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1、运用防砂筛管和覆膜砂制作的井底油水筛分过滤装置大庆油田含水高达95%，为减少产液含水，在井下油水分离之后，将低含水油采出地面、清水回注其他地层的同井注采技术越来越受到的注重。目前，井下油水分离技术多为运用油水密度差，通过重力沉降进行分离，或水力旋流进行分离。由于这两种措施的分离及水质达标的工艺复杂，几十年的研究成果均不能在生产上推广。目前急需工艺简朴、效果明显、成本低廉、维护以便的井底油水分离及污水过滤回注技术。如果在井下发明一种能把石油和水筛分出来、把污水杂质过滤出来的装置，就无疑会使“井下油水分离后同井注采技术”获得成功，北京仁创集团发明的具有透油阻水功能的覆膜砂就使得这种“井下油水筛分过
2、滤技术”成为也许。一、 透油阻水覆膜砂简介透油阻水覆膜砂是北京仁创集团发明的一种油井压裂缝支撑剂，该材料是在高温条件下将多种树脂覆裹在砂粒表面，并冷却下来形成的。这种覆膜砂具有亲油憎水特性，使水流过砂缝隙的渗流阻力不小于油流过砂缝隙的渗流阻力，从而使其具有透油阻水功能。但目前这种材料只用于油井压裂缝的支撑剂，油井生产过程中，分离出来的水没有合适的出路，只能在强大的压力作用下继续沿着砂缝隙随着原油一起被采出地面，使其油水筛分功能完全丧失，这可通过仁创集团的实验数据判断出来，如下表1所示。 表1 5：5油水混驱透过覆膜砂实验数据驱替液流速（mL/min）驱替压力（Mpa）滤后油水比例油水混驱5：5
3、50.025油水体积比6：4100.048油水体积比5.8：4.2上表1记录是仁创集团为验证覆膜砂透油阻水性能所作的实验成果，在表中当驱替液流速从5 mL/min增长到10 mL/min后，过滤后液中油水体积比由6：4变化为5.8：4.2。这一变化阐明，随着流速的减少，过滤后混合液中含油量在上升；流速升高，则滤后混合液中含油量下降。因此，可以设想，如果设计一种装置，给筛分出来的水一种合适的出口（即回注到其他油层），并通过控制和调节混合液流经覆膜砂的流速，就可以调节油井产液的含油比例，从而实现油从水中筛分出来的效果。 二、井底油水筛分过滤装置简介井底油水筛分过滤装置，其原理是通过埋设在透油阻水覆
4、膜砂里的接液漏斗来收集筛分后的低含水油，并将低含水油采出地面，而未能进入接液漏斗的滤后清水回注到其他油层，覆膜砂是装填在井下常用的防砂筛管里面的，如下图1所示。采油层注水层套管低含水油封隔器回注地层的清水采出地层的混合液埋在覆膜砂里的接液漏斗装填在筛管中的覆膜砂油管密封圈密封圈多级离心注水泵通过井口阀门开度控制产液量图1 井底油水筛分过滤装置、筛分后采出及回注示意图图1所示为采下注上式（只需一种注水泵），下层的采出液向上流动，在流经装填在防砂筛管里的覆膜砂时，油水乳化液立即被破乳，石油立即附着在覆膜砂表面，而水在界面张力作用下形成的小水珠难以穿过砂缝隙。附着在砂表面的原油会在油管抽吸力作用下，
5、沿着覆膜砂表面流入到埋在砂里的接液漏斗里，并继续沿着油管向上流动，并被采出地面；由于渗流阻力的阻挡作用，分离出来的小水珠是难以进入到接液漏斗里的，只能沿着途径最短、阻力最小的方向垂直向上穿过覆膜砂（并把石油挤入接油漏斗下的低流速区域），进入到上面的注水层位，然后被回注到注水层位里。下图2为采上注下式筛分装置示意图，需同步设注水泵和采油泵。采油层注水层套管低含水油封隔器回注地层的清水采出地层的混合液埋在覆膜砂里的接液漏斗装填在筛管中的覆膜砂油管密封圈密封圈小排量螺杆泵多级离心注水泵图2 采上注下式油水筛分装置示意图三、生产、安装及制作时注意事项根据低流速下透过覆膜砂后，混合液含油比例升高的特性，
6、我们在生产过程中，可通过减少采油泵排量（采上注下式）或井口阀门开度（采下注上式）等措施来减少混合液透过覆膜砂进入漏斗的流速，从而提高采出液的含油比例。在生产安装过程中，本装置的筛管外壁与套管间的缝隙要尽量小，以装填更多的覆膜砂。四、有关油水筛分过滤原理的解释由表1的实验成果可知，当流速减少时，滤后混合液中的含油比例在上升；当流速升高时，滤后混合液中的含油比例在减少。在井底油水筛分过滤装置中，覆膜砂中部（即接油漏斗下部）的流速在人为控制下可以减少，即通过调节采油泵排量或井口阀门开度来减少接油漏斗下部流速，覆膜砂周边的流速可以相应升高。这样在装置中形成了一种中间流速低()、而周边流速高的环境(V)
7、，如下图3所示。在混合液流经初始断面-断面时，水和油几乎是以同样的平均速度向上流动，此时油并没有向中部汇集。随着混合液向上的继续流动，装置中心部分的流速逐渐减少到，而装置周边部分的流速逐渐升高到V，在这个变化过程中，中心部分的含油比例将随流速的减少而逐渐升高，而周边部分含油比例将随流速的升高而逐渐减少，也就是说，随着混合液向上的流动，原油在逐渐向中心位置汇集（截留在砂表面的杂质也将在原油推动下向中心部位汇集）。可以设想，如果装在筛管里的覆膜砂达到一定高度，且中心部分的流速减少到一定速度，所有的原油将所有集中在装置中心部位，而水将所有散布在周边部位。这样中心位置处的接油漏斗将会收集到低含水油，甚
8、至可以收集到纯原油；而装置四周是不含油的清水，清水将在周边穿过装填覆膜砂的筛管而进入上部地层。同样道理，采上注下式筛分过程中，由于接近油管处的流速为0，原油在向下流动过程中必然向中心部位的油管接近，最后沿漏斗外壁进入接油漏斗，如图4所示。VV10多米10多米图3 采下注上式筛分原理图 图4 采上注下式筛分原理图根据上述原理可以推知，如果装置中心的流速不小于其周边的流速，则原油在混合液上升过程中向周边分散，而水在上升过程中向中心汇集，此时采出地面的将是清水，而回注地层的将是低含水油。接油漏斗的功能和作用涉及如下几方面：（1）扩大收油范畴，使低流速区范畴扩大，使最外围油滴距低流速区更近、更容易进入
9、低流速区；（2）由于收油范畴的扩大，在相似产液量的前提下，漏斗范畴内的流速更低，进而中心部分的含油比例更高；（3）由于收油范畴的扩大，其外围过水面积则变小，进而外围流速V更高，其所能存留的石油量更低、水更清。在实际生产上，防砂筛管的高度可达到十多米，也就是说油滴在达到接油漏斗前要在覆膜砂内移动至少几米的距离，其在横向上只需移动几厘米距离就可进入装置中心。这是很容易实现的，即本装置可很容易地将所有石油汇集在中心，并被漏斗收走。固然，为提高收油效果，我们也可在装置中心设多种漏斗进行多次收油，这里不再详述。五、模拟实验及其效果用扎满针孔的塑料瓶替代防砂筛管（扎满针孔是为了提高装置周边流速），接油漏斗
10、底部扎少量针孔以减少装置中部液流流速，模拟装置如下图5和图6所示，用重力替代泵提供的压力。漏斗底部扎少量针孔，减少中部流速扎满针孔，增长周边流速图5 安装前的模拟实验装置输油管，右端塑料瓶内连接有漏斗图6 安装后的模拟实验装置模拟装置安装架设完毕后，将含油15%的500ml混合液倒入覆膜砂顶部，在重力作用下，混合液开始向下流动，油水开始分离，实验过程共经历了14分钟，共分两阶段，涉及出水阶段和和出油阶段：1、出水阶段：从开始到6分30秒钟，分离出的水在重力作用下穿过砂缝隙流出装置，进入下面的接水瓶。在此过程中，原油沿着砂表面向装置中部的低流速区汇集（即原油向漏斗上部低流速区汇集），见图7。原油
11、在向中部的低流速区汇集。筛分出的清水图7 6分30秒前模拟实验照片2、出油阶段：从6分30秒开始，汇集于漏斗上部的原油在重力作用下，缓慢地从漏斗流出，并经输油管滴入接油瓶内，见图8。分离出的纯原油经漏斗和油管进入接油瓶。筛分出的清水图8 6分30秒之后模拟实验照片有关实验过程中先出水后出油的解释：一方面是破乳分离后的水在重力作用下穿过砂缝隙垂直流出，途径短且流速高（由于是模拟筛管针孔密集），因此水先流出针孔。而分离出的原油不能在高流速区存留和流动，只能先沿曲线向中部低流速区汇集，途径长且流速慢（由于是漏斗底部针孔稀少）。6分钟30秒后，汇集于中部低流速区的油才开始垂直向下穿过漏斗的针孔进入油管
12、。本装置在实际生产开始的前几分钟也应当是先出水，然后才有原油从采油井口流出。六、该装置的技术优势1、工程流程简朴几十年来，正在研究的井底油水分离及回注工艺过程如下图9所示，混合液要通过破乳、水力旋流及水质解决等多道工序。合格水回注其他地层油水混合液低含水油采出地面覆膜砂破乳重力沉降或水力旋流。水质解决 图9 既有的井底油水分离及回注工艺流程图上图所示的工艺流程复杂，在井下狭小空间内难以实行，故数十年的研究成果均不能在生产中推广。而运用防砂筛管制作的井底油水筛分过滤装置省掉了水力旋流工序和水质解决工序，大大地简化了工艺流程，并且覆膜砂所占空间也是防砂筛管内部原有的空间，本装置基本上不增长既有采油
13、管柱的长度，工艺流程如下图10所示。由于工艺流程的简化，相应地可减少基建投资、节省生产成本、以便生产管理及维修维护等各项工作。合格水回注其他地层油水混合液低含水油及滤后杂质采出地面通过防砂筛管内的覆膜砂进行筛分和过滤 图10 井底油水筛分过滤工艺流程图2、过滤后污水水质好本模拟装置的砂柱高度虽然只有15cm，但已经能将含油15%混合液里的原油所有清除，滤后水清澈透明，筛分后的石油里也不见水的痕迹。实际生产中，防砂筛管高度可达十米，过滤时间长达60秒（相对于50m3/d产量和5寸的套管而言），相对于含油只有5%的油层产液，其滤后水质会更好，完全可以满足注水水质的规定。油水混合液流经覆膜砂时，水中
14、杂质被截留在砂表面，并被沿砂表面移动的原油带到接液漏斗，然后随原油采出地面；而没有被砂截留的杂质固然也就不会堵塞地层，会随筛分后的水注入地层。固然，我们可以通过增长覆膜砂的量（提高筛管高度）来提高滤后水的水质原则。3、本装置的井口产液含水可任意调速生产中，我们只需变化井口产液量，就可变化产油含水比例，使产油含水从0到100%之间持续可调。以总产液量50m3/d（其中含油2m3）的油井为例，如果接油漏斗按2m3/d流速收集低含水油、回注地层流速控制在48m3/d，则采出井口的液体应当是含水为0的纯原油2m3/d，回注地层的水应当是含油为0的清水48m3/d；如果接油漏斗按4m3/d流速收集低含水
15、油、回注地层流速控制在46m3/d，则采出地面的液体应当是含水为50%的低含水原油4m3/d，回注地层的水应当是含油为0的清水46m3/d。也就是说，只要严格控制好收油漏斗收油量不超过产液中的含油量，则产出液就是不含水的纯原油。固然，为了保证回注其他油层中的液体中不含原油，井口产液含水必须具有少量的水。4、油水分离效果不受井底总产液量的影响本装置一另个长处就是不需要控制井底总产液量，只要严格控制好收油漏斗收油量不超过产液中的含油量，则产出液就是不含水的纯原油。相反，液流流速越快，原油越难在快流速区域存留，就越快地向低流速区汇集。也就是说，产液量越高且中央收油漏斗流速越低，越有助于原油向中间低流速区汇集。而目前的沉降法分离装置中，为的提高油水分离时间，就不得
