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中常伴隨著液體的產出，隨著地層能量的衰減，導致氣井流量下降，流量降至無法有效攜帶出液體時，液體會在井筒中聚積，此種現象為氣井積液。如不采取有效措施排出積液，井底產出的液體會繼續(xù)累積，導致氣井產量進一步下降，生產時間縮短，甚至停產。目前，蘇里格氣田總井數約12 000口，隨著氣田氣井生產時間的延長，積液井逐年增多，產氣量小于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、復產難度大；第二，井筒積液排出后頻繁再積液，穩(wěn)產難度大。目前已經應用的泡沫排水、速度管柱、柱塞氣舉等排水采氣工藝，當氣井產量低于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。排水采氣工藝中，以增大氣井生產壓差的方式最為有效，但氣井產出的天然氣中含水，不同氣井水的含量不同，氣井生產過程中瞬時含水量不同，氣井壓力隨著生產系統的壓力變化，傳統往復及螺桿壓縮機無法適應。因此，對增壓設備的工況適應性、可靠性提出了更高的要求。

1 同步回轉壓縮機裝置設計

1.1 裝置原理

2003年首次提出同步回轉壓縮機，其基本結構及原理見圖1[1]。

圖1 同步回轉壓縮機基本結構及工作過程示意

壓縮機整體為圓柱體結構，主要由轉子、氣缸、滑板構成。轉子與氣缸偏心安裝，始終相切，二者通過滑板相連接，滑板一端圓頭與氣缸連接，另一端嵌入轉子開設的滑槽中。轉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。運轉過程中，主軸驅動轉子，轉子通過滑板帶動氣缸，形成了轉子與氣缸“同步回轉”的運動形式。在氣缸處開設吸入孔口，實現一轉持續(xù)進氣；轉子處開設排出孔口，引入軸向排出通道；吸入及排出孔口隨主軸360°旋轉，形成了徑向吸入、軸向排出的布置方式。

同步回轉壓縮機具有如下特點：結構簡單；摩擦磨損??；運轉平穩(wěn)可靠，振動與噪聲較?。还ぷ髑粌葻o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 壓縮機裝置設計

根據氣井基礎資料，要求氣舉壓縮機最大排氣壓力≥11MPa；氣井冬季生產管網壓力約為1.3MPa，夏季約為3.0 MPa，根據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；具體設計參數及功能見表1。

表1 同步回轉壓縮機裝置設計參數

壓縮機裝置氣相增壓流程采取兩級壓縮設計，具有“一進兩出”流程，見圖2。

圖2 同步回轉壓縮機裝置結構示意

主機為同步回轉壓縮機，單級無固定壓縮比，進排氣壓力自平衡；井口含水天然氣經進氣過濾器及進氣緩沖管道進入主機，部分天然氣經兩級壓縮后增壓回注油套環(huán)空，其余氣液外輸至生產管網；裝置設置潤滑油儲罐，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 同步回轉壓縮機連續(xù)氣舉工藝

2.1 工藝現場布置

同步回轉壓縮機裝置連續(xù)氣舉工藝見圖3，該工藝將同步回轉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，天然氣經裝置簡單分離后，部分濕氣經兩級增壓回注至油套環(huán)空，其余氣液全部外輸至管網。

圖3 同步回轉壓縮機裝置連續(xù)氣舉工藝示意

同步回轉壓縮機裝置現場布置見圖4，裝置采取集裝箱設計，采用天然氣發(fā)電機供電，通過變頻控制柜進行人工操作、自動控制及數據采集，與井場通訊系統相連接，實現數字化管理。

圖4 同步回轉壓縮機裝置現場布置

2.2 工藝特點

（1）裝置主機同步回轉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）無嚴格的氣液分離要求，無二次污染。

3 工藝機理分析

同步回轉壓縮機裝置連續(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合，驅使其向垂直段流動[6]。

圖5 工藝機理示意

3.2 連續(xù)穩(wěn)產階段機理分析

連續(xù)穩(wěn)產階段針對近井地帶積液，裝置通過調整裝置運行頻率以適應井的不同工況。如圖5（c）所示，井筒積液排出后，氣井生產得到改善，短時間內產量增加，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，回注氣與井底氣結合，氣井生產始終在臨界攜液流量以上，油管內流體流態(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系統節(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

根據擬穩(wěn)定狀態(tài)流動的氣井產能公式（二項式）：

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

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與產量qsc的關系，假設一系列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驗公式，忽略高產氣井動能的影響。流體從井底流動至井口產生的壓降為：

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為井筒內靜液柱產生的壓力，MPa；ΔPf為流體流經井筒的摩阻，MPa。其中，v為流體流速。

3.3.3 積液井曲線

現以積液井為例分析，將IPR曲線與TPR曲線繪制在同一坐標軸上，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協調點，圖中可以看出有兩個交點，該井生產區(qū)為TPR曲線極小值左側與IPR曲線的交點，即產量較低的交點（積液井產量較低），該點為不穩(wěn)定生產區(qū)，氣井長時間處于不穩(wěn)定生產狀態(tài)下，最終將導致氣井報廢[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A和B，即相同井底流壓情況下氣井產量更高，IPR曲線向坐標軸右側偏移；IPR曲線與TPR曲線的交點為該井的生產協調點，對應的氣井產量qsc2明顯大于采用此工藝前的氣井產量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，氣井產量繼續(xù)增加，曲線變化如圖8所示。

4 應用效果分析及評價

為應用同步回轉連續(xù)氣舉工藝，于2017年3月先后在蘇里格氣田投產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，累計增產氣量1 485.49萬m3。工藝實施前，單井平均產量為0.36萬m3/d，工藝實施過程中，單井平均產量為1.73萬m3/d，單井平均增產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口井均為低產積液井，間歇生產、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 同步回轉壓縮機排水采氣工藝氣井實施效果

以10號井生產曲線（如圖9所示）為例可以得出以下規(guī)律：第一，氣井產量在開機條件下明顯高于停機；第二，停機后出現套壓上升、產量下降的氣井典型積液現象；第三，首次開機及停機后開機，均出現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，產量及油、套壓出現波動，表明氣井間歇產液，工藝啟動排液階段以高頻率、短時間反復進行；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 增產效果評價

該工藝累計在17口井上實施，其中增產氣量大于1.0萬m3/d的井數為12口，占總井數70.6%，單井平均增產1.36萬m3/d，取得了理想的增產效果；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

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

圖9 10號井工藝生產曲線

4.2.3 經濟性評價

綜合評估工藝現場運營成本為1 500元/d，在單井增產大于0.2萬m3/d的條件下，該工藝具有經濟效益；結合目前單井平均增產效果，單井增產效益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構限制；其四，工藝靈活，可連續(xù)氣舉，也可間歇氣舉。

5 結論與建議

5.1 結論

（1）同步回轉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”及產水等復雜工況對增壓設備的要求。

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

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

5.2 建議

（1）同步回轉壓縮機裝置應向“高壓力、大排量”的方向繼續(xù)發(fā)展。同步回轉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，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)化配套流程設計，增加并聯流程布置，同時研發(fā)更高轉速的主機，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）同步回轉壓縮機裝置應高度集成，優(yōu)化成橇工藝。目前裝置配套的天然氣發(fā)電機、變頻控制柜等設備獨立成橇，增加了運輸的難度；應優(yōu)化成橇工藝設計，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。