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(zé)任公司)

一、套管氣排水采氣技術(shù)

在天然氣氣井生產(chǎn)過程中，積液氣井在油套環(huán)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(qiáng)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(jù)這一理論，利用一種等熵壓縮機(jī)裝置實現(xiàn)這一過程[1-3]。

榆林氣田在建設(shè)期采取滾動開發(fā)方式，存在同一集氣站氣井投產(chǎn)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(xiàn)高低壓井并存現(xiàn)象。針對目前集氣站氣井生產(chǎn)動態(tài)，能夠利用高壓氣井的壓力能帶動低壓氣井，實現(xiàn)排水采氣目的，研制一種等熵壓縮機(jī)裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)間歇?dú)饩B續(xù)生產(chǎn)以及間歇積液氣井排液[4-5]。

二、等熵壓縮機(jī)原理

1. 等熵壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)原理

所研發(fā)的壓縮機(jī)如圖1所示，壓縮機(jī)由四個腔室構(gòu)成，兩個高壓腔室和兩個低壓腔室，高低壓氣分別進(jìn)入高低壓腔室，往復(fù)推動活塞運(yùn)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(xiàn)了低壓氣井外輸進(jìn)入系統(tǒng)，同時低壓氣井油壓降低，隨著壓縮機(jī)往復(fù)運(yùn)動，根據(jù)連通器原理，當(dāng)油壓降到一定程度，引起套管氣中的液體全部進(jìn)入油管，套管氣就能夠通過油管鞋，瞬間在該處爆發(fā)，從而達(dá)到舉升油管積液目的。

圖1 等熵壓縮機(jī)示意圖

根據(jù)該機(jī)原理，高壓氣井壓力能轉(zhuǎn)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(rèn)為該過程接近熵過程，故該壓縮機(jī)實現(xiàn)等熵運(yùn)動過程。所以等熵壓縮機(jī)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(dāng)于高壓氣的壓力能近乎全部轉(zhuǎn)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(jī)運(yùn)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(wǎng)壓力,MPa;s1—活塞面積,m2;s2—連桿橫截面積,m2。

2. 等熵壓縮機(jī)運(yùn)行工藝

高壓氣經(jīng)電磁閥進(jìn)入腔1，低壓氣經(jīng)電磁閥進(jìn)入腔3，在高壓氣及低壓氣共同推動下，活塞向右運(yùn)動將腔2氣體壓入管網(wǎng)。 此時腔2內(nèi)為上周期的低壓氣，腔1內(nèi)為上周期的高壓氣。此時因兩腔均與外管網(wǎng)系統(tǒng)相通，兩腔內(nèi)的壓力均為系統(tǒng)壓力。 當(dāng)活塞向右運(yùn)動至端點(diǎn)時，四個電磁閥同時旋轉(zhuǎn)切換進(jìn)氣方位。高壓氣進(jìn)入腔4，低壓氣進(jìn)入腔2，活塞向左運(yùn)動，將腔3內(nèi)氣體壓入管網(wǎng)，如此反復(fù)循環(huán)。

3. 等熵壓縮機(jī)理論計算

3.1 高低壓氣井氣量計算

試驗設(shè)備參數(shù)內(nèi)腔直徑D=200 mm，活塞行程L=1 000 mm，連桿直徑d=60 mm，根據(jù)不同泵沖程分別列出高低壓氣井進(jìn)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(jù)高低氣井進(jìn)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(jié)果見表1。

表1 不同壓力及泵沖下高低壓氣源氣量統(tǒng)計表

3.2 被引射低壓氣井壓力計算

根據(jù)式(1)，結(jié)合目前高壓氣井生產(chǎn)動態(tài)，管網(wǎng)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(jī)技術(shù)特點(diǎn)

通過試驗調(diào)試運(yùn)行，該裝置具有適應(yīng)性強(qiáng)，節(jié)能等特點(diǎn)。根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)該裝置由兩個氣缸構(gòu)成，高壓井與系統(tǒng)管網(wǎng)壓力具有一定壓差就能實現(xiàn)往復(fù)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(xiàn)高壓井引入低壓井工作，所以該裝置具有適應(yīng)范圍更寬，工況適應(yīng)性更強(qiáng)，更高的壓力能利用率的特點(diǎn)。其次該裝置利用集氣站內(nèi)高壓氣帶動低壓氣井，通過雙氣缸，活塞通過往復(fù)運(yùn)動實現(xiàn)高壓氣井帶動氣井無需外界能量介入，所以該裝置節(jié)能效果較為明顯。

三、試驗效果及分析

1. 試驗氣井生產(chǎn)情況

在榆林氣田南區(qū)榆Z站選取Y1井作為高產(chǎn)井，Y2井作為低產(chǎn)氣井。所選取的試驗氣井生產(chǎn)參數(shù)如表3。

表3 試驗氣井生產(chǎn)情況

根據(jù)所選取氣井生產(chǎn)情況，低壓氣井Y2井為產(chǎn)液氣井，日產(chǎn)液量0.15 m3，油管中有一定量積液，根據(jù)Y2井生產(chǎn)參數(shù)，預(yù)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(xiàn)場工藝改造

在集氣站加熱爐與節(jié)流總機(jī)關(guān)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(jī)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(jié)束后低壓氣源井氣量達(dá)到 0.8×104m3/d，增產(chǎn)氣量0.4×104m3/d，由生產(chǎn)曲線圖3可以看出，套壓達(dá)到低點(diǎn)有2次，油壓在下降一定程度達(dá)到高點(diǎn)有2次，最終油套壓近乎持平，說明井筒積液排出，達(dá)到預(yù)期試驗效果。

圖2 改造示意圖

圖3 Y2氣井采取等熵壓縮機(jī)工藝生產(chǎn)曲線圖

4. 試驗效果分析

從表4試驗記錄數(shù)據(jù)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(jìn)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(zhuǎn)換為低壓氣井壓力能。

表4 試驗參數(shù)記錄

4.1 等熵壓縮機(jī)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(jìn)入1#計量分離器，該計量器液位計設(shè)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(chǎn)液量較小，在試驗過程中產(chǎn)液忽略不計。所以1#計量分離器所產(chǎn)生的液量均來自Y2井。試驗過程記錄數(shù)據(jù)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(jù)分離器結(jié)構(gòu)分別得出封頭體積和筒體體積計算公式(6)、式(7)，最后根據(jù)分離器規(guī)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(jù)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(shù)記錄

(2)排液量分析。該氣田產(chǎn)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(dāng)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(nèi)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(jié)能分析

等熵壓縮機(jī)利用高壓氣井壓力能轉(zhuǎn)換低壓氣井壓力能，此過程沒有外界能量介入，實現(xiàn)了低壓氣井增壓進(jìn)入管網(wǎng)。按照往復(fù)式壓縮機(jī)功率計算公式(8)，可以等價計算等熵壓縮機(jī)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?fù)式壓縮機(jī)功率計算公式所求的值與軟件求的值近似。

按照工業(yè)生產(chǎn)時間330 d計，壓縮機(jī)全年功率9.1×24×330=72 072 kW，按照工業(yè)用電0.62元/度，72 072×0.62=44 684.64元。可以看出利用該裝置僅電費(fèi)節(jié)省約4.5萬元。

四、認(rèn)識結(jié)論

(1)通過現(xiàn)場應(yīng)用，根據(jù)試驗氣井排液詳細(xì)分析，試驗選取的積液氣井排出井筒積液1.53 m3，增強(qiáng)了氣井產(chǎn)能發(fā)揮，氣井由試驗前4 000 m3/d,增加至8 000 m3/d,日增產(chǎn)氣量4 000 m3。

(2)等熵壓縮機(jī)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(fā)后期，由于壓力下降引起積液嚴(yán)重氣井，同時站內(nèi)存在高壓源氣井的集氣站具有良好的應(yīng)用前景。

(3)等熵壓縮機(jī)采氣工藝運(yùn)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(xiàn)低壓井增壓和外輸，具有操作簡單、管理方便、節(jié)能降耗等優(yōu)點(diǎn)。通過簡單模擬，等熵壓縮機(jī)1年就節(jié)約電費(fèi)4.5萬元。