CN114165200A - 井下注气方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种井下注气方法，所述井下注气方法包括：步骤A：用制氮机从空气中提纯得到低压高纯氮气；步骤B：将低压高纯氮气经过压缩机集群处理后，产出高压氮气；所述压缩机集群包括多个并联的微型气体压缩机；步骤C：将高压氮气经井口装置和井下的注气管线注入井下油层。本发明采用的方法，化整为零、安装方便、操作及维护简单，优势明显。
Description
技术领域
本发明涉及油田开发技术领域，具体涉及一种井下注气方法。
背景技术
注气技术目前应用在多类型油藏中，气体具有低渗流阻力特点，容易进入致密的岩石孔隙内，在低渗、特低渗等油藏的驱油开发中具有明显优势。
注气工艺的主要装置是高压气体压缩机，在注气方案设计与实施两个阶段，通常存在设备(高压气体压缩机)的匹配性问题。例如：设计注气量10000Nm3/d，匹配的高压气体压缩机型号性能应满足10000Nm3/d的注入能力。
目前注气技术中常用的高压气体压缩机型号，通常满足5000～20000Nm3/d排量的能力，市场应用量大。小于5000Nm3/d的机型市场少见，通常需要定制，其加工费用与大排量型号差异不大，因而性价比很低。
常用的高压气体压缩机根据其排量设计压缩气缸的尺寸，虽然在控制系统中设计了变频装置，但是其调控区间通常较窄，无法满足任意调节注气量的方案设计。例如：排气量10000Nm3/d的压缩机，调频区间的排量范围在8000～10000Nm3/d之间。即，排气量10000Nm3/d的压缩机无法满足注入量小于8000Nm3/d的注入设计，必须更换机型，增加了工程实施难度。
常规注气过程中也存在以下缺点：1、开始注气时，系统流程内的管线、阀门等部件受到的压力冲击大；2、当存在堵塞等异常情况时，注入压力增加速度快，安全风险大，对监控要求高。显然，该缺点是与压缩机的排量特点有关。
由上述分析可知，大排量、高压差是目前常规高压气体压缩机无法实现稳定注气的根本原因，影响了注气技术的实施效果。即常规高压气体压缩机无法实现稳定注气，受限于常规高压气体压缩机的大排量、高压差。
综上所述，现有技术中存在以下问题：常规高压气体压缩机无法实现井下稳定注气。
发明内容
本发明提供一种井下注气方法，以实现井下稳定注气或输出气量的精准控制。
为此，本发明提出一种井下注气方法，所述井下注气方法包括：
步骤A：用制氮机从空气中提纯得到低压高纯氮气；
步骤B：将低压高纯氮气经过压缩机集群处理后，产出高压氮气；所述压缩机集群包括多个并联的微型气体压缩机；
步骤C：将高压氮气经井口装置和井下的注气管线注入井下油层。
进一步地，所述井下注气方法进一步为制氮机从空气中提纯得到低压高纯氮气先进入低压缓冲罐，然后经压缩机集群处理后，进入高压缓冲罐，最后通过流量计和过滤器进入井口装置、井下的注气管线注入井下油层。
进一步地，所述微型气体压缩机为设定排量小于1000L/min的气体压缩机。
进一步地，步骤B中：将低压高纯氮气经过多个型号相同的微型气体压缩机处理后，产出高压氮气。
进一步地，设定多个型号相同的微型气体压缩机的满额总输出量不低于设计量的1.5倍，并保持至少有1个微型气体压缩机在其他气体压缩机工作时为替补。
进一步地，采用多个高压缓冲罐并联的方式对产生的高压氮气进行缓冲。
进一步地，采用11台排量100L/min的微型气体压缩机并联，以满足日注气量1000Nm3/d和井底渗流压力10MPa的注气要求。
进一步地，采用7台排量200L/min的微型气体压缩机并联，以满足日注气量1000Nm3/d和井底渗流压力10MPa的注气要求。
进一步地，所述井下注气方法还包括：收集制氮机的参数、低压缓冲罐的参数、多个微型气体压缩机的参数、高压缓冲罐的参数、流量计的参数，根据收集的上述参数确按照压力波动情况，调整工作的微型压缩机台数及时长。
进一步地，采用PLC收集上述参数并控制各微型气体压缩机，采取均时工作、按输出压力分配工作时长、或按压缩机温度参数调控工时三种工作模式。
方法原理
本发明是针对注气小排量和精细压差控制的需求而提出的。工业上，装置各组成设备之间要求功率上相匹配，在满足设计的前提下，减少部件的并联、串联等方式，以获得整体的稳定性。
以注水为例，设计注水量40m3/d，注入压力20MPa。则通常匹配的注水泵数量为1台，工作压力0～30MPa，流量20～60m3/d。若设计成2台并联注水，工作压力0～30MPa，单一流量15～30m3/d。理论上可实现上述注入目标，但是因水的压缩性很小(20℃，常压下的压缩系数为4.5×10-4/MPa)，2台设备输出压力相差幅度稍大(例如0.1MPa)即会发生两台注入泵之间的干扰，产生频繁的电频波动，功率损耗增大。
室温常压条件下，气体压缩系数约为1，压缩性强，远超过水的压缩性。并联的2台气体压缩机，输出位置的气体压力几乎是相等的，即2台气体压缩机的缸体柱塞运动始终是平衡状态，功率与单台运行时保持一致。压缩机数量与排气量之间的良好线性关系，为装置化组装奠定良好基础。
微型(高压)气体压缩机在变频操作上更易实现，损耗低。
为实现设计注入量，常规方式通常是以累积注气量为主要考核指标，瞬时流量为辅助指标。满足方程1所示：
式中：VT和VC分别为累积注气量和方案设计注气量；
VI、Vmin和Vmax分别为平均注入速度、最小和最大注入速度；
PI和P额分别为平均功率和额定功率。
采用装置化集群方式后，累积注气量和瞬时流量均为主要考核指标。满足方程2所示：
式中：Vxi、Vxmin和Vxmax分别为单台压缩机的平均注入速度、最小和最大注入速度；
Vi和n分别为n台压缩机的总注入速度(注入量)和压缩机台数；
Pi和Pxi分别为n台压缩机的总功率和单台压缩机的额定功率。
实测结果显示：常规方式的注入速度波动幅度大于n台压缩机注入速度波动幅度的总和，功率也是相同规律。如式(3)和图3所示：
自动化控制技术和网络技术的发展也保证了装置化集群组装和智能控制的实施，从而实现在注气工艺上的精细压差调控。
本发明利用微型(高压)气体压缩机的小排量特点，采取装置化集群组装和智能控制方式，实现输出气量的精准控制。
本发明采用集群组装和智能控制方法，实现最佳排量条件下的最低功耗驱动，自动化控制提高了整体安全性能。多个小排量装置，有一个发生问题，其安全容易控制，且因排量小而破坏小。
本发明采用的方法，化整为零、安装方便、操作及维护简单，优势明显。
附图说明
图1为本发明的注气方法工艺原理图；
图2为本发明的注气方法采用装置的结构原理图；
图3为集群注气方式与常规方式的注气效果对比示意图；
图4为发明的压缩机集群的工作原理示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明。
如图1所示，本发明井下注气方法包括：
步骤A：用制氮机从空气中提纯得到低压高纯氮气；
步骤B：将低压高纯氮气经过压缩机集群处理后，产出高压氮气；所述压缩机集群包括多个并联的微型气体压缩机(微型高压气体压缩机)；
步骤C：将高压氮气经井口装置和井下的注气管线注入井下油层。
注气工艺中，气体的初始压力通常较低，回注的烃类气体压力在0.1～3MPa之间，而氮气驱的气源通常是从空气中提纯得到的，压力(P1)在0.1～0.8MPa之间。在注水开发中，可通过注水压力和井深来判断油层位置的渗流压力。例如，井深1000m，注水的井口压力为10MPa，则油层位置的渗流压力(P3)为20MPa。若在该井注入体积(地下体积)相同的气体(例如氮气)，因气体密度小于水，且气体密度受压力影响较大，注气时的井口压力(P2)在15～20MPa之间，即高压气体出口压力达到15～20MPa。注气工艺的位置节点压力如图1所示。
本发明利用微型(高压)气体压缩机的小排量特点，采取装置化集群组装方式，实现输出气量的精准控制。
本发明采用集群组装和智能控制方法，实现最佳排量条件下的最低功耗驱动，自动化控制提高了整体安全性能。多个小排量装置，有一个发生问题，其安全容易控制，且因排量小而破坏小。
如图2所示，制氮机从空气中提纯得到低压高纯氮气先进入低压缓冲罐，然后经压缩机集群处理后，进入高压缓冲罐，最后通过流量计和(精密)过滤器进入井口装置、井下的注气管线注入井下油层。这样，注气稳定，精确，适合各种复杂工况。注气管线可以采用无缝管，材质为耐腐蚀不锈钢管，可以为20G、16Mn、15MnV、CrMo合金钢管。
如图3和图4，本发明还提供了一种注气装置，包括：
低压缓冲罐和高压缓冲罐；
压缩机集群，连接在低压缓冲罐和高压缓冲罐之间；所述压缩机集群包括多个并联的微型(高压)气体压缩机；
主控器，包括PLC，连接压缩机集群、低压缓冲罐和高压缓冲罐。
本发明的智能化注气装置核心为压缩机集群，结合低压缓冲罐、供气低压管线、高压管线和高压缓冲罐等部件实现高压气体的输出。
图4中，各压缩机型号相同，压缩机1和压缩机n结构，尺寸，性能相同，，以便模块化处理和操作。以压缩机1为例，显示的参数有：c1：入口压力，单位MPa；c2：压缩机泵头温度，单位℃；c3：出口压力，单位MPa；c4：工作电流，单位A；c5：压缩机环境温度警示，单位℃。
微型(高压)气体压缩机的输出压力为5MPa以上，例如为10MPa，20MPa，2510MPa，30MPa，35MPa，40MPa。
主控器，包括PLC，连接压缩机集群、低压缓冲罐和高压缓冲罐，接收压缩机集群、低压缓冲罐和高压缓冲罐的参数信息，并控制压缩机集群的启动和工作。
进一步地，如图2所示，所述井下注气方法还包括：收集制氮机的参数、低压缓冲罐的参数、多个微型气体压缩机的参数、高压缓冲罐的参数、流量计的参数，根据收集的上述参数确按照压力波动情况，调整工作的微型压缩机台数及时长。
进一步地，采用PLC收集上述参数并控制各微型气体压缩机，采取均时工作、按输出压力分配工作时长、或按压缩机温度参数调控工时三种工作模式，可以有多种选择而且效率高，控制准确，适合井下注气的灵活调整，适合长期工作，减少微型气体压缩机的损耗。
设定多个型号相同的微型气体压缩机的满额总输出量不低于设计量的1.5倍，并保持至少有1个微型气体压缩机在其他气体压缩机工作时为替补。以使单机有充足时间自然降温并容忍一定的损坏率。
各所述高压气体压缩机(单机)采用四级压缩泵头的结构，由电机提供动力，工作电压为380V，以适应工业应用。
压缩机集群并联在低压缓冲罐和高压缓冲罐之间，入气口与低压缓冲罐出口连接，压力不大于1.2MPa。出气口与高压缓冲罐出口连接，压力为设计压力、最高压力为压缩机最高工作压力。
各压缩机例如采用四级压缩泵头的结构，电机提供动力，电压为380V，与工业应用条件匹配。压缩机数量可结合总排量、控制压差精度、总功耗和购买成本等因素综合考虑。以日注气(氮气)量1000Nm3/d、井底渗流压力10MPa为例进行说明，单个微型气体高压压缩机排量见表1。
表1微型气体高压压缩机参数
注：设定排量小于1000L/min的压缩机为微型压缩机。
按照现有的常规工程设计思路，使用排量900或1000L/min的机型最为合适，单台机器满足排量要求。
本发明的集群式模块化设计则采用以下原则：
精细控制要求；②模块化单机以并联方式累加数量，满额总输出量不低于设计量的1.5倍；该原则使单机有充足时间自然降温并容忍一定的损坏率；③采用同型号机型；降低设备复杂性，突出控制的高效性。相对来说，现有的大排量压缩机容易出现问题，排空慢、压力高(储气量大)造成的安全隐患大。
本发明突出了工业化应用的简单化原则，在降低设备复杂性的基础上，实现高精度控制。按照该原则进行设计：
方案1：排量100L/min机型，11台；平均工作时长16h；控制精度0.01MPa；
方案2：排量200L/min机型，7台；平均工作时长12h；控制精度0.02MPa；
(PLC)主控器，包括PLC，PLC例如使用：西门子CPU1212ADR
(PLC)主控器如图4所示，其监测信号包括：
c1：入口压力，最大波动幅度0.5MPa；c2：压缩机泵头温度，不大于150℃；c3：出口压力，最大波动幅度0.1MPa；c4：工作电流，不大于最大电流2/3，最大波动幅度0.5A；c5：压缩机环境温度警示，介于0～50℃之间为宜。
进一步地，所述主控器还包括：与PLC连接的显示屏。
进一步地，所述主控器还包括：与PLC连接的控制键。
PLC主控器的控制包括：
①供气气源参数显示及控制；
②模块压缩机的工作参数显示及控制：程序可采取均时工作、按输出压力分配工作时长、按压缩机温度参数调控工时等方式；
③输出高压气体参数显示及控制：按照压力波动情况，调整工作压缩机台数及时长；
④警示提醒：温度、压力超限提醒；压缩机损坏提醒等；
⑤安全急停：具备自动安全急停及手动急停按钮两种方式。
进一步地，低压缓冲罐连接制氮机，以实现井下注氮气。制氮机例如为膜式制氮机，适合井下注气。
高压缓冲罐为耐高压钢制容器，其耐压与最高设计压力相匹配。通常其耐压为40MPa，30L标准气体高压罐即可满足要求。为保证输出气体的压力波动符合设计精度，高压缓冲罐总体积可并联扩增。进一步地，所述高压缓冲罐的数目为多个，多个高压缓冲罐并联。在实施例中，可以采用4个缓冲罐体积可达0.12Nm3，在1s时间内，7台压缩机同时开或停的极端情况下，其压力波动不足0.005MPa。
工作过程
工作流程参见图2。以地面注入氮气为例，日注气体1000Nm3，井底渗流压力10MPa，设计注入压力不高于25MPa。
(1)除压缩机外，其他线路连接可以按照常规注气工艺连接流程。即：膜式制氮机产出低压、高纯氮气；经模块化的压缩机集群处理后，产出高压氮气；经井口装置注入井下油层。
(2)方案选择
采用方案1：排量100L/min机型，11台；平均工作时长16h；控制精度0.01MPa；
低压缓冲罐1个，耐压3MPa，工作压力0.8MPa，体积0.3Nm3；
高压缓冲罐4个，耐压40MPa，工作压力不高于35MPa，总体积0.12Nm3；
(3)注气操作
运行膜式制氮机，待产出氮气满足纯度要求(99％)、低压缓冲罐压力大于0.5MPa后，启动压缩机集群；
由PLC主控器智能控制模块化压缩机(压缩机集群)的运行，当高压缓冲罐压力大于井底渗流压力10MPa后，打开注入井井口阀门，即气体进入井筒内；
当井筒内压力基本不再上升后，可知气体已进入油层内，通常注入井口压力在15～20MPa范围内。
观察PLC主控器显示参数，如注入保持平稳状态超过20min，则认为注入过程符合要求；如有波动过大、警示等信息，则依次排查原因即可。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。为本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种井下注气方法，其特征在于，所述井下注气方法包括：
步骤A：用制氮机从空气中提纯得到低压高纯氮气；
步骤B：将低压高纯氮气经过压缩机集群处理后，产出高压氮气；所述压缩机集群包括多个并联的微型气体压缩机；
步骤C：将高压氮气经井口装置和井下的注气管线注入井下油层。
2.如权利要求1所述的井下注气方法，其特征在于，所述井下注气方法进一步为制氮机从空气中提纯得到低压高纯氮气先进入低压缓冲罐，然后经压缩机集群处理后，进入高压缓冲罐，最后通过流量计和过滤器进入井口装置、井下的注气管线注入井下油层。
3.如权利要求1所述的井下注气方法，其特征在于，所述微型气体压缩机为设定排量小于1000L/min的气体压缩机。
4.如权利要求1所述的井下注气方法，其特征在于，步骤B中：将低压高纯氮气经过多个型号相同的微型气体压缩机处理后，产出高压氮气。
5.如权利要求4所述的井下注气方法，其特征在于，设定多个型号相同的微型气体压缩机的满额总输出量不低于设计量的1.5倍，并保持至少有1个微型气体压缩机在其他气体压缩机工作时为替补。
6.如权利要求1所述的井下注气方法，其特征在于，采用多个高压缓冲罐并联的方式对产生的高压氮气进行缓冲。
7.如权利要求1所述的井下注气方法，其特征在于，采用11台排量100L/min的微型气体压缩机并联，以满足日注气量1000Nm3/d和井底渗流压力10MPa的注气要求。
8.如权利要求1所述的井下注气方法，其特征在于，采用7台排量200L/min的微型气体压缩机并联，以满足日注气量1000Nm3/d和井底渗流压力10MPa的注气要求。
9.如权利要求2所述的井下注气方法，其特征在于，所述井下注气方法还包括：收集制氮机的参数、低压缓冲罐的参数、多个微型气体压缩机的参数、高压缓冲罐的参数和流量计的参数，根据收集的上述参数确按照压力波动情况，调整工作的微型压缩机台数及时长。
10.如权利要求9所述的井下注气方法，其特征在于，采用PLC收集上述参数并控制各微型气体压缩机，采取均时工作、按输出压力分配工作时长、或按压缩机温度参数调控工时三种工作模式。
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