《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Innovative Design and Separation Performance Study of an Enhanced Downhole Oil-Water Separator Based on Hydrocyclonic-Gravity Synergistic
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針對高含水率油藏流體處理難題，創新設計離心-重力協同分離（HGS）的增強型井下油水分離器（EDOWS），通過數值模擬和實驗驗證優化總高度、盤間距、傾角等關鍵參數，最終實現85.04%的分離效率，較單一模塊提升28.36%，且適應性強，可降低表面處理負荷并助力綠色開發。
趙立新|盧慧|張曉光|劉琳|董康星|王亞紅|張雙|秦晨浩|李彤
東北石油大學機械科學與工程學院，大慶163318，黑龍江省，中國
摘要
為了解決海上油田高含水產出流體的處理問題，設計了一種基于新型旋流-重力協同（HGS）機制的增強型井下油水分離器（EDOWS）。該分離器采用模塊化設計，利用離心分離和重力分離原理。首先對迷你旋流器部分（MHS）進行數值模擬，確定了其出水口的油濃度，然后連接至重力分離部分（GSS）。對GSS的關鍵幾何參數進行了優化，包括總高度、盤間距、傾角和盤數。最佳配置（高度：1000毫米，間距：45毫米，傾角：45°，盤數：20個）實現了85.04%的分離效率，比單獨使用MHS和GSS分別提高了28.36%。對比模擬顯示，EDOWS的效率分別比MHS和GSS高出1.4%和42.38%。實驗結果與模擬結果非常吻合。EDOWS在不同入口油濃度和分流比下保持了穩定的分離效率，波動僅分別為2.32%和0.27%，顯示出很強的適應性。在10%的入口油濃度下，EDOWS將富水流中的油含量降低到了580.1毫克/升。這項工作為高含水井提供了一種高效的井下分離解決方案，通過提高石油回收率、減少地面處理負荷以及改善海上油田開發的經濟和環境可持續性，具有重要的工業意義。
引言
海上油田擁有豐富的儲量和高單井流體產量。然而，隨著開采活動的深入，大多數油田逐漸轉變為高含水油田。在中國，產出流體中的含水量通常超過80%，某些區塊甚至超過95% [1]。同時，隨著生產的進行，儲層能量不斷消耗，導致地層壓力下降。這導致一些油井產量下降，嚴重限制了油田開發經濟效益的提高 [2]。
為應對這些挑戰，“井下油水分離（DOWS）和同井注采（SWIP）技術”應運而生，打破了傳統的開發模式。通過DOWS和分區注采的集成設計，該系統將地面處理設施下放到井下，實現了產出流體的原位分離、凈化水的回注以及原油的高效提升，為解決高含水油田的開發難題提供了新方法 [3]。此外，這項技術的進步還有助于減輕陸地油水處理的負擔并減少碳排放 [4]。
在DOWS-SWIP技術中，油水分離器是核心組件。全球范圍內對DOWS設備進行了大量研究。包括中國、美國、法國、德國、加拿大和俄羅斯等國家都進行了理論研究和現場試驗 [5]。1994年，加拿大Alliance油田首次試驗了以旋流分離器和電動潛水泵為核心的DOWS-SWIP技術。到1998年，加拿大約有20口油井采用了這項技術 [6]，[7]。
1999年，對北美部署的37個DOWS系統（21個基于旋流器，16個基于重力）的調查表明，旋流器型分離器的石油產量提高了11.62倍，而基于重力的系統提高了2.33倍，顯著減少了產出水的處理量 [8]。俄羅斯專注于基于 progressing cavity pump 的這項技術，并于2002年在Ust-Tarkskoye油田進行了試驗。這些試驗使測試井的產出流體含水量降低了66%。同年，俄羅斯石油工業國家研究所以雙作用桿泵設計并開發了一種分離器，能夠在井筒內實現油水混合物的重力分離，平均降低了30%的含水量 [9]，[10]，[11]。
Mishiga等人 [12] 提出了三種新型控制方案（級聯、直接反饋和前饋）用于旋流器的脫油，并通過實驗驗證了這些方案的有效性，以克服傳統壓降比控制的局限性。這三種方案在干擾情況下都能將油濃度保持在30毫克/升以下，其中級聯控制方案由于具有強大的干擾抑制能力和易于在現有壓降比系統上實施而表現出最佳的整體性能。Kim等人 [13] 為高含水條件下的不同液滴分布設計了分離器，并使用CFD-PBM耦合模型進行了數值模擬研究。采用正交測試方法優化了旋流器的關鍵結構參數。研究結果表明，分離效率受多種因素影響，其中考慮了分離器內部液滴之間的相互作用。Bowers等人 [14] 開發了一種適用于海上應用的DOWS，評估了兩種配置（pushthrough和pullthrough），其中pullthrough配置在處理高油含量或低重力流體時顯示出更好的分離效率和可靠性。
當前研究表明，僅依賴旋流器或重力分離器存在固有的效率限制。傳統旋流器在分離細小油滴方面效果有限 [15]，[16]，[17]，而重力分離器則受到處理能力和空間限制 [18]，[19]，[20]。因此，結合多種分離機制的優勢成為關鍵的發展方向。為解決這些技術瓶頸，本研究創新設計了一種基于旋流-重力協同（HGS）的增強型井下油水分離器EDOWS。通過CFD數值模擬和實驗室實驗測試，驗證了該分離器的增強分離特性，并對其關鍵幾何參數進行了優化。該分離器結合了迷你旋流器部分（MHS）的初步分離功能和重力分離部分（GSS）的精細分離功能，利用高速旋轉流場產生的離心力差異實現油水預分離，隨后通過優化的GSS進一步強化油滴的凝聚和浮選過程，從而實現更精細的分離。
本研究重點驗證了基本模塊的機制，其核心貢獻是為后續的集成系統建立了關鍵的單模塊設計參數。該方案為高含水油田的同井注采開發提供了一種高效可靠的井下分離解決方案，通過減少地面處理過程直接實現節能和減排，從而為提高經濟效益和實現油田開發的綠色轉型提供了實用的技術支持。
核心井下油水分離過程設計
為了滿足海上油田的需求，這些油田的流量通常比陸地油田大得多，因此在7英寸及以上尺寸的套管中通常采用“分離前加壓”的旋流器型SWIP技術 [21]。然而，這種配置存在兩個主要缺點：1) 泵在液體進入分離器之前對其進行加壓，泵葉片造成的剪切會加劇油滴的乳化現象。
網格劃分與獨立性驗證
MH的流體域模型通過ANSYS的集成網格劃分模塊進行劃分，如圖5(a)所示。以分離效率作為評估指標，進行了五級網格獨立性研究，分別使用了145,263、286,435、354,236、401,265和475,620個網格元素。不同網格數量下的分離效率變化如圖5(b)所示�？梢钥闯�，當元素數量達到一定值時，分離效率趨于穩定。
結果與討論
模擬結果主要包含兩個方面：(1) GSS幾何參數的優化；(2) 不同分離器配置的分離性能比較分析。
結論
為了解決海上油田高含水產出流體的處理問題，本研究創新開發了一種增強型井下油水分離器（EDOWS）。通過計算流體動力學（CFD）模擬和實驗測試，進行了幾何參數優化和分離性能適應性分析，得出以下主要結論：
(1)EDOWS創新性地結合了離心分離和重力沉降機制。
資助信息
本工作得到了中國黑龍江省自然科學基金（QC2025E013）的支持。
縮寫與術語
縮寫
- CFD
- 計算流體動力學
- DOWS
- 井下油水分離
- EDOWS
- 增強型井下油水分離器
- GSS
- 重力分離部分
- HGS
- 旋流-重力協同
- MH
- 迷你旋流器
- MHS
- 迷你旋流器部分
- SWIP
- 同井注采
術語
- H1
- GSS的總高度
- H2
- 盤間距
- Ez
- 分離效率
- α
- 盤傾角
- 迷你旋流器的幾何參數
- D1
- 主直徑
- 25
- L1/D1
- 總長度
- 8.4
- L2/D1
- 圓柱段長度
- 1.73
- D2/D1
- 溢流出口直徑
- 0.42
- 下流管
CRediT作者貢獻聲明
李彤：資源協調、項目管理、資金獲取、正式分析。秦晨浩：調查、正式分析、數據管理、概念構思。趙立新：撰寫初稿、驗證、監督、軟件使用、方法論設計。張曉光：調查、正式分析、概念構思。盧慧：撰寫、審稿與編輯、可視化處理、軟件使用、正式分析、數據管理、概念構思。董康星：資源協調、項目管理、方法論設計。劉琳：利益沖突聲明
關于題為“基于旋流-重力協同的增強型井下油水分離器的創新設計與分離性能研究”的論文的撰寫和發表，我在此聲明如下：
1.財務利益：在論文的研究、撰寫和發表過程中，我沒有收到也不預期會收到任何組織、公司或個人的財務支持、資助或報酬。
