油藏、深水开发以及高温高压环境的使用和推广的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种井下油水分离器包括分离腔、油流管路、水流管路，分离腔的下端口为分离器进液口，分离器内设置多组隔板，各隔板倾斜且平行设置，多组隔板形成供油水混合液初步分离的缓冲空间；分离腔的顶部设置油流管路、水流管路，多组隔板位于油流管路、水流管路之间，各隔板的高位侧与油流管路对应，各隔板的低位侧与水流管路对应；

油流管路的上端向上延伸并形成油流管路出口，油流管路的内部包括多个交替设置的大截面段和小截面段，油流管路的内表面涂有阻碍水流动的涂层；

水流管路的上端向上延伸并形成水流管路出口，水流管路的长度大于所述油流管路的长度，水流管路的内表面涂有阻碍油流动的涂层。

上述方案中油流管路的下端高于水流管路的下端；水流管路与油流管路并列设置，为油水混合液的二次分离提供驱动力；油流管路对油流的阻碍力小于水流管路，形成供油水分离后富油液体流动的过流通道；水流管路对水流的阻碍力小于油流管路，形成供油水分离后富水液体流动的过流通道。

上述方案中油流管路沿直线向上延伸，油流管路由多段大直径钢管和多段小直径钢管交替连接构成；水流管路弯曲盘绕向上延伸，水流管路由弯曲钢管构成。

上述方案中分离腔的下部为缓冲腔，分离器进液口位于缓冲腔的下端，多组隔板位于缓冲腔之上，油流管路的下端和水流管路的下端均与缓冲腔连通。

一种所述井下油水分离器构成的井下油水分离系统包括顶部封隔器、筛管、隔离封隔器和油水分离管柱；筛管设置于油井套管内，筛管与油井套管之间有环空，顶部封隔器设置在筛管的上端，顶部封隔器将筛管上端与油井套管之间的环空封闭，隔离封隔器设置在筛管的中部，顶部封隔器与隔离封隔器之间为注水层，隔离封隔器的下方为产液层；

油水分离管柱包括井下油水分离器、插入密封装置和油管，油管上端口连接井下油水分离器的分离器进液口，油管向下伸入到筛管中，油管下端口与产液层相对应，插入密封装置通过油管连接在井下油水分离器的下方，插入密封装置位于筛管中且与隔离封隔器密封插接配合；水流管路出口与注水层连通；油流管路出口连通到地表。

上述方案中井下油水分离器的上方设有上部罐装泵，井下油水分离器与插入密封装置之间设有下部罐装泵。

上述方案中上部罐装泵与所述井下油水分离器之间设有封隔器。

上述方案中插入密封装置的下端连接带孔管。

上述方案中井下油水分离系统内形成有产出液流入通道、富油液体举升通道和低含油液体回注通道；产出液流入通道将分离器进液口与产液层连通；富油液体举升通道将油流管路的下端与地表连通；低含油液体回注通道将水流管路的上端与注水层连通。

上述方案中井下油水分离器的上方通过管柱串接一个或多个井下油水分离器，对富油液体逐步进行油水分离。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明井下油水分离器的油流管路内具有大小交替设置的过流面积，以局部阻力损失为主；水流管路的内部具有均匀的过流面积，且长度大于油流管路的长度，以沿程阻力损失为主。当油水两相混合流体进入该井下油水分离器后，油水将自动分离并进入不同的管路，粘度较高的油相主要流入以局部阻力损失为主的油流管路，并沿油管举升到地表；粘度较低的水相主要流入以沿程阻力损失为主的水流管路，并回注到注水层，从而实现对油水两相混合流体的分离，油水分离效率高，处理量大。

2、本发明能自动识别流体类型，使不同类型的流体沿不同的管路流动，从而调整井下采出液的流量和含水率；油水分离效率高，处理量大。

附图说明：

图1为本发明井下油水分离器的结构示意图。

图2为本发明井下油水分离系统的结构示意图。

图中：1.上部罐装泵，2.封隔器，

3.井下油水分离器，31.分离器进液口，32.隔板，

4.下部罐装泵，5.油管，6.顶部封隔器，7.筛管，8.隔离封隔器，9.插入密封装置，10.带孔管，

11.油流管路，111.油流管路入口，112.油流管路出口，

12.水流管路，121.水流管路入口，122.水流管路出口，

131.大直径钢管，132.小直径钢管，133.直管段，

14.弯曲管段，

A.产出液流入通道，B.富油液体举升通道，C.低含油液体回注通道，W.注水层，P.产液层。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

实施例1：

如图1所示，这种井下油水分离器包括分离腔、油流管路11、水流管路12，分离腔的下端口为分离器进液口31，分离器内设置多组隔板32，各隔板32倾斜且平行设置，多组隔板形成供油水混合液初步分离的缓冲空间；分离腔的顶部设置油流管路11、水流管路12，多组隔板32位于油流管路11、水流管路12之间，各隔板32的高位侧与油流管路11对应，各隔板32的低位侧与水流管路12对应。

分离器进液口31设在井下油水分离器3的下端，井下采出液从所述分离器进液口31进入该井下油水分离器3内部。油流管路11的下端（油流管路入口111）和水流管路12的下端（水流管路入口121）均与所述分离器进液口31连通，所述水流管路12与所述油流管路11并列设置。所述油流管路11的上端向上延伸并形成油流管路出口112，富油液体从油流管路出口112流出并经过举升到达地表。所述油流管路11的内部形成供液体流动的过流通道，所述过流通道包括多个交替设置的大截面段和小截面段，所述大截面段的过流面积大于所述小截面段的过流面积。因此，油流管路11内以局部摩擦阻力损失（局部阻力损失）为主，局部摩擦阻力是指流体的边界在局部地区发生急剧变化时，迫使主流脱离边壁而形成漩涡，流体质点间产生剧烈的碰撞所形成的阻力。油流管路11内的过流面积变化多，故局部摩擦阻力损失大。所述水流管路12的上端向上延伸并形成水流管路出口122，低含油液体从水流管路出口122流出，流到井下油水分离器3的外部。所述水流管路12内部的过流面积均相同；所述水流管路12的长度大于所述油流管路11的长度。因此，水流管路12内以沿程阻力损失为主，沿程阻力是流体流经一定管径的管路时，由于流体内摩擦力而产生的阻力，阻力的大小与流动路程长度成正比。由于水流管路12的路程长度长，故沿程阻力损失大。

当产液层P产出的流体（油水混合相）流经井下油水分离器3之前，油水两相尚未分离，具有相同压力，当油流管路出口112与水流管路出口122处压力相等时，亦即驱动两相流体运动的压差相等时，油水两相流体将会自动向可以减少压力损耗的流道流动，根据流体力学公式，由于油相流体粘度较大，密度较小，其流动压力损耗主要来自沿程摩擦阻力，又因为水流管路12流道长，对流体的沿程阻力损失大，即油流管路11对油相流体的阻力小于水流管路12对该流体的阻力，故油相液体更倾向于流向油流管路11；而水相粘度低，密度大，其流动压力损耗主要来自局部摩阻损失，油流管路11由于过流面积变化较多，对流体的局部阻力损失大，即水流管路12对水相流体的阻力小于油流管路11对该流体的阻力，故水相液体更倾向于流向水流管路12。

在本实施例中，油流管路11沿直线向上延伸，可以由多段大直径钢管131和多段小直径钢管132交替连接构成；所述大直径钢管131的内径大于所述小直径钢管132的内径；也可以采用一根直钢管，而直钢管内具有大小交替设置的不同内径段。其阻力主要为局部水头损失，阻力大小与管路的分段数、管径有关。所述水流管路12采用弯曲盘绕方式向上延伸来延长管路长度，采用该设置方式的原因和目的为：由于两点之间的直线距离最短，油流管路11是沿直线向上延伸的，因此为了使所述水流管路12的长度大于所述油流管路11的长度，所采用的弯曲盘绕方式是指向上延伸的路径除了直线以外的任何其它方式，可以是曲线，也可以是曲线与直线相组合的形式，也可以是折线形式向上延伸。当采用曲线时可以螺旋向上盘绕，也可以是S形向上盘绕。具体实施时可以由弯曲钢管构成；也可以采用多个直管段133与多个弯曲管段14连接组成，所述水流管路12的长度为油流管路11长度的数倍。其阻力主要为沿程水头损失，阻力大小与管路的长度有关。所述油流管路出口112与所述水流管路出口122位于同一高度，油流管路出口112朝上便于与油管5或其它零件串接，水流管路出口122朝向井下油水分离器3的一侧，便于低含油液体流出井下油水分离器3进入注水层W，油流管路11和水流管路12可以分别只设置一个或分别设置多个。另外，井下油水分离器3的下部还可以设置一缓冲腔，所述分离器进液口31位于所述缓冲腔的下端，所述油流管路11的下端和所述水流管路12的下端均与所述缓冲腔连通。井下采出液从所述分离器进液口31进入到缓冲腔内，低含油液体从缓冲腔进入水流管路12，富油液体从缓冲腔进入油流管路11，从而将井下采出液的油和水分离。

由此可以看出，该井下油水分离器的油流管路11内具有大小交替设置的过流面积，以局部阻力损失为主；水流管路12的内部具有均匀的过流面积，且长度大于油流管路的长度，以沿程阻力损失为主。当油水两相混合流体进入该井下油水分离器后，油水将自动分离并进入不同的管路，粘度较高的油相主要流入以局部阻力损失为主的油流管路11，并沿油管举升到地表；粘度较低的水相主要流入以沿程阻力损失为主的水流管路12，并回注到注水层，从而实现对油水两相混合流体的分离，油水分离效率高，处理量大。

实施例2：

如图2所示，本发明还提供了一种井下油水分离系统，由井下油水分离器3构成，该井下油水分离系统设置在油井的套管内，包括顶部封隔器6、筛管7、隔离封隔器8和油水分离管柱。筛管7设置于油井套管内，所述顶部封隔器6螺纹连接在所述筛管7的上端，所述隔离封隔器8螺纹连接在所述筛管7的中部。筛管7与油井套管之间有环形空间，顶部封隔器8将筛管上端与油井套管之间的环空封闭，顶部封隔器6与所述隔离封隔器8之间的环形空间与注水层W对应，所述隔离封隔器8下方的环形空间与产液层P对应，隔离封隔器8将注水层W和产液层P隔离开。

油水分离管柱下入到油井套管中，并穿过顶部封隔器6、筛管7和隔离封隔器8。所述油水分离管柱至少包括所述井下油水分离器3、插入密封装置9和油管5，井下油水分离器3可以采用一个或多个串接在管柱上，所述插入密封装置9通过所述油管5连接在所述井下油水分离器3的下方，所述插入密封装置9与所述隔离封隔器8密封插接配合，插入密封装置9插入到隔离封隔器8内，将隔离封隔器8的上方与下方隔离。井下油水分离器3下端螺纹连接油管5，分离器进液口31与油管5相连，所述水流管路出口122与所述注水层W连通；所述油流管路出口112通过油管5连通到地表。通过地层的压力，产液层P的产出液进入油管5中，并流到井下油水分离器3，经过井下油水分离器3将油水混合液中的富油液体和低含油液体进行分离，分离后的富油液体通过油管5举升到地表；分离后的低含油液体回注到注水层W。

在本实施例的一个实施方式中，油水分离管柱包括从上而下依次通过油管5串接的上部罐装泵1、井下油水分离器3、下部罐装泵4、插入密封装置9和带孔管10。上部灌装泵与所述井下油水分离器3之间还可以设有封隔器2。其中上部罐装泵1与油水分离器的油流管路11串接，即油流管路出口112与上部罐装泵1连通。井下油水分离器3的下端与下部罐装泵4连接，上部罐装泵1和下部罐装泵4的作用是产生举升的驱动力，只设置上部罐装泵1或下部罐装泵4其中一个也可以；带孔管10用来供产出液流入到油管5内。油水分离管柱与套管和筛管7之间均具有环形空隙。从而，在分离系统内形成有产出液流入通道A、富油液体举升通道B和低含油液体回注通道C。

所述产出液流入通道A是指从产液层P到分离器进液口31的这段通道，将所述分离器进液口31与所述产液层P连通，产出液经过产出液流入通道A流到分离器进液口31。所述富油液体举升通道B是指油流管路11及其上方与地表连通的这段通道，富油液体通过富油液体举升通道B举升到地表。所述低含油液体回注通道C是指水流管路12及与注水层W连通的环空，低含油液体通过低含油液体回注通道C回注到注水层W。

该井下油水分离系统的工作过程是，流体从产液层P通过筛管7后，首先进入设置在筛管7内的带孔管10，在下部罐装泵4举升下进入井下油水分离器3，即产出液流入通道A；流体进入油水分离器后，根据其性质不同，分别沿富油液体举升通道B和低含油液体回注通道C流出，油相流体粘度较大，将主要流入油流管路11，并从油流管路出口112排出后，在上部罐装泵1作用下举升到地表。而水相流体粘度较小，将主要流入水流管路12，并从水流管路出口122排出后，通过低含油液体回注通道C回注到注水层W。

由上所述，该井下油水分离器的油流管路内具有大小交替设置的过流面积，以局部阻力损失为主；水流管路12的内部具有均匀的过流面积，且长度大于油流管路11的长度，以沿程阻力损失为主。当油水两相混合流体进入该井下油水分离器后，油水将自动分离并进入不同的管路，粘度较高的油相主要流入以局部阻力损失为主的油流管路11，并沿油管举升到地表；粘度较低的水相主要流入以沿程阻力损失为主的水流管路12，并回注到注水层，从而实现对油水两相混合流体的分离，油水分离效率高，处理量大。

Claims (10)

1.一种井下油水分离器，其特征在于：这种井下油水分离器包括分离腔、油流管路（11）、水流管路（12），分离腔的下端口为分离器进液口（31），分离器内设置多组隔板（32），各隔板（32）倾斜且平行设置，多组隔板（32）形成供油水混合液初步分离的缓冲空间；分离腔的顶部设置油流管路（11）、水流管路（12），多组隔板（32）位于油流管路（11）、水流管路（12）之间，各隔板（32）的高位侧与油流管路（11）对应，各隔板（32）的低位侧与水流管路（12）对应；

油流管路（11）的上端向上延伸并形成油流管路出口（112），油流管路（11）的内部包括多个交替设置的大截面段和小截面段，油流管路（11）的内表面涂有阻碍水流动的涂层；

水流管路（12）的上端向上延伸并形成水流管路出口（122），水流管路（12）的长度大于所述油流管路（11）的长度，水流管路（12）的内表面涂有阻碍油流动的涂层。

2.根据权利要求1所述的井下油水分离器，其特征在于：所述的油流管路（11）的下端高于水流管路（12）的下端；水流管路（12）与油流管路（11）并列设置，为油水混合液的二次分离提供驱动力；油流管路对油流的阻碍力小于水流管路，形成供油水分离后富油液体流动的过流通道；水流管路对水流的阻碍力小于油流管路，形成供油水分离后富水液体流动的过流通道。

3.根据权利要求2所述的井下油水分离器，其特征在于：所述的油流管路（11）沿直线向上延伸，油流管路（11）由多段大直径钢管和多段小直径钢管交替连接构成；水流管路（12）弯曲盘绕向上延伸，水流管路（12）由弯曲钢管构成。

4.根据权利要求3所述的井下油水分离器，其特征在于：所述的分离腔的下部为缓冲腔，分离器进液口（31）位于缓冲腔的下端，多组隔板（32）位于缓冲腔之上，油流管路（11）的下端和水流管路（12）的下端均与缓冲腔连通。

5.一种权利要求1-4所述的任意一种井下油水分离器构成的井下油水分离系统，其特征在于：所述井下油水分离系统包括顶部封隔器（6）、筛管（7）、隔离封隔器（8）和油水分离管柱；筛管（7）设置于油井套管内，筛管（7）与油井套管之间有环空，顶部封隔器（6）设置在筛管（7）的上端，顶部封隔器（6）将筛管上端与油井套管之间的环空封闭，隔离封隔器（8）设置在筛管（7）的中部，顶部封隔器（6）与隔离封隔器（8）之间为注水层（W），隔离封隔器（8）的下方为产液层（P）；

油水分离管柱包括井下油水分离器（3）、插入密封装置（9）和油管（5），油管上端口连接井下油水分离器的分离器进液口（31），油管（5）向下伸入到筛管（7）中，油管（5）下端口与产液层（P）相对应，插入密封装置（9）通过油管（5）连接在井下油水分离器（3）的下方，插入密封装置（9）位于筛管（7）中且与隔离封隔器（88）密封插接配合；水流管路出口（122）与注水层（W）连通；油流管路出口（112）连通到地表。

6.根据权利要求5所述的井下油水分离系统，其特征在于：所述的井下油水分离器的上方设有上部罐装泵（1），井下油水分离器与插入密封装置（9）之间设有下部罐装泵（4）。

7.根据权利要求6所述的井下油水分离系统，其特征在于：所述的上部罐装泵（1）与所述井下油水分离器（3）之间设有封隔器（2）。

8.根据权利要求7所述的井下油水分离系统，其特征在于：所述的插入密封装置（9）的下端连接带孔管10（）。

9.根据权利要求8所述的井下油水分离系统，其特征在于：所述的井下油水分离系统内形成有产出液流入通道（A）、富油液体举升通道（B）和低含油液体回注通道（C）；产出液流入通道（A）将分离器进液口（31）与产液层（P）连通；富油液体举升通道（B）将油流管路的下端与地表连通；低含油液体回注通道（C）将水流管路（12）的上端与注水层（W）连通。

10.根据权利要求9所述的井下油水分离系统，其特征在于：所述的井下油水分离器的上方通过管柱串接一个或多个井下油水分离器，对富油液体逐步进行油水分离。

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