等熵压缩机采气工艺技术在榆林气田应用

徐 东, 薛 岗, 王 娜

(1中石油长庆油田第二采气厂 2西安长庆科技工程有限责任公司)

一、套管气排水采气技术

在天然气气井生产过程中，积液气井在油套环空存在一定量压力相对较高天然气，如能将其通过油管释放出，将会增强气体携液能力，这种利用压力较高套管气排出井筒积液称作“套气排液采气”。根据这一理论，利用一种等熵压缩机装置实现这一过程[1-3]。

榆林气田在建设期采取滚动开发方式，存在同一集气站气井投产时间不一致，同时受储层渗透率、饱和度等不一致、采气速度等因素影响，同一集气站压力递减不一致，所以在同一集气站出现高低压井并存现象。针对目前集气站气井生产动态，能够利用高压气井的压力能带动低压气井，实现排水采气目的，研制一种等熵压缩机装置，能够实现间歇气井连续生产以及间歇积液气井排液[4-5]。

二、等熵压缩机原理

1. 等熵压缩机结构原理

所研发的压缩机如图1所示，压缩机由四个腔室构成，两个高压腔室和两个低压腔室，高低压气分别进入高低压腔室，往复推动活塞运动，完成高压气对低压气做功，低压气在压缩、膨胀过程中，实现了低压气井外输进入系统，同时低压气井油压降低，随着压缩机往复运动，根据连通器原理，当油压降到一定程度，引起套管气中的液体全部进入油管，套管气就能够通过油管鞋，瞬间在该处爆发，从而达到举升油管积液目的。

图1 等熵压缩机示意图

根据该机原理，高压气井压力能转换为低压气井压力能过程中，没有外界能量介入，此时忽略气缸摩擦及气体流动阻力引起的能量损失，认为该过程接近熵过程，故该压缩机实现等熵运动过程。所以等熵压缩机采用高压气引射低压气的过程可视作绝热过程，而等熵过程将代表其最佳的工况，相当于高压气的压力能近乎全部转化为低压气的压力能，过程中忽略因热量和摩擦造成的压力能损失。所以得到等熵压缩机运行原理，见式(1)。

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

(1)

式中：p1—高压气压力,MPa;p2—低压气压力,MPa;p3—管网压力,MPa;s1—活塞面积,m2;s2—连杆横截面积,m2。

2. 等熵压缩机运行工艺

高压气经电磁阀进入腔1，低压气经电磁阀进入腔3，在高压气及低压气共同推动下，活塞向右运动将腔2气体压入管网。 此时腔2内为上周期的低压气，腔1内为上周期的高压气。此时因两腔均与外管网系统相通，两腔内的压力均为系统压力。 当活塞向右运动至端点时，四个电磁阀同时旋转切换进气方位。高压气进入腔4，低压气进入腔2，活塞向左运动，将腔3内气体压入管网，如此反复循环。

3. 等熵压缩机理论计算

3.1 高低压气井气量计算

试验设备参数内腔直径D=200 mm，活塞行程L=1 000 mm，连杆直径d=60 mm，根据不同泵冲程分别列出高低压气井进气量计算,见式(2)，式(3)：

高压气源气量：q1=14400s1p1nl

(2)

低压气源气量：q2=14400(s1-s2)p2nl

(3)

(4)

(5)

式中：p1—高压气井压力,MPa;p2—低压气井压力,MPa;n—泵冲。

根据高低气井进气量计算公式计算出不同压力及冲程下高低压气源气量,结果见表1。

表1 不同压力及泵冲下高低压气源气量统计表

3.2 被引射低压气井压力计算

根据式(1)，结合目前高压气井生产动态，管网外输压力，计算出高压气源不同压力、不同外输压力下所得到低压气井在工作时引射压力，见表2。

表2 低压积液气井引射压力计算表

4. 等熵压缩机技术特点

通过试验调试运行，该装置具有适应性强，节能等特点。根据设备结构该装置由两个气缸构成，高压井与系统管网压力具有一定压差就能实现往复工作，与同类工艺采用的喷射引流装置对比，喷射引流装置需较大的压差才能实现高压井引入低压井工作，所以该装置具有适应范围更宽，工况适应性更强，更高的压力能利用率的特点。其次该装置利用集气站内高压气带动低压气井，通过双气缸，活塞通过往复运动实现高压气井带动气井无需外界能量介入，所以该装置节能效果较为明显。

三、试验效果及分析

1. 试验气井生产情况

在榆林气田南区榆Z站选取Y1井作为高产井，Y2井作为低产气井。所选取的试验气井生产参数如表3。

表3 试验气井生产情况

根据所选取气井生产情况，低压气井Y2井为产液气井，日产液量0.15 m3，油管中有一定量积液，根据Y2井生产参数，预估油管积液液柱高度在250 m。所选择集气站外输压力为5.0 MPa[6-8]。

2. 现场工艺改造

在集气站加热炉与节流总机关之间安装，利用原有喷射引流装置部分工艺管线与等熵压缩机撬采取法兰连接(图2)。

3. 试验效果

如图3试验过程高压井压力7.62 MPa，气量为2.5×104m3/d，低压井井口套压为7.60 MPa，油压为5.10 MPa，试验过程低压井油压降至2.5 MPa，低压井在试验前(0.3～0.4)×104m3/d，试验结束后低压气源井气量达到 0.8×104m3/d，增产气量0.4×104m3/d，由生产曲线图3可以看出，套压达到低点有2次，油压在下降一定程度达到高点有2次，最终油套压近乎持平，说明井筒积液排出，达到预期试验效果。

图2 改造示意图

图3 Y2气井采取等熵压缩机工艺生产曲线图

4. 试验效果分析

从表4试验记录数据看出，被引射气井压力降至2.5 MPa后，压力缓慢上升，说明套管气进入油管后，油管压力上升。与理论计算值对比，试验气井压力与理论值近乎一致。说明高压气井压力能转换为低压气井压力能。

表4 试验参数记录

4.1 等熵压缩机排液效果分析

试验过程中，试验选取高压气井、低压气井全部进入1#计量分离器，该计量器液位计设置380 mm高度开始排液。选取高压气井Y1为该气田一类气井，日均产液量较小，在试验过程中产液忽略不计。所以1#计量分离器所产生的液量均来自Y2井。试验过程记录数据见表5，可以看出，有三次明显排液过程。说明通过该试验将Y2气井井筒积液带出。

(1)分离器液量计算。根据分离器结构分别得出封头体积和筒体体积计算公式(6)、式(7)，最后根据分离器规格及排液液位计算出分离在试验过程排液量。

封头体积计算:

(6)

筒体体积计算:

(7)

试验所选取1#计量分离器a=500 mm，根据表5分别取排液时h值，由式(6)和式(7)计算出三次排液量为1.53 m3。

表5 试验阶段分离器液位参数记录

(2)排液量分析。该气田产液液体密度在0.9～1.15/cm3，为方便研究近似取1.0 g/cm3，由试验初期油套压差，近似得出油套高度差在250 m。试验过程该井压力降低至2.5 MPa，相当于油管液位高度增加了约250 m。按照初始试验油套压差估算油管液位在250 m左右，再由所选低压气井Y2井油管内径尺寸为60 mm，分离器排出液量1.53 m3，得出液位高度为507 m，而由油套管压力计算出油管总液柱高度约500 m。由此可以看出油管中积液几乎全部排出[9-10]。

4.2 节能分析

等熵压缩机利用高压气井压力能转换低压气井压力能，此过程没有外界能量介入，实现了低压气井增压进入管网。按照往复式压缩机功率计算公式(8)，可以等价计算等熵压缩机增压同等气量所需功率。

(8)

利用hysys软件求得功率。可以看出按照往复式压缩机功率计算公式所求的值与软件求的值近似。

按照工业生产时间330 d计，压缩机全年功率9.1×24×330=72 072 kW，按照工业用电0.62元/度，72 072×0.62=44 684.64元。可以看出利用该装置仅电费节省约4.5万元。

四、认识结论

(1)通过现场应用，根据试验气井排液详细分析，试验选取的积液气井排出井筒积液1.53 m3，增强了气井产能发挥，气井由试验前4 000 m3/d,增加至8 000 m3/d,日增产气量4 000 m3。

(2)等熵压缩机采气工艺具有一定推广价值，试验取得了显著效果。对于气田开发后期，由于压力下降引起积液严重气井，同时站内存在高压源气井的集气站具有良好的应用前景。

(3)等熵压缩机采气工艺运行时无需外部动力，通过电磁阀控制高低压流程切换可实现低压井增压和外输，具有操作简单、管理方便、节能降耗等优点。通过简单模拟，等熵压缩机1年就节约电费4.5万元。