天然氣壓縮機在排水采氣中的應(yīng)用

摘要

分析了排水采氣特殊的工況條件及其對壓縮機性能的影響，對壓縮機的性能提出了特殊的要求。為充分發(fā)揮壓縮機在排水采氣生產(chǎn)中的作用，對比國內(nèi)外壓縮機發(fā)展現(xiàn)狀，系統(tǒng)分析了整體式和分體式天然氣壓縮機組在氣田開發(fā)生產(chǎn)中的適應(yīng)性，對充分發(fā)揮天然氣壓縮機效率，降低生產(chǎn)成本，提高低壓、有水氣藏采收率和增產(chǎn)挖潛效果具有重要的指導(dǎo)意義。

1 引言

21世紀，石油和天然氣仍是世界重要的能源。天然氣消費的增長速度將會大幅度增長，其在世界 能源構(gòu)成中的比例將可達到45%，而我國天然氣在能源結(jié)構(gòu)中的比例僅占2.5%，與世界能源結(jié)構(gòu)的先進水平相比差距很大。我國天然氣工業(yè)急待迅速發(fā)展，要縮小我國與世界能源結(jié)構(gòu)先進水平的差距，需增大天然氣的開采力度，一是要加快天然氣勘探、開發(fā)的速度，二是要提高低壓氣井的產(chǎn)量，特別是低壓、有水氣藏的開發(fā)，需努力提高采收率。隨著氣田采出程度的提高，氣藏能量降低，相 當(dāng)一部分氣井逐漸進入中晚期開采階段，低壓、產(chǎn)水氣井呈逐年增長的趨勢，更多的氣井難以自噴帶水生產(chǎn)，氣藏水淹停產(chǎn)比例越來越大，很大一部分 天然氣儲量處于有水氣藏中而無法得以開采，氣藏采收率和產(chǎn)能大幅降低，需采取工藝措施提高井筒內(nèi)氣液流速、開展排水采氣方能恢復(fù)和提高氣井產(chǎn)能，其中，通過氣舉和增壓降低井口生產(chǎn)壓力恢復(fù)氣井生產(chǎn)是非常重要的、顯著的增產(chǎn)工藝技術(shù)，而天然氣壓縮機是實現(xiàn)氣舉和增壓的重要手段和主力工藝設(shè)備，可有效提高低壓氣藏和有水氣藏采收率。

2 天然氣壓縮機氣舉和增壓開采是最有效 的排水采氣工藝技術(shù)

2.1 氣舉增產(chǎn)效果顯著
氣舉排水采氣工藝是借助天然氣壓縮機或外來高壓氣源，將高壓天然氣注入井筒，降低井內(nèi)注氣點至井口壓力梯度，從而降低井底回壓，增大生產(chǎn)壓差，同時提高氣液的流速，增加天然氣的攜液能力，排出井底積液，使水淹井復(fù)活，實現(xiàn)連續(xù)或間歇生產(chǎn)的機械排水采氣工藝。而在高壓氣源井缺乏 的區(qū)域，天然氣壓縮機是實施氣舉工藝的必備裝備。四川氣田自1978年在威40井率先開展機抽排水采氣工藝以來，經(jīng)過20多年來的試驗、改進和發(fā)展，形成了泡排、優(yōu)選管柱、氣舉、機抽、電潛泵、射流泵等多套有水氣藏排水采氣工藝，在多年 的開發(fā)生產(chǎn)中取得了良好的應(yīng)用效果，累計開展排水采氣工藝措施近3700井次，增產(chǎn)天然氣近100X10⁸m³。其中，氣舉工藝具有工藝簡單、操作方便、易于管理、適應(yīng)范圍廣、效果顯著的特點，并 能充分利用地層能量，可實現(xiàn)復(fù)產(chǎn)后的自噴生產(chǎn)，有利于節(jié)約開采成本，累計開展氣舉工藝排水采氣近1300井次，增產(chǎn)天然氣近50X10⁸m³，占工藝 措施增產(chǎn)氣量的50%以上，其增產(chǎn)效果最為顯著，詳見表1。而采用天然氣壓縮機實施氣舉排水采氣則是使用最多、最廣泛的、最有效的工藝手段。

2.2 增壓開采挖潛效果突出
增壓開采是借助機械設(shè)備(主要是天然氣壓縮機)過一定的機械能轉(zhuǎn)換和熱力變化過程，增 加天然氣的壓能，使低壓天然氣成為高壓天然氣，從而可降低氣井井口生產(chǎn)壓力，提高帶液能力，實現(xiàn)氣井連續(xù)自噴帶水生產(chǎn)，達到增產(chǎn)挖潛的目的。增壓開采工藝技術(shù)在新老氣田的開發(fā)過程中得到廣泛的應(yīng)用，已獲得顯著的增產(chǎn)挖潛效果。

表 1 各項排水采氣工藝增產(chǎn)情況表

四川氣田從1980年開展增壓開采以來，累計開展1621井次，增產(chǎn)天然氣69.5X10⁸m³，因此，推廣應(yīng)用好天然氣壓縮機增壓開采技術(shù)，對低壓老氣田挖潛生產(chǎn)，提高低壓氣藏采收率具有重要的意義。

3 排水采氣對壓縮機的要求

(1)由于各氣井的地層壓力、氣量、水量和生產(chǎn)壓力不一樣，氣舉和增壓開采時所要求的功率各不相同，從目前在用氣舉壓縮機看，功率范圍為100~2000kW，四川氣田氣舉壓縮機功率范圍為100~300kW，這就要求壓縮機要有多種規(guī)格的系列產(chǎn)品，以供選擇。

(2)隨著氣田天然氣不斷開采，氣田的產(chǎn)量和壓力將逐漸降低，集輸干線的壓力隨用氣量的波動，要使壓縮機能在變化的進、排氣壓力條件下正常工作，要求氣舉和增壓開采壓縮機必須具有較強的變工況適應(yīng)能力。

(3)由于氣井位置分散，多數(shù)位于邊遠山區(qū)，不僅交通不便，供水、供電系統(tǒng)多不完善，且環(huán)境條件差異很大，這就要求壓縮機整體搬安裝方便、不需要接水和電、運行可靠、操作簡便，能實現(xiàn)無人值守。

(4)天然氣在溫度、壓力條件變化時會析出凝析水，稀釋和污染壓縮機潤滑油，使機械零件加速磨損，以至其它更嚴重的運行事故，因此要求壓縮機配置可靠的高精度液體分離器。

(5)天然氣為易燃、易爆氣體，這就要求壓縮機必須具有防火、防爆特性及良好的密封措施。

(6)有的天然氣含H₂S和CO₂，壓縮機必須根據(jù)天然氣這種特種介質(zhì)而設(shè)計，從結(jié)構(gòu)、選材、加 工工藝上必須滿足抗H₂S和CO₂腐蝕的要求。

(7)氣舉排水采氣和增壓開采要求壓縮機運轉(zhuǎn)具有高度的連續(xù)性，除必要的計劃停機檢修外，壓縮機必須不間斷連續(xù)正常運行。

4 工況變化對壓縮機性能的影響

在排水采氣過程中，壓縮機的吸氣壓力、吸氣溫度、排氣壓力都將隨氣舉井的氣舉壓力、排出氣 液比而變化，使機組實際運行點偏離設(shè)計工況，從而影響壓縮機性能。

4.1進氣壓力改變
壓縮機進氣壓力減小，活塞完成一個循環(huán)所吸入的氣體體積折算到標(biāo)準(zhǔn)狀況下的流量就隨著減少。此外，當(dāng)進氣壓力降低而排氣壓力不變時，壓比升高，使容積系數(shù)下降，排氣量降低。對于單級壓縮機，這種影響較大。由于多級壓縮機壓比的升 高要分攤到各級去，因而，主要體現(xiàn)在末級壓比升高上，容積系數(shù)下降，末級吸氣壓力也相應(yīng)回升，依次影響到前面級壓比回升，致使I級容積系數(shù)也有所下降，使機器排氣量下降。如果進氣壓力降至設(shè)計值以下，而排氣壓力不變，壓比的增加將導(dǎo)致活塞桿負荷的增加，這時應(yīng)該校核活塞桿負荷是否超過最大允許桿載。另外壓比的增加還將導(dǎo)致排氣 溫度升高。

當(dāng)進氣壓力改變時，功率也發(fā)生變化。當(dāng)壓縮機的設(shè)計壓比大于1.1(k+1)時(k為絕對指數(shù))，由于進氣壓力和進氣量降低所減少的功率超過壓比上升所增加的功率，所以功率減少。當(dāng)設(shè)計壓比小于1.1(k+1)時，則進氣壓力下降，功耗上升。當(dāng)進氣壓力提高，排氣壓力不變時，排量和功率都呈增大趨勢，此時要特別注意機組超負荷。

4.2排氣壓力改變
如果進氣壓力不變，而排氣壓力增加，則壓比上升，容積系數(shù)減少、排氣量減少，反之若排氣壓力下降，則容積系數(shù)增加、排氣量增加。按一般規(guī)律，當(dāng)壓力每變化0.176MPa時，則排氣量反向變化1%。對于單級壓縮機，影響較明顯，對于多級壓縮機，升高或降低排氣壓力，主要升高末級壓比，末級壓比升高、排氣壓力增加，功耗增加、排溫升高，反之亦然。一般來講，當(dāng)壓力每變化0.007MPa時，功率隨之變化0.5%。

4.3吸氣溫度的變化
當(dāng)吸氣溫度升高，排氣溫度增加，而排氣量下降。功率在單級壓縮機中與吸氣溫度無關(guān)，但在多級壓縮中，各級吸氣溫度的變化，意味著氣體回冷完善程度的變化，不完善冷卻，使過程偏離等溫壓縮，功率隨著增加。

4.4余隙容積的變化
改變I級的余隙容積，若使之增大，I級壓比下降，末級壓比上升，排氣量減少;I級和其余中間級的排氣溫度均按比例下降，但末級排氣溫度上升。若減少I級余隙容積，排氣量增大。當(dāng)增加中間級的余隙容積時，該級的排氣溫度下降，而前一級排氣溫度上升，且間接影響其它級的排氣量。按比例改變所有級的余隙容積，排氣量減少，功率將隨排氣量成比例的變化，若只改變某一級的余隙容積，功率將不隨排氣量成比例的變化，也就是說功 率變化大，排氣量變化小。

5 天然氣壓縮機國內(nèi)外水平及發(fā)展概況

6 排水采氣壓縮機的選型

由于排水采氣的井壓力變化幅度大，所需的工 作壓力大都在10MPa以上，屬高壓壓縮機。因而排水采氣用壓縮機宜采用往復(fù)活塞式，因為往復(fù)活塞壓縮機的以下特點能滿足排水采氣的工藝要求:

(1)往復(fù)活塞壓縮機壓力范圍最廣，從低壓到超高壓都適用。目前使用的壓力范圍一般為0.2~35MPa，最高壓力可達700MPa。

(2)效率高。由于工作原理不同，活塞壓縮機比離心式效率高得多。而回轉(zhuǎn)式壓縮機由于高速氣流阻力損失和氣體內(nèi)泄漏等原因，效率亦較低。

(3)適應(yīng)性強。活塞壓縮機的排氣量可在較廣泛的范圍內(nèi)進行選擇，特別是在較小排氣量的情況下，要做成速度型，往往很困難，甚至是不可能的。

需排水采氣的井多數(shù)地處邊遠山區(qū)，環(huán)境條件惡劣。因此壓縮機應(yīng)符合使用條件，滿足工藝、工況要求，排量、壓比調(diào)節(jié)方便，可靠性好、耐用性好、壽命長且功率有一定儲備，連續(xù)工作能力強。對于氣田作業(yè)相對固定，時間較長的井站，宜選用整體式天然氣發(fā)動機-壓縮機組;對于間隙作業(yè)的氣井可選用車載分體式壓縮機。這兩種機型的技術(shù)特點如下:

6.1整體式天然氣發(fā)動機-壓縮機組技術(shù)特點
整體式天然氣發(fā)動機-壓縮機組又稱整體式燃氣摩托壓縮機組，該機組系由燃用天然氣的數(shù)只動力缸和壓縮天然氣的數(shù)只壓縮缸通過共用機身，共用曲軸構(gòu)成的撬裝有機整體，不需外接主電源和水源，其冷卻、潤滑、點火、自控等系統(tǒng)無需外界提供動力。該系列機組功率范圍為45~630kW，額定轉(zhuǎn)速360~440min，排氣壓力最高可達35MPa，可滿足各種排水采氣井的工況要求，具有如下特點:

(1)該機組二沖程燃氣發(fā)動機是根據(jù)DEMA標(biāo)準(zhǔn)，按低速重載而設(shè)計，標(biāo)定功率和轉(zhuǎn)速即為長期連續(xù)運行的功率和轉(zhuǎn)速，該機組已經(jīng)歷了新疆沙漠高溫環(huán)境(45^。C)和四川高含硫天然氣的嚴峻考驗。

(2)發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡單，沒有四沖程發(fā)動機的熱負荷很重的排氣門，搖臂挺桿，凸輪和定時機構(gòu)及聯(lián)軸器等，安裝調(diào)整方便，長年運行維護成本低。

(3)機組轉(zhuǎn)速低，各機械負荷輕，磨損件和機械壽命長，不存在進廠大修，只有5、6年后的現(xiàn)場大檢修。

(4)燃料適應(yīng)能力強。由于機組特殊的空燃比調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能適應(yīng)燃氣的低熱值是16200~46000kJ/Nm3，可以使用各種熱值的天然氣。

(5)潤滑系統(tǒng)簡單可靠。機組的主軸承、連桿軸承、十字頭采用飛濺潤滑，而動力缸內(nèi)采用強制潤滑，與一般發(fā)動機潤滑方式剛好相反，加之機身油池獨特的密封系統(tǒng)，燃燒后的廢氣無泄漏到油池的可能，潤滑油的使用壽命可達5000h以上，而一般發(fā)動機只有1500~2000h。

(6)儀表控制系統(tǒng)自動化程度高。既可就地控制，也可遠傳，有完整的故障診斷和報警系統(tǒng)，保證壓縮機可靠安全的運行。

(7)機組變工況適應(yīng)能力強，氣量可由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、壓縮缸余隙調(diào)節(jié)、壓縮缸單雙作用及壓縮缸串并聯(lián)等方式調(diào)節(jié)?？梢员ＷC在排水采氣過程中對排量、負荷、溫度等運行參數(shù)進行調(diào)整，以滿足現(xiàn)場環(huán)境條件，工況條件等的特定要求。

(8)該機組發(fā)動機特性曲線是直線，最低負荷轉(zhuǎn)速是標(biāo)定轉(zhuǎn)速的60%，最低負荷扭矩是標(biāo)定扭矩的60%。那么最低負荷功率僅為標(biāo)定功率的36%，可以保證壓縮機的小排量運行。

6.2車載分體式壓縮機特點
車載分體式壓縮機是中高速壓縮機通過聯(lián)軸器與柴油或燃氣發(fā)動機連接，布置安裝于汽車上，成為移動間隙作業(yè)的排水采氣壓縮機組，具有如下特點:

(1)該機組轉(zhuǎn)速高，操作維修技術(shù)要求高，但易于操作和管理。

(2)車載式壓縮機具有靈活、機動性強、戰(zhàn)斗力強、使用效率高的特點。車載式壓縮機搬安方便、快捷，不用專門征用土地和場站，可隨時進行施工作業(yè)，很快投入運行。對一些具有一定地層能量，通過替噴排液能自噴生產(chǎn)的氣井，可通過車載式壓縮機進行氣舉復(fù)產(chǎn)，既有利于生產(chǎn)，也有利于降低生產(chǎn)成本、并提高設(shè)備利用率;停機時可進行保養(yǎng)，動力機和壓縮機可整體拆卸倒換維修，并進入車庫管理。

(3)車載式壓縮機適用性強，適用于各類氣水同產(chǎn)井的氣舉作業(yè)，既可用于氣舉作業(yè)，又可用于增壓，對一些氣井是否需進行單井增壓和方案優(yōu)選前，可先采用車載式壓縮機進行試增壓試驗，驗證氣井產(chǎn)氣能力，以便于后續(xù)工藝優(yōu)選及設(shè)備造型。

(4)采取車載式壓縮機氣舉作為氣水井前期試排水工藝措施，進行探索性氣舉，為其它工藝的開展或后期生產(chǎn)方案的制定提供可靠的依據(jù)，以減少盲目投資。因地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性，一些氣水井前期出水特征尚不清楚，可利用車載式壓縮機靈活、機動的特點，且施工作業(yè)一次費用較低，采用車載式壓縮機氣舉試排水，摸清其出水規(guī)律，為下步開采方案的制定和投資提供可靠的依據(jù)，從而減少因開采方案不配套而造成的盲目投資。

7 ZTY系列整體式天然氣壓縮機在中國油 氣田的應(yīng)用

表 2 ZTY系列整體式天然氣壓縮機組型號及主要性能參數(shù)

經(jīng)過10余年發(fā)展，目前，在四川的蜀南、川東、川中、川西北，貴州的赤水，青海的南翼山、澀北，東北吉林、長春，新疆的牙哈、塔西南、漠北、陸梁、烏而禾等地已有170余臺套ZTY系列整體式壓縮機在安全運行。

安裝于西南油氣田分公司蜀南氣礦包33井的ZTY265-13#機組和型號為ZTY265H7-1/2x4的高壓機組，從1997年5月啟用投入生產(chǎn)，運行穩(wěn)定，尤其在2000年，全年開機運行累計達8692小時，運行率高達99.2%，而我國在用的進口同類機型最高年運行率為98%，新疆塔里木油田分公司牙哈集中處理站安裝有五臺ZTY265機組，其中3臺ZTY265MH5-3/4x5-3/4機組用于中壓氣增壓，兩臺ZTY265ML15x10-1/2機組用于原油穩(wěn)定氣增壓，于2000年11月投產(chǎn)至今，平均累計年運行8500~8590h，運行率達97%以上;滇黔桂油田分公司貴州石油天然氣開發(fā)公司現(xiàn)有ZTY265機11臺，整體運行良好，性能可靠，能在野外惡劣條件下連續(xù)生產(chǎn)，其中太4井的9408#機組從1995年6月啟用，截至2002年12月，已累計運行59000h以上，年均運行率達97.9%;克拉馬依漠北增壓站有兩臺進口DPC2803機組和一臺成都天然氣壓縮機廠生產(chǎn)的ZTY470機組，在同樣的運行工況條件下，ZTY470機組在排氣溫度、排氣壓力、排氣量均達到了設(shè)計要求，其質(zhì)量、穩(wěn)定性、可靠性達到了國外同類機型的水平。

長期使用實踐表明:ZTY系列整體式天然氣壓縮機性能優(yōu)良、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，易于操作維修，故障少，壽命長，可靠性高，經(jīng)受了高含硫天然氣和沙漠高溫等惡劣環(huán)境考驗，能完全滿足氣田氣舉等排水采氣開發(fā)生產(chǎn)的需要。隨著西氣東輸?shù)纳钊雽嵤?，ZTY系列整體式壓縮機必將在油氣生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)得到更廣泛的應(yīng)用，為我國石油天然氣工業(yè)的發(fā)展作出更大的貢獻。

8 結(jié)論

關(guān)于天然氣氣舉系統(tǒng)信息參考>>>>