油井井下集氣混抽工藝管柱改進與完善

魏立軍 程顥 王林平 馮建設 石磊 覃川

（1.長慶油田分公司油氣工藝研究院；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室）

1 現狀

長慶油田具有豐富的伴生氣資源，伴生氣同石油、天然氣一樣，是不可再生的優質資源[1]，伴生氣中丙烷、丁烷是生產液化石油氣（LPG）的重要組分；戊烷、己烷等更重組分又是生產穩定輕烴的組分；副產品干氣，主要是甲烷和乙烷，可以作為加熱爐燃料、燃氣發電、生產LNG/CNG。對伴生氣進行回收和綜合開發利用，可以創造更大的經濟價值。同時伴生氣是一種易燃易爆氣體，溫室效應是二氧化碳的21 倍，如果不能有效回收利用，不僅浪費資源，給油田安全生產帶來隱患，而且污染環境、增加大氣溫室效應。

對于伴生氣回收和綜合利用工程[2]來說，最主要的是前端井場的伴生氣密閉回收，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型的定壓放氣閥，但是定壓放氣閥應用要求套壓必須大于回壓，定壓放氣閥才能工作，對于套壓低于回壓的油井，套管氣無法回收；還試驗過其它一些地面回收工藝，但是都存在投資高，無法大規模推廣的問題[3-7]。針對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，伴生氣全部通過集氣管柱進入油氣混抽泵，實現了井下回收伴生氣的目的，套壓為零。但在長期的效果跟蹤過程中發現油井套壓緩慢回升，說明還是有部分伴生氣緩慢進入油套環空，形成套壓，兩個月內套壓上升為0.2 MPa，這部分伴生氣無法有效回收，為了解決這個問題，依托中石油科技專項“低碳與清潔發展關鍵技術研究及應用”開展技術攻關，從構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、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策

分析油井井下集氣混抽工藝管柱的結構，導致集氣效率不斷下降可能有兩個原因，一是封隔器密封不嚴，伴生氣通過封隔器直接進入油套環空；二是油氣分離管的長度不夠，油井來液也不穩定，當某段時間來液增多，分離出來的伴生氣過多，超過混抽泵的排氣能力，聚焦在泵吸入口不能及時通過混抽泵進入油管時就會通過油氣分離管的環空進入油套環空，導致集氣效率下降，套壓升高。

減緩伴生氣進入油套環空的對策主要有三個：一是增大封隔器的裙邊外徑，增強封隔能力；二是通過增加油氣分離管的長度，增加環空容積；三是改進油氣混抽泵，提高油氣混抽能力。

3 主要部件的改進

3.1 封隔器的改進

封隔器主要作用是封隔油套環空，防止伴生氣直接進入油套環空。雙向皮碗式封隔器，采用優質耐磨的像膠，通過與套管的過盈配合（皮碗最大外徑128 mm，套管內徑124 mm）來實現自動單向密封[9]，為了進一步提高密封性能，對皮碗封隔器進行改進，將皮碗最大外徑由128 mm 增加至132 mm，改進后雙向皮碗式封隔器總長600 mm、皮碗最大外徑132 mm、剛體最大外徑114 mm、最小內通徑62 mm、工作壓差10 MPa、抗拉強度450 kN。同時對倒角斜度進行優化，方便現場下井試驗。

3.2 油氣分離管的改進

油氣分離管由外管和內管組成，為便于取材和最大程度減小加工件，盡量選擇標準件，因此外管選用油田常用的73 mm 平式油管，內管選用48 mm油管。油氣分離管環形空間有效截面積為1 210 mm2，油氣分離管長9 m，環形空間容積0.010 89 m3，為了增加環空容積，將油氣分離管由9 m 延長到18 m，環空容積增加1 倍，進一步提升裝置在井筒內的集氣能力。

同時為了方便油氣分離管的運輸，把油氣分離管設計為上下兩部分，每段4.5 m，4 段接到一起構成18 m 的集氣管柱采用整體式串聯設計，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

原來的油氣混抽泵與常規抽油泵相比，設計防氣滑閥、負壓緩沖區及交換槽，增強排氣能力，達到油氣混抽的目的[10]，地層流體經油氣分離管聚集在泵吸入口，下行程時防氣滑閥關閉，油管內液柱載荷作用于滑閥上，負壓區因體積擴大而強制形成負壓，有助于油氣混合物克服游動閥的阻力，進入泵筒。

但在分離出來的氣量較大的時候，泵吸入口全部都是伴生氣，依靠氣壓頂開游動閥還是存在滯后的問題，導致排氣不及時，伴生氣進入油套環空。

為了進一步提升油氣混抽泵的排氣能力，柱塞采用強啟閉雙柱塞，下行程柱塞在摩擦力作用下強制開啟，防止氣鎖。同時和防氣滑閥配套，排氣能力進一步提高。

3.4 改進后的油井井下集氣混抽工藝管柱

由三部分構成，一是封隔器，封隔油套環空，使伴生氣進入油氣分離管；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；三是強啟閉油氣混抽泵，實現油氣混抽，井下回收伴生氣的目的。

4 現場試驗情況

在長慶油田開展了13 口井的改進型油井井下集氣混抽工藝管柱現場試驗，通過試驗前后產液量、套管氣量、系統效率等參數變化情況，評價該工藝的適用性。

通過13 口井試驗數據的統計分析，現場試驗結果見表1，試驗后產液量保持穩定，機采系統效率略有提升；套管氣量明顯降低，單井套管氣由試驗前的385 m3/d，降到試驗后的55 m3/d，說明85.7%的伴生氣通過油井井下集氣混抽工藝管柱進入輸油管線，持續跟蹤半年，套壓緩慢上升到0.2 MPa，相比前期兩個月上升到0.2 MPa，伴生氣逸散到套管的速度降為原來的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 現場試驗結果

5 結論

1）雙向皮碗封隔器最大皮碗外徑增大后的可以實現油套環空的有效封隔，防止伴生氣直接進入油套環空，改變伴生氣運移路徑，進入油氣分離管。

2）油氣分離管改進后，環空容積增加1 倍，進一步提升裝置在井筒內的集氣能力。

3）采用強啟閉泵配套防氣滑閥的結構，油氣混抽泵的混抽能力進一步提升，85.7%的套管氣進入輸油管線，實現了井下集氣的目的。

4）試驗后產液量保持穩定，機采系統效率略有提升，說明該工藝不會對油井產量、系統效率造成影響。