工业应用级快速溶解气体的方法与流程

本发明涉及油田开发领域，具体涉及一种工业应用级快速溶解气体的方法。

背景技术：

在石油开发领域，低渗透油藏的注水开发面临诸多难题，其中注入水难以进入微小孔隙，波及体积小，采出程度不高。一种有效的方法是注气开发，利用气体渗流阻力低的特点，使气体进入小孔隙内，提高采出程度，但是气驱方式经常遇到沿高渗通道窜流的情况，使得气体驱油的效率变差。

结合两种方式的优点，即在注入水中大量溶解气体，使其在渗流过程中，随着压力的逐渐降低，溶解气逐步析出，实现气水共同驱油并提高驱油效率。此种方式的特点是在注入井与生产井之间的工作压力一定时，溶解了大量气体的注入水沿较大的通道渗流，随着渗流压力的降低，水中析出的气泡产生贾敏效应，限制了注入水在较大通道中的渗流速度，“强迫”注入水向较小的通道中流动。随着渗流压力连续降低，这种“强迫”过程连续发生，迫使注入水不断向更小的孔隙中渗流，扩大了注入水的波及体积，从而提高了驱油效率。这种方法在理论原理已在实验室得到验证，理论可行，但是在工业应用上，目前却无法将气体快速溶解到流动的注入水中。

综上所述，现有技术中存在以下问题：目前在工业应用上，无法将气体快速溶解到流动的注入水中。

技术实现要素：

本发明提供一种工业应用级快速溶解气体的方法，以解决目前在工业应用上，无法将气体快速溶解到流动的注入水中的问题。

为此，本发明提出一种工业应用级快速溶解气体方法，也称工业应用级溶解气体方法或气体溶解方法，该方法包括：

在管道中注入水；

然后向注水的管道中注入气体，将注入的气体的起泡的尺寸控制在400μm以下，注入气体的压力大于注水的管道内压力0.2--0.5mpa。

所述工业应用级快速溶解气体方法还包括：将注水的管道中的未溶解的气体排出。

所述工业应用级快速溶解气体方法采用工业应用级快速溶解气体装置，所述工业应用级快速溶解气体装置包括：

至少一个溶气管，所述溶气管为u型管，所述溶气管包括：竖直设置并相互平行的第一根直管和第二根直管，以及连接在第一根直管的顶部和第二根直管的顶部之间的顶部弯管；第一根直管、顶部弯管和第二根直管的内部连通；第一根直管、顶部弯管和第二根直管用于容纳注入的水；

所述顶部弯管的顶部设有开槽；

所述溶气管还包括：

顶部横管，连接在所述顶部弯管之上；所述顶部横管为管状并水平设置；所述顶部横管的内腔与所述开槽连通；

带孔的平板，覆盖在所述开槽上并连接在顶部弯管与所述顶部横管之间；

监测带孔的平板的液位感应器，设置在所述顶部横管的内腔中；

排气阀，设置在所述顶部横管的顶部；

注气管线，连接在第一根直管和第二根直管的底部；

混气装置，位于第一根直管的底部并位于注气管线的下游，所述混气装置包括：过滤片，过滤片上设有多个均匀的孔隙，过滤片孔径为5μm至10μm；

注水管线，连接在第一根直管的底部。

进一步的，所述工业应用级快速溶解气体装置包括：多个竖直设置并依次连接的溶气管，多个溶气管的水平投影呈s型，所述工业应用级快速溶解气体装置还包括：连接在相邻两个溶气管底部的底部弯管，所述底部弯管连接在相邻两个溶气管之间。

进一步的，所述工业应用级快速溶解气体装置还包括：气体增压装置，连接所述注气管线。

进一步的，所述气体增压装置包括：依次连接的注气灌、增压泵组和空气泵，所述注气灌连接所述注气管线。

进一步的，所述工业应用级快速溶解气体装置采用九个直管连接形成s型，相邻直管的间隔为500mm。

进一步的，所述气体增压装置连接每个溶气管，每个溶气管分别通过一个分压装置并联连接所述气体增压装置，所述分压装置为气体压力调节阀。

进一步的，所述工业应用级快速溶解气体装置还包括：信号传输及控制装置，连接液位感应器和排气阀。

进一步的，所述工业应用级快速溶解气体装置还包括：撬装平台，撬装平台包括运输挂车和安装在运输挂车上的固定台架，所述溶气管、气体增压装置、和信号传输及控制装置均设置在固定台架上。

进一步的，所述排气阀为电磁阀。

进一步的，所述带孔的平板上的孔眼直径为1cm，间隔2cm。

本发明具有以下优点：

1.工业应用级快速溶解气体装置，在地面应用，连接式并入原有注水流程，使注入水在到达井口装置前已达到饱和溶解气体的状态；

2.该装置具有撬装布局，管线部件占用空间小，便于运输、安装和管理；

3.该装置实施自动化控制，便于操作。

附图说明

图1为本发明采用的快速溶解方法的工作原理示意图；

图2为本发明采用的快速溶解方法中直管的工作原理示意图；

图3为本发明采用的快速溶解方法中弯管的工作原理示意图；

图4为本发明一个实施例采用的弯管的主视结构示意图；

图5为本发明一个实施例采用的弯管的侧视结构示意图；

图6为本发明采用的s型溶气管的主视结构示意图；

图7为本发明采用的s型溶气管的俯视结构示意图；

图8为本发明采用的工业应用级快速溶解气体装置的整体结构示意图。

附图标号说明：

1、溶气管；11、顶部弯管；12、底部弯管；13、管线接口；14、注水方向；15、直管；16、出水方向；17、注水管线入口；18、注水管线出口；

20、顶部横管；21、带孔的平板(孔板)；22、液位感应器；23、排气阀；30、气泡；40、法兰；50、气液界面；

60、气体增压装置；61、分压装置；70、信号传输及控制装置；71、液位信号传输线。

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。

本发明是在分析气体溶解速度影响因素的基础上，设计了微小气泡的生成装置和曲折式的排管结构。方法原理如下：

气体溶解过程是发生在气体与液体的接触面，气体分子逐渐溶解进入液体分子内部。溶解速度的快慢与接触面的面积大小有关，面积越大，溶解越快。

相同体积的气体转换为气泡形式，则气泡越小，总的气泡表面积越大，表面积随气泡数量的1/3次幂递增，见式1。

sr——一个半径为r的大气泡的表面积；

snr——与大气泡等体积的半径为r的n个小气泡的总表面积；

利用该原理，在流动的注入水中，让气体以微小气泡的形式进入注入水，边流动边溶解。根据该原理，如图1、图6和图7所示，本发明的工业应用级快速溶解气体方法包括：

在管道中注入水；

然后向注水的管道中注入气体，将注入的气体的起泡的尺寸控制在在400μm以下，注入气体的压力大于注水的管道内压力0.2--0.5mpa。

本发明的工业应用级快速溶解气体装置包括：

至少一个溶气管，所述溶气管为u型管，所述溶气管包括：竖直设置并相互平行的第一根直管和第二根直管，以及连接在第一根直管的顶部和第二根直管的顶部之间的顶部弯管；顶部弯管可以为圆弧形或半圆形，第一根直管、顶部弯管和第二根直管的内部连通；也就是，溶气管由直管段和弯管段组成，弯管与直管可以通过法兰40连接，易于拆卸安装；其中直管段内安装了混气装置；弯管段内安装了稳定孔板、液位感应器等部件；直管，最大耐压50mpa，耐温100℃，防气体腐蚀。具备工业条件下注气的安全性能保障，直管两端采用法兰式连接，便于组装和运输；弯管和直管的性能一致，最大耐压50mpa，耐温100℃，防气体腐蚀。具备工业条件下注气的安全性能保障；

如图4和图5所示，所述顶部弯管11的顶部设有开槽；

所述溶气管还包括：

顶部横管20，连接在所述顶部弯管11之上；所述顶部横管20为管状并水平设置；所述顶部横管的内腔与所述开槽连通；顶部横管20，其底部与开槽焊接连接；顶部横管的长度大于开槽的长度；顶部横管20的两端具有法兰40，用于连接；

带孔的平板21，也称稳定孔板或孔板，覆盖在所述开槽上并连接在顶部弯管11与所述顶部横管20之间；孔板用螺丝固定在横管内部，可拆卸更换；孔板的孔眼结构平衡了注入水在高速流动时，气体在顶部的剧烈震荡，将气体较稳定分离，也有利于液位感应器22的准确判断液面；

监测带孔的平板的液位感应器22，设置在所述顶部横管20的内腔中；在带孔的平板21(孔板)两侧相对设置超声波液位感应器，固定在孔板两端平面上，设置距离50～100cm。在水和气体中超声波速度差异很大，因而该感应器可敏锐感知气液界面50，且注入水中的杂质等干扰几乎不受影响；

排气阀23，设置在所述顶部横管20的顶部；所述顶部横管20的顶部设有排气阀23，底部连接弯管，排气阀23不排气的时候，顶部横管20的顶部是密闭的，当直管内的气体溶解不完全时，会形成气泡30通过稳定孔板进入上部空间，当气体增多，液面下降至限位面时，液位感应器发出信号，控制排气阀开启，释放顶部气体。因此，弯管不仅起到连接直管，而且起到及时排除未溶气体的作用；

注气管线，如图1所示，连接在各直管的底部；用于向直管注气；此外，还可以有出口管线连接第二根直管，用于排出水；

混气装置，位于各直管的底部并位于注气管线的下游，所述混气装置包括：过滤片，过滤片上设有多个均匀的孔隙，过滤片孔径为5μm至10μm；混气装置位于直管段底部，核心是具有均匀直径的多孔隙过滤片，直径均匀度要求80％以上。在溶气管内应用的过滤片孔径例如可以有5μm和10μm两种。过滤板孔径为5μm，可生成100μm泡径的气泡，过滤板孔径为510μm，可生成400μm泡径的气泡。过滤片厚度为2mm。混气装置与外部的注气管线连接。

例如，100μm气泡，在注入初始，要求气水比不超过1:3(气水比低于1:5，溶解更充分)，其在单根管线内上升并保持稳定，不聚并。当各单管内的气泡处于装置出口位置时，其浓度最大(气水比不超过1:3)；泡径比例约100μm气泡占20％，因溶解作用，泡径约50μm气泡占60％，小于50μm气泡占20％。随注入水稳定进入注入井后，气泡体积随压力升高而减小，稳定性加强。

以石油工业常用的两种气体—氮气和二氧化碳为例，标况20℃，1大气压时，在未采用专利技术的情况下，氮气溶解度小于0.03(与水的体积比)；二氧化碳溶解度可达1。本发明中的溶解不仅仅是完全溶解，也是保持稳定分散的状态即可。采用本专利的技术，氮气和二氧化碳的溶解都是自然溶解的10倍，氮气和水可达1:3(即0.3)，二氧化碳可达到1.5:1，足够工业应用。

注水管线，如图1所示，连接在第一根直管的底部，用于注水。注入的水先进入一个直管，然后按照注水方向14进入弯管，经过弯管、以及位于弯管顶部的顶部横管20，从弯管中按照出水方向16流出，进入另外一根直管。

注入气在溶气管底部注入，例如，如图1、图2和图3所示，单个溶气管中，从两个直管的底部注入，经过混气装置后，由于过滤片孔径细小，所以能够生成可控的微小气泡；微小气泡在单根管内受浮力和流体携带而上升，气泡在管线顶端溶解了一定体积或全部溶解；经过弯管段后，与该直管段内的上升气泡逆向作用，已含有一定溶解气的水继续溶解，混合后的流体进入下一段管线。

未注气前，弯管段内的稳定孔板上方也充满注入水，由于孔板的阻挡，其上部水流与下部通道内的流动有速度差异。如图1、图2和图3所示，若单根溶气管内初始生成的气泡未能全部溶解，部分气泡受注水携带进入连接的溶气管，并向下运移。另外部分气泡经稳定孔板进入孔板上方，在上部形成水位面；当气体量增加，水位面下降至限位面时，液位感应器触发，发送信号。控制气开启弯管顶部的排气阀，使上部气体快速排出，随后关闭。顶部气体量较少和排气阀的快速开启基本保证溶气管内压力不降低。

带孔的平板21(稳定孔板)的孔眼结构平衡了注入水在高速流动时，气体在顶部的剧烈震荡，将气体较稳定分离，也有利于液位感应器的准确判断液面。进一步的，如图6、图7和图8所示，所述工业应用级快速溶解气体装置包括：多个竖直设置并依次连接的溶气管1，多个溶气管1的水平投影呈s型，所述工业应用级快速溶解气体装置还包括：连接在相邻两个溶气管底部的底部弯管12，所述底部弯管连接在相邻两个溶气管的直管之间。s型溶气管的两端分别为管线接口13，一端的管线接口13连接注水管线入口17，另一端的管线接口13连接注水管线出口18。注入水在单根溶气管依次流过的过程中逐渐增加溶解气量，经过s型流程，溶解气量增加效果更好，最佳设计是当注入水在溶气管组出口处达到饱和状态。单根u型管，在限制高度上，溶解效果较低。本发明采用9管式结构，占地面积小，流程较为合理。

进一步的，如图8所示，所述工业应用级快速溶解气体装置还包括：气体增压装置60，连接所述注气管线，这样，可以增压。

进一步的，所述气体增压装置包括：依次连接的注气灌、增压泵组和空气泵，所述注气灌连接所述注气管线。这样，增压效果迅速。在连接增压泵组和空气泵的情况下，注气灌采用耐压强度较高的钢瓶，内径100mm，长10m，容积0.08m3。使用压力不高于30mpa，最高耐压40mpa。因溶气过程的注气量与注水量比值较低(氮气通常低于1:50)，因而实验室级别的增压机即可满足该气体排量，多台并联组成的增压泵组既也可满足较大气量的条件，也可实现单台增压机的轮休。空气泵为常规设备，输出空气压力0.8mpa，排量大于100l/min即可，也可采用并联多台的方式。

进一步的，所述工业应用级快速溶解气体装置还包括：气体存储装置，连接所述注气灌，为注气灌提供工业供气，可以实现工业规模化应用，例如用于井下注水。气体存储采用成熟的耐压存储技术，目前生产的lng运输罐，运输工作压力20mpa。严格按照dot-3aax及dote8009生产安装的钢瓶规格。钢瓶材质：cr-mosteel/4130xtubeserialno：njb-236。钢瓶尺寸：外径559mm，长10.98m，钢瓶水容积：2.250m3。气体存储装置可以采用上述相同标准制作的钢瓶，材质相同。内径200mm，长10m，容积0.314m3。内部安装缓冲安全板，外部有快速卸压安全阀。使用压力不高于15mpa，当压力超过钢瓶极限压力时，主安全阀安全板主动破裂，主安全阀排气降压；同时该信号反馈控制装置，开启辅助安全阀，增加排气速度。装置在安全性能上具有更高保障。

进一步的，如图8所示，所述气体增压装置60连接每个溶气管1，每个溶气管1分别通过一个分压装置61并联连接所述气体增压装置60，所述分压装置61为气体压力调节阀，微调由气体增压装置60进入单根溶气管1时的气体压力。

进一步的，如图8所示，所述工业应用级快速溶解气体装置还包括：信号传输及控制装置70，通过液位信号传输线71连接液位感应器和排气阀。信号传输及控制装置功能主要包括：超声波液位感应器的信号传输、排气阀/辅助安全阀的控制以及流量设置。信号传输及控制装置可以芯片或电脑或plc。

超声波液位感应器为每秒间隔发射接受信号，测量超声波速度，当速度明显降低时，即气液界面达到限位，控制装置开启排气阀。气液界面正常后，排气阀关闭。

进一步的，所述工业应用级快速溶解气体装置还包括：撬装平台，撬装平台包括运输挂车和安装在运输挂车上的固定台架，所述溶气管、气体存储装置、气体增压装置、和信号传输及控制装置均设置在固定台架上。单根溶气管间隔500mm，整装溶气管可由普通货车运输。本发明采用9管式结构，多个溶气管的组合水平投影呈s型，占地面积小，便于运输和移动。

进一步的，所述排气阀为电磁阀，便于迅速排气和复位。

进一步的，所述带孔的平板上的孔眼直径为1cm，间隔2cm，平衡了注入水在高速流动时，气体在顶部的剧烈震荡，将气体较稳定分离，也有利于液位感应器的准确判断液面，适合未溶解的气体上升和排出。

本发明的工作过程如下：

按照图8安装后，s型溶气管起始端与注水管线连接，出口端与注水井口装置或流入水井的管线连接。连接气体增压装置。以20mpa注水压力，地面温度条件注入为例，具体工作过程如下：

准备工作：

在气体存储装置为气体增压装置供气，已存储气体的条件下，设为12mpa。开启气体增压装置，使增压装置的注气罐内压力达到21mpa，按照设计设定各分压装置的压力值(设置值与气体介质、气体流量设计有关，压差不超过0.1mpa)。

正常注水

工业应用级快速溶解气体装置连接完成后，正常注水，即注入水沿溶气管进口注入。

②注气操作

开启各溶气管注气阀门，注入气在溶气管底部注入，经过混气装置后，生成可控的微小气泡，参见图2；微小气泡在单根管内上升初期，受注气压差释放效应的影响，气泡略微膨胀；随着溶解作用的时间增加，气泡体积逐渐减小。单根直管内，初始生成气泡可能全部溶解。

③液位感应器工作

未注气前，弯管段内的稳定孔板上方也充满注入水，由于孔板的阻挡，其上部水流与下部通道内的流动有速度差异。如图3所示，若单根溶气管内初始生成的气泡未能全部溶解，部分气泡受注水携带进入连接的溶气管，并向下运移。另外部分气泡经稳定孔板进入孔板上方，在上部形成水位面；当气体量增加，水位面下降至限位面时，液位感应器触发，发送信号。控制气开启弯管顶部的排气阀，使上部气体快速排出，随后关闭。顶部气体量较少和排气阀的快速开启基本保证溶气管内压力不降低。

稳定孔板的孔眼结构平衡了注入水在高速流动时，气体在顶部的剧烈震荡，将气体较稳定分离，也有利于液位感应器的准确判断液面。

④多轮次的溶解过程

注入水在单根溶气管依次流过的过程中逐渐增加溶解气量，最佳设计是当注入水在溶气管组出口处达到饱和状态。

此后注入水进入井筒，并完成后期的驱油流程。

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。