單螺桿泵油氣多相混輸及流程分析

在石油開采中，油井生產中往往伴隨著一定量的天然氣、水和固體顆粒。為了實現降低井口回壓、增加原油產量、提高開發效益以及達到油氣密閉輸送目的，必須對用油氣多相混輸泵對油氣等多相混合介質增壓輸送。單螺桿泵可以輸送氣液固多相介質，并可以在短時間內輸送純氣體介質，實現多相混輸。在混輸系統設計中，充分分析混輸介質和單螺桿混輸泵的特點，確保系統安全、可靠、科學。

    單螺桿式油氣混輸泵工作原理及特點

    單螺桿泵工作是同一定外型面的轉子在對應內型面的定子內嚙合，形成特殊的接觸線，使定子腔分隔，此接觸線稱密封線。當轉子按一定軌跡轉動時，其密封線做軸向移動，也使定子容腔做軸向移動，即容積位移，這時密封線在一端消失，又從另一端產生新的密封線，隨之把介質從一端推向另一端。

    單螺桿式油氣混輸泵因采用具有良好彈性的橡膠材質的定子,它與轉子嚙合需要有一定的過盈量，使其產生可靠的密封性。當泵工作時密封線可有效地阻止氣體通過，從而達到輸送氣體的目的；當介質中含有固體顆粒，若固體顆粒擠在密封線中時，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，定子橡膠回彈恢復原來的形狀，這樣，單螺桿泵可實現輸送介質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、含氣介質、含泥沙固體顆粒介質和高粘度介質的輸送。含氣量可達95%，介質粘度可達50000mPa·S，含固量可達60%，允許固體顆粒直徑≤3.5~32mm，流量與轉速成正比，在低轉速低流量下可保持壓力的穩定，具有良好的調節性能，便于實現自動化控制。

    單螺桿多相混輸介質主要指標

    油氣比和含水率

    油氣多相混輸介質是主要由原油、天然氣以及水、固體顆粒等液態、氣態、固態成份組成。在油田開發中衡量油井生產的油氣特性的指標有油氣比、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。油氣比指油氣介質在標準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，按氣態方程改變其狀態；當不考慮溫度變化對其狀態變化的影響時，氣體的體積隨壓力的變化成反比例變化。同時壓力升高，部分氣體會被液化，反之液化的氣體會被氣化；并且在其壓力變化時，溶解在液體中氣體的量也發生變化。油氣混輸時，泵吸入室所承受油井匯管壓力，其壓力通常高于大氣壓，介質中的氣體已經壓縮，這時用在特定氣壓下的油氣比表示介質特點已不能反映泵的實際運行狀態。含水率是反指含水的質量百分比，也不能反映泵的實際運行狀態。為了反映進入混輸泵中液、氣比例，我引入進液率的概念。

    進液率

    進液率是指介質在進泵時，液相成分的量占流量的百分比，這里指體積之比。有了進液率的概念，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，也不管介質中固體顆粒成分有多少，用進液率就基本上反映泵的運行狀況。
根據試驗及油田運行數據初步分析確認，進液率在不小于5%，單螺桿泵就能正常工作。5%的液體就能把轉子與定子相對運動產生的摩擦熱量帶走，也能對轉子和定子嚙合面起到潤滑作用，確保螺桿泵正常運行。

    混輸流程設計時應注意的問題

    液相介質的連續供給問題

    在油井原油生產中其生產狀態很不穩定，在一段時間內有可能氣體含量高，而另一段時間內液體含量高，所以在使用單螺桿泵做油氣混輸時，為了防止泵在輸送液體和氣體、混合液的過程中，有一段時間內液體斷流，造成定子因摩擦產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，介質在進入單螺桿泵腔時盡量使用原油中的液體與氣體均勻混合，保證液體介質對泵的連續供給。

    A、 同時開動油田區塊中的多口油井，讓油井的油氣相互補充，使進入單螺桿泵的介質盡量均勻。

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

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

    當輸送流量較大，采用多臺泵并聯輸送時，必須注意吸入管路的對稱布置，保證使進入單螺桿泵的介質盡量均勻分配，防止偏流。

    串連運行中問題

    當輸送距離較遠、泵壓力較高時，可采用多臺串聯運行。由于氣體的可壓縮性，各級泵流量要根據油氣比、匯管壓力、混輸管線壓力、各泵之間的壓力分配綜合考慮。為了各級泵都能協調正常工作，必須要以各采壓點的壓力自動調節泵的轉速，調節泵的流量，達到高壓油氣混輸的目的。

    混輸泵的承壓問題

    由于在混輸系統里，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泵的壓力（如圖1所示）。當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，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

    混輸泵的防反轉問題

    混輸泵在流程系統里運行后，泵進出管線之間產生一定的壓差。當停泵閥門未關閉時，有可能泵發生倒轉現象。由于油氣混輸中流體大部分是氣體，流動阻力較小，流動速度快，會使泵反轉超過額定轉速，發生飛車現象，容易發生事故。在設計流程時，應采取相應措施，防止發生這種現象。可以在泵出口管路上安裝逆止閥，防止流體反向流動，這種方法zui簡單實用可靠；也可選用附帶制動裝置的電動機。

    防止單螺桿泵超壓運行

    一般單螺桿泵輸送介質的性質、狀態都比較復雜，在管路里可能造成堵塞。因單螺桿泵是容積式類型的泵，當發生堵塞或人為操作失誤時，會造成泵的超壓，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自動報警停泵。

    單螺桿泵油氣混輸應用示例

    圖2  油氣混輸系統圖

    圖2是油田用單螺桿泵油氣混輸的應用流程示例。在該混輸系統中，兩臺泵并聯，管路對稱布置；進口管線的壓力變送信號送至電控柜，通過變頻器調節泵排量實現泵入口恒壓控制；泵出口壓力繼電器信號送至電控柜實現超壓力自動報警、自動停泵；泵出口單流閥起到防止介質倒流和混輸泵反轉的作用。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。

    在實際設計單螺桿泵油氣混輸流程時，須根據油區的具體情況，綜合分析油氣混輸量、油氣產量、油氣比、采油回壓、輸送距離等諸多因素，多方面的調查研究，多方案的對比分析，選擇合適的混輸泵型，制定出合理的流程布局，才能實現油氣混輸安全、科學、可靠、經濟的運行。