无外接动力油井伴生气回收装置的研制及应用

马立军，贾品元，周子文

（长庆油田公司第五采油厂，陕西 西安 710018）

1 前言

在石油天然气行业，采油井伴生气回收利用是国家、地方、企业近几年最关心的问题，各油气田企业也都在寻求最佳的伴生气回收再利用工艺技术，进一步提高伴生气的利用率。姬源开发区块共有采油井4500 口，井组伴生气量达到40 万方/天，目前利用率不足45%，主要用于井组加热设施的消耗及冬季员工取暖，其余伴生气通过排放或无效燃烧，大量排放伴生气会在井组区域产生高浓度硫化氢，形成有毒危险源，同时燃烧伴生气会产生大量二氧化碳，造成环境污染，因而，为了顺应国家、地方及公司相关的法律法规，达到节能减排、环境保护及降本增效的目的，使得伴生气的回收利用是油气田近几年急需解决的关键问题之一。根据油井生产技术和抽油机工作原理，结合井口流程的特点，巧妙的设计了一款无外接动力伴生气回收装置，投资成本低、回收效率高。

2 无外接动力伴生气回收装置技术

无外接动力伴生气回收装置是该装置巧妙的利用抽油机的动力，带动装置的往复运行，实现油井伴生气的回收、输送。

2.1 装置组成

该装置主要由压缩缸体、上下支撑单元、上下固定单元、杆端轴承、管路系统、润滑系统、安全防护系统等部件组成，见图1。

图1 装置组成结构图

2.2 工作原理

利用抽油机游梁上下往复摆动，带动单井伴生气压缩缸往复运动，将套管内的伴生气，通过吸入、压缩，增压输送至单井集油管线。抽油机上冲程过程，将套管内的伴生气吸入压缩气缸（出气口单流阀关闭，进气口单流阀打开）；抽油机下冲程过程，将气缸内伴生气压缩、增压输送至集油管线（出气口单流阀打开，进气口单流阀关闭），循环运行，实现油井伴生气的收集。见图2。

图2 工作原理示意图

2.3 可靠性分析

2.3.1 抽油机动力分析

常规抽油机载荷属交变载荷，在抽油有效载荷和平衡块平衡力矩的共同作用下，曲柄的扭矩曲线变得较为平缓；但因抽油机四连杆机构固有特性的影响，曲柄扭矩峰值差很大，甚至出现负扭矩。见图3。

图3 抽油机交变载荷图

从图中可以看出，安装装置后，对抽油机动力的影响是不大，且是正面的。当抽油机曲柄转动到270°～360°之间时，装置还能起到减小负扭矩的作用,因此抽油机在加装了压缩机后，只需适当调平衡块的位置，既不会影响抽油机的正常工作也不需要增大电机功率。

2.3.2 强度分析

装置的上支撑点用4 条高强度U 型卡固定于游梁，固定位置基本位于中间轴承和驴头中间位置。在压缩缸运行过程中仅会产生不到2.5MPa 压力的一个作用力，最大作用到游梁的力平均分散到0.13m2连接板上，根据模拟计算90000N 的力作用在0.13m2的面积上，变形位移量约为0.048mm，可以忽略不计；强度安全计算安全系数为22.9，远远大于机械安全强度3-8 倍的要求，所以该装置对于抽油机游梁的强度不会造成影响。

2.4 安全分析

本文所指的伴生气是采油井由于原油饱和压力大于井底压力从原油中自动脱离出的非烃类化合物，从油井套管排出，由于压力、开采层位、流程工艺等因素，导致伴生气在地面的压力一直不稳定，同时井组外输的回压也由于季节、流程设计等因素，也导致回压不稳定，鉴于以上因素，在设计过程中充分考虑到装置运行的安全性和平稳性，在装置进口流程上设计了进气减压阀，使装置进气压力一直处于稳定状态；在进出流程上各设计了安全阀，保证装置不超压运行；在套管出口安装了迷宫小巧型冷凝器，防止凝析油进入装置流程；在进气端安装过滤器，有效过滤伴生气中的杂质，防止损坏仪器仪表。

2.5 流程连接技术

装置安装前根据单井或井组伴生气量的情况，可实现一对一和一拖多回收的模式。一对一模式就是一口井安装一套无外接动力伴生气回收装置，装置进气连接到油井套管排空处，经过装置压缩通过集输管线和原油混送至下游站点；一拖多模式就是在井组一口井上安装一套该装置，其他井的伴生气通过管线串联到装置的进气口。连接工艺主要包含单向阀、安全阀、减压阀、球阀、过滤器、冷凝器、流量计、高压管路、转换接头等部件组成。

3 现场应用

从2019 年5 月份开始在姬源区块连续投用无外接动力伴生气回收装置35 套（见图4），一对一模式运行20 套，一拖多模式运行15 套，配套安装的抽油机为9 型弯梁变矩抽油机。截至目前，长达18 个月的运行，均未出现故障，同时根据流量计计量测算平均每口井回收伴生气146m3/天，同时在降回压、消隐患等方面都有较好的效果。

图4 现场应用实物图

3.1 装置运行情况

无外接动力伴生气回收装置采用的是自动润滑模式，上支撑杆环形空间作为储油室，利用软管连接，精密小巧阀门控制流量，保证气缸在连续运行过程得到科学的润滑，减少活塞运行的磨损，同时上下关节轴承及万向轴承进行方向转化，确保气缸活塞和缸体一直处于垂直状态，进过12 个月的试验，经拆解气缸内壁无损伤、划痕、偏磨等问题，进一步说明该装置结构设计的合理性。

3.2 取得的效果

经过18 个月的使用，伴生气回收效果较好，并在降回压、消除井组硫化氢浓度隐患、延长单井集油管线热洗及除垢的周期、消除环境污染及经济效果等方面都有较好的效果。

3.2.1 降回压效果

根据22 个井组冬季最高回压数据来看，平均回压降低了0.18MPa，其中最高的塬59-90 井组2018 年回压达到2.4MPa，使用无外接动力伴生气回收装置后，同期回压降到了1.8MPa，可见效果非常显著。同时根据实际处理气量来看，达到装置负荷的60-70%之间，将回压效果较好。同时伴生气的和集油管线的混输，有效的推动了含水原油的流速，因而管线结蜡、结结垢的速率明显降缓，其中塬62-85 管线每年需热洗2 次，然而该装置投用后，仅热洗管线一次，热洗管线周期延长了180 天。

3.2.2 消除隐患保护环境效果

安装35 台该装置后，消除了15 个无效排放燃烧的火炬，根据测算15 个排放火炬燃烧气量约为2500m3，将产生4750kg 二氧化碳，同时还产生一氧化碳、粉尘等有害物质，对环境造成严重污染。该装置是密闭收集、压缩、输送伴生气，致使井组硫化氢浓度明显降低，沙25-21 井组日平均硫化氢浓度从42 降低到0，有效消除了人员中毒的风险。

该装置投用前，该区块加热炉燃料是煤炭，加热效率不高，员工劳动强度大，并烟气的大量排放造成环境污染。直至无外接动力伴生气回收装置投用后，沿途的4座站点8 台加热炉燃料改为伴生气，加热效率明显提高，外输原油温度得到了有效保障，并通过升级改造，加热炉实现了自动化，员工劳动强度降低，受到抑制好评。

3.2.3 经济效益

3.2.3.1 直接效益

伴生气在下游集中回收利用，每天单井按照处理140m3伴生气计算，每m3伴生气按照0.8 元计算，单井每年可直接产生经济效益大约4 万元（年收益=每天单井处理伴生气量m3×0.8 元/m3×365），如按照全厂5000口油井全部安装该装置，每年大约产生直接效益20000万元（年收益=每天单井处理伴生气量m3×0.8 元/m3×改造油井数量×365），可见经济效益非常可观。

3.2.3.2 间接效益

一是延缓了管线热洗及除垢的周期，每年节约措施费用约500 万元（按照全厂500 条井组管线计算，每条管线热洗及除垢费用按照1 万元计算）；二是8 台加热炉煤改气每年节约燃料费约20 万元；三是燃烧伴生气环境污染政府的罚款及环境治理费用；四是潜在的硫化氢中毒隐患处置费用；五是提高了机械效率，节约了大量电费。

无外接动力伴生气回收装置成功的研制及应用，高效解决了采油井伴生气回收问题，同时在降回压、消除隐患、环境治理、提质增效等方面都有较好的效益，特别是本生气回收加工的副产品，会产生高额的经济回报，是一种绿色环保节能型装置，在油气田采油井单井和井组伴生气回收中具有一定的推广价值。