1 井下油水分离系统的构成及工作原理
1.1 系统构成
一套完整的井下油水分离系统由产出层、注入层、电潜泵、多相管流和井下油水分离器 5个子系统构成。电潜泵子系统和井下油水分离器子系统是重要的两部分。电潜泵子系统由电泵机组、电缆(电线与电缆)和地面控制部分组成。整个系统由一套电泵提供举升与注入的能量， 在进行系统设计时应保证电泵效率位于泵的佳工况范围内。井下油水分离子系统由水力旋流器和液流流道组成， 原油层产出液在该处进行分离， 电泵增压后的能量也在该处进行分配， 因此井下油水分离子系统是整个系统协调工作的核心。
1.2 工作原理
如所示， 来自生产层的混合液首先沿着流道进入电潜泵， 经过电泵增压后进入双级水力旋流器进行油水分离， 分离出的浓缩油液经过旋流器溢流口排出到油套环空处被举升至地面， 由底流口流出的高纯度的水沿流道被注入到注水层。这样实现了在同一口井采油与注水两个过程的同步进行， 即实现了同井采注。
2 电潜泵机组的匹配
系统采用单电潜泵提供举升和注入的能量， 泵打出的液流直接进入水力旋流器， 能量 （压力 ）在该处进行分配。选泵时依据具体需要的处理能力， 包括举升和注入能力。电潜泵匹配即是指如何实现同时举升和注入的过程。电潜泵匹配需要考虑多方面内容， 包括注水层参数、下泵深度等。
2.1 注水层吸水性能对井下机组匹配的影响
当系统遇到吸水性较强的地层， 即注水层吸水性能较好时， 所需的注水压力比较小， 很可能直接造成泵给不出压头， 泵出口压力变小， 不能满足举升需要， 采出液全部从旋流器底流口注入到地层。此时电泵级数只需满足举升条件即可， 如果举升能量大于注入能量， 这时需要考虑注入压力和注入流量的匹配问题， 可以通过在旋流器底流口处安装节流嘴憋压来完成。
目前， 油井的开采大多伴随着注水措施的使用来提高采收率。随着油井注水时间的延长， 注水层的吸水性能越来越差。当注水层吸水性能较差时，对应所需的注入压力提高， 此时电潜泵级数的选取应选择满足注入条件， 吸水性能越差， 所需的泵级数就越多， 为了解决压力匹配问题， 可以通过在溢流口处安装溢流节流嘴来完成匹配过程。
注水层吸水性的好坏并不是一个值， 针对同一口井， 根据注水量的不同， 对其注水层吸水性好坏的判定结果是不一样的。粗略的判定可以用以下方法： 如果需要的注入压力小于实际注水层可以产生的注入压力， 认为其注水层的吸水性能较好； 否则， 认为其注水层的吸水性能较差。
实际注水层可以产生的注入压力利用注水层深度来粗略估计， 需要的注入压力利用分流比计算出注入到注水层中的注水量， 查相对应的注水层吸水指示曲线即可得到。
2.2.2 注水层吸水性能较好时电泵机组匹配
2.2.1 电潜泵排量的选择
根据给定的地层产液量对照修正的泵特性曲线（泵出厂时的特性曲线是以清水为介质的， 实际应用时需要根据含气率和黏度进行校正， 绘制出实际工况下的泵特性曲线
）， 选择电潜泵的排量， 使油层产液量 Q b在泵的推荐排量范围内， 并根据修正特性曲线确定出单级泵的压头 p pump。
2.2.2 电潜泵入口压力的确定
根据已知的地层产液量或者由井底流压来推算出油层产液量 Q b， 根据井底流压向上计算， 利用压力协调关系可以计算得出电潜泵入口压力 p in， 即p in = p wf - p.
式中， p w f为井底流压， MPa； p 为自井底到电潜泵入口处的压力损失， 可利用多相管流原理及奥齐思泽斯基方法求得
。
2.2.3 电潜泵出口压力的确定
旋流器溢流口处压力。由 3 3 断面向 4 4断面列能量方程：p u 3 g + u 2 3 2g = p t 4 g + u 2 4 2g + L + p 1。
式中， u 3， u 4为油管内液流流速， m /s， 沿途忽略流量损失， u 3 = u 4； L 为下泵深度， m；3，4分别为断面 3和 4处的液体密度， kg /m 3； p u为旋流器溢流口外环空处压力， MPa； p t为井口油压 （可以通过井口油嘴的调节来选择 ）， M Pa； p 1为旋流器出口到井口的压头损失， MPa. p 1的计算利用多相管流奥齐思泽斯基方法， 过程中会用到旋流器分流后的举升流量， 利用欲达到的分流比 F 和已知的油层产液量 Q b可以求得。
电潜泵出口压力。如， 由泵出口到旋流器溢流口列压力平衡式：p out = p u + p i- u。
式中， p ou t为电潜泵出口压力， M P a； p i- u为旋流器入口到溢流口的压降损失， MPa， 可根据水力旋流器规律求得。
2.2.4 电潜泵级数的确定
根据前两步的计算结果， 结合电潜泵单级的举升压头， 得出电潜泵的总级数 n. n = （p out - p in） / p pum p。
2.2.5 旋流器底流口处压力的确定
根据已知的旋流器的规律， 可以得出 p i- d， 底流口处压力为p d = p i - p i- d。
式中， p i为旋流器入口处压力， M Pa， 忽略电潜泵出口到旋流器入口的压力损失， p i = p ou t； p i- d为旋流器入口到底流口的压力损失， M Pa； p d为旋流器底流口处压力， MPa. 2.2.6 底流节流嘴压损的确定
为了满足举升条件， 必须选择具有一定增压效果的电潜泵， 但由于注水层吸水指数较大， 因此泵出口处的压力远大于注水压力， 为了平衡掉这部分剩余压头， 需要在底流口处加油嘴憋压， 以使系统达到同时注入和举升的目的。
注水层压力。根据期望的分流比 F 0和油层产液量 Q b0可以得出注水层的注入量 Q z：Q z = Q b0 /（ 1+ F 0）。
底流节流嘴后压力。由 2 2断面向 1 1 断面列能量方程：p d 2 g + u 2 2g + z= p z 1 g + u 2 1 2g + h 1。
式中， p d为旋流器底流口处安装底流节流嘴后的压力， MPa； p z为注水层注水压力， MPa， 根据注水指示曲线确定； u 1与 u 2分别为截面 1与 2 处的液流流速， m /s； z为注水层到旋流器底流口的距离， m；1，2分别为注入水以及流经底流液的密度， kg/m 3；h 1为液流从底流节流嘴到井底的压头损失， MPa，用奥齐思泽斯基方法求得< 9>， 如果采出层与注入层之间的间距较小， 则 h 1可以近似为零。
由此可求得 p d。
根据旋流器底流口处压力和底流节流嘴后压力， 得到节流嘴的压损 p d s为p ds = p d - p d。
（ 8）
2.3 注水层吸水性能较差时电泵机组匹配方法
电潜泵排量的选择方法同注水层吸水指数较大时电潜泵排量的选择。
2. 3. 1 电潜泵入口压力的确定
根据井底流压 p w f向上计算， 利用奥齐思泽斯基方法可以计算出泵的入口压力 p in， 即p in = p w f - p.（ 9）
2 3. 2 电潜泵出口压力的确定
旋流器底流口处压力。根据期望的分流比F 0和油层产液量 Q b0可以得出注水层的注入量 Q z：Q z = Q b0 /（ 1+ F 0）。
根据注水指示曲线， 确定注水层压力 p z。
由 p z向上计算， 利用多相管流理论求得旋流器底流口处压力 p d。
如， 列 1 1面到 2 2面的能量方程：p z 1 g + u 2 1 2g + h 1 = p d 2 g + u 2 2g + z.（11）
电潜泵出口压力。由电潜泵出口到旋流器底流口列压力平衡方程式：p out = p d + p i- d。
2.3.3 电潜泵级数的确定
根据泵入口压力 p in和出口压力 p out确定泵的总压头， 再除以单级泵的压头 p pump确定所需电潜泵的级数。
n = （p out - p in） / p pum p。
2.3.4 溢流节流嘴压损的确定
旋流器溢流口处压力。忽略从电潜泵出口到水力旋流器入口的压力损失， 即 p i = p out。由旋流器入口向溢流口列压力平衡式， 得旋流器溢流口处压力为p u = p i - p i- u。
溢流节流嘴后压力。如， 列断面 3到 4的能量方程：p u 3 g + u 3 2 2g = p t 4 g + u 4 2 2g + L + h 2。
式中， p t为井口压力， MPa， 为便于地面监测， 井口压力设为定值， 其大小可以通过调节井口油嘴的开度来改变； h 2为由溢流节流嘴后到井口的压力损失，M Pa.利用奥齐思泽斯基方法求得 h 2 < 9>， 在计算过程中， 会用到举升流量， 计算公式为Q u0 = Q b0 F 0 /（1+ F 0）。
根据旋流器溢流口处压力 p u和溢流节流嘴后的压力 p u， 求出溢流节流嘴的压损 p u s为p u s = p u - p u。
2.4 应用底流或溢流节流嘴完成匹配
2.4.1 匹配特性曲线分析
如， H Q 曲线为电潜泵的特性曲线，为安装不同底流 （或溢流 ）节流嘴时的管路特性曲线。管路特性曲线与泵特性曲线的交点就是泵的工作点， 分别对应图中 1， 2， 3点。不同孔径油嘴造成的压力损失不同， 同流量下， 孔径越小压力损失越大， 管路特性曲线就会越陡。
按照， 工作点 1就是佳工况， 此时泵工作在高效区， 电泵匹配的目的就是在满足生产需要的前提下使泵尽量工作在高效区内。图中工作点 3代表在底流口处不安装节流嘴或安装节流嘴孔径偏大时 （或者在溢流口处安装节流嘴孔径偏小 ）的工况，可以看出这时不但泵偏离高效区， 而且泵压头偏低，不满足举升条件， 无法实现举升， 这是在设计系统匹配时应该尽量避免的情况。工作点 2代表底流口处安装较小孔径的节流嘴 （或者在溢流口处没有安装节流嘴或者安装节流嘴孔径偏大 ）后产生的工况，可以看出， 泵的压头较高， 造成能量的浪费， 而且泵工作不在佳工况范围内。因此， 需要安装合适的节流嘴使泵工作在 1点工况下。
实际应用中， 应当根据流经油嘴的流量和需要的压损来选择不同孔径的油嘴， 为了能选择合适的油嘴， 需要定量计算不同流量、不同孔径油嘴下的压力损失。
2.4.2 底流或溢流节流嘴的选择和安装
利用流体力学知识计算节流嘴在不同的油嘴孔径和不同的过流流量下的压力降。本次设计安装的油嘴流道结构为细长孔， 压力损失分为进口压力损失、出口压力损失和沿程压力损失， 3种损失之和就是油嘴的总压力损失。前两种压力损失属于局部压力损失， 局部压力损失为H j = v 2g。
式中， 为局部阻力系数。
为方便选择， 本文中计算了底流或溢流节流嘴不同孔径 （ 2 4 mm）、不同流量 （ 60 150 m 3 /d）下对应的压降值， 并将计算结果绘制在坐标纸上， 得出p d s = f （ d d）， p ds = f （Q d）， p us = f （d u）， p d s = f（Q u）共 4组曲线。
底流或溢流节流嘴憋压都是井下机组匹配的重要部分， 底流或溢流节流嘴直接用螺纹安装在旋流分离器上， 与旋流器的底流或溢流口连通。
3 地面监测调整
完成了前几步工作后， 系统可以下井工作， 但是以上的匹配过程只是推算设计， 与实际工况会有一定的误差， 需要通过测量地面监测数据来判断井下机组是否按照预定工况工作， 并进行一定的调整。
3.1 油层实际产液量的推算
根据实际测量的井口流量 Q u1和井口压力 p t1，当对应注水层吸水指数较大时， 利用式 （ 2）， （ 3）可以求得电潜泵的实际出口压力， 当对应注水层吸水指数较小时， 利用式 （ 10） （ 12）可以求得电潜泵的实际出口压力； 结合电潜泵入口压力， 确定电潜泵的增压大小； 根据修正后泵的特性曲线查得电潜泵的实际流量 Q b1， 如果 Q b1 - Q b0 > ， 即假设值与实际值相差较大， 则需要重新修正假设地层产液量 Q b0，直到两者满足 Q b1 - Q b0， 则此时的 Q b0即为油层的实际产液量。
3.2 实际分流比的调整根据实际井口产量 Q u1和实际的油层产液量Q b0， 求出实际的分流比 F 1为F 1 = Q u1 Q b0 - Q u1。
如果实际分流比 F 1满足希望的分流比的范围，则说明分流比合适， 否则需要进行调整。调整井口压力 p t， 即调节井口油嘴的开度， 直到使分流比在合适的范围内为止。
关于该套电泵机组的匹配方法， 用 V isual Basic编制了软件， 可以方便地实现机组匹配设计和地面监测调整。
4 结束语
单电潜泵水力旋流型井下油水分离系统由单泵提供举升和注入能量， 水力旋流器为能量分配的核心部分。按照注水层吸水性能的不同， 分别介绍了电泵机组的匹配方法， 并通过在旋流器溢流口或底流口处安装溢流或底流节流油嘴来完成机组的匹配。通过地面监测结果调节系统的采注比。
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