随着石油成交价格长期上涨缓慢和各大油田开采进入中后期导致的开采含水率高采收率低影响，石油行业有必要发展石油开采的新技术，提高采收率降低开采和原油处理成本。随着采出液含水率越来越高，产出水的举升、储存以及处理，设备资金的投入费用在不断增加，产出水处理过程所造成的破坏环保。因此，应用井下油水分离技术实现同井注采从而降低经济成本，减小环境压力是十分必要的采油方式。本文介绍了井下油水分离技术国内外研究现状及分离系统原理、分类，阐述了井下油水分离技术的发展方向。
关键词：
采收率；含水率；同井注采；油水分离
井下油水分离技术是适应于当今采油中后期阶段采出液含水率偏高导致经济、能耗过大，环境污染严重问题的重要技术手段。将井下油水分离技术与油井的举升系统、注水系统相结合，实现在一口油井中同时完成油水分离、油的举升和水的回注，即实现同井注采。同井注采是十几年来国内外不断在研究的采油技术。这项技术最初由加拿大工程技术研究中心提出，随后引得国内外各大油田和公司的研究探索，直至目前，井下油水分离技术得到了很多的技术拓展，在各油田都有广泛的应用。虽然仍然存在一些关键的技术性问题，但通过不断的实验探索与研究，结果表明，井下油水分离技术可以很大程度的减少油田采油成本，是一项值得为之不断深入研究、具有发展潜力的技术。
1 井下油水分离技术国内外研究现状
1.1 国外研究现状
在 20 世纪 90 年代初，北美的 C-FER率先提出了油水混合相在进行进行预先分离，将分离后的水相回注井下，并且通过实验达到了预期效果，认为这种方式可行，从此将石油开采行业引进了新时代。
2000 年全球遭遇油价下跌，石油行业为了避免遭受经济压力不得不研发新技术，2001 年 Wood Group ESP 公司率先研发出一种较为普通的 dows系统，并且在相关油田进行实验，效果明显，但是只能在较大的管径的工况下。
2001 年 C-FER 等公司联合研发出一种新兴的旋流 D 装置，能够较好的与气举系统搭配，这种装置能够将气液固三相混合相分离后，将水继续回注，实现同井注采。
2002 年，俄罗斯在乌鲁斯塔玛克夫斯克油田进行了螺杆泵同井注采工艺的研究，这种工艺可将含水率控制在 66%左右，紧接着俄罗斯国家石油工业科学研究院又研发了一种双作用杆式泵，油水两相可以经过该装置进行重力分离，是含水率降低到30%。
2004 年，Denney 主要针对井下分离系统和注采装置进行的研究，认为分离系统主要是依靠重力式和旋流式的方式进行油水分离，根据他的分析，在复杂的同井注采条件下，这项技术还是不够纯熟，只能在部分油田得一试用，并不适合大部分油田。
2015 年，Dellarole 研发出一种由两部分组成的分离系统，分别是重力分离系统和聚结分离系统，原理是油水经过第一次重力分离后进入第二个系统进行聚结分离，这种装置是同井注采在重力分离原理的基础上进行二次改善。
1.2 国内研究现状
2014 年，张广健针对大庆油田长垣地区的北2-丁 4-53 高含水油井，浅析井下油水旋流分离器的分离效果。
2019 年西南石油大学的顾中浩等人在原有的 T 型管分离技术基础上进行研究，发现了一种新型的 U 型管分离结构，并且利用软件 fluent 进行模拟这种新型结构装置分离油水的变化规律，发现装置入口的的速度影响分离效果很大，随着入口速度增加分离效率降低，而且分离效率也会受这种装置的管径影响。
2019 年中国石化石油工程技术研究院的耿黎东等人发现了石墨烯具有独特的疏水亲油特性，这种三维石墨烯是由多个二维石墨烯单位组成的，这种结构拥有丰富的孔眼，主要是具有超高的亲油疏水性质，能够用作分离材料。设计出的超疏水性泡沫性质的石墨烯对油和部分有机溶剂具有良好的吸附能力，提高采收率。
随着我国石油行业的快速发展，在吸收国外的经验的同时，我们也对国外的旋流分离技术进行改进，例如把进液方式进行调整，旋流器结构进行改进，让这些技术更加纯熟，适合我国油田开采，同时东北石油大学刘保君副教授这一年来一直在研究适合我国的重力分离技术，对多杯等流分流器进行改进，提高分离效率。
2 井下油水分离系统原理及分类
随着油田开采进入衰减期，面临着含水率增大问题，井下进行油水两相分离的必要性越来越高，如今主要存在两种分离方式，一是水利旋流分离；另一个是重力分离。两者大致的工作原理是在井下安装油水分离设备或者是根据油水混合相的物性差异进行重力分离，将分离后的水相进行回注地下，但两种方式在合理运用上都会因为地理和地质条件存在差异，目的终究是为了实现同井注采。
2.1 重力分离系统
分离原理 在井下进行油水分离时，油层产出液首先进入到环形空间，由于油水两相存在密度差，油在套管的上层，水在下层。进而可以将油通过动力系统向地面举升，分离后的水进行回注。该系统主要采用有杆泵和井筒重力沉降分离相组合的方式，通常运用夺杯多瓦棱形等效分离器，具有代表性的系统如下。
2.1.1 双作用泵系统
该系统的主要设备就是双作用泵。油层采出液在系统的井筒中依靠重力原理进行分离，生产层和注入层层间由封隔器相隔。双作用泵柱塞的上部进行油分离，下部进行水分离；上冲程时，泵腔上部的吸入凡尔处于关闭状态，排出凡尔处于打开状态，泵腔下部的开关状态正好相反。在这个过程中完成油的举升和水的吸入。下冲程时各凡尔的状态与上冲程相反；双作用泵系统适用于动液面高、注入压力低、生产层与注入层具体较远的油井。在系统运行时，由于双作用泵自身带有下行阻力，柱塞上下的面积差也会导致出现下行阻力，所以在条件不相符的油井使用该系统会因双作用泵的下行阻力过大而对生产造成影响。
2.1.2 双凡尔串联泵系统
双凡尔串联泵系统可以简单理解为将两个单独工作的单作用泵串联到一起，用双凡尔串联泵替代了原来的双作用泵，而且在柱塞之间进行密封措施。系统运行时，位于上面的泵吸入油，位于下部的泵吸入水，上冲程属于吸入过程。下冲程时，上部的泵将油举升，下部的泵注入水。由于两个泵是相同的，所以两个泵的柱塞尺寸相同，两柱塞间加有密封装置，所以两个泵都可以进行相对独立的工作，也消除了因柱塞面积差带来的阻力隐患。
2.2 旋流分离系统
分离原理 在井下安装旋流分离器，当油层采出液通过旋流分离器时，旋流器高速旋转，油水两相存有密度差，在离心力的作用下油水会发生分离。分离后的原油通过上出口被举升至地面，分离后的水经下出口回注到水层。该系统主要采用不同的泵与水力旋流器相组合的方式。代表性的系统见图 2。
2.2.1 单泵单马达系统
单泵单马达系统主要由 3部分组成，电泵机组、旋流器和封隔器。系统运行时，首先电泵会给油层采出液增压，经增压后的混合液再进入旋流分离器进行油水分离，油举升至地面，分离后的水经封隔器下部回注到水层。在该系统中，油层采出液进入旋流器的能量和注入、举升的能量来源都由电泵提供，这是该系统的主要特点。据统计分析，该系统的适用井口条件为：井深小，注入压力高。
2.2.2 双泵单马达系统
双泵单马达系统中的两台泵一台作为采出泵，一台作为注入泵。两台泵都由一台马达带动。系统运行时，首先由注入泵给油层采出液增压，增压后的混合液在进入水力旋流器进行油水分离，然后由采出泵给分离后的油再次加压，之后直接举升至地面。分离后的水经封隔器回注到水层。在这个系统中，油层采出液进入到旋流分离器的能量由注入泵来提供；举升所需要的能量由采出泵来提供。系统能量供应充足，所以适用于举升能量要求比较大的油井。
2.2.3 双泵双马达系统
双泵双马达系统包括两台泵，注入泵和采出泵，和由两台电机分别控制的两套电泵机组。系统运行时，首先油层采出液直接进入井下旋流器进行油水分离，随之分离出来的油经采出泵，直接被举升至地面，分离后的水由注入泵加压回注到注水层。这个系统特点在于油层采出液先进行分离，然后分别加压，两套电潜泵设备所要求的套管尺寸会相对大一些。该系统能量供应和加压设施都十分充足，因此适用于要求注入压力比较高的深井。
3 井下油水分离技术发展方向
截至当今，井下油水分离技术在井下采油工艺的应用中还存在很多的技术问题没有解决或者需要进一步完善。比如井下分离效果不能实时检测；由于地质条件造成的出砂严重的问题；水力旋流系统对工况条件和各参数的要求十分苛刻且造价昂贵，重力分离系统分离时间过长等。因此，笔者针对问题对井下油水分离技术的发展方向进行讨论。
3.1 井下油水分离系统自动、智能化
研制智能检测系统，对井下工艺参数：采出液量、分离效果、各子系统压力、注水量值等参数进行实时监控，并且当有工艺参数处于不正常值时可以做到自动调节。当井下混合液流态发生变化时，系统可自动控制阀门，改变注水量以适应新的工况条件。井下工况应定时传送到地面系统，检查井下系统是否正常工作，避免系统失误造成损失。
3.2 提高井下油水分离系统的适应性
油水分离系统自身存在局限性，对油井工况要求比较高。因此，应致力于提高该系统的适应性进行研究，使其应用范围变得广泛。为解决砂堵问题，可在旋流器上附加设备，分离油砂。研究含气、含砂、含聚合物等复杂工况下的分离装置，提高分离效率。开展高压回注技术研究，提高系统回注能效，满足各类油田区块应用。为回注水质量制定标准，规范井下注水水质要求。拓展技术应用。
3.3 研制高效设备、降低采油成本
井下油水分离分离效率的高低主要取决于运用分离设备的分离效果。目前，使用的分离器主要是旋流器和重力沉降式分离器，优化并改进这些装置结构，尤其是水里旋流器的环形空间角度结构和重力离器的瓦棱数和瓦棱之间的角度参数，我们可以在分离器内加入超疏水性质的石墨烯，提高其分离效果是提高采油效益，减小成本的有效方法。另外，除油水分离系统外，动力系统、封隔系统以及检测系统设备的优化与改进同样可以减少经济投入，同样也是技术发展的重要内容。
3.4 井下油水分离技术区块应用
目前，井下油水分离技术运用在同井注采工艺中在单井测试方面已经取得了一定的成功。接下来的技术发展方向是将该技术与具体油藏相联系，在区块进行技术应用。通过增加注水点来针对水区开发区块的开采；采用井与井之间交叉注水、互驱互采的方式来解决小断块油藏和位于偏僻地区油藏等带来的问题；大幅度减少地面采出液量、注水量，达到“反向锥进”的效果来克服底水锥油藏问题。
4 结论
随着科学技术的不断进步和对井下油水分离技术不断地研究探索，这项技术必将走向成熟而被广泛应用。水力旋流器将会不断地完善，笔者在这里提出一种新型装配结构，运用水力旋流器和重力分离系统组合，在同井注采开采过程中个进行油水多效二次分离，但经过调研，发现这种结构多适合于同井注采中的上采下注结构，主要是因为上采下注这种结构有更多的装配空间和分离空间，开发层系的油水吸入井筒过后，流入最下部，首先，经过水里旋流器一次分离后，进入中立分离系统进行二次分离。同时我们还可以改善中立分离系统中的夺杯分离器，采用最新的亲油超疏水的三维石墨烯材质制成多杯分离器层间垫片，提高油水分离效率。同时井下与地面合成的检测系统将脱离人工控制完全实现自动化采油过程。各子系统的组成呈现最稳定、最优化状态，达到稳油控水，节能降耗的目的。总之在石油化工，机械，自动化等多学科多领域作为科技支撑的背景下，井下油水分离同井注采技术必将发展为高效、节能、稳定、低成本、小型化、智能化的成熟技术。在当代油田高含水率的形式下形成油田开采新模式，不断引领采油技术的发展。
综上所述，井下油水分离技术是一项技术领域广泛、综合效率高、有效节能降耗降低采油成本的，待发展完善的采油技术。本文介绍了该技术的发展历史、主要技术原理与分类。直接探讨技术发展方向的同时，间接表明了该技术的不足。希望该技术可以早日开启采油新时代，满足我国能源需求。
原标题：井下油水分离技术的现状与展望
原作者：张金山，姜 伟，刘 庆，万红碧
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