單螺桿泵油氣多相混輸及流程分析

在石油開采中，油井生產(chǎn)中往往伴隨著一定量的天然氣、水和固體顆粒。為了實(shí)現(xiàn)降低井口回壓、增加原油產(chǎn)量、提高開發(fā)效益以及達(dá)到油氣密閉輸送目的，必須對(duì)用油氣多相混輸泵對(duì)油氣等多相混合介質(zhì)增壓輸送。單螺桿泵可以輸送氣液固多相介質(zhì)，并可以在短時(shí)間內(nèi)輸送純氣體介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)多相混輸。在混輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，充分分析混輸介質(zhì)和單螺桿混輸泵的特點(diǎn)，確保系統(tǒng)安全、可靠、科學(xué)。

    單螺桿式油氣混輸泵工作原理及特點(diǎn)

    單螺桿泵工作是同一定外型面的轉(zhuǎn)子在對(duì)應(yīng)內(nèi)型面的定子內(nèi)嚙合，形成特殊的接觸線，使定子腔分隔，此接觸線稱密封線。當(dāng)轉(zhuǎn)子按一定軌跡轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其密封線做軸向移動(dòng)，也使定子容腔做軸向移動(dòng)，即容積位移，這時(shí)密封線在一端消失，又從另一端產(chǎn)生新的密封線，隨之把介質(zhì)從一端推向另一端。

    單螺桿式油氣混輸泵因采用具有良好彈性的橡膠材質(zhì)的定子,它與轉(zhuǎn)子嚙合需要有一定的過盈量，使其產(chǎn)生可靠的密封性。當(dāng)泵工作時(shí)密封線可有效地阻止氣體通過，從而達(dá)到輸送氣體的目的；當(dāng)介質(zhì)中含有固體顆粒，若固體顆粒擠在密封線中時(shí)，由于橡膠定子的彈性作用定子橡膠表面被壓縮，固體顆粒越過密封線，定子橡膠回彈恢復(fù)原來(lái)的形狀，這樣，單螺桿泵可實(shí)現(xiàn)輸送介質(zhì)中含有微量固體顆粒的目的。

    單螺桿式油氣混輸泵適合用于腐蝕性介質(zhì)、含氣介質(zhì)、含泥沙固體顆粒介質(zhì)和高粘度介質(zhì)的輸送。含氣量可達(dá)95%，介質(zhì)粘度可達(dá)50000mPa·S，含固量可達(dá)60%，允許固體顆粒直徑≤3.5~32mm，流量與轉(zhuǎn)速成正比，在低轉(zhuǎn)速低流量下可保持壓力的穩(wěn)定，具有良好的調(diào)節(jié)性能，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

    單螺桿多相混輸介質(zhì)主要指標(biāo)

    油氣比和含水率

    油氣多相混輸介質(zhì)是主要由原油、天然氣以及水、固體顆粒等液態(tài)、氣態(tài)、固態(tài)成份組成。在油田開發(fā)中衡量油井生產(chǎn)的油氣特性的指標(biāo)有油氣比、含水率、含固率等，不同油井的油氣比、含水率各不相同，而且懸殊很大。油氣比指油氣介質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下氣體體積與原油體積之比值。氣體在不同壓力、溫度下，按氣態(tài)方程改變其狀態(tài)；當(dāng)不考慮溫度變化對(duì)其狀態(tài)變化的影響時(shí)，氣體的體積隨壓力的變化成反比例變化。同時(shí)壓力升高，部分氣體會(huì)被液化，反之液化的氣體會(huì)被氣化；并且在其壓力變化時(shí)，溶解在液體中氣體的量也發(fā)生變化。油氣混輸時(shí)，泵吸入室所承受油井匯管壓力，其壓力通常高于大氣壓，介質(zhì)中的氣體已經(jīng)壓縮，這時(shí)用在特定氣壓下的油氣比表示介質(zhì)特點(diǎn)已不能反映泵的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。含水率是反指含水的質(zhì)量百分比，也不能反映泵的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。為了反映進(jìn)入混輸泵中液、氣比例，我引入進(jìn)液率的概念。

    進(jìn)液率

    進(jìn)液率是指介質(zhì)在進(jìn)泵時(shí)，液相成分的量占流量的百分比，這里指體積之比。有了進(jìn)液率的概念，不管油氣比是多少，液體中的水分含多少，氣體被壓縮的程度有多大，也不管介質(zhì)中固體顆粒成分有多少，用進(jìn)液率就基本上反映泵的運(yùn)行狀況。
根據(jù)試驗(yàn)及油田運(yùn)行數(shù)據(jù)初步分析確認(rèn)，進(jìn)液率在不小于5%，單螺桿泵就能正常工作。5%的液體就能把轉(zhuǎn)子與定子相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦熱量帶走，也能對(duì)轉(zhuǎn)子和定子嚙合面起到潤(rùn)滑作用，確保螺桿泵正常運(yùn)行。

    混輸流程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題

    液相介質(zhì)的連續(xù)供給問題

    在油井原油生產(chǎn)中其生產(chǎn)狀態(tài)很不穩(wěn)定，在一段時(shí)間內(nèi)有可能氣體含量高，而另一段時(shí)間內(nèi)液體含量高，所以在使用單螺桿泵做油氣混輸時(shí)，為了防止泵在輸送液體和氣體、混合液的過程中，有一段時(shí)間內(nèi)液體斷流，造成定子因摩擦產(chǎn)生的熱量使定子橡膠溫度升高，橡膠老化，降低定子的使用壽命，介質(zhì)在進(jìn)入單螺桿泵腔時(shí)盡量使用原油中的液體與氣體均勻混合，保證液體介質(zhì)對(duì)泵的連續(xù)供給。

    A、 同時(shí)開動(dòng)油田區(qū)塊中的多口油井，讓油井的油氣相互補(bǔ)充，使進(jìn)入單螺桿泵的介質(zhì)盡量均勻。

    B、 泵前管路中增設(shè)緩沖罐，在緩沖罐里儲(chǔ)存一定量的原油，并用一套限流裝置給混輸泵供給一定量的原油。這樣無(wú)論油井含氣量如何變動(dòng)，都可保證zui低進(jìn)液率，使混輸泵能夠正常工作。在輸油管路上增設(shè)的限流裝置，其流量應(yīng)為混輸泵流量1/20的定量泵，用單螺桿泵效果會(huì)更好，使用時(shí)間應(yīng)同時(shí)控制啟停。

    C、泵后管路中增設(shè)回油罐，用限流裝置把罐中的部分液體反回到混輸泵入口，保證進(jìn)泵油氣的進(jìn)液率，使混輸泵能夠正常工作。限流裝置可用節(jié)流閥控制流量，也可用單螺桿泵控制流量。本方案因回流部分液體，會(huì)降低系統(tǒng)效率。

    當(dāng)輸送流量較大，采用多臺(tái)泵并聯(lián)輸送時(shí)，必須注意吸入管路的對(duì)稱布置，保證使進(jìn)入單螺桿泵的介質(zhì)盡量均勻分配，防止偏流。

    串連運(yùn)行中問題

    當(dāng)輸送距離較遠(yuǎn)、泵壓力較高時(shí)，可采用多臺(tái)串聯(lián)運(yùn)行。由于氣體的可壓縮性，各級(jí)泵流量要根據(jù)油氣比、匯管壓力、混輸管線壓力、各泵之間的壓力分配綜合考慮。為了各級(jí)泵都能協(xié)調(diào)正常工作，必須要以各采壓點(diǎn)的壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)泵的流量，達(dá)到高壓油氣混輸?shù)哪康摹?/span>

    混輸泵的承壓?jiǎn)栴}

    由于在混輸系統(tǒng)里，混輸泵吸入室不僅僅承受油井采油管路回壓，可能還要承受出口壓力或前一級(jí)泵的壓力（如圖1所示）。當(dāng)輸送由管線輸送切換為混輸泵輸送，或由混輸泵輸送切換為管線直輸，在閥門切換時(shí)，泵的吸入端和排出端都承受油氣混輸管線壓力。因此吸入室必須能夠有足夠的承壓能力，通常要能承受排出端的壓力。

    圖1   管線直輸與混輸切換示意圖

    混輸泵的防反轉(zhuǎn)問題

    混輸泵在流程系統(tǒng)里運(yùn)行后，泵進(jìn)出管線之間產(chǎn)生一定的壓差。當(dāng)停泵閥門未關(guān)閉時(shí)，有可能泵發(fā)生倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象。由于油氣混輸中流體大部分是氣體，流動(dòng)阻力較小，流動(dòng)速度快，會(huì)使泵反轉(zhuǎn)超過額定轉(zhuǎn)速，發(fā)生飛車現(xiàn)象，容易發(fā)生事故。在設(shè)計(jì)流程時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)措施，防止發(fā)生這種現(xiàn)象?？梢栽诒贸隹诠苈飞习惭b逆止閥，防止流體反向流動(dòng)，這種方法zui簡(jiǎn)單實(shí)用可靠；也可選用附帶制動(dòng)裝置的電動(dòng)機(jī)。

    防止單螺桿泵超壓運(yùn)行

    一般單螺桿泵輸送介質(zhì)的性質(zhì)、狀態(tài)都比較復(fù)雜，在管路里可能造成堵塞。因單螺桿泵是容積式類型的泵，當(dāng)發(fā)生堵塞或人為操作失誤時(shí)，會(huì)造成泵的超壓，很容易損壞其零部件。為了防止泵的損壞，必須在泵的排出管到吸入管之間安裝安全閥。也可在出口管線安裝壓力繼電器，在泵超過額定壓力時(shí)自動(dòng)報(bào)警停泵。

    單螺桿泵油氣混輸應(yīng)用示例

    圖2  油氣混輸系統(tǒng)圖

    圖2是油田用單螺桿泵油氣混輸?shù)膽?yīng)用流程示例。在該混輸系統(tǒng)中，兩臺(tái)泵并聯(lián)，管路對(duì)稱布置；進(jìn)口管線的壓力變送信號(hào)送至電控柜，通過變頻器調(diào)節(jié)泵排量實(shí)現(xiàn)泵入口恒壓控制；泵出口壓力繼電器信號(hào)送至電控柜實(shí)現(xiàn)超壓力自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)停泵；泵出口單流閥起到防止介質(zhì)倒流和混輸泵反轉(zhuǎn)的作用。泵前確保泵的不間斷供液，分離罐起到緩沖作用，分離的天然氣也可用作加熱爐燃料。

    在實(shí)際設(shè)計(jì)單螺桿泵油氣混輸流程時(shí)，須根據(jù)油區(qū)的具體情況，綜合分析油氣混輸量、油氣產(chǎn)量、油氣比、采油回壓、輸送距離等諸多因素，多方面的調(diào)查研究，多方案的對(duì)比分析，選擇合適的混輸泵型，制定出合理的流程布局，才能實(shí)現(xiàn)油氣混輸安全、科學(xué)、可靠、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。