CN111271026B - 实现气井排液增产的多相压缩系统和方法 - Google Patents
实现气井排液增产的多相压缩系统和方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种实现气井排液增产的多相压缩系统和方法，特别涉及石油天然气生产中的气井排水采气工艺，包含管路系统、过滤系统、压缩系统、冷却系统、放空系统、仪表和控制系统；本系统可以对单井或者两口以上的多井并联实施排水采气，系统通过对采气生产大数据，尤其是流量和压力数据进行智能分析来自动优化系统运行参数，进而优化地面生产工艺，保持气井的连续排液能力，避免发生井底积液或者淹井的现象，从而实现气井的稳产和长效增产。本发明适应的来气压力范围宽，排气压力高，能满足现有的天然气生产平台出站压力，并可以将气、液混输至下游集中分离处理。
Description
技术领域
本发明涉及天然气生产领域中的上游开采和生产技术环节，特别是一种能实现气井连续排液和长效稳产、增产的多相压缩系统和方法。
背景技术
天然气开采的最初阶段，储层的能量一般较大，依靠自身的井底压力足以将地层渗入到井筒的液态水和压裂液通过井筒内的天然气流举升到地面，实现自喷生产。随着气井生产的进行，井底压力逐渐降低，加之地层水不停地渗入井筒，而变小的地层能量已经越来越不足以将天然气和水举升到地面，水在井筒中也越积越多，形成积液。
积液的存在将增大对气层的回压，抑制了井底的压力，使得气井排水更加困难，井筒内气流也会变得越来越小。如果不能及时处理，就可能会将气层完全压死以致关井，甚至气井报废。
在气井生产初期，井底产水量每天可达数十方以上，而正常生产阶段和生产后期每天也有很少量至数方不等。及时排除井筒及井底附近地层过多积液或产出水，并使气井恢复正常生产的措施，称为排水采气。通过各种技术手段排除井筒内积液，提升气井自喷能力，提高气藏采收率，是气井生产的整个生命周期内需要进行的工作。
事实上，应该在气井生产的初期----快速降产期，就应当提前预测积液可能出现的时间节点，提前介入排水采气技术，从而延长气井的稳产周期。
为解决井底积液问题，工程师们采取了各种各样的生产技术：
放喷：可间歇性排除积液，但压力较低时不适用，且浪费宝贵的产能和污染环境；
泡排：地层温度不宜过高(100℃左右)，对水平井效果较差，并给气井带来新的污染；
连续气举：一次性投资大，容易损坏套管，安全风险相对较大，且需要周期性作业；
速度管柱：连续油管作业，生产成本和技术成本较高，管柱需要及时监测和更换；
下柱塞：对井压和气液比都有一定要求，不具有普遍适用性；
增压抽采：通用性高，常规的压缩机对进出口压力有一定限制，不能带液压缩。
采用以上这些生产工艺的目的都是为了排除井底积液，提高气井自喷能力，增加气井产量，但这些技术和工艺又都有其各自的实施条件和不足之处，难以普遍适用于各种不同压力的气井，不足以支持气井实现长效的稳产和增产。
另一方面，由于气井压力的逐渐降低，油管内气流已不能依靠自身压力连续进站，在不能改变现有平台工艺的前提下，必须配置合理的增压工艺来提升气体压力以达到出站压力，这也是所有的生产平台都将会遇到的、而且目前已经有大面积的气井面临的问题。
本发明人在申请号为201921132685.X的实用新型专利《一种多相压缩实现套管气回收的装置》中，提出了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装置和工艺，该工艺针对的对象为油井套管气回收；由于气井与油井在开采、处理与集输工艺上的差异，本发明在该基础之上加以进一步改进，使之适合于气井增产：尤其是低压低产井的稳产与长效增产。
发明内容
针对已有技术、工艺上的不足之处或局限性，本发明提出一种实现气井排液增产的多相压缩系统，该系统通过对采油数据进行智能分析来自动优化系统运行参数，进而优化地面生产工艺，保持气井的连续排液能力，最终实现气井的稳产和长效增产。
本发明实施例的另一个目的是提供一种实现气井自动排液并稳定产气量、实现长效增产的方法，本方法能够在上述多相压缩系统中实施和自动运行。
本发明所述的系统和方法对不同的气井压力、不同的携液量和不同的输送压力均具有较为广泛的适应性。
为实现以上目的，本发明所述的多相压缩系统采用的技术方案是：
由气体入口一A1、气体入口二A2、气体出口B、放空口C、流体主管线L1、旁路管线L2、放空管线L3、入口单向阀一01、入口单向阀二02、入口手阀03、吹扫阀04、第一三通换向阀05、旁路单向阀06、第二三通换向阀07、手动放空阀一08、手动放空阀二12、放空安全阀一09、放空安全阀二10、出口单向阀11、出口电动阀13、出口手阀14、过滤器20、前置冷却器21、压缩机22、电液驱动系统23、出口冷却器24、就地控制仪表一、就地控制仪表二、就地控制仪表三32、就地控制仪表四33、就地控制仪表五34、就地控制仪表六35和就地控制柜36组成；
气体入口一A1、气体入口二A2分别连接入口单向阀一01、入口单向阀二02，入口单向阀一01、入口单向阀二02的出口连接手阀03，入口手阀03下游顺序连接第一三通换向阀05、过滤器20，过滤器20出口连接第二三通换向阀07，第二三通换向阀07的出口连接至压缩机22入口，压缩机22的出口连接至出口冷却器24，出口冷却器24的下游设置出口单向阀11，出口单向阀11连接至出口电动阀13，出口电动阀13下游顺序连接出口手阀14和气体出口B；第二三通换向阀07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22前的主管线L1；第一三通换向阀05的其中一路出口连接旁路管线L2，该旁路管线L2上安装有旁路单向阀06，旁路单向阀06的出口汇入出口单向阀11的出口和出口电动阀13的入口之间；在主管线L1上设有放空安全阀一09、放空安全阀二10和手动放空阀一08、手动放空阀二12，放空安全阀一09、放空安全阀二10和手动放空阀一08、手动放空阀二12的出口连接至放空管线L3；
入口单向阀一01、入口单向阀二02前分别设置流量变送器一30、流量变送器二31，第一三通换向阀05前设置温度变送器一32，压缩机22的入口前设置压力变送器一33，出口电动阀13前设置压力变送器二34和温度变送器二35，就地控制柜36检测和分析来自这些变送器的信号，并向相应的阀门或电机发送相应的控制信号，从而实现系统的自动运行。
本发明通过以下技术方案来实现气井的排液增产：
单井增产：系统仅启用气体入口一A1连接，气体入口二A2关闭，当气井的来气压力低于出站压力时，气体走主管线L1，经过滤器20过滤掉气体中的颗粒和粉尘杂质，但液体和气体可以通过，过滤后的气、液混合介质进入压缩机22进行多相压缩，压缩后的气液混合物经出口气体冷却器24冷却至所需温度后进入下游管线；
两口或两口以上气井的并联增产：这种情形适合同一平台上井口压力差别不大的两口或两口以上的气井并联，气体入口一A1和气体入口二A2同时启用，之后的工艺流程与上述单井增产方案相同。
优化的，在气体入口一A1、气体入口二A2设置了入口单向阀一01、入口单向阀二02，入口单向阀的作用是保证在多井并联增产时，由于不同气井来气压力的差异，压力较高的气井来气不会倒灌至压力较低的气井。
优化的，当上游来气压力大于等于出站压力时，第一三通换向阀05的旁路自动打开，气体不走主管线L1，也不经过过滤器20，而是走旁路管线L2，通过出口电动阀13由出口B进入下游管线，此时压缩机22不会启动。
过滤器20采用双联配置，一用一备，以保证在生产中不需停机就可以更换，过滤器20为现有技术的成熟产品，可以是篮式过滤器或其他类型的过滤器。
所述压缩机22为现有成熟技术的液压式活塞压缩机，压缩机采用电液驱动系统23作为驱动机构，电液驱动机构的电机采用变频控制。
优化的，压缩机进排气阀采用专门设计的无板式气阀结构，既适用于气体介质，同时也适用于液体介质的流通。
优化的，在压缩机入口设置了前置冷却器，当井口来气温度超过压缩机预设的的最高入口温度时，第二三通换向阀07打开旁路，气体进入前置冷却器21冷却，经冷却后的气体再进入压缩机。
本发明实施例的另一个技术方案提供一种利用上述多相压缩系统实现气井自动排液并稳定产气量、实现长效增产的方法，包括以下步骤：
方法一单井增产：系统初始运行时，操作人员依据气井历史产量数据，给就地控制柜36设定一个初始临界流量值和对应的压缩机初始转速，系统在该转速下运行的产气量为初始临界流量；当系统运行一个周期后，就地控制柜36将流量变送器一30反馈回来的周期内流量数据与初始临界流量值进行比对，如反馈数据大于初始设定值时，就地控制柜36将会提高压缩机22的转速，如反馈数据小于初始设定值时，就地控制柜36将会降低压缩机22的转速；经过多个周期的反复比对，控制系统将会自动给压缩机22设定一个最佳的转速或转速范围，从而保证一个最稳定的产气量或产气量范围；随着生产的进行，控制系统会不断重复这样的程序，使得本系统能根据上游井口产气量的生产运行数据，自动判断稳定流量值，从而自动设定所需要的压缩机转速，实现气井连续稳产和长期增产；
方法二多井并联增产：适用于同一生产平台上井口压力差别不大的两口或两口以上的气井并联增产，此时气体入口一A1和气体入口二A2同时启用，在该方法下，由于不同的井口压力，来气流量会有差异，由于在气体入口一A1、气体入口二A2处设置了入口单向阀一01、入口单向阀二02，保证了在多井并联增产时，压力较高的气井来气不会倒灌至压力较低的气井；依靠压缩机22的自适应平衡功能，则总的流量会自动分配，保证气体入口一A1和气体入口二A2入口流量分别达到一个稳定值或范围，从而实现本系统的多井并联增产功能。
特别的，上述方法均以气井的临界流量和实际流量为依据进行比对，确定多相压缩系统的运行参数。
优化的，上述方法通过系统地控制柜36自带的PLC来实现，PLC控制模块内集成了一套自动控制程序，使得本系统能根据气井产量的历史和现有运行数据，自动判断合理的临界流量，并自动设定该流量所需要的压缩机转速，从而实现气井连续稳产和长效增产。
相对于现有的技术，本发明的有益之处在于：
1.能满足上游来气的带液压缩，无须做气液分离处理；2.适应的来气压力范围宽，从常压至出站压力范围内的来气均可通过系统实现压缩和输送；3.排气压力高，能满足现有的天然气生产平台出站压力，并可以将气、液一起混输至下游集中分离处理；4.压缩机自动匹配气井流量，控制井筒内的气体流速不低于临界流速，从而保证气井的长期携液能力，实现气井的稳产和长效增产；5.系统工艺简单，可靠性和安全性高，完全自动化运行，可实现无人值守；6.现场维护工作量小，投入产出比高，增产效益非常明显。
附图说明
附图1为本发明的系统构成示意图。
附图2为本发明的自适应增产原理示意图。
附图1中：气体入口一A1、气体入口二A2、气体出口B、放空口C、流体主管线L1、旁路管线L2、放空管线L3、入口单向阀一01、入口单向阀二02、入口手阀03、吹扫阀04、第一三通换向阀05、旁路单向阀06、第二三通换向阀07、手动放空阀一08、手动放空阀二12、放空安全阀一09、放空安全阀二10、出口单向阀11、出口电动阀13、出口手阀14、过滤器20、前置冷却器21、压缩机22、电液驱动系统23、出口冷却器24、流量变送器一30、流量变送器二31、就地控制仪表三32、就地控制仪表四33、就地控制仪表五34、就地控制仪表六35、就地控制柜36。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施方案进行详细阐述，以使本发明的优点和特征更容易被本领域技术人员所理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施方案一，单井增产：
就地控制柜36自动对压缩机入口气体压力信号值和出口压力信号值进行比较，压缩机入口压力信号取自压力变送器一33，出口压力信号取自压力变送器二34，该出口压力实际上等同于出站压力；当井口来气压力低于出站压力时，就地控制柜36发出指令，压缩机22启动，压缩机开启工作，气体走主管线L1进入过滤器20，过滤掉气体中的粉尘和颗粒杂质，但其中的液体会通过，经过滤后的气液混合物进入压缩机22压缩输送，将气体压力增压至高于出站压力，压缩后的气液混合物依次经过出口冷却器24、出口单向阀11、出口电动阀13和出口手阀14进入下游管线。
根据附图2所述的自适应增产原理，在系统初始运行时，操作人员依据气井历史产量数据，给就地控制柜36设定一个初始临界流量值和对应的压缩机初始转速，系统在该转速下运行的产气量为初始临界流量；当系统运行一个周期后(例如设定7天为一个周期)，就地控制柜36将流量变送器一30反馈回来的周期内流量数据与初始临界流量值进行比对，如反馈数据大于初始设定值时，就地控制柜36将会提高压缩机22的转速，如反馈数据小于初始设定值时，就地控制柜36将会降低压缩机22的转速；经过多个周期的反复比对，控制系统将会自动给压缩机22设定一个最佳的转速或转速范围，从而保证一个最稳定的产气量或产气量范围；随着生产的进行，控制系统会不断重复这样的程序，使得本系统能根据上游井口产气量的生产运行数据，自动判断稳定流量值，从而自动设定所需要的压缩机转速，实现气井连续稳产和长期增产。
上述的工艺流程中，入口气体的温度信号由就地仪表32传送给就地控制柜36，当来气温度超过压缩机设定的入口温度上限时，就地控制柜36发出指令，顺序启动前置冷却器21，打开第二三通换向阀07，启动压缩机22，套管气走第二三通换向阀07的旁路进入前置冷却器21冷却，经冷却后的气体后再进入流体主管线L1进压缩机22增压。
实施方案二，旁路输送：
当就地控制柜36检测到压缩机入口气体压力值高于出站压力时，就地控制柜36发出指令，第一三通换向阀05打开旁路，气体不走流体主管线L1，直接走旁路管线L2，经过出口电动阀13进入下游管线混输，此时压缩机不会工作。
实施方案三，多井增产：
这种情形适合同一生产平台上井口压力差别不大的两口或两口以上的气井并联增产，该工况下入口气体入口一A1和气体入口二A2同时启用，后段工艺流程与上述实施方案一相同；在该方法下，由于不同的井口压力，来气流量会有差异，由于在气体入口一A1、气体入口二A2分别设置了入口单向阀一01、入口单向阀二02，保证了在多井并联增产时，压力较高的气井来气不会倒灌至压力较低的气井；依靠压缩机22的自适应平衡功能，则总的流量会自动分配，控制系统自动调节压缩机转速以保证总流量，而气体入口一A1和气体入口二A2入口流量将分别达到一个稳定值或范围，从而实现本系统的多井并联增产功能。
在系统实际运行时，以上三种实施方案可自动切换、互为补充，共同构成本发明所述的实现气井排液增产的完整工艺。
以上实施方案设定的最佳参数是：入口气体压力范围0～1.0MPa，最高排气压力5MPa，双缸两级压缩，通常情况下来气的携液量不超过20％。该参数完全能满足绝大多数井场的工况，具有广泛的适应能力。
特别地，在本装置投入运行之后，一段时间内气井的产液量会加大，其后液量会逐步减少直至趋于长期稳定，这是本系统能实现排液采气的直接表现。
根据以上对本系统结构、功能、动作和方法的描述，本专业技术人员不需要再进行开发研究性质的创造性工作就可以很容易地按照公开的专利内容复制出相应的产品，包括电气控制系统以及符合附图2所述自适应增产原理的PLC自动控制程序。
以上仅是实现本发明的优化实施方案，本领域的技术人员应该了解本发明不受上述实施方案的限制，上述实施方案和说明书中描述的只是说明本发明的结构、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。
Claims (10)
1.一种实现气井排液增产的多相压缩系统，包含管路系统、过滤系统、压缩系统、冷却系统、放空系统、仪表和控制系统，其特征是：气体入口是一个或多个气井并联，在每个气体入口设置流量变送器和单向阀；所述管路系统上设置有两个三通换向阀，其中一个三通换向阀连接系统入口到系统出口的旁路，另一个三通换向阀连接前置冷却器；所述压缩系统使用活塞式压缩机，活塞式压缩机采用电液驱动系统驱动；所述仪表和控制系统能自动检测流量、温度和压力信号，通过就地控制柜(36)内置的PLC模块自动控制；
所述的实现气井排液增产的多相压缩系统，其连接方式是：气体入口一(A1)、气体入口二(A2)分别连接入口单向阀一(01)、入口单向阀二(02)，入口单向阀一(01)、入口单向阀二(02)的出口连接入口手阀(03)，入口手阀(03)下游顺序连接第一三通换向阀(05)、过滤器(20)，过滤器(20)出口连接第二三通换向阀(07)，第二三通换向阀(07)的出口连接至压缩机(22)入口，压缩机(22)的出口连接至出口冷却器(24)，出口冷却器(24)的下游设置出口单向阀(11)，出口单向阀(11)连接至出口电动阀(13)，出口电动阀(13)下游顺序连接出口手阀(14)和气体出口(B)；第二三通换向阀(07)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(22)前的主管线(L1)；第一三通换向阀(05)的其中一路出口连接旁路管线(L2)，该旁路管线(L2)上安装有旁路单向阀(06)，旁路单向阀(06)的出口汇入出口单向阀(11)的出口和出口电动阀(13)的入口之间；在主管线(L1)上设有放空安全阀一(09)、放空安全阀二(10)和手动放空阀一(08)、手动放空阀二(12)，放空安全阀一(09)、放空安全阀二(10)和手动放空阀一(08)、手动放空阀二(12)的出口连接至放空管线(L3)，从放空管线出口放空；入口单向阀一(01)、入口单向阀二(02)前分别设置流量变送器一(30)、流量变送器二(31)，第一三通换向阀(05)前设置温度变送器一(32)，压缩机(22)的入口前设置压力变送器一(33)，出口电动阀(13)前设置压力变送器二(34)和温度变送器二(35)，所有的控制信号汇入就地控制柜(36)；
其中：所述实现气井排液增产的多相压缩系统的方法包括：
方法一单井增产：初始运行时，操作人员依据气井历史产量数据，给就地控制柜(36)设定一个初始临界流量值和对应的压缩机初始转速，在压缩机初始转速下运行的产气量为初始临界流量；当运行一个周期后，就地控制柜(36)将流量变送器一(30)反馈回来的周期内流量数据与初始临界流量值进行比对，如反馈数据大于初始设定值时，就地控制柜(36)将会提高压缩机(22)的转速，如反馈数据小于初始设定值时，就地控制柜(36)将会降低压缩机(22)的转速；经过多个周期的反复比对，控制系统将会自动给压缩机(22)设定一个最佳的转速或转速范围，从而保证一个最稳定的产气量或产气量范围；随着生产的进行，控制系统会不断重复这样的程序，使得根据上游井口产气量的生产运行数据，自动判断稳定流量值，从而自动设定所需要的压缩机转速，实现气井连续稳产和长期增产；
方法二多井并联增产：适用于同一生产平台上井口压力差别不大的两口或两口以上的气井并联增产，此时气体入口一(A1)和气体入口二(A2)同时启用，在该方法下，由于不同的井口压力，来气流量会有差异，由于气体入口一(A1)、气体入口二(A2)处设置了入口单向阀一(01)、入口单向阀二(02)，保证在多井并联增产时，压力较高的气井来气不会倒灌至压力较低的气井；依靠压缩机(22)的自适应平衡功能，则总的流量会自动分配，保证气体入口一(A1)和气体入口二(A2)入口流量分别达到一个稳定值或范围，从而实现多井并联增产功能。
2.根据权利要求1所述的实现气井排液增产的多相压缩系统，其特征还在于：在每一路气体入口都设置了单向阀，单向阀的出口汇入入口手阀(03)前的主管线(L1)。
3.根据权利要求1所述的实现气井排液增产的多相压缩系统，其特征还在于：所述实现气井排液增产的多相压缩系统内无气液分离流程。
4.根据权利要求1所述的实现气井排液增产的多相压缩系统，其特征还在于：在第一三通换向阀(05)的其中一路出口连接旁路管线(L2)，旁路管线的出口汇入出口单向阀(11)的出口和出口电动阀(13)的入口之间。
5.根据权利要求1所述的实现气井排液增产的多相压缩系统，其特征还在于：第二三通换向阀(07)的其中一路出口连接前置冷却器(21)，前置冷却器的出口汇入压缩机入口前的主管线(L1)。
6.根据权利要求1所述的实现气井排液增产的多相压缩系统，其特征还在于：就地控制柜(36)带PLC控制模块，所述实现气井排液增产的多相压缩系统由PLC控制模块自动控制和运行。
7.根据权利要求1所述的实现气井排液增产的多相压缩系统，其特征还在于：压缩机采用电液驱动系统驱动，驱动系统电机为变频控制。
8.根据权利要求1所述的实现气井排液增产的多相压缩系统，其特征还在于：在压缩机(22)前设有前置冷却器(21)。
9.根据权利要求1-8任一所述的实现气井排液增产的多相压缩系统，其特征还在于：以气井的临界流量和实际流量为依据进行比对，确定所述实现气井排液增产的多相压缩系统的运行参数。
10.根据权利要求9所述的排液增产方法实现气井排液增产的多相压缩系统，其特征还在于：通过自带的PLC内集成的自动控制程序进行自动控制，实现自适应增产。
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