基于水力旋流-重力协同效应的增强型井下油水分离器的创新设计与分离性能研究

针对高含水率油藏流体处理难题，创新设计离心-重力协同分离（HGS）的增强型井下油水分离器（EDOWS），通过数值模拟和实验验证优化总高度、盘间距、倾角等关键参数，最终实现85.04%的分离效率，较单一模块提升28.36%，且适应性强，可降低表面处理负荷并助力绿色开发。

　　

赵立新|卢慧|张晓光|刘琳|董康星|王亚红|张双|秦晨浩|李彤

东北石油大学机械科学与工程学院，大庆163318，黑龙江省，中国

摘要

为了解决海上油田高含水产出流体的处理问题，设计了一种基于新型旋流-重力协同（HGS）机制的增强型井下油水分离器（EDOWS）。该分离器采用模块化设计，利用离心分离和重力分离原理。首先对迷你旋流器部分（MHS）进行数值模拟，确定了其出水口的油浓度，然后连接至重力分离部分（GSS）。对GSS的关键几何参数进行了优化，包括总高度、盘间距、倾角和盘数。最佳配置（高度：1000毫米，间距：45毫米，倾角：45°，盘数：20个）实现了85.04%的分离效率，比单独使用MHS和GSS分别提高了28.36%。对比模拟显示，EDOWS的效率分别比MHS和GSS高出1.4%和42.38%。实验结果与模拟结果非常吻合。EDOWS在不同入口油浓度和分流比下保持了稳定的分离效率，波动仅分别为2.32%和0.27%，显示出很强的适应性。在10%的入口油浓度下，EDOWS将富水流中的油含量降低到了580.1毫克/升。这项工作为高含水井提供了一种高效的井下分离解决方案，通过提高石油回收率、减少地面处理负荷以及改善海上油田开发的经济和环境可持续性，具有重要的工业意义。

引言

海上油田拥有丰富的储量和高单井流体产量。然而，随着开采活动的深入，大多数油田逐渐转变为高含水油田。在中国，产出流体中的含水量通常超过80%，某些区块甚至超过95% [1]。同时，随着生产的进行，储层能量不断消耗，导致地层压力下降。这导致一些油井产量下降，严重限制了油田开发经济效益的提高 [2]。

为应对这些挑战，“井下油水分离（DOWS）和同井注采（SWIP）技术”应运而生，打破了传统的开发模式。通过DOWS和分区注采的集成设计，该系统将地面处理设施下放到井下，实现了产出流体的原位分离、净化水的回注以及原油的高效提升，为解决高含水油田的开发难题提供了新方法 [3]。此外，这项技术的进步还有助于减轻陆地油水处理的负担并减少碳排放 [4]。

在DOWS-SWIP技术中，油水分离器是核心组件。全球范围内对DOWS设备进行了大量研究。包括中国、美国、法国、德国、加拿大和俄罗斯等国家都进行了理论研究和现场试验 [5]。1994年，加拿大Alliance油田首次试验了以旋流分离器和电动潜水泵为核心的DOWS-SWIP技术。到1998年，加拿大约有20口油井采用了这项技术 [6]，[7]。

1999年，对北美部署的37个DOWS系统（21个基于旋流器，16个基于重力）的调查表明，旋流器型分离器的石油产量提高了11.62倍，而基于重力的系统提高了2.33倍，显著减少了产出水的处理量 [8]。俄罗斯专注于基于 progressing cavity pump 的这项技术，并于2002年在Ust-Tarkskoye油田进行了试验。这些试验使测试井的产出流体含水量降低了66%。同年，俄罗斯石油工业国家研究所以双作用杆泵设计并开发了一种分离器，能够在井筒内实现油水混合物的重力分离，平均降低了30%的含水量 [9]，[10]，[11]。

Mishiga等人 [12] 提出了三种新型控制方案（级联、直接反馈和前馈）用于旋流器的脱油，并通过实验验证了这些方案的有效性，以克服传统压降比控制的局限性。这三种方案在干扰情况下都能将油浓度保持在30毫克/升以下，其中级联控制方案由于具有强大的干扰抑制能力和易于在现有压降比系统上实施而表现出最佳的整体性能。Kim等人 [13] 为高含水条件下的不同液滴分布设计了分离器，并使用CFD-PBM耦合模型进行了数值模拟研究。采用正交测试方法优化了旋流器的关键结构参数。研究结果表明，分离效率受多种因素影响，其中考虑了分离器内部液滴之间的相互作用。Bowers等人 [14] 开发了一种适用于海上应用的DOWS，评估了两种配置（pushthrough和pullthrough），其中pullthrough配置在处理高油含量或低重力流体时显示出更好的分离效率和可靠性。

当前研究表明，仅依赖旋流器或重力分离器存在固有的效率限制。传统旋流器在分离细小油滴方面效果有限 [15]，[16]，[17]，而重力分离器则受到处理能力和空间限制 [18]，[19]，[20]。因此，结合多种分离机制的优势成为关键的发展方向。为解决这些技术瓶颈，本研究创新设计了一种基于旋流-重力协同（HGS）的增强型井下油水分离器EDOWS。通过CFD数值模拟和实验室实验测试，验证了该分离器的增强分离特性，并对其关键几何参数进行了优化。该分离器结合了迷你旋流器部分（MHS）的初步分离功能和重力分离部分（GSS）的精细分离功能，利用高速旋转流场产生的离心力差异实现油水预分离，随后通过优化的GSS进一步强化油滴的凝聚和浮选过程，从而实现更精细的分离。

本研究重点验证了基本模块的机制，其核心贡献是为后续的集成系统建立了关键的单模块设计参数。该方案为高含水油田的同井注采开发提供了一种高效可靠的井下分离解决方案，通过减少地面处理过程直接实现节能和减排，从而为提高经济效益和实现油田开发的绿色转型提供了实用的技术支持。

核心井下油水分离过程设计

为了满足海上油田的需求，这些油田的流量通常比陆地油田大得多，因此在7英寸及以上尺寸的套管中通常采用“分离前加压”的旋流器型SWIP技术 [21]。然而，这种配置存在两个主要缺点：1) 泵在液体进入分离器之前对其进行加压，泵叶片造成的剪切会加剧油滴的乳化现象。

网格划分与独立性验证

MH的流体域模型通过ANSYS的集成网格划分模块进行划分，如图5(a)所示。以分离效率作为评估指标，进行了五级网格独立性研究，分别使用了145,263、286,435、354,236、401,265和475,620个网格元素。不同网格数量下的分离效率变化如图5(b)所示。可以看出，当元素数量达到一定值时，分离效率趋于稳定。

结果与讨论

模拟结果主要包含两个方面：(1) GSS几何参数的优化；(2) 不同分离器配置的分离性能比较分析。

结论

为了解决海上油田高含水产出流体的处理问题，本研究创新开发了一种增强型井下油水分离器（EDOWS）。通过计算流体动力学（CFD）模拟和实验测试，进行了几何参数优化和分离性能适应性分析，得出以下主要结论：

(1)

EDOWS创新性地结合了离心分离和重力沉降机制。

资助信息

本工作得到了中国黑龙江省自然科学基金（QC2025E013）的支持。

缩写与术语

缩写

CFD
计算流体动力学
DOWS
井下油水分离
EDOWS
增强型井下油水分离器
GSS
重力分离部分
HGS
旋流-重力协同
MH
迷你旋流器
MHS
迷你旋流器部分
SWIP
同井注采

术语

H1
GSS的总高度
H2
盘间距
Ez
分离效率
α
盘倾角
迷你旋流器的几何参数
D1
主直径
25
L1/D1
总长度
8.4
L2/D1
圆柱段长度
1.73
D2/D1
溢流出口直径
0.42
下流管

CRediT作者贡献声明

李彤：资源协调、项目管理、资金获取、正式分析。秦晨浩：调查、正式分析、数据管理、概念构思。赵立新：撰写初稿、验证、监督、软件使用、方法论设计。张晓光：调查、正式分析、概念构思。卢慧：撰写、审稿与编辑、可视化处理、软件使用、正式分析、数据管理、概念构思。董康星：资源协调、项目管理、方法论设计。刘琳：

利益冲突声明

关于题为“基于旋流-重力协同的增强型井下油水分离器的创新设计与分离性能研究”的论文的撰写和发表，我在此声明如下：

1.

财务利益：在论文的研究、撰写和发表过程中，我没有收到也不预期会收到任何组织、公司或个人的财务支持、资助或报酬。