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压缩机中的多面手-液压游梁式气体压缩机BGC

压缩机中的多面手-液压游梁式气体压缩机BGC

这款简洁的游梁式气体压缩机拥有简单的液压动力装置,无需动力设备,就可以完成套管气的压缩,现场气体到销售管线或压缩机站的加压输送,以及作为蒸汽回收装置的基础设备。

来自丨World oil
编译丨TOM 周诗雨

二十世纪八十年代初,查理•麦考伊(Charlie McCoy)成立了一家德州公司——二叠生产设备公司(PPEI)。在与位于Permian盆地的一些油公司一起工作与参观时,查理•麦考伊认识到这些公司需求更好的天然气与蒸汽的压缩方式,以及一个简单的独立式蒸汽回收系统。这主要是为了满足更严格的环境法规与标准,因此需要对套管气进行压缩出售,同时这些设备还要能够在油田区块中的各类天气条件、各类危险及腐蚀性环境下工作。PPEI公司针对该需求进行了研究,并给出了答案。这就是开发游梁式气体压缩机(BGC)并将其与自身动力相整合的原因。

BGC发展历史

PPEI的一项研究成果就是BGC。某一天,查理(Charlie)在德克萨斯州敖德萨南部的沙山(Sand Hills)与一家公司进行一些人工举升的作业时,路过了一口套管打开了的井。为了消除井下泵造成的“气锁”或气体干扰现象,油井不断地将含硫化氢的气体排向大气,飘过了沙丘。在气流的中间,有一些死去的鹌鹑。查理认为这对于环境与野生动物而言,无法接受。

当天晚些时候,查理又返回到那口井,看着泵驱动着驴头与抽油杆上下移动。看着看着,他突然想到可以用一个气缸(即现在的BGC),利用泵机的能量从套管中抽取气体与压力。这口井因此成为了第一口安装BGC的井,减小了作用在地层上的回压,让更多的流体从地层流入到了井筒,同时还减少了井下泵中的气体干扰。后来油公司发现石油与天然气产量都在增加,该公司就在该区域与其他区域安装了更多的BGC设备。而这仅仅是开始。

液压游梁气体压缩机(HYBGC)的研发

多年来,使用BGC的油公司一直告诉我们,他们希望在没有泵的时候也能想办法使用该设备,而有些公司想要在其他作业中也安装一些简单的压缩系统。因此,大约三年前,我们从抽油机上取下了BGC,整合了一个液压油缸,实现了以双作用模式来驱动BGC。这与近四十年来一直使用的是同一款简单压缩系统。通过简单的液压动力装置,我们现在既可以享受BGC在压缩套管头气体,现场气体到销售线(图1)或压缩机站的加压输送等作业中的简单实用性,又能够将其用于蒸汽回收装置(VRU)。

压缩机中的多面手-液压游梁式气体压缩机BGC

图1. HyBGC不会像同类产品那样将气体的排放温度提高到很高的温度,这样气体可以直接排放到销售管线中。

HyBGC的基本工作原理

HyBGC不需要抽油机进行气体压缩,它是一个独立的设备单元,可用于多种气体压缩应用。HyBGC采用可靠、双作用的单级往复式气体压缩机气缸,使用液压油压作为原动机进行驱动。而这也是久经时间考验的BGC的标志。液压油压由安装在气体活塞与气缸顶部的液压活塞与气缸装置提供。气缸之间有一个一直延伸到气缸与气体压缩活塞的公共杆,液压可以通过该杆传递到气缸。

压缩机以“双作用”的方式工作:在每个活塞方向上,气体在活塞一侧被压缩的同时,被另一侧吸入。活塞在每次冲程结束时反向,这样活塞的压缩端与进气端也会反向。当以连续的方式进行上述程序时,就形成了一个往复运动。

为了驱动活塞的往复运动,高压油流会反向施加在液压活塞上。当气体活塞到达压缩冲程的末端时,活塞定位器会向系统发出反向信号,高压流就会反过来施加在液压活塞上,开始将活塞推向另一个方向,而当气体活塞到达反方向冲程的末端时,再次反向。靠安装在气缸上的简易开关来实现高压流的反转。

传感器位于压缩气缸的两端。流体反转是通过一个标准的液压换向阀完成的,该换向阀可以将泵流从一个方向反向到另一个方向。HyBGC可以以电为动力,或者当偏远地区没有电时,也可以用天然气发动机。

压缩机中的多面手-液压游梁式气体压缩机BGC

图2. HyBGC不需要吸气洗涤器、背压调节器、燃气/油分离器或VFD。

HyBGC可以通过不同的方法进行控制。可以基于吸气压力通过简单的启停功能进行控制。HyBGC通常安装有一个简单的旁路来控制源压力,维持系统的持续运行。还可以结合变速驱动器,对压缩循环进行加速与减速,补偿系统内气体流量的变化。油公司还可以通过互联网进行遥测。使用HyBGC系统后,可以调节高压流体的流量大小,从而控制系统每分钟的冲程,根据所需压缩的气体量加速或减速压缩循环。

优点

标准往复系统的压缩比多为3或5,而HyBGC的压缩比高达10。而HyBGC气缸大、速度慢,因此每个冲程散发的热量更多。由于压缩比很大,所以通过使用HyBGC,可以将气体对接到更宽范围的管道压力上,而不必进行多级压缩。

为了控制流量、气源压力以及压缩气体体积,第一种办法是打开液压系统中的一个小针阀,这样就能将一部分原油分流到油藏中去,从而减少每分钟的冲程数。第二种办法是将活塞两头的传感器靠拢一点,可以缩短设备的冲程。

当有液体流入的情况下,HyBGC会自动将液体移除压缩气缸外,直到所有的液体都清除,可以下推至生产设备中进行分离。湿气与液体段塞不会损害HyBGC,因此不需要洗涤器与回水泵,如图2所示。

可以调整系统允许的最大液压,因此不会对系统造成损害。HyBGC可以安装在安全阀的下方,这样就不会有气体排向大气,整个系统也就对环境无害。

气缸活塞密封采用的是正向密封,这样整个系统就成为了一个泵。活塞移动缓慢,所以压缩腔能够在活塞改变方向之前完全充满气体。这一特点使HyBGC在压缩时变得更高效。制作压缩缸的材料都不需要润滑,而且它是一个完全封闭的压缩系统,因此任何气体排放到大气中的可能性都非常小,符合Quad OOOO联邦法规。

压缩气缸及其所有部件都具有耐腐蚀性,可以在H2S和CO2的环境中放心使用。HyBGC还可以压缩高温气体和/或用于蒸汽驱。由于部件简单,大多数现场人员都能较容易地修理HyBGC。

现场应用:垂直和水平井

有杆泵系统

油公司使用HyBGC来减轻套管压力与作用在地层上的回压,让更多的地层流体从地层流入到井眼。根据储层的产油指数,产量的增加可以提高现有油井的利润。而且,当HyBGC把气体从套管中抽出后,地层上的压力也降低,气体会从流体中分离出来,沿着套管上升,脱离举升系统。这样就减少了井下举升系统中的气体干扰现象,也消除了有杆泵系统中的流体。

ESP和PCP举升系统

ESP与PCP举升系统发生故障的一个主要原因是泵内的气体和/或气体段塞。通过减小套管中的压力,气体会从流体中加速分离出来,通过套管从井中被抽出。ESP与PCP举升系统是用来举升液体,而不是气体。当压力减少,气体被排出后,ESP能够更专注地去除井眼中的流体,而不必处理夹带在流体中的过量气体。在一家中东油公司的现场应用中,证明了HyBGC与ESP结合的使用价值(图3)。

压缩机中的多面手-液压游梁式气体压缩机BGC

图3.现场应用1:在中东某一地区,通过将回压降低500psi,原油产量增加了超过100桶。

气体回收设备

HyBGC还专门为油罐中的气体移除进行了设计,可以清除在该项作业中大量存在的高BTU气体。HyBGC还可以处理罐内的含H2S气体。在过去三年的实践中,HyBGC的运行时间比率已经达到了99.4%,如图4所示。此外,在北达科他州的一个现场应用中,HyBGC的功能也得到证实。设备安装于2015年12月,运行环境为高H2S的低温寒冷环境。在设备运行的超过230万个周期中,没有收到一个求助电话(图5)。因此证明HyBGC是一款可用于蒸汽回收的非常可靠的压缩系统。

压缩机中的多面手-液压游梁式气体压缩机BGC

图4.通常HyBGC VRU每年的运行可靠率超过99.4%。

压缩机中的多面手-液压游梁式气体压缩机BGC

图5.现场应用2 在北达科他州,HyBGC的功能也得到证实。设备在低温寒冷环境中运行超过230万个周期,期间没有收到一个问题投诉。

天然气管线增压

HyBGC还可用于从常用管线中收集现场天然气,在对气体进行增压后,输送给更大的现场压缩站。由于地形不均匀,长管道是上下起伏的。从这样的管道中收集气体时,流体会不断聚集,并在某一时刻进入HyBGC。HyBGC能够应对这些液体段塞,不会对系统造成任何不良影响。流体只需要简单地顺着管线泵入到生产设备中,就能完成分离。

结论

液压游梁式气体压缩机刚推出三年,相对于行业来说还是一个较新型的产品。但无论从技术的意义与目的来看,这项技术已经有数十年的历史了。自二十世纪七十年代后期以来,双作用BGC就一直服务于全世界的油田。油公司认为,两种可靠工艺的组合带来了一次创新,为石油这个古老的行业在气体压缩上提供了新的选择。

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