用于页岩气的除水降温装置及其实现方法与流程

本发明涉及一种页岩气除水装置，尤其涉及一种基于减速冷凝的页岩气除水降温装置，属于石油、天然气开采的技术领域。

背景技术：

页岩气是指赋存于以富有机质页岩为主的储集岩系中的非常规天然气，是连续生成的生物化学成因气、热成因气或二者的混合，可以游离态存在于天然裂缝和孔隙中，以吸附态存在于干酪根、黏土颗粒表面，还有极少量以溶解状态储存于干酪根和沥青质中，游离气比例一般在20%～85%。页岩气开采技术，主要包括水平井技术和多层压裂技术、清水压裂技术、重复压裂技术、及最新的同步压裂技术。

页岩气开采过程中由于有大量水分的注入，因而从夹层中产生的页岩气中通常夹带这大量的水和水蒸汽，如果不降低页岩气中的含水量，将极大的影响页岩气的质量，同时页岩气中的水分过高在寒冷地区将产生局部冷冻从而影响输送管道的零部件的寿命。因此从夹层产生的页岩气必须采取相应措施对其进行降温除水，以确保对整个用气高效安全。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种结构简单，对页岩气除水降温效果好，除水降温效率高的用于页岩气的除水降温装置及其实现方法。

用于页岩气的除水降温装置，包括三个独立的系统：1、页岩气除水系统；2、冷冻水循环系统；3、冷冻水降温系统。

本发明的页岩气除水系统包括进气管、出气管，进气管的出气端通过扩张器与换热器的一端连接，换热器的另一端通过收缩器与出气管的进气端连接；换热器上设置排水阀；

冷冻水循环系统包括位于页岩气除水系统上方的接水盘、位于页岩气除水系统下方的蓄水箱，接水盘的底部设置若干个通孔；接水盘通过第一水泵与蓄水箱连接。

冷冻水降温系统包括冷水机组，冷水机组与蓄水箱之间设置用于形成循环水的两根水管，其中一根水管上布置第一水泵；冷水机组为防爆式风冷冷水机组。

进一步，本发明的换热器为夹层板片换热器。

进一步，本发明的夹层板片换热器包括若干个平行布置的长方体夹板，相邻两个夹板之间设置便于接水盘内的冷冻水流动的通道。

进一步，本发明换热器的外部铺设辐射涂层，如纳米陶瓷涂层。

进一步，本发明的换热器内部出口处设置蜂窝吸水装置，所述蜂窝吸水装置与排水阀相对应。

页岩气除水系统工作原理为：从页岩中出来的高温高湿气体进入进气管，然后通过扩张器，流速快速降低后进入换热器，此时夹带中天然气中的水分在重力的作用下汇集到换热器底部，同时由于换热器外部循环着低温冷冻水，通过低温冷冻水与高温高湿的天然气进行热质交换，天然气温度降低，天然气的含湿量降低。此时降温除水后的天然气通过收缩器加速，然后通过出气管排出进入天然气输送和储存系统；在换热器中产生的冷凝水和减速分离水则通过排水阀在重力的作用下流入下面的蓄水箱。

冷冻水循环系统工作原理为：低温的冷冻水通过接水盘在重力的作用下流入换热器，在换热器中，冷冻水系统天然气中的热量，水温升高，在重力作用下进入储水箱降温，降温后的冷冻水通过第一水泵将冷冻水打入接水盘。

冷冻水降温系统为：升温后的冷冻水通过第二水泵进入防爆式风冷冷水机组中，水温下降后，流回蓄水箱。

本发明用于页岩气的除水降温装置，其一方面利用扩径减速的原理，将页岩气的流入到一个大空间环境中，降低其流速，从而使得页岩气中夹带的水滴在重力的作用下聚集在底部；另一方面利用冷冻除水的原理，在页岩气外部流入低温冷冻水，从而实现页岩气温度的降低，同时将部分水蒸汽冷凝为液态水，最后液态水通过自动排水阀流出，从而实现页岩气高效除水降温。

用于页岩气的除水降温装置及其实现方法，包括如下步骤：

第一步：页岩气除水系统工作：当第一水泵开启1min后，打开进气口，页岩气从进气管进入，进行降温除水，监测出口页岩气的温度和含湿量；当出口温度和含湿量低于设定值时，降低第一水泵频率从而降低冷冻水循环量；

第二步：冷冻水降温系统工作：首先打开第二水泵，1min后打开冷水机组，当蓄水箱温度低于设定温度10℃时，对防爆式风冷冷水机组进行减载直到关闭该机组，当蓄水箱温度高于设定温度13℃时，打开防爆式风冷冷水机组直到该机组进行加载直到满载；

第三步：冷冻水循环系统工作：当冷冻水循环系统温度低于设定温度13℃时，向页岩气除水系统补充冷冻水，对页岩气进一步降温除水。当蓄水箱温度低于设定温度13℃时，打开第一水泵，冷冻水通过接水盘流入夹层板片换热器，对页岩气进一步降温除水。

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明利用冷冻水带走页岩气的温度，在降低温度的同时，实现对页岩气的除水，满足工艺要求的同时结构简单，除水效率高。

2、本发明采用减速来分离气体夹带的水分，除水结构简单，除水方式可靠。

3、本发明进一步采用冷冻降温除水的方式深度除水，可以满足多工况要求。

4、本发明的整个系统采用防爆设计，特别是对于与天然气接触部位无任何用电设备，系统安全可靠。

5、本发明在换热器外部铺设辐射涂层，可以大幅度降低换热器表面温度，内部出口处设置蜂窝吸水装置，可以实现页岩气中的雾状水被吸入，并在高度差的作用下流入到换热器底部。

6、本发明综合采用了冷冻水、减速除湿、对外辐射降温除湿、吸附重力除湿等方式，强化了降温除湿的效果，结构简单，降温除湿效率高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明夹层板片换热器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，用于页岩气的除水降温装置，包括三个独立的系统：1、用于降低页岩气温度、去除页岩气水分的页岩气除水系统；2、与页岩气除水系统连接，用于降低页岩气除水系统温度的冷冻水循环系统；3、与冷冻水循环系统连接，用于降低冷冻水循环系统温度的冷冻水降温系统。

本发明的页岩气除水系统包括进气管1、出气管5，进气管1的出气端通过扩张器2与换热器3的一端连接，换热器3的另一端通过收缩器4与出气管5的进气端连接；换热器3上设置排水阀6。本发明的换热器3为夹层板片换热器。

本发明的冷冻水循环系统包括位于页岩气除水系统上方的接水盘9、位于页岩气除水系统下方的蓄水箱7，接水盘9的底部设置若干个通孔；接水盘9通过第一水泵8与蓄水箱7连接。本发明的第一水泵8为防爆式变频水泵。

本发明的冷冻水降温系统包括冷水机组10，冷水机组10与蓄水箱7之间设置两根水管，其中一根水管上布置第一水泵11。本发明的冷水机组10为防爆风冷冷水机组。

如图2所示，本发明的夹层板片换热器包括若干个平行布置的长方体夹板31，相邻两个夹板31之间设置便于接水盘9内的冷冻水流动的通道32。通过进气管1进入夹层板式换热器的高温高湿气体在夹板31内流动，经过降温除湿后通过出气管5排出。夹板31之间形成一定的缝隙，接水盘9的冷冻水经过夹板31的外表面，在流动的过程中带走夹板内气体的温度，夹板内产生的冷凝水通过蜂窝吸水装置和排水阀6集中排出。

用于页岩气的除水降温装置及其实现方法，包括如下步骤：

第一步：页岩气除水系统工作：当第一水泵8开启1min后，打开进气口，页岩气从进气管1进入，进行降温除水，监测出气管5出口处页岩气的温度和含湿量；当出口温度和含湿量低于设定值时，降低第一水泵频率从而降低冷冻水循环量；

第二步：冷冻水降温系统工作：首先打开第二水泵11，1min后打开防爆式风冷冷水机组10，当蓄水箱7温度低于设定温度10℃时，对防爆式风冷冷水机组10进行减载直到关闭该机组，当蓄水箱7温度高于设定温度13℃时，打开防爆式风冷冷水机组10进行加载直到满载；

第三步：冷冻水循环系统工作：当冷冻水循环系统温度低于设定温度13℃时，向页岩气除水系统补充冷冻水，对页岩气进一步降温除水。当蓄水箱7温度低于设定温度15℃时，打开第一水泵8，冷冻水通过接水盘9流入夹层板片换热器3，对页岩气进一步降温除水。

本发明对于包含第一水泵8、第二水泵11、防爆式风冷冷水机组10在内的整个系统控制均采用防爆设计，其中第一水泵8采用防爆式变频水泵。

本发明的夹层板片换热器采用不锈钢整体激光焊接，夹层板片换热器与扩展管、夹层板片换热器与收缩管均采用整体焊接，防止天然气泄漏。

本发明在使用过程中，首先从页岩中出来的高温高湿气体进入进气管1，然后通过扩张器2，流速快速降低后进入夹层板片换热器3，采用的是减速除湿方式；此时夹层板片换热器外部循环着低温冷冻水，通过低温冷冻水与高温高湿的天然气进行热质交换，降低天然气温度，降低天然气的含湿量，采用的是冷冻水降温除湿的方式。同时夹层板片换热器3的表面铺设辐射涂层，采用对外辐射降温除湿的方式。在夹层板片换热器3中产生的冷凝水和减速分离水则通过内部出口处的蜂窝吸水装置流入排水阀6，在重力的作用下流入下面的蓄水箱7，采用吸附重力除湿的方式。降温除水后的天然气通过收缩器4加速，然后通过出气管5排出，进入天然气输送和储存系统；低温的冷冻水通过接水盘9在重力的作用下流入夹层板片换热器3，在换热过程中冷冻水吸收天然气中的热量，水温升高，在重力作用下进入蓄水箱7降温，蓄水箱7内的冷冻水通过第一水泵8打入接水盘9，循环使用。另外升温后的冷冻水通过第二水泵11进入防爆式风冷冷水机组10中，水温下降后，流回蓄水箱7。