油井井口套管氣增壓回收技術(shù)研究與試驗(yàn)

程顥 侯寧 王林平 鄭剛 陳旭

（1.長慶油田分公司油氣工藝研究院；2.長慶油田分公司第一采油廠）

原油在生產(chǎn)過程中，伴生氣一部分積聚到油井套管中形成套管氣，需采取相應(yīng)措施進(jìn)行回收。長慶油田伴生氣資源豐富，目前仍有59×104m3/d的伴生氣未被回收，潛力大[1]。根據(jù)DB13/2322—2016《工業(yè)企業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物排放標(biāo)準(zhǔn)》，明確要求排放不得超過100 g/m3，回收效率應(yīng)達(dá)到97%。因此，從安全環(huán)保、節(jié)能減排及經(jīng)濟(jì)效益三方面考慮，應(yīng)積極采取回收油田套管氣的技術(shù)措施，有效利用這部分套管氣，以達(dá)到節(jié)能減排的目的[2-3]。

目前，油井伴生氣回收工藝主要方式為井口安裝定壓閥對套管氣進(jìn)行回收[2]，當(dāng)套管壓力大于系統(tǒng)生產(chǎn)壓力時(shí)，定壓放氣閥開啟，套管氣進(jìn)入生產(chǎn)系統(tǒng)；當(dāng)套管壓力等于或低于系統(tǒng)壓力時(shí)，定壓放氣閥不能開啟，套管氣無法進(jìn)入生產(chǎn)系統(tǒng)[4]，隨著油田的開發(fā)，套管氣資源量降低，這種工況的油井越來越多，造成大量伴生氣無法回收。因此，研究了井口增壓回收泵，實(shí)現(xiàn)套壓低于回壓油井套管氣的有效回收，增壓成本低、回收率高，提高了套管氣回收技術(shù)的適用范圍。

1 套管氣增壓儲集裝置設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

采用增壓回收的方式對套管氣進(jìn)行回收[5]，但目前增壓裝置成本高，維護(hù)工作量大。而抽油機(jī)平均負(fù)載率只有70.1%，可利用抽油機(jī)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的富余能量作為增壓動(dòng)力，減少增壓裝置投資，做到采油及增壓相結(jié)合。同時(shí)考慮長慶油田風(fēng)沙及冬季低溫的情況，若將增壓泵安裝于地面，存在凍堵及卡泵等風(fēng)險(xiǎn)，因此形成將壓縮泵集成于采油井口中的思路。

1.2 方案初設(shè)計(jì)

需要借助抽油機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的勢能，壓縮泵柱塞可與抽油機(jī)驢頭連接，也可與抽油機(jī)光桿連接，而與驢頭連接屬于硬連接，存在卡泵后上頂驢頭的問題，有安全風(fēng)險(xiǎn)；因此，選擇與光桿連接，與抽油泵屬于同樣的工作原理，避免安全問題。壓縮泵與套管口及集油流程通過管線連接，行程進(jìn)排氣流程，可將套管氣導(dǎo)入壓縮泵內(nèi)，增壓后進(jìn)入集油流程完成混輸。井口套管氣增壓回收裝置見圖1。

圖1 井口套管氣增壓回收裝置Fig.1 Pressurization recovery device of wellhead casing gas

在壓縮泵下端增加出油花管，增大管掛內(nèi)徑，在增壓泵與管掛環(huán)空之間形成油流通道，油流可排出進(jìn)入集油流程完成采油。實(shí)現(xiàn)了采油、套管氣回收一體化運(yùn)作，互不影響。

1.3 連接方式設(shè)計(jì)

套管氣增壓儲集裝置安裝于井口位置，壓縮柱塞連于光桿下，通過抽油桿帶動(dòng)柱塞完成套管氣的壓縮與回收，形成與抽油機(jī)驢頭的軟連接，不影響抽油機(jī)力學(xué)機(jī)構(gòu)，直接連接抽油桿下井，不影響修井作業(yè)。

進(jìn)氣流程：壓縮腔與套管連通，安裝單流閥，形成吸氣通道；壓縮腔與油流程連接，安裝單流閥，形成回收通道。

進(jìn)氣流程：連接于套管出口和壓縮泵筒之間；排氣流程：連接于壓縮泵出口和集油管線之間；套管氣安全回路：連接于進(jìn)氣流程上；液面測試裝置：連接于排氣管線和套管出口；改造的管掛：連接于上法蘭和油管之間；出油花管：設(shè)計(jì)在管掛內(nèi)部，上端和壓縮泵相連；壓縮泵柱塞：和光桿相連接。井口套管氣增壓回收裝置現(xiàn)場安裝見圖2。

圖2 井口套管氣增壓回收裝置現(xiàn)場Fig.2 Site of pressurization recovery device for wellhead casing gas

1.4 工作原理

裝置由增壓泵、進(jìn)氣流程、排氣流程等組成。

1）下沖程。光桿帶動(dòng)壓縮泵柱塞下行，進(jìn)氣流程中的單向閥打開，排氣流程中的單向閥關(guān)閉，套管氣進(jìn)入壓縮泵腔中。

2）上沖程。油流從出油花管流出進(jìn)入集油管線。進(jìn)氣流程中的單向閥關(guān)閉，排氣流程中的單向閥打開，壓縮泵內(nèi)氣體壓力增大，套管氣沿排氣流程進(jìn)入集油流程。

3）液面測試。上沖程在排氣過程中，氣體進(jìn)入儲氣罐，儲氣罐壓力通過安裝在排氣管線上的定壓閥進(jìn)行設(shè)置，給連續(xù)液面測試儀提供氣源。

4）套管氣安全回路。排氣管線發(fā)生凍堵情況時(shí)，上沖程中氣體壓力增大，回路中的定壓閥打開，套管氣重新回到套管中。

1.5 關(guān)鍵部件尺寸設(shè)計(jì)

關(guān)鍵部件包括改造的管掛、法蘭、壓縮泵和出油花管，所有的尺寸改造均是按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)給出的類型進(jìn)行選擇，壓縮泵內(nèi)徑越大，壓縮比越大，回收效果越好，但是受限于124.26 mm的油井套管內(nèi)徑，結(jié)合油流通道及液面測試效果等因素，對裝置部件的尺寸進(jìn)行了反復(fù)選擇。

1）管掛。現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)際外徑為73 mm，此次改造，外徑不能選101 mm以上，以外徑101 mm為例，接箍外徑120.65 mm，套管內(nèi)徑124.26 mm，環(huán)空過小，影響液面測試。因此選擇外徑89 mm管掛，接箍外徑108 mm。

2）上法蘭。管掛要與上法蘭連接，上法蘭內(nèi)孔徑，需和管掛統(tǒng)一，因此將內(nèi)孔徑從73 mm加大至89 mm。

3）壓縮泵。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定抽油泵型號為28 mm、32 mm、38 mm、44 mm、57 mm。為了滿足試驗(yàn)點(diǎn)油井套壓0.1 MPa，油壓0.5 MPa最低條件下可回收套管氣的目的，壓縮比需在5.0左右，選擇44 mm以上壓縮泵，可滿足該條件。因此選擇泵筒內(nèi)徑44 mm、外徑57 mm。長度方面，8型機(jī)的最大沖程是3 m，所以按常規(guī)選擇長度，柱塞長度1.2 m、泵筒長度4.5 m，可以滿足要求。

4）出油花管。通用花管尺寸為外徑26～114 mm，現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)際外徑73 mm，若繼續(xù)使用73 mm，則接箍外徑89 mm，管掛內(nèi)徑78 mm，尺寸不匹配，因此選擇外徑60 mm、內(nèi)徑52 mm的花管，接箍外徑73 mm。長度設(shè)計(jì)方面，考慮對產(chǎn)量的影響，在流速相等的前提下，花管出油孔總面積必須大于油管的橫截面積，花管出油孔直徑10 mm，在長度0.5 m范圍內(nèi)設(shè)置位置交錯(cuò)的出油孔40個(gè)，完全滿足過流的需要，滿足最大日產(chǎn)量6 m3的生產(chǎn)要求。

2 套管氣增壓儲集裝置強(qiáng)度校核

2.1 抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)態(tài)載荷

1）理論推導(dǎo)：抽油機(jī)屬曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，驢頭的擺動(dòng)方向、速度和加速度都是周期性變化的[6]，為了計(jì)入動(dòng)態(tài)載荷對抽油系統(tǒng)的影響，必須要準(zhǔn)確處理驢頭的運(yùn)動(dòng)學(xué)問題。以CYJW8-3-26HF彎梁抽油機(jī)參數(shù)為計(jì)算依據(jù)，若針對該機(jī)型的設(shè)計(jì)計(jì)算可靠性高，在其他小機(jī)型上應(yīng)用相關(guān)結(jié)果的可靠性應(yīng)更高。

一個(gè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中的位置關(guān)系見圖3。任一時(shí)刻，曲柄O1O2、連桿O2O和搖桿O3O三者之間存在一定的位置關(guān)系，設(shè)曲柄、連桿、搖桿和x軸正方向的夾角分別為α1、α2、α3，逆時(shí)針為正。

經(jīng)推導(dǎo)：

圖3 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中的位置關(guān)系Fig.3 Position relation diagram of crank rocker mechanism

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中的速度關(guān)系見圖4，在上述的某一時(shí)刻，曲柄O1O2和搖桿O3O的瞬時(shí)角速度分別為ω1和ω3，順時(shí)針為正。則點(diǎn)O2的瞬時(shí)速度v1=ω1r1，方向垂直于O1O2；點(diǎn)O的瞬時(shí)速度v3=ω3r3，方向垂直于O3O。

圖4 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中的速度關(guān)系Fig.4 Velocity relation diagram of crank rocker mechanism

和曲柄、搖桿不同，連桿既有平動(dòng)、又有轉(zhuǎn)動(dòng)。建立局部坐標(biāo)系x2O2y2，在局部坐標(biāo)系中，設(shè)連桿的瞬時(shí)角速度為ω2，順時(shí)針為正，則點(diǎn)O的瞬時(shí)速度v2=ω2r2，方向垂直于O2O。

在全局坐標(biāo)系中，根據(jù)速度的矢量關(guān)系，可以求點(diǎn)的合成速度，即：

圖5給出了點(diǎn)O的速度合成圖。

圖5 速度的合成Fig.5 Composite of the velocity

經(jīng)推導(dǎo)：搖桿O3O的瞬時(shí)角加速度α可由下式求得：

式中：t為時(shí)間。當(dāng)α＞0時(shí)，搖桿O3O的角加速度為順時(shí)針方向，當(dāng)α＜0時(shí)，搖桿O3O的角加速度為逆時(shí)針方向。

2）實(shí)際計(jì)算：通過現(xiàn)場測量，得到CYJW8-3-26HF彎梁抽油機(jī)的曲柄長度430/570/720 mm，連桿長度3 840 mm，搖桿長度1 500 mm，曲柄中心和搖桿中心之間的距離4 240 mm，驢頭擺動(dòng)半徑3 050 mm，沖次是每分鐘3.5、5或7次。計(jì)算抽油機(jī)驢頭擺動(dòng)速度和加速度計(jì)算結(jié)果見表1，驢頭擺動(dòng)的最大速度和最大加速度都隨著曲柄長度和沖次的增大而增大。

表1 抽油機(jī)驢頭擺動(dòng)速度和加速度計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation results of donkey head swing speed and acceleration of pumping machine

2.2 核心部件強(qiáng)度校核

通過以上計(jì)算說明，抽油機(jī)在不同加速度下會產(chǎn)生不同的勢能及動(dòng)能，會對裝置核心部件產(chǎn)生不同程度的運(yùn)動(dòng)拉力，該裝置對油井原來的上法蘭、管掛等尺寸進(jìn)行了改造，需對其安全性能進(jìn)行評估。

1）上法蘭強(qiáng)度校核。在長慶油田第一采油廠油井泵掛深度1 800 m、抽油泵柱塞直徑32 mm，在此條件下，計(jì)算上法蘭承受的最大靜載荷為308 kN。由此得出上法蘭的最大應(yīng)力為112.8 MPa，最大變形為14.0 μm。當(dāng)采用45鋼制作上法蘭時(shí)，其屈服強(qiáng)度至少可以達(dá)到315 MPa，強(qiáng)度足夠[7]。

2）管掛強(qiáng)度校核。試驗(yàn)點(diǎn)第一采油廠油井泵掛深度1 800 m、抽油泵柱塞直徑32 mm，管掛的外徑是89 mm，內(nèi)徑是78 mm，所承受的最大負(fù)載約為266 kN，同樣方法可計(jì)算得到管掛的應(yīng)力約為184.4 MPa，鋼制油管的屈服強(qiáng)度在379 MPa以上（GB/T 19830—2017，石油天然氣工業(yè)油氣井套管或油管用鋼管），因此，管掛的強(qiáng)度足夠。

3）壓縮泵柱塞校核。上沖程驢頭擺動(dòng)的最大加速度為1.017 m/s2，靜態(tài)負(fù)荷按51 kN計(jì)算，則柱塞所承受的最大拉力為56.3 kN[8]。

考慮到柱塞的應(yīng)力和徑向變形與其長度無關(guān)，構(gòu)建了長度為100 mm，直徑為44 mm的柱塞縮減模型[9]。在有限元分析中，按對稱原則，使用了柱塞縮減模型的四分之一，計(jì)算柱塞所受的最大應(yīng)力為37.03 MPa，柱塞的最小屈服強(qiáng)度可達(dá)到345 MPa，最大直徑縮減量為2.44 μm。泵筒與柱塞配合間隙范圍一般為0.05～0.06 mm，柱塞的縮徑不會影響密封效果[10]。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

在采油一廠試驗(yàn)20套，共回收30口井，解決套壓低于回壓井的回收難題。單井最大回收氣量270 m3/d，回收率100%，實(shí)施井合計(jì)回收套管氣2 200 m3/d；液面測試：測試后約3～8個(gè)沖程可恢復(fù)儲氣壓力，供氣可靠、測試誤差?。?%）；降回壓：套管氣進(jìn)入集油流程中有一定降回壓作用（2.42 MPa下降到1.88 MPa）。

4 結(jié)論

1）根據(jù)生產(chǎn)需求及現(xiàn)場實(shí)際情況，針對目前套管氣回收存在的問題，設(shè)計(jì)了井口套管氣增壓回收裝置。該裝置可利用抽油機(jī)運(yùn)行能量進(jìn)行壓縮，實(shí)現(xiàn)了套管氣的增壓回收，在提高能量利用率的同時(shí)，提高套管氣回收效率。

2）建立了核心零件的三維模型，并對其進(jìn)行有限元分析，證明裝置所受最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，工作安全可靠。

3）通過現(xiàn)場試驗(yàn)及應(yīng)用，該裝置套管氣回收率可達(dá)100%，適用范圍廣、成本低、對于套管壓力低于井口回壓的油井也可適用。

4）隨著開發(fā)年限延長，油井套管氣量降低，套壓逐步變小，套管氣增壓儲集配套裝置可起到很好的回收效果，具有良好的應(yīng)用前景。