具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1至图3所示，本发明的一种利用天然气井口压力能的系统，包括压力能利用单元1，所述压力能利用单元1包括气动部分和液压部分。所述气动部分包括第一气缸11、第二气缸12。所述第一气缸11的缸筒、第二气缸12的缸筒的一端分别设有支进气管13和支排气管14，支进气管13起向第一气缸11、第二气缸12的缸筒引入高压天然气的作用，支排气管14起排出通过支进气管13进入第一气缸11、第二气缸12的缸筒内的天然气的作用。第一气缸11的缸筒的一端可以是无杆腔端也可是有杆腔端，第二气缸12的缸筒的一端亦是如此。所述支进气管13上设有进气控制阀15，以控制支进气管13的通断，所述支排气管14上设有排气控制阀16，以控制支排气管14的通断。所述液压部分2包括第一液压缸21、第二液压缸22。所述第一液压缸21的缸筒、第二液压缸22的缸筒的一端分别设有支进液管25和支排液管26。支进液管25起向第一液压缸21、第二液压缸22的缸筒引入液体的作用，支排液管26起排出通过支进液管25进入第一液压缸21、第二液压缸22的缸筒内的液体的作用。第一液压缸21的缸筒的一端也可以是无杆腔端也可以是有杆腔端，第二液压缸22的缸筒的一端亦是如此。所述支进液管25上设有防止液体倒流的第一单向阀27，所述支排液管26上设有防止液体倒流的第二单向阀28。所述第一气缸11、第二气缸12、第一液压缸21以及第二液压缸22的活塞杆相互连接实现联动设置，通过合理设置各缸活塞杆的联动连接方向(伸出或缩回)，可实现当天然气推动所述第一气缸11的活塞杆运动时，第一气缸11的活塞杆带动第二气缸12、第一液压缸21以及第二液压缸22的活塞杆运动，使第一液压缸21通过其缸筒上的支进液管25进液，第二液压缸22通过其缸筒上的支排液管26排液，第二气缸12通过其缸筒上的支排气管14排气；当天然气推动所述第二气缸12的活塞杆运动时，第二气缸12的活塞杆带动第一气缸11、第一液压缸21以及第二液压缸22的活塞杆运动，使第二液压缸22通过其缸筒上的支进液管25进液，第一液压缸21通过其缸筒上的支排液管26排液，第一气缸11通过其缸筒上的支排气管14排气。各气缸的活塞杆联动连接方向(伸出或缩回)具体根据其缸筒的支进气管13(支排气管14)的设置方式确定。如：第一气缸11的支进气管13(支排气管14)设置在缸筒的有杆腔端，高压天然气推动第一气缸11的活塞杆联动的方向为缩回方向，若第一气缸11支进气管13设置在的缸筒的无杆腔端，则高压天然气推动第一气缸11的活塞杆联动的方向为伸出方向。各液压缸的活塞杆的联动连接方向(伸出或缩回)亦按照上述方式确定，不再作具体说明。

其中，进气控制阀15和排气控制阀16可采用手动阀、电磁阀等，为了方便控制优选采用电磁阀。

压力能利用单元1可以为1个或者多个，为多个时，压力能利用单元1的气动部分依次串联设置，从而形成多级利用结构。以只有一个(一级)压力能利用单元1为例，系统为单级，该系统使用时，将支进气管13与井口管道4连接，支排气管14可连接在输气管道5上，将支排液管26与其它系统的液力转换装置6的入口端连接，支进液管25与液力转换装置6的出口端连接。为了方便描述，如图1、图2所示，将第一气缸11的缸筒上的支进气管13上的进气控制阀15记作代号Y1，将第一气缸11的缸筒上的支排气管14上的排气控制阀16记作代号Y2，将第二气缸12的缸筒上的支进气管13上的进气控制阀15记作代号Y3，将第二气缸12的缸筒上的支排气管14上的排气控制阀16记作代号Y4。

如图1至图3所示，使用时，打开Y1和Y4，关闭Y2和Y3，第一气缸11与井口管道4接通，第二气缸12与输气管道5接通。此时，井口管道中的高压天然气通过第一气缸11上的支进气管13进入第一气缸11的缸筒内，利用高压天然气的压力能推动第一气缸11的活塞杆伸出，第一气缸11的活塞杆伸出的同时带动第一液压缸21的活塞杆、第二液压缸2的活塞杆和第二气缸12的活塞杆联动，第一液压缸21的活塞杆缩回，第二液压缸22的活塞杆伸出，第二气缸12的活塞杆缩回，第二液压缸22通过其缸筒上的支排液管26排出高压液体，第二液压缸22通过其缸筒上的支进液管25进入低压液体，第二气缸12通过其缸筒上的支排气管14排出低压天然气。第二液压缸22排出的高压液体到达液力转换装置6处，经液力转换装置6转换成机械能，从而被利用，液力转换装置6的出液口排出低压液体。低压液体从第二液压缸22的支进液管25进入第二液压缸22的缸筒内。当第一气缸11的活塞杆运动至尽头或适当位置后，关闭Y1和Y4，打开Y2和Y3，第一气缸11与井口管道4关断，第一气缸11与输气管道5接通，第二气缸12与井口管道4接通。此时，高压天然气通过第二气缸12上的支进气管13进入第二气缸12的缸筒内，利用高压天然气的压力能推动第二气缸12的活塞杆伸出，第二气缸12的活塞杆伸出的同时带动第二液压缸22的活塞杆、第一液压缸21的活塞杆和第一气缸11的活塞杆联动，第二液压缸21的活塞杆缩回，第一液压缸21的活塞杆伸出，第一气缸11的活塞杆缩回，第一液压缸21通过其缸筒上的支排液管26排出高压液体，第二液压缸22通过其缸筒上的支进液管25进入低压液体，第一气缸11通过其缸筒上的支排气管14排出低压天然气。第一液压缸21排出的高压液体进入液力转换装置6，继续推动液力转换装置6转动。此时，转换装置6排出的低压液体从第二液压缸22的支进液管25进入第二液压缸22的缸筒内。如此，通过不断的重复上述步骤，可将高压天然气的压力能转换成源源不断推动液力转换装置6转动的液体压力能，以实现利用。第一液压缸21的缸筒与二液压缸2的缸筒之间可能通过支进液管25和支排液管26形成小回路，导致高压液体不经过液力转换装置6，设置第二单向阀28和第一单向阀27后可避免上述问题。该系统通过天然气推动气缸，气缸再推动液压缸的方式将井口天然气的压力能转换成推动液力转换装置的液压能，以便用于发电或做功等，该系统利用压力能时气液不相接触，相比气力转动设备，气缸的结构简单，能满足更高的承压要求，不需要对井口天然气作降压处理，解决了现有装置不能直接利用井口天然气压力能的问题，提高了对天然气压力能的利用率。另外，高压天然气只与成本低廉的气缸接触，避免了其它重要而精密的设备与高压天然气接触，对气缸的防腐处理也更方便，即使更换气缸成本也相对较低，井口压力能利用成本低。

本发明中，为了保证压力能利用单元的液压部分的压力和流量的稳定，可以理解的是，第一气缸11与第二气缸12应优选选择相同型号和相同的设置方式，如：均无杆腔进气，第一液压缸21与第二液压缸22亦是如此。

本发明中，第一气缸11、第二气缸12、第一液压缸21以及第二液压缸22可各自独立设置缸筒，也可第一气缸11与第二气缸12共用一个缸筒，第一液压缸21与第二液压缸22各自独立设置缸筒(如图4所示)，也可第一液压缸21与第二液压缸22共用一个缸筒，第一气缸11与第二气缸12各自独立设置缸筒(如图3所示)。为了方便安装，优选地，第一气缸11与第二气缸12、第一液压缸21以及第二液压缸22同轴设置，即：第一气缸11与第二气缸12共用一个缸筒，第一液压缸21与第二液压缸22各自独立设置缸筒；或第一液压缸21与第二液压缸22共用一个缸筒，第一气缸11与第二气缸12各自独立设置缸筒。如图3所示，当第一液压缸21与第二液压缸22共用一个缸筒，第一气缸11与第二气缸12各自独立设置缸筒时，由于第一气缸11与第二气缸12的有杆腔端需要与大气连通，第一气缸11与第二气缸12的活塞承受的压力大于第一气缸11与第二气缸12共用一个缸筒时的活塞承受的压力(第一气缸11与第二气缸12共用一个缸筒时，活塞的另一端通过支排气管14与输气管连接的，存在背压)，对活塞的密封性要求更高。因此，优选地，所述第一气缸与第二气缸共用一个缸筒。

本发明中，支进气管13上设有防止天然气倒流的第三单向阀1，支排气管14上设有防止天然气倒流的第四单向阀18。

油田多在野外，送电极为不便。为了解决上述问题，本发明中压力能利用单元1还包括液力转换装置6和发电机3，支进液管25通过主排液管24与液力转换装置6的进液口连接，支进液管25通过主进液管23与液力转换装置6的出液口连接，主排液管24上设有稳压结构。所述液力转换装置与发电机传动连接，以驱动发电机发电。如此，系统可以通过第一液压缸21与第二液压缸22推动液力转换装置6转动，液力转换装置6再推动发电机3转动发电，实现将天然气的压力能转换成电能，以满足现场需求。稳压结构起稳定液力转换装置6的进液口端液体压力的作用，设置稳压结构后即使天然气出现压力波动，通过稳压结构的稳压作用也可保证液力转换装置6的转速不会出现较大的波动，可以使发动机更稳定发电。

液力转换装置6可以是但不限于：液压马达和透平机。

在一些实施例中，稳压结构是储压器30。在一些实施例中，稳压结构是减压阀31。在一些实施例中，稳压结构是储压器30和减压阀31，在一些实施例中，稳压结构采用设置稳压泵的方式。具体的，本发明中稳压结构包括沿主排液管24的排液方向依次设置在主排液管24上的第一储压器30、减压阀31和节流阀32。当天然气出现压力波动(主排液管24上的压力出现波动)时，第一储压器30、减压阀31、节流阀32之间相互协调作用，通过对液力转换装置6的进液口端的压力和流量的控制，可以更好地使其转速保持相对稳定，从而保证发动机的发电稳定性。其中，优选地，节流阀32的流量Q小于天然气的膨胀速度值。

当液力转换装置6的出液口端压力波动时，也会导致液力转换装置6的两端压差变化，影响液力转换装置6的转速，导致发电机的发电稳定性降低。为此，为了维持液力转换装置6的出液口端的压力稳定，本发明的主进液管23上设有第二储压器33。

本发明中压力能利用单元1只有一个时，特别是井口压力较高时，一个压力能利用单元对天然气的压力能利用不够充分，对天然气的后续处理，如：除砂、脱硫等时，还需要对天然气作降压处理。为了新一步提高对井口天然气的压力能利用率，如图5所示，本发明中压力能利用单元1至少为两个，压力能利用单元1的气动部分依次串联设置，从而形成多级利用结构，下一级的压力能利用单元1的第二气缸12的有效容积大于上一级的压力能利用单元1的第一气缸11的有效容积，下一级的压力能利用单元1的第一气缸11的有效容积大于上一级的压力能利用单元1的第二气缸12的有效容积。具体的，下一级的压力能利用单元1的支进气管13时通过连接管2与上一级的压力能利用单元1的支排气管14连接，从而实现两压力能利用单元1的气动部分依次串联设置的。气缸的有效容积是指气缸能用于容纳推动活塞杆运动的天然气的最大内部体积。压力能利用单元1的具体数量根据井口压力高低设置，井口压力越高，压力能利用单元1的数量越多。

系统为多级时的工作过程与系统为一级时的工作过程相同，首先打开每一级的压力能利用单元1的Y1和Y4，关闭Y2和Y3，此时，每一级的压力能利用单元1的第一气缸11均处于进气状态，第二气缸12均处于排气状态，第一级压力能利用单元1的动作过程与单级相同，不再具体叙述，上一级第二气缸12排出的高压气体进入下一级的第一气缸11内，由于下一级压力能利用单元1的第一气缸11的有效容积大于上一级的压力能利用单元1的第二气缸12的有效容积，天然气膨胀做功，天然气降压，天然气推动下一级的压力能利用单元1的第一气缸11活塞杆运动，活塞杆再带动该级的第一油缸21进液，第二油缸22排出高压液体；当第一气缸11的活塞杆运动至尽头或适当位置后，关闭Y1和Y4，打开Y2和Y3，此时，每一级的压力能利用单元1的第二气缸12均处于进气装置，第一气缸11均处于排气状态，第一级压力能利用单元1的动作过程也与单级系统相同，不再具体叙述，上一级第一气缸11排出的高压气体进入下一级的第二气缸12内，由于下一级压力能利用单元1的第二气缸12的有效容积大于上一级的压力能利用单元1的第一气缸11的有效容积，天然气膨胀做功，天然气推动下一级的压力能利用单元1的第二气缸12活塞杆运动，活塞杆再带动第二油缸21进液，第一油缸21排出高压液体。如此，重复上述步骤，每一级压力能利用单元均能将天然气的压力能源源不断转换成推动液力转换装置转动的液体压力能，井口天然气也在逐级膨胀后压力逐级降低，直至满足降压要求，井口天然气的压力能利用率大大提高。

系统为多级时，与一级相同，优选方案也是各级第一气缸与第二气缸共用一个缸筒(参见图6)。

天然气在膨胀过程中要吸热，天然气会降温严重，为了避免使水汽降到露点以下，本发明中，下一级的力能利用单元1的第二气缸12的有效容积与上一级的压力能利用单元1的第一气缸11的有效容积之比大于1小于3，下一级的所述压力能利用单元1的第一气缸11的有效容积与上一级的所述压力能利用单元1的第二气缸12的有效容积之比大于1小于3。

本发明中，下一级的压力能利用单元1的气动部分与上一级的压力能利用单元1的气动部分之间设有第三储压器7，以减少下一级的压力能利用单元1的气动部分的压力波动。

一种利用天然气开采地层压力能发电的方法，采用上述的利用天然气开采地层压力能发电的单级系统，所述发电方法包括：

步骤一、将第一级的压力能利用单元1的支进气管13与井口管道4连接，将最后一级的压力能利用单元1的支排气管14与输气管道5连接，若压力能利用单元1只有一个时，即该压力能利用单元1既是第一级，也是最后一级；

步骤二、打开第一气缸11的缸筒上的支进液管25上的进气控制阀15(Y1)以及第二气缸12的缸筒上的支排气管14上的排气控制阀16(Y4)，关闭第一气缸11的缸筒上的支排气管14上的排气控制阀16(Y2)以及第二气缸12的缸筒上的支进液管25上的进气控制阀15(Y3)，将天然气引入第一气缸11内，以推动第一气缸11的活塞杆，第一气缸11的活塞杆在运动的过程中，使第一液压缸21与第二液压缸22的活塞杆联动，使第二液压缸22排出高压液体，第一液压缸22进液；

步骤三、待第一气缸11的活塞杆运动至适当位置后，打开第一气缸11的缸筒上的支排气管14上的排气控制阀16以及第二气缸12的缸筒上的支进液管25上的进气控制阀15，关闭第一气缸11的缸筒上的支进液管25上的进气控制阀15以及第二气缸12的缸筒上的支排气管14上的排气控制阀16，将井口管道4内的天然气引入第二气缸12内，以推动第二气缸12的活塞杆运动，第二气缸12的活塞杆在运动的过程中，使第一液压缸21排出高压液体，第二液压缸22进液；

步骤四、待第二气缸12的活塞杆运动至适当位置后，重复步骤二和步骤三,从而实现将井口天然气的压力能转换成源源不断的液压能，以实现利用。