井下氣體壓縮技術研究現狀及影響因素

王凌寒 車 強

1. 中國石化石油機械股份有限公司研究院, 湖北 武漢 430205;2. 中國石化石油機械裝備重點實驗室, 湖北 武漢 430205

0 前言

石油天然氣能源行業,對于油井開采,通常利用氣舉采油、潛油電泵、螺桿泵和注水等人工舉升技術來增加采收率。對于天然氣井的開采,一般采用地面增壓技術提高氣井產能和采收率。地面增壓技術要求壓縮機組必須靠近氣井井口,由于受到沿油管抽吸能力的壓力損失,氣井可能需要提前宣布廢棄,在儲層中留下至少30%～40%的原始天然氣。對于海上氣井來說,特別是深海氣井,壓縮機性能要求較高,同時安裝運行、設備維護等方面的投資成本較大。天然氣開采行業已認識到,通過將壓縮機置于氣井井筒內靠近氣藏的位置進行增壓,可使經濟效益超過常規地面增壓獲得的經濟效益[1-4]。隨著人工舉升技術的不斷發展,井下氣體壓縮技術成為天然氣最新的增壓技術之一。英國原Coarc Group公司(現TP Group公司)和美國Calnetix公司是最早開展井下氣體壓縮技術研發和測試公司,經過理論研究、概念設計、技術驗證、樣機試制及室內試驗、現場試驗,目前處于現場試驗及推廣應用階段。井下氣體壓縮技術的研究難點主要是井下電力傳輸技術、電機技術、軸承設計技術、控制技術等,目前國內尚無研發機構涉及此類技術。本文針對國外井下氣體壓縮技術研究現狀進行闡述和分析,得出井下氣體壓縮裝置的設計要點,并對該技術使用效率的影響因素進行分析,以期同行在井下氣體壓縮機研制及工藝研究中有所借鑒。

1 井下氣體壓縮關鍵技術研究

井下氣體壓縮技術是一種新型的人工舉升技術,該技術有望成為提高天然氣井產量和回收率的驅動力。

1.1 研究現狀

英國原Coarc Group公司(現TP Group公司)是最早開展井下氣體壓縮技術研發和測試的公司之一,2009年起與Eni公司、ConocoPhillips公司及Repsol YPF公司成立聯合工業計劃(JIP),進行井下氣體壓縮技術(Downhole Gas Compression,簡稱DGC)的開發,并完成了理論研究、技術驗證、樣機試制及室內試驗、現場試驗等階段,室內試驗見圖1。在2014年-2015年間原Coarc Group公司由于業務重組及低油價和上游市場的壓力,決定暫停井下氣體壓縮技術的研發推廣業務,在市場條件變化的情況下也可能重新啟動這項業務[5-6]。美國Calnetix公司自2011年起開始井下氣體壓縮技術的可行性研究,經過概念設計、技術驗證、室內試驗等階段,于2016年成立Upwing公司,專注于井下氣體壓縮技術(Subsurface Compressor System,簡稱SCS)的研發和試驗推廣,見圖2。Upwing公司與Equinor公司、Cooper公司合作進行井下氣體壓縮技術的開發,目前處于現場試驗及推廣應用階段[7-8]。圖3～4分別為原Coarc Group公司、Upwing公司的井下氣體壓縮裝置。

圖1 原Coarc Group公司室內試驗照片Fig.1 Photo of Laboratory test of Coarc Group

圖2 Upwing公司現場試驗照片Fig.2 Photo of Field test of Upwing Group

圖3 Coarc Group公司的DGC裝置圖Fig.3 DGC device of Coarc Group

圖4 Upwing公司的SCS裝置圖Fig.4 SCS device of Upwing Group

1.2 工作原理

當氣藏儲層壓力下降到不足以克服油管摩損時,氣井產量下降,通常采用地面增壓技術提高產量。然而,傳統地面壓縮系統具有局限性,當生產管道中的壓力損失太大時,天然氣產量下降甚至停止。針對儲層氣藏下降和油管摩損兩項因素,井下氣體壓縮技術為提高氣井產量或最終復產提供了一個很好的解決方案。井下壓縮機通過壓縮管道內的氣體,增加了管道內氣體密度,并降低氣體流速以獲得相同的氣體質量流量,減少了油管內摩擦損失,提高了油管輸送能力。因此,井下壓縮能夠提供比使用常規地面壓縮更高的生產率[9-10]。

靠近儲層的井下壓縮更有效地降低氣田廢棄壓力,提高最終采收率。井下壓縮機盡可能靠近儲層位置,從底部吸入氣體降低井底流動壓力，從而提高天然氣從儲層到井底的流動速度,加速天然氣開采。井下壓縮通過降低井底流動壓力,降低儲層廢棄壓力,從而最大限度地提高氣井儲層的可采量。

1.3 國外井下氣體壓縮裝置結構分析

1.3.1 原Coarc Group公司的DGC裝置

DGC裝置包含多個串聯組裝的壓縮模塊,每個模塊由永磁電機直接驅動高速壓縮機,永磁電機由氣體軸承系統支撐,并由專門為井下環境設計的單個高頻固態逆變器供電[11]。圖5為一個壓縮模塊中的內部視圖,其中路線指示為天然氣流動路徑。

圖5 原Coarc Group公司的DGC裝置壓縮模塊結構及內部氣體流程圖Fig.5 Compression module structure and internal gas flow chart of DGC device of Coarc Group

其設計要點如下:

1)由于高流速和中等壓力比的作業需求及外形尺寸的要求,壓縮模塊選擇離心式或軸流式壓縮機。壓縮機系統包括2～6個獨立的壓縮模塊單元,單個壓縮模塊,串聯布置并安裝在標準的生產油管內。單個壓縮模塊見圖6。

2)為了克服高轉速問題,壓縮模塊由單軸高速永磁電機驅動,電機轉速為45 000～60 000 r/min,無齒輪箱、聯軸器和密封件等[12]。

3)由于井下環境的高轉速需求,遠遠超出傳統油潤滑軸承的能力,支承軸承設計為不需要潤滑油的氣體軸承。氣體軸承確保在操作過程中沒有磨損表面,并消除了齒輪箱、軸封和聯軸器的需求[13]。

圖6 DGC裝置中單個壓縮模塊圖Fig.6 Single compression module of DGC device

4)無液體冷卻回路,取而代之的是電機通過井筒內氣流冷卻,所以壓縮機的性能將取決于氣體溫度。根據現場試驗結果,該裝置可在最高105℃的氣體入口溫度下運行。

5)為了減少傳輸損耗,井下傳輸為直流電流。電力輸送系統分兩個主要部分：一是井下電子模塊,位于壓縮機的上游(井下)；二是地面進給,位于井口合理距離內的控制室中。這兩個部分通過承載電力和控制信號的電纜相互連接。

現場試驗表明,DGC裝置可用于直徑為5.5″(1″=25.4 mm)及以上的油管內,該裝置可在較高液氣比(大于27%質量)的氣井內操作,氣體入口溫度最高可達105℃。

1.3.2 Upwing公司的SCS裝置

SCS裝置主要由,壓縮單元、軸承單元和電機單元[14-15]三個模塊組成。采用高速永磁電機驅動多級軸流式壓縮機,永磁電機轉子及壓縮機轉子由磁力軸承支撐。在壓縮機出口底部安裝有循環隔離裝置,與油管內徑相嚙合,防止壓縮后的氣體回流至壓縮機入口。系統控制器使用來自井下壓縮機元件和其他外部傳感器的信息自主采取適當操作。Upwing公司的SCS裝置壓縮模塊結構見圖7。

其設計要點如下:

1)采用高速永磁電機作為驅動機,電機布置在井下壓縮機底部,可被流體對流冷卻。

2)采用磁力軸承技術。軸承單元包括主動磁力止推軸承和被動磁力徑向軸承,以支撐壓縮單元的負載。與傳統機械軸承相比,使用磁力軸承最重要的優點是其高可靠性和高速旋轉裝置的效率[16]。由于磁軸承的轉子和定子之間無物理接觸,不會因接觸面上有異物和摩擦而導致故障,并消除了潤滑和密封,最大限度地提高了井下壓縮機使用壽命。

3)由于井下壓縮機在多相流動條件下運行,包括氣體、液體和固體雜質等,壓縮機選擇多相軸流式壓縮機,其主要優點是流動路徑相對較直,方向變化不大,較重的相(包括液相和固相)將跟隨氣相流動,因此,軸流式壓縮機的攜液能力更好[17]。

4)通過鋼絲繩回收。電氣部件、電線、連接器等永久完井在井筒中,井下壓縮機位于可回收管柱中,在必要條件下可通過鋼絲繩回收。

圖7 Upwing公司的SCS裝置壓縮模塊結構圖Fig.7 SCS compression module structure diagram of Upwing Group

通過分析對比,原Coarc Group公司和Upwing公司的井下氣體壓縮裝置均使用永磁電機作為驅動,定子和轉子之間分別采用氣體軸承和磁力軸承,消除了物理接觸,進而消除了潤滑系統及摩擦引起的故障,提高了井下壓縮機的可靠性和使用壽命。Upwing公司的SCS裝置可通過地面的磁力軸承控制器,確保對軸向推力載荷和軸向轉子位置進行實時閉環控制。

1.4 井下壓縮關鍵技術

井下條件比地面條件惡劣且不可控,對于井下設備要求較高的可靠性。通過分析原Coarc Group公司和Upwing公司的井下氣體壓縮裝置結構及設計要點,總結井下氣體壓縮裝置關鍵技術如下:

1)壓縮模塊的選型與設計。井下氣體壓縮模塊工作環境為井下2～3 km的油管內,溫度可超過100℃,壓縮機外形尺寸與管道內徑尺寸相當。

2)驅動電機。為了實現高流量,壓縮機在油管內的轉速通常可達60 000 r/min,需要設計高速永磁電機來驅動壓縮模塊。

3)軸承技術及潤滑系統。由于氣體流動性、夾帶污染物、密封表面溫度和摩擦速度會導致常規潤滑系統性能的降低,常規軸承和傳統潤滑系統不能在井下環境工作。原Coarc Group公司和Upwing公司分別采用氣體軸承和磁力軸承,消除了物理接觸,進而消除了潤滑系統及摩擦引起的故障,提高了井下壓縮機的可靠性和使用壽命。

4)系統控制技術。井下工具必須采用系統級控制方案,實時處理各種不利情況,系統級控制方案需要將所有反饋信息連接在一起,以實現系統的最佳性能。

5)可回收技術。由于井下環境的不可控性,一旦井下壓縮機出現故障或異常情況,需要將其回收。

2 井下氣體壓縮技術應用影響因素

使用井下氣體壓縮技術的氣井生產動態與很多因素有關,見圖8。科廷大學的Md Mofazzal Hossain等人利用推導出的分析模型,研究影響使用井下氣體壓縮技術的氣井流入和流出的性能參數,并對影響因素進行分析,確定影響井下壓縮性能的敏感因素。研究中考慮的因素主要有:儲層參數、完井參數、壓縮比、氣液比等[18-20]。

圖8 井下氣體壓縮機技術使用效率的影響因素示意圖Fig.8 Schematic diagram of influencing factors of downhole compressor technical efficiency

涉及的儲層參數包括儲層壓力、儲層滲透率和儲層厚度。儲層壓力:較高的儲層壓力可提供較高的井底流動能力,使用井下氣體壓縮技術時在降低壓力損失方面更有效,且提供了更高的生產增益。即使氣藏開始枯竭,使用井下氣體壓縮技術時仍保持生產增益20%左右。儲層滲透率:在較高滲透率的儲層使用井下氣體壓縮技術可使生產速率顯著增加。較高的滲透率提供更好的流入能力,可獲得更高的氣體流量。儲層厚度:儲層厚度增加,儲層接觸面積增加,流動速率顯著增加,從而提供更高的氣體產能。與薄層和低滲氣藏相比,井下氣體壓縮技術為厚層和高滲透氣藏提高了生產率。

涉及的完井參數主要是井下壓縮裝置的位置深度。井下壓縮機的位置越深,可達到井底流動壓力越低,產量增益越高。當靠近射孔位置時,氣體壓縮后立即離開井底,節省了流入壓力,并消除了油管的摩擦壓力損失。可實現最大增益。但在大多數情況下,較深的安裝深度意味著較高的偏差或嚴重狗腿度,并限制井下壓縮裝置的外徑尺寸。

壓縮機主要用于處理氣體,必須對氣液比進行詳細分析。在不同的吸入條件下,氣液比會發生變化,在壓縮機入口處須確保所有液滴分散在氣體中,以獲得可靠的性能。現場試驗證明,井下氣體壓縮技術可在具有較高液氣比(大于27%)的氣井內操作。

提高壓縮比可顯著提高產能增益，然而,壓縮比與壓縮機的驅動功率有關,壓縮比越高,系統運行所需功率越高。因此,較高的壓縮比并不一定能保證較高的生產率增益,因此要保持最佳的操作條件才能具有一定的經濟效益。

根據井下氣體壓縮技術應用效率影響因素分析,得出以下結論:

1)最適用井下氣體壓縮技術的氣井是深層耗盡的氣井,且具有一定的儲層產能。

2)井下壓縮機位置深度可能影響其整體性能。一般來說,對于給定的壓縮比,位置在深層或靠近射孔位置可提供較高的生產增益。最佳布置方案應該結合生產率、操作需求、其他完井約束和壓縮比來考慮。

3)壓縮比、氣液比等因素對壓縮機井下應用的預評估至關重要。必須對這些參數進行優化,以最大限度地減少功率需求,提高產量。

3 結論

1)井下氣體壓縮技術是天然氣井人工舉升技術的一種可行形式。它可以通過壓縮井內低壓氣體來提高氣井回收率,可提供約30%～50%的生產增益,特別是針對海洋油氣田經濟效益明顯。井下氣體壓縮技術可用于氣井生產的各個階段,以克服儲層壓力的下降和降低氣井廢棄壓力,延長氣井使用壽命,取得最大的經濟效益。

2)井下氣體壓縮技術的難點包括高速驅動電機技術、軸承技術、壓縮機設計技術、系統控制技術等。

3)井下壓縮機的應用性能影響因素主要有儲層產能(滲透率、厚度)、儲層壓力、位置深度、壓縮比、氣液比等,這些因素對井下氣體壓縮技術的選擇和優化作業參數起著關鍵性作用,應用時需要綜合考慮。

4)井下氣體壓縮技術通過理論研究、技術驗證、樣機試制及試驗、工業試驗等階段,目前仍處于發展階段。不斷增長的天然氣需求促使盡可能提高天然氣井產能,該技術的商業化應用階段預計在不久的將來。井下氣體壓縮技術將為天然氣工業提供更多的產量,為未來的天然氣工業帶來光明前景。