無外接動(dòng)力油井伴生氣回收裝置的研制及應(yīng)用

馬立軍，賈品元，周子文

（長(zhǎng)慶油田公司第五采油廠，陜西 西安 710018）

1 前言

在石油天然氣行業(yè)，采油井伴生氣回收利用是國(guó)家、地方、企業(yè)近幾年最關(guān)心的問題，各油氣田企業(yè)也都在尋求最佳的伴生氣回收再利用工藝技術(shù)，進(jìn)一步提高伴生氣的利用率。姬源開發(fā)區(qū)塊共有采油井4500 口，井組伴生氣量達(dá)到40 萬方/天，目前利用率不足45%，主要用于井組加熱設(shè)施的消耗及冬季員工取暖，其余伴生氣通過排放或無效燃燒，大量排放伴生氣會(huì)在井組區(qū)域產(chǎn)生高濃度硫化氫，形成有毒危險(xiǎn)源，同時(shí)燃燒伴生氣會(huì)產(chǎn)生大量二氧化碳，造成環(huán)境污染，因而，為了順應(yīng)國(guó)家、地方及公司相關(guān)的法律法規(guī)，達(dá)到節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)及降本增效的目的，使得伴生氣的回收利用是油氣田近幾年急需解決的關(guān)鍵問題之一。根據(jù)油井生產(chǎn)技術(shù)和抽油機(jī)工作原理，結(jié)合井口流程的特點(diǎn)，巧妙的設(shè)計(jì)了一款無外接動(dòng)力伴生氣回收裝置，投資成本低、回收效率高。

2 無外接動(dòng)力伴生氣回收裝置技術(shù)

無外接動(dòng)力伴生氣回收裝置是該裝置巧妙的利用抽油機(jī)的動(dòng)力，帶動(dòng)裝置的往復(fù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)油井伴生氣的回收、輸送。

2.1 裝置組成

該裝置主要由壓縮缸體、上下支撐單元、上下固定單元、桿端軸承、管路系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)等部件組成，見圖1。

圖1 裝置組成結(jié)構(gòu)圖

2.2 工作原理

利用抽油機(jī)游梁上下往復(fù)擺動(dòng)，帶動(dòng)單井伴生氣壓縮缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將套管內(nèi)的伴生氣，通過吸入、壓縮，增壓輸送至單井集油管線。抽油機(jī)上沖程過程，將套管內(nèi)的伴生氣吸入壓縮氣缸（出氣口單流閥關(guān)閉，進(jìn)氣口單流閥打開）；抽油機(jī)下沖程過程，將氣缸內(nèi)伴生氣壓縮、增壓輸送至集油管線（出氣口單流閥打開，進(jìn)氣口單流閥關(guān)閉），循環(huán)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)油井伴生氣的收集。見圖2。

圖2 工作原理示意圖

2.3 可靠性分析

2.3.1 抽油機(jī)動(dòng)力分析

常規(guī)抽油機(jī)載荷屬交變載荷，在抽油有效載荷和平衡塊平衡力矩的共同作用下，曲柄的扭矩曲線變得較為平緩；但因抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)固有特性的影響，曲柄扭矩峰值差很大，甚至出現(xiàn)負(fù)扭矩。見圖3。

圖3 抽油機(jī)交變載荷圖

從圖中可以看出，安裝裝置后，對(duì)抽油機(jī)動(dòng)力的影響是不大，且是正面的。當(dāng)抽油機(jī)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)到270°～360°之間時(shí)，裝置還能起到減小負(fù)扭矩的作用,因此抽油機(jī)在加裝了壓縮機(jī)后，只需適當(dāng)調(diào)平衡塊的位置，既不會(huì)影響抽油機(jī)的正常工作也不需要增大電機(jī)功率。

2.3.2 強(qiáng)度分析

裝置的上支撐點(diǎn)用4 條高強(qiáng)度U 型卡固定于游梁，固定位置基本位于中間軸承和驢頭中間位置。在壓縮缸運(yùn)行過程中僅會(huì)產(chǎn)生不到2.5MPa 壓力的一個(gè)作用力，最大作用到游梁的力平均分散到0.13m2連接板上，根據(jù)模擬計(jì)算90000N 的力作用在0.13m2的面積上，變形位移量約為0.048mm，可以忽略不計(jì)；強(qiáng)度安全計(jì)算安全系數(shù)為22.9，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于機(jī)械安全強(qiáng)度3-8 倍的要求，所以該裝置對(duì)于抽油機(jī)游梁的強(qiáng)度不會(huì)造成影響。

2.4 安全分析

本文所指的伴生氣是采油井由于原油飽和壓力大于井底壓力從原油中自動(dòng)脫離出的非烴類化合物，從油井套管排出，由于壓力、開采層位、流程工藝等因素，導(dǎo)致伴生氣在地面的壓力一直不穩(wěn)定，同時(shí)井組外輸?shù)幕貕阂灿捎诩竟?jié)、流程設(shè)計(jì)等因素，也導(dǎo)致回壓不穩(wěn)定，鑒于以上因素，在設(shè)計(jì)過程中充分考慮到裝置運(yùn)行的安全性和平穩(wěn)性，在裝置進(jìn)口流程上設(shè)計(jì)了進(jìn)氣減壓閥，使裝置進(jìn)氣壓力一直處于穩(wěn)定狀態(tài)；在進(jìn)出流程上各設(shè)計(jì)了安全閥，保證裝置不超壓運(yùn)行；在套管出口安裝了迷宮小巧型冷凝器，防止凝析油進(jìn)入裝置流程；在進(jìn)氣端安裝過濾器，有效過濾伴生氣中的雜質(zhì)，防止損壞儀器儀表。

2.5 流程連接技術(shù)

裝置安裝前根據(jù)單井或井組伴生氣量的情況，可實(shí)現(xiàn)一對(duì)一和一拖多回收的模式。一對(duì)一模式就是一口井安裝一套無外接動(dòng)力伴生氣回收裝置，裝置進(jìn)氣連接到油井套管排空處，經(jīng)過裝置壓縮通過集輸管線和原油混送至下游站點(diǎn)；一拖多模式就是在井組一口井上安裝一套該裝置，其他井的伴生氣通過管線串聯(lián)到裝置的進(jìn)氣口。連接工藝主要包含單向閥、安全閥、減壓閥、球閥、過濾器、冷凝器、流量計(jì)、高壓管路、轉(zhuǎn)換接頭等部件組成。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

從2019 年5 月份開始在姬源區(qū)塊連續(xù)投用無外接動(dòng)力伴生氣回收裝置35 套（見圖4），一對(duì)一模式運(yùn)行20 套，一拖多模式運(yùn)行15 套，配套安裝的抽油機(jī)為9 型彎梁變矩抽油機(jī)。截至目前，長(zhǎng)達(dá)18 個(gè)月的運(yùn)行，均未出現(xiàn)故障，同時(shí)根據(jù)流量計(jì)計(jì)量測(cè)算平均每口井回收伴生氣146m3/天，同時(shí)在降回壓、消隱患等方面都有較好的效果。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)物圖

3.1 裝置運(yùn)行情況

無外接動(dòng)力伴生氣回收裝置采用的是自動(dòng)潤(rùn)滑模式，上支撐桿環(huán)形空間作為儲(chǔ)油室，利用軟管連接，精密小巧閥門控制流量，保證氣缸在連續(xù)運(yùn)行過程得到科學(xué)的潤(rùn)滑，減少活塞運(yùn)行的磨損，同時(shí)上下關(guān)節(jié)軸承及萬向軸承進(jìn)行方向轉(zhuǎn)化，確保氣缸活塞和缸體一直處于垂直狀態(tài)，進(jìn)過12 個(gè)月的試驗(yàn)，經(jīng)拆解氣缸內(nèi)壁無損傷、劃痕、偏磨等問題，進(jìn)一步說明該裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

3.2 取得的效果

經(jīng)過18 個(gè)月的使用，伴生氣回收效果較好，并在降回壓、消除井組硫化氫濃度隱患、延長(zhǎng)單井集油管線熱洗及除垢的周期、消除環(huán)境污染及經(jīng)濟(jì)效果等方面都有較好的效果。

3.2.1 降回壓效果

根據(jù)22 個(gè)井組冬季最高回壓數(shù)據(jù)來看，平均回壓降低了0.18MPa，其中最高的塬59-90 井組2018 年回壓達(dá)到2.4MPa，使用無外接動(dòng)力伴生氣回收裝置后，同期回壓降到了1.8MPa，可見效果非常顯著。同時(shí)根據(jù)實(shí)際處理氣量來看，達(dá)到裝置負(fù)荷的60-70%之間，將回壓效果較好。同時(shí)伴生氣的和集油管線的混輸，有效的推動(dòng)了含水原油的流速，因而管線結(jié)蠟、結(jié)結(jié)垢的速率明顯降緩，其中塬62-85 管線每年需熱洗2 次，然而該裝置投用后，僅熱洗管線一次，熱洗管線周期延長(zhǎng)了180 天。

3.2.2 消除隱患保護(hù)環(huán)境效果

安裝35 臺(tái)該裝置后，消除了15 個(gè)無效排放燃燒的火炬，根據(jù)測(cè)算15 個(gè)排放火炬燃燒氣量約為2500m3，將產(chǎn)生4750kg 二氧化碳，同時(shí)還產(chǎn)生一氧化碳、粉塵等有害物質(zhì)，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。該裝置是密閉收集、壓縮、輸送伴生氣，致使井組硫化氫濃度明顯降低，沙25-21 井組日平均硫化氫濃度從42 降低到0，有效消除了人員中毒的風(fēng)險(xiǎn)。

該裝置投用前，該區(qū)塊加熱爐燃料是煤炭，加熱效率不高，員工勞動(dòng)強(qiáng)度大，并煙氣的大量排放造成環(huán)境污染。直至無外接動(dòng)力伴生氣回收裝置投用后，沿途的4座站點(diǎn)8 臺(tái)加熱爐燃料改為伴生氣，加熱效率明顯提高，外輸原油溫度得到了有效保障，并通過升級(jí)改造，加熱爐實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，員工勞動(dòng)強(qiáng)度降低，受到抑制好評(píng)。

3.2.3 經(jīng)濟(jì)效益

3.2.3.1 直接效益

伴生氣在下游集中回收利用，每天單井按照處理140m3伴生氣計(jì)算，每m3伴生氣按照0.8 元計(jì)算，單井每年可直接產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益大約4 萬元（年收益=每天單井處理伴生氣量m3×0.8 元/m3×365），如按照全廠5000口油井全部安裝該裝置，每年大約產(chǎn)生直接效益20000萬元（年收益=每天單井處理伴生氣量m3×0.8 元/m3×改造油井?dāng)?shù)量×365），可見經(jīng)濟(jì)效益非常可觀。

3.2.3.2 間接效益

一是延緩了管線熱洗及除垢的周期，每年節(jié)約措施費(fèi)用約500 萬元（按照全廠500 條井組管線計(jì)算，每條管線熱洗及除垢費(fèi)用按照1 萬元計(jì)算）；二是8 臺(tái)加熱爐煤改氣每年節(jié)約燃料費(fèi)約20 萬元；三是燃燒伴生氣環(huán)境污染政府的罰款及環(huán)境治理費(fèi)用；四是潛在的硫化氫中毒隱患處置費(fèi)用；五是提高了機(jī)械效率，節(jié)約了大量電費(fèi)。

無外接動(dòng)力伴生氣回收裝置成功的研制及應(yīng)用，高效解決了采油井伴生氣回收問題，同時(shí)在降回壓、消除隱患、環(huán)境治理、提質(zhì)增效等方面都有較好的效益，特別是本生氣回收加工的副產(chǎn)品，會(huì)產(chǎn)生高額的經(jīng)濟(jì)回報(bào)，是一種綠色環(huán)保節(jié)能型裝置，在油氣田采油井單井和井組伴生氣回收中具有一定的推廣價(jià)值。