油井井下集氣混抽工藝管柱改進(jìn)與完善

魏立軍 程顥 王林平 馮建設(shè) 石磊 覃川

（1.長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院；2.低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室）

1 現(xiàn)狀

長(zhǎng)慶油田具有豐富的伴生氣資源，伴生氣同石油、天然氣一樣，是不可再生的優(yōu)質(zhì)資源[1]，伴生氣中丙烷、丁烷是生產(chǎn)液化石油氣（LPG）的重要組分；戊烷、己烷等更重組分又是生產(chǎn)穩(wěn)定輕烴的組分；副產(chǎn)品干氣，主要是甲烷和乙烷，可以作為加熱爐燃料、燃?xì)獍l(fā)電、生產(chǎn)LNG/CNG。對(duì)伴生氣進(jìn)行回收和綜合開(kāi)發(fā)利用，可以創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。同時(shí)伴生氣是一種易燃易爆氣體，溫室效應(yīng)是二氧化碳的21 倍，如果不能有效回收利用，不僅浪費(fèi)資源，給油田安全生產(chǎn)帶來(lái)隱患，而且污染環(huán)境、增加大氣溫室效應(yīng)。

對(duì)于伴生氣回收和綜合利用工程[2]來(lái)說(shuō)，最主要的是前端井場(chǎng)的伴生氣密閉回收，為后端的輕烴廠提供充足的原料。目前井場(chǎng)伴生氣回收主要以地面回收工藝為主，占主體地位的是各種類(lèi)型的定壓放氣閥，但是定壓放氣閥應(yīng)用要求套壓必須大于回壓，定壓放氣閥才能工作，對(duì)于套壓低于回壓的油井，套管氣無(wú)法回收；還試驗(yàn)過(guò)其它一些地面回收工藝，但是都存在投資高，無(wú)法大規(guī)模推廣的問(wèn)題[3-7]。針對(duì)油井伴生氣地面回收工藝的局限性，研制了油井井下集氣混抽工藝管柱，伴生氣全部通過(guò)集氣管柱進(jìn)入油氣混抽泵，實(shí)現(xiàn)了井下回收伴生氣的目的，套壓為零。但在長(zhǎng)期的效果跟蹤過(guò)程中發(fā)現(xiàn)油井套壓緩慢回升，說(shuō)明還是有部分伴生氣緩慢進(jìn)入油套環(huán)空，形成套壓，兩個(gè)月內(nèi)套壓上升為0.2 MPa，這部分伴生氣無(wú)法有效回收，為了解決這個(gè)問(wèn)題，依托中石油科技專(zhuān)項(xiàng)“低碳與清潔發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用”開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，從構(gòu)成油井井下集氣混抽工藝管柱的封隔器、油氣分離管、油氣混抽泵等主要部件分別改進(jìn)、完善，提升伴生氣的井下回收效果[8]。

2 集氣效率下降原因分析及對(duì)策

分析油井井下集氣混抽工藝管柱的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致集氣效率不斷下降可能有兩個(gè)原因，一是封隔器密封不嚴(yán)，伴生氣通過(guò)封隔器直接進(jìn)入油套環(huán)空；二是油氣分離管的長(zhǎng)度不夠，油井來(lái)液也不穩(wěn)定，當(dāng)某段時(shí)間來(lái)液增多，分離出來(lái)的伴生氣過(guò)多，超過(guò)混抽泵的排氣能力，聚焦在泵吸入口不能及時(shí)通過(guò)混抽泵進(jìn)入油管時(shí)就會(huì)通過(guò)油氣分離管的環(huán)空進(jìn)入油套環(huán)空，導(dǎo)致集氣效率下降，套壓升高。

減緩伴生氣進(jìn)入油套環(huán)空的對(duì)策主要有三個(gè)：一是增大封隔器的裙邊外徑，增強(qiáng)封隔能力；二是通過(guò)增加油氣分離管的長(zhǎng)度，增加環(huán)空容積；三是改進(jìn)油氣混抽泵，提高油氣混抽能力。

3 主要部件的改進(jìn)

3.1 封隔器的改進(jìn)

封隔器主要作用是封隔油套環(huán)空，防止伴生氣直接進(jìn)入油套環(huán)空。雙向皮碗式封隔器，采用優(yōu)質(zhì)耐磨的像膠，通過(guò)與套管的過(guò)盈配合（皮碗最大外徑128 mm，套管內(nèi)徑124 mm）來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)單向密封[9]，為了進(jìn)一步提高密封性能，對(duì)皮碗封隔器進(jìn)行改進(jìn)，將皮碗最大外徑由128 mm 增加至132 mm，改進(jìn)后雙向皮碗式封隔器總長(zhǎng)600 mm、皮碗最大外徑132 mm、剛體最大外徑114 mm、最小內(nèi)通徑62 mm、工作壓差10 MPa、抗拉強(qiáng)度450 kN。同時(shí)對(duì)倒角斜度進(jìn)行優(yōu)化，方便現(xiàn)場(chǎng)下井試驗(yàn)。

3.2 油氣分離管的改進(jìn)

油氣分離管由外管和內(nèi)管組成，為便于取材和最大程度減小加工件，盡量選擇標(biāo)準(zhǔn)件，因此外管選用油田常用的73 mm 平式油管，內(nèi)管選用48 mm油管。油氣分離管環(huán)形空間有效截面積為1 210 mm2，油氣分離管長(zhǎng)9 m，環(huán)形空間容積0.010 89 m3，為了增加環(huán)空容積，將油氣分離管由9 m 延長(zhǎng)到18 m，環(huán)空容積增加1 倍，進(jìn)一步提升裝置在井筒內(nèi)的集氣能力。

同時(shí)為了方便油氣分離管的運(yùn)輸，把油氣分離管設(shè)計(jì)為上下兩部分，每段4.5 m，4 段接到一起構(gòu)成18 m 的集氣管柱采用整體式串聯(lián)設(shè)計(jì)，包括上油氣分離管柱、下油氣分離管柱，如圖1、圖2所示。

圖1 上油氣分離管柱

圖2 下油氣分離管柱

3.3 油氣混抽泵的改進(jìn)

原來(lái)的油氣混抽泵與常規(guī)抽油泵相比，設(shè)計(jì)防氣滑閥、負(fù)壓緩沖區(qū)及交換槽，增強(qiáng)排氣能力，達(dá)到油氣混抽的目的[10]，地層流體經(jīng)油氣分離管聚集在泵吸入口，下行程時(shí)防氣滑閥關(guān)閉，油管內(nèi)液柱載荷作用于滑閥上，負(fù)壓區(qū)因體積擴(kuò)大而強(qiáng)制形成負(fù)壓，有助于油氣混合物克服游動(dòng)閥的阻力，進(jìn)入泵筒。

但在分離出來(lái)的氣量較大的時(shí)候，泵吸入口全部都是伴生氣，依靠氣壓頂開(kāi)游動(dòng)閥還是存在滯后的問(wèn)題，導(dǎo)致排氣不及時(shí)，伴生氣進(jìn)入油套環(huán)空。

為了進(jìn)一步提升油氣混抽泵的排氣能力，柱塞采用強(qiáng)啟閉雙柱塞，下行程柱塞在摩擦力作用下強(qiáng)制開(kāi)啟，防止氣鎖。同時(shí)和防氣滑閥配套，排氣能力進(jìn)一步提高。

3.4 改進(jìn)后的油井井下集氣混抽工藝管柱

由三部分構(gòu)成，一是封隔器，封隔油套環(huán)空，使伴生氣進(jìn)入油氣分離管；二是油氣分離管，利用重力分離原理促使伴生氣聚集在混抽泵吸入口；三是強(qiáng)啟閉油氣混抽泵，實(shí)現(xiàn)油氣混抽，井下回收伴生氣的目的。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

在長(zhǎng)慶油田開(kāi)展了13 口井的改進(jìn)型油井井下集氣混抽工藝管柱現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)前后產(chǎn)液量、套管氣量、系統(tǒng)效率等參數(shù)變化情況，評(píng)價(jià)該工藝的適用性。

通過(guò)13 口井試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，試驗(yàn)后產(chǎn)液量保持穩(wěn)定，機(jī)采系統(tǒng)效率略有提升；套管氣量明顯降低，單井套管氣由試驗(yàn)前的385 m3/d，降到試驗(yàn)后的55 m3/d，說(shuō)明85.7%的伴生氣通過(guò)油井井下集氣混抽工藝管柱進(jìn)入輸油管線(xiàn)，持續(xù)跟蹤半年，套壓緩慢上升到0.2 MPa，相比前期兩個(gè)月上升到0.2 MPa，伴生氣逸散到套管的速度降為原來(lái)的1/3，井下集氣油氣混抽的效果明顯得到改善，相比以前可以回收更多的伴生氣，為下游輕烴回收裝置提供可靠的氣源。

表1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

1）雙向皮碗封隔器最大皮碗外徑增大后的可以實(shí)現(xiàn)油套環(huán)空的有效封隔，防止伴生氣直接進(jìn)入油套環(huán)空，改變伴生氣運(yùn)移路徑，進(jìn)入油氣分離管。

2）油氣分離管改進(jìn)后，環(huán)空容積增加1 倍，進(jìn)一步提升裝置在井筒內(nèi)的集氣能力。

3）采用強(qiáng)啟閉泵配套防氣滑閥的結(jié)構(gòu)，油氣混抽泵的混抽能力進(jìn)一步提升，85.7%的套管氣進(jìn)入輸油管線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了井下集氣的目的。

4）試驗(yàn)后產(chǎn)液量保持穩(wěn)定，機(jī)采系統(tǒng)效率略有提升，說(shuō)明該工藝不會(huì)對(duì)油井產(chǎn)量、系統(tǒng)效率造成影響。