一种多相压缩实现套管气混输回收的系统和方法
阅读说明：本技术 一种多相压缩实现套管气混输回收的系统和方法 (System and method for realizing mixed transportation and recovery of sleeve gas by multi-phase compression ) 是由 廖文勇 于 2019-07-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种多相压缩实现套管气混输回收的系统和方法,特别涉及石油生产中套管气的回收和带液压缩、以及利用现有输油管线进行混输的方法。系统由工艺管线、阀门、过滤设备、压缩机、液压驱动系统、冷却系统、放空系统和就地控制柜组成。其实现方法为：当套管气压力低于油管线输送压力且高于套压的最低设定值时,只需要对套管气进行粉尘和固体颗粒杂质过滤,而不需对其进行气液分离,过滤后的套管气由压缩机增压后进入输油管线混输；当套管气压力高于油管线输送压力时,套管气通过旁路管线直接进入输油管线混输；系统运行由就地控制柜自动控制。本发明能实现套管气完全无排放回收,并自动保持井筒内适当的套压值,进而保持井筒内动液面在一个合理的高度范围,在此高度范围内,抽油泵维持在较高泵效水平稳定运行,从而稳定和提高原油产量。(The invention discloses a system and a method for realizing mixed transportation and recovery of casing gas by multiphase compression, and particularly relates to a method for recovering the casing gas in petroleum production, compressing the casing gas with liquid and carrying out mixed transportation by using the conventional oil pipeline. The system consists of a process pipeline, a valve, filtering equipment, a compressor, a hydraulic driving system, a cooling system, a venting system and an on-site control cabinet. The realization method comprises the following steps: when the pressure of the casing gas is lower than the conveying pressure of the oil pipeline and higher than the lowest set value of the casing pressure, only dust and solid particle impurities are required to be filtered, gas-liquid separation is not required to be carried out on the casing gas, and the filtered casing gas enters the oil pipeline for mixed transportation after being pressurized by a compressor; when the pressure of the casing gas is higher than the conveying pressure of the oil pipeline, the casing gas directly enters the oil pipeline for mixed conveying through the bypass pipeline; the system operation is automatically controlled by the local control cabinet. The invention can realize the complete non-discharge recovery of the casing gas, automatically keep the proper casing pressure value in the shaft, further keep the working fluid level in the shaft in a reasonable height range, and in the height range, the oil well pump can be stably operated at a higher pump efficiency level, thereby stabilizing and improving the yield of crude oil.)
技术领域
本发明涉及石油和天然气生产领域中的上游开采和生产技术环节，特别涉及到石油生产中套管气的抽采、压缩和利用现有输油管线进行套管气混输回收的系统和方法。
背景技术
石油生产过程中，要使石油流入油井，井底的压力必须小于地层压力。当井底压力降低至泡点压力时，原油中的伴生气（主要是天然气）逐渐析出，一部分天然气同油流进入抽油泵泵腔，产生气侵，同时泵效降低，情况较重时会造成“气锁”，抽油泵将不能正常工作；另一部分析出气体“聚集”在油管与套管之间，形成套管气。套管气大量聚集会导致套管压力（套压）上升，采油动液面下降，生产压差降低，降低原油产量。
有目的地释放和回收套管气，降低套管压力，一方面能避免天然气以气态的形式进入抽油泵；另一方面，通过释放套管气来降低的套压，能保持采油动液面在一个适合的高度，形成合理的泵沉没度，保证泵效，稳定原油产量。
从另一个角度来看，降低套管气压力意味着降低对地层的反压力，有利于提高石油产量。
朱建华等在《油井套管气回收潜力及技术应用》一文中详细叙述了套压对油井压力的影响（朱建华等.油井套管气回收潜力及技术应用[J ].石油石化节能.第8卷第11期：11-14），在油田生产中，由于油井产出的伴生气气量小，回收不够形成一定的经济效益，或者由于地理因素、建设投资的原因，没有建设单独的输气气管道，所以大部分油田采用放空、燃烧的方法来处理套管气。这样的处理方式，不仅对自然环境造成严重的污染，而且造成天然气资源极大的浪费。
套管气的主要成分是甲烷，还包含一些分子链较长的烃类物质、水分和其它杂质。其中，甲烷的温室效应（GWP值）是二氧化碳的21倍（秦大河.温室气体与温室效应[M].气象出版社，2009：115-117），大量排放在空气中会带来比较严重的环境问题。
由于节能、减排、环保的要求越来越严格，放空或燃烧也受到越来越严格的限制。近年来，各大油田开始积极探索处理并回收利用套管气的工艺技术。
对于正在生产的抽油井，回油干线的压力称为回压。在油田开采前期，对于地层压力高，伴生气资源丰富的油井，套压高于回压时，普遍采用憋压回收工艺或定压回收工艺回收套管气。这两种工艺不排放废气，套管气直接进入油管道中混输，在一些油田取得了良好的效果。（朱建华等.油井套管气回收潜力及技术应用[J].石油石化节能.第8卷第11期：11-14；曹登巨等.油田伴生气综合利用分析[J].石油与天然气化工.第44卷 第2期：60-64）。
采用定压阀回收工艺适合油气比高、气量大且常压下沉没度大于150m的油井。另一方面，定压或憋压回收工艺又会增大套压，不利于提高油井产量。
大多数油井的套管气压力低于回压，因此需要对导管气进行增压才能进入油管混输，技术人员相应的开发出游梁连动式低压抽气筒、同步回转油气混输压缩机等混输技术（于世春.长庆油田油井套管气回收工艺技术研究[J].科技资讯.2012 NO.24：64-66），由于工艺结构、维护难易程度、压力适应范围、高压运行稳定性以及生产适应性等各方面原因，应用推广的普遍性受到限制。
随着油田生产的进行，普遍面临着原油产量降低、油田伴生气产出速度衰减较为迅速、产液量加大、套管气压力低于回压不足以直接进输油管线、套管气就地回收处理或利用变得困难等具体问题。而敷设专门的集气管道方式亦不能适应低渗透油藏产能建设的特点，也不方便于后期产量调整，工程耗资较大且后期回报逐渐衰竭。
如能有效利用现有的输油管线，采用增压混输工艺回收套管气并与原油混输至下游集中处理，实现集输系统的优化以及套管气的充分回收和利用，将是最经济可行的回收方法之一。油田伴生气低成本回收和混输技术是我国目前低渗透油田实现经济高效发展、资源充分利用和节能环保的核心技术。
一个关键的问题是，套管气中往往携带大量的液体，液体中包烃类、水和其它杂质，众多井口携液量超过10%以上，当定压回收或憋压回收工艺不适用时，常用的技术路线是先将套管气进行气液分离，分离后的气体单独进行压缩，再与液体混合进油管输送，这加大了工艺的复杂程度，生产上也会增加很多的工作量和设备投入。
CN102588737B 所提出的混输技术中，输气泵只适用于低压输送，并不适用于带液气体的输送和较高压力的压缩，该方法对套管气携液或者回压较高的情形不适用；CN104100238B 所述的射引增压式套管气回收装置结构简单，有一定的回收效果，但降低套压的能力有限，只适合井口压力较高（1.0MPa以上）的油井，对于低压井的应用有局限性；CN104405343B 所述的丛式井组伴生气回收装置利用抽油机游梁的往复运动来带动活塞压缩，不需要额外动力，但需要对伴生气进行气液分离，不能带液压缩，该装置只适用于抽油机采油的丛式井组，不适用于潜油泵采油的井场，且排气压力只能达到0.6MPa，对回压较高的井场不能实现混输，受游梁往复速度的限制，回收气量和降低套压的能力有限；CN101915074B所述的套管气回收装置采用的方法是将全部的套管气、部分或全部原油引入同步回转压缩机进行压缩输送，套管气不需要进行气液分离，是目前最接近套管气气液混输的装置，不足之处是同步回转油气混输装置维护量大、其中皮带断裂频率较高，维护周期长，高压运行稳定性不足，且同步回转压缩机不适合单纯压缩含液量低的套管气；CN109826594A公开了一种套管气收集装置及使用方法，采用混输泵进行油气混输，其特点是可以密闭地回收套管气，但套压高时需要抽油泵停止工作，然后通过所述装置来进一步释放套压，局限在于对多种压力工况和现场生产的适应性不足；CN102444783B所述的油田伴生气增压混输装置及其回收方法提出了两种不同的套管气回收路线，所述的压缩机实质上是螺杆混输泵，螺杆泵可以很好适应气液同时混输，但耐高温性能弱，需要额外引入足够的原油进行喷淋冷却和保持泵内一定充液度，当上游工况不稳定时，容易造成干磨，定子容易损坏，维修成本较高。
综上所述，现有的套管气回收技术均存在各种局限性：定压或者憋压回收技术工艺简单，但由于回油压力的限制，不适合大多数套压较低的油井，且定压释放或者憋压释放工艺反过来又增大了套管压力，降低油井产量；同步回转压缩机混输技术或螺杆泵混输技术具有泵和压缩机的双重特性，泵的吸入压力低，可输送的液体粘度广泛，但是高含气率（GVF超过80%以上）时泵效下降迅速，容易损坏，维修成本较高，现场检修困难，适合在工艺流程中作为混输泵使用，单纯用作伴生气回收并不适用；常见的气体压缩机回收伴生气技术需要对来气进行气液分离，分离后的气体经压缩后可以就地利用，或者与分离下来的液体重新混合进入油管混输，该方法设备投资较大，且需要增加气液分离工艺流程，伴生气量较小时不具有经济价值；其它一些回收方法因为工艺或技术路线的局限性，大面积推广应用的适应性还不足。
发明内容
针对已有技术、工艺上的不足之处或局限性，本发明提出一种多相压缩实现套管气混输回收的系统和方法，不需要对套管气进行气液分离处理，且对不同的套管气压力、不同的携液量和不同的油管输送压力均具有较为广泛的适应性。
为实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
一种多相压缩实现套管气混输回收的系统和方法，由套管气入口A、套管气出口B、放空口C、流体主管线L1、入口手阀01、出口手阀12、第一三通换向阀03、出口电动阀11、吹扫阀02、旁路单向阀04、出口单向阀09、过滤器20、第二三通换向阀05、前置冷却器21、出口冷却器26、压缩机23、液压驱动系统22、进气阀24、排气阀25、放空安全阀07,08和手动放空阀06,10、就地控制仪表32,33,34,35和就地控制柜20、以及旁路管线L2、放空汇管L3组成；套管气入口A连接入口手阀01，入口手阀01下游顺序连接第一三通换向阀03、过滤器20，过滤器20出口连接第二三通换向阀05，第二三通换向阀05的出口连接至压缩机23，压缩机23的出口连接至出口冷却器26，出口冷却器26的下游设置出口单向阀09，出口单向阀09连接至出口电动阀11，出口电动阀11下游顺序连接出口手阀12和套管气出口B；第二三通换向阀05其中一路出口连接前置冷却器21，前置冷却器21的出口汇入压缩机23前的主管线L1；从第一三通换向阀03的旁路出口引出一条旁路管线L2，该旁路管线L2汇入出口单向阀09的出口和出口电动阀11的入口之间，在该旁路管线L2上安装有旁路单向阀04；在流体主管线L1上设有放空安全阀07、08和手动放空阀06、10，放空安全阀07、08和手动放空阀06、10的出口连接至放空汇管L3。
本发明通过以下技术方案来实现套管气的多相压缩和进入输油管线混输：
方案一：当上游套管气压力低于设定值时，套管气走主管线L1，在进入压缩机前经过滤器20过滤掉套管气中的粉尘杂质后，进入压缩机23进行多相压缩，压缩后的套管气经出口气体冷却器26冷却至所需温度后进入下游输油管线混输；
方案二：当上游套管气压力高于设定值时，第一三通换向阀03的旁路自动打开，套管气不走流体主管线L1，直接走旁路管线L2，通过出口电动阀11进入输油管线，此时压缩机23不会启动。
本发明进一步技术方案还在于，所述的压缩机23为实现套管气的带液压缩，与通常的往复式压缩机不同的是，所述压缩机的进气阀和排气阀采用无板式气阀结构，线密封形式，可以实现气相和液相同时流通，压缩机气缸内不会发生液击现象。
本发明进一步技术方案还在于，所述的压缩机23的活塞的运动的线速度远低于通常的往复式压缩机，活塞与气缸摩擦产生的发热量小，再加上套管气中携带的液体本身就具有润滑作用，因此压缩机气缸不需要配置独立的润滑系统。
本发明进一步技术方案还在于，在套管气进入压缩机之前，只设置粉尘过滤器20，过滤掉来气中的粉尘和固体颗粒，其目的是保护气缸，过滤器可以是锥形过滤器或者篮式过滤器，滤芯材质一般为不锈钢滤网，而液体和气体则会顺利通过过滤器。
本发明进一步技术方案还在于，为实现压缩机23对不同进气压力和排气压力的广泛适应性，压缩机活塞采用液压系统驱动，液压系统能自动适应和调节进排气压力，并能提供足够的液压力，只要套管气进出口压力在压缩机设定的工作压力范围之内，且气缸的设计压力符合容积式压缩机的相关标准，本系统所述混输压缩机都能适应其工况。
本发明进一步技术方案还在于，由于液压驱动系统是通过液压元件的动作进行控制的特点，压缩机可随时进行加载、卸载，当系统不工作时，系统和压缩机都不需要卸载，可以在停机后快速启动，解决了一般的往复式压缩机停机后需要卸载的问题。
本发明进一步技术方案还在于，为适应不同的套管气进气量、进气压力和排气压力，与之相匹配的气缸可以是一个或者多个，压缩级数可以是单级压缩，也可以是多级压缩。
本发明进一步技术方案还在于，就地控制柜20带PLC控制模块，PLC控制模块能根据套管气入口压力、温度、输油管背压自动开启或关闭第一三通换向阀03、第二三通换向阀05、前置冷却器21、压缩机23，并将套管气增压到要求的压力进入油管混输。
本发明进一步技术方案还在于，在系统的进出口设置了手动关断阀01、12，在系统管线上设置有手动放空阀06、10，用于系统发生故障或者检修时隔断系统与上下游的连接和排空系统内危险气体；在系统入口设置了吹扫阀02，用于系统重新启动前对系统内的危险气体进行置换。
本发明进一步技术方案还在于，为保证安全，在系统管线上设置了安全阀07、08，安全阀连接到放空汇管L3，当系统内压力超过设定的安全压力时，安全阀自动打开对系统进行泄压和放空。
相对于现有的技术，本发明的有益之处在于：
1. 能满足套管气带液压缩，无须进行气液分离，实现套管气的无排放完全回收；2. 适应的套管气入口范围宽，还可用于负压抽采；3. 排气压力高，能满足绝大多数油管线的输送压力，将套管气与原油一起混输至下游集中处理；4. 压缩机自动匹配合适的进出口压力，降低和控制套压，提高泵效，增加原油产量；5. 系统工艺简单可靠，安全，完全自动化运行，可实现无人值守，现场维护方便，投资较小。
附图说明
下面结合附图对本发明进行进一步说明：
附图1为本发明的系统构成示意图，
其中：A套管气入口、B套管气出口、C放空口、L1流体主管线、01入口手阀、12出口手阀、03第一三通换向阀、11出口电动阀、02吹扫阀、04旁路单向阀、09出口单向阀、20过滤器、05第二三通换向阀、21前置冷却器、26出口冷却器、23压缩机、22液压驱动系统、24进气阀、25排气阀、07,08放空安全阀、06,10手动放空阀、32,33,34,35就地控制仪表、20就地控制柜、L2旁路管线、L3放空汇管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明，以便更清楚的阐述本发明的目的、所采用的技术方法、具体实施方式以及本发明的优点。
实施方案一：
所述压缩机23的启动需要满足两个条件：压缩机入口套管气压力低于油管输送压力，且高于套压的最低设定值，其中一项不满足则压缩机不工作；压缩机入口套管气压力信号取自压力变送器33，油管线输送压力信号取压力变送器34；就地控制柜的PLC模块自动比较压缩机入口套管气压力信号值和油管线输送压力信号，当满足以上启动条件时，PLC控制模块发出指令，压缩机开启工作，套管气走主管线L1进入过滤器20过滤掉套管气中的粉尘杂质，但套管气中的液体不会被过滤，过滤精度一般设定的为5~10μm，经过滤后的套管气进入压缩机23压缩，将套管气增压至高于输油管线压力，压缩后的套管气依次经过出口冷却器26、出口单向阀09、出口电动阀11和出口手阀12进入输油管线混输。
实施方案一所述的工艺流程中，入口套管气的温度信号由就地仪表33传送给就地控制柜20，当套管气温度超过压缩机设定的入口温度上限时，PLC控制模块发出指令，顺序启动前置冷却器21，打开第二三通换向阀05，启动压缩机23，套管气走第二三通换向阀05的旁路进入前置冷却器21冷却，然后汇入流体主管线L1进压缩机23增压。
实施方案二：
当控制柜检测到压缩机入口套管气压力值高于油管线输送压力时，此时压缩机23不满足启动条件，压缩机不会工作，PLC模块发出指令，第一三通换向阀03打开旁路，套管气不走流体主管线L1，直接走旁路管线L2，经过出口电动阀11进入输油管线混输。
在系统实际运行时，以上两种实施方案自动切换、互为补充，共同构成本发明所述系统实现套管气利用油管线混输的完整方法。
以上实施方案设定的最佳参数是：压缩机进气压力范围0~1.0MPa，最高排气压力5.0MPa ，双气缸两级压缩，套管气携液量允许超过10%。该参数完全能满足绝大多数井场的工况，具有较广泛的适应能力。
特别地，在本发明所述的油气混输回收套管气系统投入运行之后，井筒内的套管气压力会下降到一个适合的范围，从而保持井筒内动液面在一个合理的高度（范围），在此范围内，抽油泵的泵效维持在较高水平稳定运行，从而稳定和提高原油产量。
以上仅是实现本发明的一个优化实施例，本领域的技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和方法，在不脱离本发明精神和范围的前提下，基于此发明原理的其它结构形式，以及对本发明的变化和改进都在要求保护的范围内。
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