等熵壓縮機采氣工藝技術在榆林氣田應用

徐 東, 薛 崗, 王 娜

(1中石油長慶油田第二采氣廠 2西安長慶科技工程有限責任公司)

一、套管氣排水采氣技術

在天然氣氣井生產過程中，積液氣井在油套環空存在一定量壓力相對較高天然氣，如能將其通過油管釋放出，將會增強氣體攜液能力，這種利用壓力較高套管氣排出井筒積液稱作“套氣排液采氣”。根據這一理論，利用一種等熵壓縮機裝置實現這一過程[1-3]。

榆林氣田在建設期采取滾動開發方式，存在同一集氣站氣井投產時間不一致，同時受儲層滲透率、飽和度等不一致、采氣速度等因素影響，同一集氣站壓力遞減不一致，所以在同一集氣站出現高低壓井并存現象。針對目前集氣站氣井生產動態，能夠利用高壓氣井的壓力能帶動低壓氣井，實現排水采氣目的，研制一種等熵壓縮機裝置，能夠實現間歇氣井連續生產以及間歇積液氣井排液[4-5]。

二、等熵壓縮機原理

1. 等熵壓縮機結構原理

所研發的壓縮機如圖1所示，壓縮機由四個腔室構成，兩個高壓腔室和兩個低壓腔室，高低壓氣分別進入高低壓腔室，往復推動活塞運動，完成高壓氣對低壓氣做功，低壓氣在壓縮、膨脹過程中，實現了低壓氣井外輸進入系統，同時低壓氣井油壓降低，隨著壓縮機往復運動，根據連通器原理，當油壓降到一定程度，引起套管氣中的液體全部進入油管，套管氣就能夠通過油管鞋，瞬間在該處爆發，從而達到舉升油管積液目的。

圖1 等熵壓縮機示意圖

根據該機原理，高壓氣井壓力能轉換為低壓氣井壓力能過程中，沒有外界能量介入，此時忽略氣缸摩擦及氣體流動阻力引起的能量損失，認為該過程接近熵過程，故該壓縮機實現等熵運動過程。所以等熵壓縮機采用高壓氣引射低壓氣的過程可視作絕熱過程，而等熵過程將代表其最佳的工況，相當于高壓氣的壓力能近乎全部轉化為低壓氣的壓力能，過程中忽略因熱量和摩擦造成的壓力能損失。所以得到等熵壓縮機運行原理，見式(1)。

p1s1+p2(s1-s2)=p3s1+p3(s1-s2)

(1)

式中：p1—高壓氣壓力,MPa;p2—低壓氣壓力,MPa;p3—管網壓力,MPa;s1—活塞面積,m2;s2—連桿橫截面積,m2。

2. 等熵壓縮機運行工藝

高壓氣經電磁閥進入腔1，低壓氣經電磁閥進入腔3，在高壓氣及低壓氣共同推動下，活塞向右運動將腔2氣體壓入管網。 此時腔2內為上周期的低壓氣，腔1內為上周期的高壓氣。此時因兩腔均與外管網系統相通，兩腔內的壓力均為系統壓力。 當活塞向右運動至端點時，四個電磁閥同時旋轉切換進氣方位。高壓氣進入腔4，低壓氣進入腔2，活塞向左運動，將腔3內氣體壓入管網，如此反復循環。

3. 等熵壓縮機理論計算

3.1 高低壓氣井氣量計算

試驗設備參數內腔直徑D=200 mm，活塞行程L=1 000 mm，連桿直徑d=60 mm，根據不同泵沖程分別列出高低壓氣井進氣量計算,見式(2)，式(3)：

高壓氣源氣量：q1=14400s1p1nl

(2)

低壓氣源氣量：q2=14400(s1-s2)p2nl

(3)

(4)

(5)

式中：p1—高壓氣井壓力,MPa;p2—低壓氣井壓力,MPa;n—泵沖。

根據高低氣井進氣量計算公式計算出不同壓力及沖程下高低壓氣源氣量,結果見表1。

表1 不同壓力及泵沖下高低壓氣源氣量統計表

3.2 被引射低壓氣井壓力計算

根據式(1)，結合目前高壓氣井生產動態，管網外輸壓力，計算出高壓氣源不同壓力、不同外輸壓力下所得到低壓氣井在工作時引射壓力，見表2。

表2 低壓積液氣井引射壓力計算表

4. 等熵壓縮機技術特點

通過試驗調試運行，該裝置具有適應性強，節能等特點。根據設備結構該裝置由兩個氣缸構成，高壓井與系統管網壓力具有一定壓差就能實現往復工作，與同類工藝采用的噴射引流裝置對比，噴射引流裝置需較大的壓差才能實現高壓井引入低壓井工作，所以該裝置具有適應范圍更寬，工況適應性更強，更高的壓力能利用率的特點。其次該裝置利用集氣站內高壓氣帶動低壓氣井，通過雙氣缸，活塞通過往復運動實現高壓氣井帶動氣井無需外界能量介入，所以該裝置節能效果較為明顯。

三、試驗效果及分析

1. 試驗氣井生產情況

在榆林氣田南區榆Z站選取Y1井作為高產井，Y2井作為低產氣井。所選取的試驗氣井生產參數如表3。

表3 試驗氣井生產情況

根據所選取氣井生產情況，低壓氣井Y2井為產液氣井，日產液量0.15 m3，油管中有一定量積液，根據Y2井生產參數，預估油管積液液柱高度在250 m。所選擇集氣站外輸壓力為5.0 MPa[6-8]。

2. 現場工藝改造

在集氣站加熱爐與節流總機關之間安裝，利用原有噴射引流裝置部分工藝管線與等熵壓縮機撬采取法蘭連接(圖2)。

3. 試驗效果

如圖3試驗過程高壓井壓力7.62 MPa，氣量為2.5×104m3/d，低壓井井口套壓為7.60 MPa，油壓為5.10 MPa，試驗過程低壓井油壓降至2.5 MPa，低壓井在試驗前(0.3～0.4)×104m3/d，試驗結束后低壓氣源井氣量達到 0.8×104m3/d，增產氣量0.4×104m3/d，由生產曲線圖3可以看出，套壓達到低點有2次，油壓在下降一定程度達到高點有2次，最終油套壓近乎持平，說明井筒積液排出，達到預期試驗效果。

圖2 改造示意圖

圖3 Y2氣井采取等熵壓縮機工藝生產曲線圖

4. 試驗效果分析

從表4試驗記錄數據看出，被引射氣井壓力降至2.5 MPa后，壓力緩慢上升，說明套管氣進入油管后，油管壓力上升。與理論計算值對比，試驗氣井壓力與理論值近乎一致。說明高壓氣井壓力能轉換為低壓氣井壓力能。

表4 試驗參數記錄

4.1 等熵壓縮機排液效果分析

試驗過程中，試驗選取高壓氣井、低壓氣井全部進入1#計量分離器，該計量器液位計設置380 mm高度開始排液。選取高壓氣井Y1為該氣田一類氣井，日均產液量較小，在試驗過程中產液忽略不計。所以1#計量分離器所產生的液量均來自Y2井。試驗過程記錄數據見表5，可以看出，有三次明顯排液過程。說明通過該試驗將Y2氣井井筒積液帶出。

(1)分離器液量計算。根據分離器結構分別得出封頭體積和筒體體積計算公式(6)、式(7)，最后根據分離器規格及排液液位計算出分離在試驗過程排液量。

封頭體積計算:

(6)

筒體體積計算:

(7)

試驗所選取1#計量分離器a=500 mm，根據表5分別取排液時h值，由式(6)和式(7)計算出三次排液量為1.53 m3。

表5 試驗階段分離器液位參數記錄

(2)排液量分析。該氣田產液液體密度在0.9～1.15/cm3，為方便研究近似取1.0 g/cm3，由試驗初期油套壓差，近似得出油套高度差在250 m。試驗過程該井壓力降低至2.5 MPa，相當于油管液位高度增加了約250 m。按照初始試驗油套壓差估算油管液位在250 m左右，再由所選低壓氣井Y2井油管內徑尺寸為60 mm，分離器排出液量1.53 m3，得出液位高度為507 m，而由油套管壓力計算出油管總液柱高度約500 m。由此可以看出油管中積液幾乎全部排出[9-10]。

4.2 節能分析

等熵壓縮機利用高壓氣井壓力能轉換低壓氣井壓力能，此過程沒有外界能量介入，實現了低壓氣井增壓進入管網。按照往復式壓縮機功率計算公式(8)，可以等價計算等熵壓縮機增壓同等氣量所需功率。

(8)

利用hysys軟件求得功率?？梢钥闯霭凑胀鶑褪綁嚎s機功率計算公式所求的值與軟件求的值近似。

按照工業生產時間330 d計，壓縮機全年功率9.1×24×330=72 072 kW，按照工業用電0.62元/度，72 072×0.62=44 684.64元?？梢钥闯隼迷撗b置僅電費節省約4.5萬元。

四、認識結論

(1)通過現場應用，根據試驗氣井排液詳細分析，試驗選取的積液氣井排出井筒積液1.53 m3，增強了氣井產能發揮，氣井由試驗前4 000 m3/d,增加至8 000 m3/d,日增產氣量4 000 m3。

(2)等熵壓縮機采氣工藝具有一定推廣價值，試驗取得了顯著效果。對于氣田開發后期，由于壓力下降引起積液嚴重氣井，同時站內存在高壓源氣井的集氣站具有良好的應用前景。

(3)等熵壓縮機采氣工藝運行時無需外部動力，通過電磁閥控制高低壓流程切換可實現低壓井增壓和外輸，具有操作簡單、管理方便、節能降耗等優點。通過簡單模擬，等熵壓縮機1年就節約電費4.5萬元。