兩級同步回轉(zhuǎn)壓縮機排水采氣技術(shù)應(yīng)用研究

劉鵬超，賀宇暉，王志剛

1.江蘇豐泰流體機械科技有限公司，江蘇鹽城 224100

2.中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，陜西靖邊 718500

3.中國石油長慶油田分公司第六采氣廠，陜西定邊 718600

致密性氣田氣井生產(chǎn)中常伴隨著液體的產(chǎn)出，隨著地層能量的衰減，導(dǎo)致氣井流量下降，流量降至無法有效攜帶出液體時，液體會在井筒中聚積，此種現(xiàn)象為氣井積液。如不采取有效措施排出積液，井底產(chǎn)出的液體會繼續(xù)累積，導(dǎo)致氣井產(chǎn)量進一步下降，生產(chǎn)時間縮短，甚至停產(chǎn)。目前，蘇里格氣田總井?dāng)?shù)約12 000口，隨著氣田氣井生產(chǎn)時間的延長，積液井逐年增多，產(chǎn)氣量小于0.5萬m3/d氣井占64.9%，該類氣井以每年800口的速度逐年增加，給氣田穩(wěn)產(chǎn)帶來巨大挑戰(zhàn)。

積液井普遍存在以下兩個問題：第一，井筒積液排出困難、復(fù)產(chǎn)難度大；第二，井筒積液排出后頻繁再積液，穩(wěn)產(chǎn)難度大。目前已經(jīng)應(yīng)用的泡沫排水、速度管柱、柱塞氣舉等排水采氣工藝，當(dāng)氣井產(chǎn)量低于0.3萬m3/d后，排水采氣效果明顯下降，實施效果差，無法有效穩(wěn)產(chǎn)。排水采氣工藝中，以增大氣井生產(chǎn)壓差的方式最為有效，但氣井產(chǎn)出的天然氣中含水，不同氣井水的含量不同，氣井生產(chǎn)過程中瞬時含水量不同，氣井壓力隨著生產(chǎn)系統(tǒng)的壓力變化，傳統(tǒng)往復(fù)及螺桿壓縮機無法適應(yīng)。因此，對增壓設(shè)備的工況適應(yīng)性、可靠性提出了更高的要求。

1 同步回轉(zhuǎn)壓縮機裝置設(shè)計

1.1 裝置原理

2003年首次提出同步回轉(zhuǎn)壓縮機，其基本結(jié)構(gòu)及原理見圖1[1]。

圖1 同步回轉(zhuǎn)壓縮機基本結(jié)構(gòu)及工作過程示意

壓縮機整體為圓柱體結(jié)構(gòu)，主要由轉(zhuǎn)子、氣缸、滑板構(gòu)成。轉(zhuǎn)子與氣缸偏心安裝，始終相切，二者通過滑板相連接，滑板一端圓頭與氣缸連接，另一端嵌入轉(zhuǎn)子開設(shè)的滑槽中。轉(zhuǎn)子與氣缸之間的月牙形工作腔，通過滑板分割，形成周期性變化的容積。運轉(zhuǎn)過程中，主軸驅(qū)動轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子通過滑板帶動氣缸，形成了轉(zhuǎn)子與氣缸“同步回轉(zhuǎn)”的運動形式。在氣缸處開設(shè)吸入孔口，實現(xiàn)一轉(zhuǎn)持續(xù)進氣；轉(zhuǎn)子處開設(shè)排出孔口，引入軸向排出通道；吸入及排出孔口隨主軸360°旋轉(zhuǎn)，形成了徑向吸入、軸向排出的布置方式。

同步回轉(zhuǎn)壓縮機具有如下特點：結(jié)構(gòu)簡單；摩擦磨損小；運轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠，振動與噪聲較?。还ぷ髑粌?nèi)無高壓封閉容積，氣液混輸，理論上適合于從純液相到純氣相多相流體的增壓輸送；抗泥沙能力強等[1-3]。

1.2 壓縮機裝置設(shè)計

根據(jù)氣井基礎(chǔ)資料，要求氣舉壓縮機最大排氣壓力≥11MPa；氣井冬季生產(chǎn)管網(wǎng)壓力約為1.3MPa，夏季約為3.0 MPa，根據(jù)氣井臨界攜液流量計算得出[4-5]，在井口壓力1.3MPa的情況下，氣舉壓縮機排氣量≥12000m3/d；具體設(shè)計參數(shù)及功能見表1。

表1 同步回轉(zhuǎn)壓縮機裝置設(shè)計參數(shù)

壓縮機裝置氣相增壓流程采取兩級壓縮設(shè)計，具有“一進兩出”流程，見圖2。

圖2 同步回轉(zhuǎn)壓縮機裝置結(jié)構(gòu)示意

主機為同步回轉(zhuǎn)壓縮機，單級無固定壓縮比，進排氣壓力自平衡；井口含水天然氣經(jīng)進氣過濾器及進氣緩沖管道進入主機，部分天然氣經(jīng)兩級壓縮后增壓回注油套環(huán)空，其余氣液外輸至生產(chǎn)管網(wǎng)；裝置設(shè)置潤滑油儲罐，以進、排氣壓差作為循環(huán)動力，建立主機工作腔內(nèi)潤滑油循環(huán)流程，潤滑油回注至主機工作腔，起到“潤滑、密封、冷卻”的作用。

2 同步回轉(zhuǎn)壓縮機連續(xù)氣舉工藝

2.1 工藝現(xiàn)場布置

同步回轉(zhuǎn)壓縮機裝置連續(xù)氣舉工藝見圖3，該工藝將同步回轉(zhuǎn)排水采氣裝置安裝在氣井井口，具有“一進兩出”流程功能，利用井場天然氣實施氣井連續(xù)氣舉工藝。裝置進口接至氣井油管，天然氣經(jīng)裝置簡單分離后，部分濕氣經(jīng)兩級增壓回注至油套環(huán)空，其余氣液全部外輸至管網(wǎng)。

圖3 同步回轉(zhuǎn)壓縮機裝置連續(xù)氣舉工藝示意

同步回轉(zhuǎn)壓縮機裝置現(xiàn)場布置見圖4，裝置采取集裝箱設(shè)計，采用天然氣發(fā)電機供電，通過變頻控制柜進行人工操作、自動控制及數(shù)據(jù)采集，與井場通訊系統(tǒng)相連接，實現(xiàn)數(shù)字化管理。

圖4 同步回轉(zhuǎn)壓縮機裝置現(xiàn)場布置

2.2 工藝特點

（1）裝置主機同步回轉(zhuǎn)壓縮機具有氣液混輸、無固定壓縮比的特點，可利用井場濕氣直接實施連續(xù)氣舉工藝。

（2）裝置磨損小，振動小，易于密封。

（3）不受氣源影響，具有連貫性，可實施連續(xù)氣舉，也可實施間斷氣舉。

（4）裝置直接安裝至井口，無井下作業(yè)。

（5）無嚴(yán)格的氣液分離要求，無二次污染。

3 工藝機理分析

同步回轉(zhuǎn)壓縮機裝置連續(xù)氣舉工藝實施過程中通常分為兩個階段，即啟動排液階段和連續(xù)穩(wěn)產(chǎn)階段。

3.1 啟動排液階段機理

啟動排液階段針對井筒積液，裝置滿負(fù)荷運行。如圖5所示，工藝實施中，連續(xù)向套管注入高壓氣體，增大套壓P1、套壓P1與油壓P2的壓差，打破井筒液位平衡，至套管液位降至油管鞋底處，失去液封作用，高壓套管氣進入油管，迅速降低井筒流體混合物密度，井筒流體流態(tài)由泡狀流過渡為段塞流，高壓氣體膨脹繼續(xù)推動液體向上流動，大量氣體將液體以段塞流的形式舉升至地面。對于水平井，回注氣體作用于水平段油管篩管處與井底氣結(jié)合，驅(qū)使其向垂直段流動[6]。

圖5 工藝機理示意

3.2 連續(xù)穩(wěn)產(chǎn)階段機理分析

連續(xù)穩(wěn)產(chǎn)階段針對近井地帶積液，裝置通過調(diào)整裝置運行頻率以適應(yīng)井的不同工況。如圖5（c）所示，井筒積液排出后，氣井生產(chǎn)得到改善，短時間內(nèi)產(chǎn)量增加，近井地帶的積液開始流向井底并進入井筒，通過連續(xù)氣舉工藝持續(xù)實施，回注氣與井底氣結(jié)合，氣井生產(chǎn)始終在臨界攜液流量以上，油管內(nèi)流體流態(tài)過渡為霧狀流，可將近井地帶的積液通過井筒排出，持續(xù)改善氣井生產(chǎn)狀況。

3.3 工藝中IPR曲線及TPR曲線變化分析

分析方法為氣井生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)點分析，取井底為節(jié)點，流入節(jié)點部分包括流體從地層外邊界至井底，流出節(jié)點部分包括流體從井底至井口。流入部分和流出部分分別對應(yīng)流入動態(tài)曲線（IPR曲線）及流出動態(tài)曲線（油管動態(tài)曲線，簡稱TPR曲線）[7-9]。

3.3.1 IPR曲線

根據(jù)擬穩(wěn)定狀態(tài)流動的氣井產(chǎn)能公式（二項式）：

式中：Pr為平均地層壓力，MPa；Pwf為井底流壓，MPa；qsc為氣井產(chǎn)量，萬m3/d；A為層流系數(shù)；B為紊流系數(shù)。

方程右邊第一項表示黏滯性引起的壓力損失，第二項表示慣性引起的壓力損失?？傻贸鼍琢鲏篜wf與產(chǎn)量qsc的關(guān)系，假設(shè)一系列qsc值，即可計算出Pwf，繪制的曲線為IPR曲線。

3.3.2 TPR曲線

TPR曲線基于氣水兩相流垂直管流計算經(jīng)驗公式，忽略高產(chǎn)氣井動能的影響。流體從井底流動至井口產(chǎn)生的壓降為：

式中：ΔP為流體從井底流至井口的總壓降，MPa；Pwh為井口油壓，MPa；Pliq為井筒內(nèi)靜液柱產(chǎn)生的壓力，MPa；ΔPf為流體流經(jīng)井筒的摩阻，MPa。其中，v為流體流速。

3.3.3 積液井曲線

現(xiàn)以積液井為例分析，將IPR曲線與TPR曲線繪制在同一坐標(biāo)軸上，如圖6所示。

圖6 積液井IPR曲線與TPR曲線比較

積液井的TPR曲線呈U型，具有極小值。IPR曲線與TPR曲線的交點為該井的生產(chǎn)協(xié)調(diào)點，圖中可以看出有兩個交點，該井生產(chǎn)區(qū)為TPR曲線極小值左側(cè)與IPR曲線的交點，即產(chǎn)量較低的交點（積液井產(chǎn)量較低），該點為不穩(wěn)定生產(chǎn)區(qū)，氣井長時間處于不穩(wěn)定生產(chǎn)狀態(tài)下，最終將導(dǎo)致氣井報廢[8]。

3.3.4 工藝中曲線變化分析

如圖7所示，實線為積液井曲線，虛線為工藝實施中曲線。井筒積液排出后，此時井筒靜液柱產(chǎn)生的壓力Pliq很小，流體從井底流至井口的總壓降ΔP主要為流體流經(jīng)井筒的摩阻ΔPf。TPR曲線變化如圖中虛線所示，基本呈“一字向上”形；由于工藝的持續(xù)作用，近井地帶積液的排出降低了式（1） 中的系數(shù)A和B，即相同井底流壓情況下氣井產(chǎn)量更高，IPR曲線向坐標(biāo)軸右側(cè)偏移；IPR曲線與TPR曲線的交點為該井的生產(chǎn)協(xié)調(diào)點，對應(yīng)的氣井產(chǎn)量qsc2明顯大于采用此工藝前的氣井產(chǎn)量qsc1。

圖7 工藝實施中曲線變化示意

3.3.5 抽吸工藝實施中曲線變化分析

井筒排出積液后，繼續(xù)實施抽吸工藝，將氣井油壓始終降低至某值（P1＞P2＞P3），TPR曲線下移，氣井產(chǎn)量繼續(xù)增加，曲線變化如圖8所示。

4 應(yīng)用效果分析及評價

為應(yīng)用同步回轉(zhuǎn)連續(xù)氣舉工藝，于2017年3月先后在蘇里格氣田投產(chǎn)17套裝置，在17口井上實施，其中水平井15口，直井2口，實施效果見表2；工程期間，裝置累計運行22 732 h，累計增產(chǎn)氣量1 485.49萬m3。工藝實施前，單井平均產(chǎn)量為0.36萬m3/d，工藝實施過程中，單井平均產(chǎn)量為1.73萬m3/d，單井平均增產(chǎn)1.37萬m3/d。氣液兩相計量180 d，累計排液268.77 m3。

圖8 持續(xù)抽吸工藝實施中曲線變化示意

4.1 典型井生產(chǎn)曲線分析

選取10、11、12、13號井作為典型井分析，10、13號井屬于蘇里格氣田蘇東41-33區(qū)塊，11、12號井屬于蘇36-11區(qū)塊；4口井均為低產(chǎn)積液井，間歇生產(chǎn)、泡排等措施無法解決氣井積液問題。工藝中，裝置從油管抽吸天然氣，連續(xù)向套管回注高壓氣體，24 h實施連續(xù)氣舉工藝。

表2 同步回轉(zhuǎn)壓縮機排水采氣工藝氣井實施效果

以10號井生產(chǎn)曲線（如圖9所示）為例可以得出以下規(guī)律：第一，氣井產(chǎn)量在開機條件下明顯高于停機；第二，停機后出現(xiàn)套壓上升、產(chǎn)量下降的氣井典型積液現(xiàn)象；第三，首次開機及停機后開機，均出現(xiàn)套壓先上升后下降的過程，表明實施啟動排液階段；第四，氣井開機條件下，產(chǎn)量及油、套壓出現(xiàn)波動，表明氣井間歇產(chǎn)液，工藝啟動排液階段以高頻率、短時間反復(fù)進行；第五，開機期間，套壓整體低于停機期間套壓，表明氣井積液被有效排出。

4.2 工藝評價

4.2.1 增產(chǎn)效果評價

該工藝?yán)塾嬙?7口井上實施，其中增產(chǎn)氣量大于1.0萬m3/d的井?dāng)?shù)為12口，占總井?dāng)?shù)70.6%，單井平均增產(chǎn)1.36萬m3/d，取得了理想的增產(chǎn)效果；裝置有效運行時率達到95.9%，平穩(wěn)可靠。

4.2.2 適用性評價

結(jié)合現(xiàn)場運行經(jīng)驗分析，該工藝適用于套壓＜12 MPa、產(chǎn)液量≤30 m3/d、由于積液造成的具有一定自噴能力的Ⅰ、Ⅱ類間歇生產(chǎn)井和頻繁水淹井；氣井當(dāng)前產(chǎn)能越高工藝實施效果越好[7]。

圖9 10號井工藝生產(chǎn)曲線

4.2.3 經(jīng)濟性評價

綜合評估工藝現(xiàn)場運營成本為1 500元/d，在單井增產(chǎn)大于0.2萬m3/d的條件下，該工藝具有經(jīng)濟效益；結(jié)合目前單井平均增產(chǎn)效果，單井增產(chǎn)效益9 500元/d左右。

4.2.4 同類工藝對比評價

與壓縮機分段氣舉及氮氣氣舉工藝相比，該工藝具有以下特點：其一，排水增產(chǎn)效果明顯；其二，利用井口濕氣實施氣舉工藝，無額外氣源，成本明顯降低；其三，工藝選井不受井身結(jié)構(gòu)限制；其四，工藝靈活，可連續(xù)氣舉，也可間歇氣舉。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

（1）同步回轉(zhuǎn)壓縮機具有氣液混輸、密閉輸送等優(yōu)勢，滿足蘇里格氣田“三低”及產(chǎn)水等復(fù)雜工況對增壓設(shè)備的要求。

（2）同步回轉(zhuǎn)壓縮機連續(xù)氣舉工藝具有低成本、安全環(huán)保、平穩(wěn)可靠、排水增產(chǎn)效果明顯、直接利用井口含水天然氣、無井身結(jié)構(gòu)限制及工藝靈活等特點，符合降本增效、安全生產(chǎn)的管理思路。

（3）同步回轉(zhuǎn)壓縮機裝置作為新技術(shù)、新工藝，取得了明顯的排水增產(chǎn)效果，為蘇里格氣田中后期穩(wěn)產(chǎn)提供了有效思路，具有良好的推廣價值。

5.2 建議

（1）同步回轉(zhuǎn)壓縮機裝置應(yīng)向“高壓力、大排量”的方向繼續(xù)發(fā)展。同步回轉(zhuǎn)壓縮機裝置最大增壓能力為12 MPa，限制了選井條件（要求套壓≤12 MPa），為此可增加壓縮級數(shù)，研發(fā)更大增壓能力的裝置，拓寬工藝適用范圍；裝置僅具有氣舉的“回注增壓”流程功能，可優(yōu)化配套流程設(shè)計，增加并聯(lián)流程布置，同時研發(fā)更高轉(zhuǎn)速的主機，增大排量，使工藝具有井口“抽吸降壓”流程功能，進而增加工藝的多用性。

（2）同步回轉(zhuǎn)壓縮機裝置應(yīng)高度集成，優(yōu)化成橇工藝。目前裝置配套的天然氣發(fā)電機、變頻控制柜等設(shè)備獨立成橇，增加了運輸?shù)碾y度；應(yīng)優(yōu)化成橇工藝設(shè)計，將三臺橇裝整體成橇，集成至一個操作平臺，減少運輸、安裝、運行及維護成本。