耿新中，劉學凱，張文娟，婁樂勤，青聰

（1.中國石化中原油田分公司天然氣產(chǎn)銷廠，河南 濮陽 457061；2.中國石化中原油田分公司技術(shù)監(jiān)測中心，河南 濮陽 457001；3.中國石化中原油田分公司采油五廠，河南 濮陽 457001）

1 降壓采氣基本原理

氣田開發(fā)早期，通常利用氣井較高的井口壓力實施高壓集輸。當井口壓力降低到外輸系統(tǒng)回壓時，轉(zhuǎn)為定井口壓力生產(chǎn)，直至產(chǎn)量逐步遞減到經(jīng)濟極限產(chǎn)量時停采。此時，往往還有大量的剩余儲量未采出，因此，在氣田開發(fā)中后期，一般都要考慮實施降壓采氣[1-7]。

降壓采氣，就是通過改變供氣流向降低外輸回壓，或者通過增壓系統(tǒng)抽吸降低井口回壓提高天然氣采收率的工藝方法。壓縮機降壓采氣也稱為負壓采氣或增壓采氣[1-3，8-11]。 因為建設(shè)增壓系統(tǒng)投資較大，降壓采氣是否可行，取決于實施系統(tǒng)抽吸降壓后，可以增加多少經(jīng)濟可采儲量。

式中：ΔNp為經(jīng)濟可采儲量增量，104m3；R為氣藏彈性產(chǎn)率，104m3/MPa；Δpr為地層壓力降，MPa。

根據(jù)式（1），降壓采氣主要適用于彈性產(chǎn)率較高的氣藏。對于具體氣藏，主要取決于可以形成多大的地層壓力降。

2 系統(tǒng)壓損變化特征

按照增壓系統(tǒng)設(shè)置節(jié)點，可將降壓采氣分為單井、集氣站、區(qū)塊集中降壓這3種情況。因為實施降壓采氣時，單井產(chǎn)量一般都較低，通常采取集氣站或區(qū)塊集中降壓采氣。

以區(qū)塊集中降壓采氣為例，天然氣流程一般為：地層滲流→井筒管流→集氣支線管流→集氣站→集氣干線管流→壓縮機。沿程主要流動壓力損失如下[12]。

地層滲流：

井筒管流：

地面管流：

式中：Q 為氣井產(chǎn)量，104m3/d； pwf，pwh，ps分別為井底流壓、井口流壓、末端分離壓力，MPa；f為摩阻系數(shù)；為平均溫度，K；為天然氣平均偏差因子；γg為氣體相對密度；D為管線內(nèi)徑，m；H為油管下深，m；L為管線長度，m；n 為指數(shù)；A，B，a，b，c 為系數(shù)。

由式（2）—（4）可以看出，因為氣體的可壓縮性，從地層到壓縮機入口的整個流程中，天然氣沿程流動壓力損失均是各節(jié)點之間壓力的平方差關(guān)系，而不是數(shù)學差。不論地面管流、井筒管流，還是地層滲流，均有系統(tǒng)壓力越小、沿程流動壓力損失越大的特點。相同流量下，降壓后的流動壓力損失比降壓前大。

以地層滲流過程為例，由式（2）可得

式（5）可變形為

式中：下標1，2分別表示降壓前、后。

因為增壓系統(tǒng)降低的是集氣壓力，所以論證降壓采氣時，不能簡單地把壓縮機進出口壓差作為降壓采氣可能產(chǎn)生的地層壓力降，必須結(jié)合產(chǎn)能和沿程流動壓力損失分析，對降壓后形成的地層壓力降進行系統(tǒng)的計算預(yù)測。

3 降壓參數(shù)的確定與優(yōu)化

3.1 降壓采氣起始地層壓力

進入定井口壓力生產(chǎn)階段后，氣井產(chǎn)能會逐漸遞減。但即便不實施降壓采氣，在產(chǎn)量降至經(jīng)濟極限產(chǎn)量之前，仍然能夠采出一部分氣量，這部分氣量與降壓采氣實施與否沒有關(guān)系，因此，降壓采氣起始地層壓力應(yīng)以氣井產(chǎn)能遞減趨勢預(yù)測為基礎(chǔ)。把產(chǎn)量遞減至經(jīng)濟極限產(chǎn)量Qe1時所對應(yīng)的地層壓力pr1，作為降壓采氣起始地層壓力，否則，將造成降壓采氣效果預(yù)測夸大、決策失誤和項目后評估的失實。

需要注意的是，對于產(chǎn)液氣井，因為井筒臨界攜液氣量的影響[13]，在氣井產(chǎn)量遞減至經(jīng)濟極限產(chǎn)量Qe1之前，當產(chǎn)量低于臨界攜液氣量時，氣井即不能正常生產(chǎn)。因此，應(yīng)將降壓前的井筒臨界攜液氣量，看作降壓前的經(jīng)濟極限產(chǎn)量Qe1，對應(yīng)的地層壓力pr1即為降壓采氣起始地層壓力。

3.2 降壓采氣失效地層壓力

實施降壓采氣后，形成了生產(chǎn)壓差進一步擴大和地層壓力進一步降低的空間，使得氣井經(jīng)濟生產(chǎn)時間得以延長。當氣井產(chǎn)量降低至降壓采氣工藝下的經(jīng)濟極限產(chǎn)量Qe2時，降壓采氣失效，此時所對應(yīng)的地層壓力pr2，即為降壓采氣失效地層壓力。

需要說明的是，實施降壓采氣后，因為增壓設(shè)備流程系統(tǒng)投資折舊和運行費用增加的影響，天然氣生產(chǎn)成本隨之增加。在氣價不變的情況下，不產(chǎn)液氣井降壓采氣后的經(jīng)濟極限產(chǎn)量Qe2高于降壓采氣前的經(jīng)濟極限產(chǎn)量Qe1。

對于產(chǎn)液氣井，由式（6）可知，因為壓力的降低，降壓后的井筒臨界攜液氣量，會明顯小于降壓前的井筒臨界攜液氣量。根據(jù)產(chǎn)能遞減預(yù)測，如果降壓采氣末期氣井的井筒臨界攜液氣量高于降壓采氣工藝下的經(jīng)濟極限產(chǎn)量，應(yīng)該把降壓后的井筒臨界攜液氣量，作為降壓后的經(jīng)濟極限產(chǎn)量，對應(yīng)的地層壓力，作為降壓采氣失效地層壓力。

3.3 壓縮機進口壓力

因為氣井降壓生產(chǎn)系統(tǒng)各節(jié)點的壓力與壓縮機進口壓力并非同步下降，因此壓縮機進口單位壓降在地層中的響應(yīng)幅度也有區(qū)別。以地層滲流過程為例，假設(shè)降壓起始地層壓力pr1為9 MPa，起始井底流壓pwf1為6 MPa。

3.3.1 不產(chǎn)液氣井降壓效果分析

設(shè) K=Qe2/Qe1，式（2）中 n 取 0.7。 由式（2）可得

為方便計算分析，假設(shè)K為1.1，代入式（7），預(yù)測降壓后不同井底流壓下（pwf2分別取值 5，4，3，2，1 MPa）的降壓采氣效果，結(jié)果見表1。

表1 不產(chǎn)液井降壓效果預(yù)測

可以看出：隨著pwf2的降低，降壓采氣失效地層壓力pr2雖然相應(yīng)降低，但卻表現(xiàn)出幾個特點：1）降壓采氣形成的地層壓力降Δpr明顯小于井底流壓降Δpwf。2）因為Qe2＞Qe1，受降壓前、后經(jīng)濟極限產(chǎn)量變化的影響，當Δpwf較小時，Δpr反而更小，說明小幅度的降壓作用不大。3）隨著pwf2的降低，Δpr的增量越來越小，顯示井底降壓效果在地層中的響應(yīng)越來越弱；同理，根據(jù)系統(tǒng)壓力越小、沿程流動壓力損失越大的特點，壓縮機進口壓力降在地層中的響應(yīng)將更弱。

3.3.2 產(chǎn)液氣井降壓效果分析

由式（6）可知，隨著井底流壓的降低，井底臨界攜液氣量也會降低。取降壓前、后的臨界攜液氣量為經(jīng)濟極限產(chǎn)量，根據(jù)不同井底流壓下的臨界攜液氣量，計算出K值代入式（7），預(yù)測降壓后不同井底流壓下（pwf2分別取值 5，4，3，2，1 MPa）的降壓采氣效果（見表 2）。

表2 產(chǎn)液井降壓采氣效果預(yù)測

可以看出：隨著pwf2的降低，盡管降壓采氣失效地層壓力pr2也相應(yīng)降低，但因井筒臨界攜液氣量隨壓力下降而降低，所以產(chǎn)液氣井的降壓采氣失效地層壓力降與不產(chǎn)液氣井存在鮮明的區(qū)別，具體表現(xiàn)在：1）產(chǎn)液氣井降壓采氣形成的地層壓力降Δpr，接近甚至可能大于井底流壓降Δpwf，說明產(chǎn)液氣井實施降壓采氣的效果更好；2）隨著井底流壓pwf2的降低，Δpr的增量還有微小的增大，說明井底流壓越低，產(chǎn)液氣井的地層降壓效果越明顯。

3.3.3 壓縮機進口壓力的確定

從單純的地質(zhì)意義上講，壓縮機的進口壓力越低，降壓采氣開發(fā)效果也越好。但是，從經(jīng)濟技術(shù)綜合分析上講，卻并非如此，這是因為：1）對不產(chǎn)液氣井，井底壓降在地層的響應(yīng)越來越弱，過度降壓意義不大；2）對產(chǎn)液氣井，雖然壓力越低，降壓效果越好，但是，壓縮機進口壓力越低，吸入氣體的密度越小，壓縮機的抽吸效率越低，單位氣量的生產(chǎn)運行成本越高，經(jīng)濟效益將變差；3）壓縮機進口壓力的極限降低，將導致對壓縮比要求的成倍增加，如果小幅降壓，必須通過增加壓縮級數(shù)來實現(xiàn)，將造成設(shè)備投入的大幅增加，同樣預(yù)示著降壓開發(fā)投入產(chǎn)出指標的變差。

因此，從經(jīng)濟技術(shù)方面綜合考慮，不論氣井是否產(chǎn)液，降壓采氣的降壓幅度均不是越大越好，應(yīng)根據(jù)降壓開發(fā)效果預(yù)測和經(jīng)濟評價結(jié)果，進行綜合論證確定。

4 地層滲透性與降壓采氣的適應(yīng)性

地層滲透性越差，相同產(chǎn)量下的生產(chǎn)壓差越大，降壓采氣起始地層壓力就越高。假設(shè)：某井降壓采氣前井底流壓pwf1為6 MPa，降壓后期井底流壓pwf2為2 MPa，Δpwf為 4 MPa。 式（2）中 n 取 0.7。 根據(jù)式（8）分別預(yù)測不同起始地層壓力下 （pr1分別取值 7，8，9，10，11，12 MPa）的降壓采氣效果。

對于不產(chǎn)液氣井，降壓采氣經(jīng)濟極限產(chǎn)量比（K值）取1.1。計算結(jié)果見表3。

表3 不產(chǎn)液氣井不同起始地層壓力降壓效果預(yù)測

對于產(chǎn)液氣井，降壓采氣經(jīng)濟極限產(chǎn)量為井筒臨界攜液流量，根據(jù)表2，K值為0.572。計算結(jié)果見表4。

表4 產(chǎn)液氣井不同起始地層壓力降壓效果預(yù)測

由表3可以看出：對不產(chǎn)液氣井，地層滲透性越差，地層壓力降Δpr越小，降壓采氣效果越差；而且，因為降壓后比降壓前的經(jīng)濟極限產(chǎn)量高，沿程管流壓力損失將更大，降壓采氣效果會更差。由表4可以看出：對產(chǎn)液氣井，地層滲透性越差，地層壓力降Δpr越大，甚至可能大于井底流壓降Δpwf，降壓采氣效果越好；而且，因為降壓后井筒臨界攜液流量大幅度降低，沿程管流壓損也相對變小，降壓采氣效果會更好。

5 應(yīng)用實例

2006年，對文23氣田20口外輸回壓在1.60 MPa的氣井開展區(qū)塊集中降壓采氣試驗。結(jié)果表明：外輸回壓、集氣站和井口油壓分別降低了 0.39，0.35，0.29 MPa。因為降壓幅度不大，且地層致密低滲，平均產(chǎn)量只增加了2.66%，但產(chǎn)液明顯的井效果較好，最高的文69-7井增產(chǎn)達16.6%。

2008年，選擇外輸回壓為0.85 MPa的8口低壓井開展了多井集中降壓采氣試驗。結(jié)果表明：外輸回壓、集氣站和井口油壓分別降低了0.80，0.64，0.55 MPa，不產(chǎn)液井井底流壓平均降低0.31 MPa，產(chǎn)液井井底流壓平均降低1.01 MPa，所有井平均產(chǎn)量增加12.37%，產(chǎn)液井增產(chǎn)效果好于不產(chǎn)液井。

試驗表明，地層和井底降壓幅度不等同于外輸回壓降幅，降壓采氣效果與地層滲透性、是否產(chǎn)液有密切關(guān)系。

6 結(jié)論

1）受氣體的可壓縮性影響，降壓采氣可以形成的地層壓力降并不等同于壓縮機的進出口壓差。

2）應(yīng)結(jié)合氣井是否產(chǎn)液，以經(jīng)濟極限產(chǎn)量或井筒臨界攜液氣量為依據(jù)，確定降壓采氣的起始與失效地層壓力。

3）小幅度降壓意義不大，但綜合考慮設(shè)備投資和生產(chǎn)運行成本，苛求極限降壓沒有必要。

4）地層滲透性越好，不產(chǎn)液氣井降壓采氣效果越好；地層滲透性越差，產(chǎn)液氣井降壓采氣效果越好。壓縮機降壓采氣更適用于彈性產(chǎn)率大、高滲不產(chǎn)液或低滲產(chǎn)液的氣藏。

[1]黃君權(quán).四川龍泉山侏羅系淺氣藏負壓采氣技術(shù)[J].天然氣工業(yè)，1992，12（5）：53-60.

[2]禹繼貧.鄧井關(guān)氣田負壓采氣工藝效果分析[J].天然氣工業(yè)，1997，17（1）：83-84.

[3]唐建榮，張鵬，吳洪波，等.天然氣增壓開采工藝技術(shù)在氣田開發(fā)后期的應(yīng)用[J].鉆采工藝，2009，32（2）：95-96。

[4]萬繼和，張明智，翟佶君.降壓采氣增壓輸氣工藝在衛(wèi)城氣田的應(yīng)用[J].油氣田地面工程，2004，23（7）：22-23.

[5]緱蕓，李韌，張房.文23氣田降壓采氣穩(wěn)產(chǎn)技術(shù)[J].內(nèi)蒙古石油化工，2013，39（14）：89-91.

[6]孫曉群.文23氣田降壓采氣技術(shù)可行性分析[J].石油規(guī)劃設(shè)計，2009，20（3）：42-43.

[7]鐘聲，劉玉泉，劉奇林，等.濕式工藝螺桿壓縮機在低壓氣井開采中的應(yīng)用[J].天然氣工業(yè)，2007，27（6）：142-144.

[8]常永峰，常鵬，李建陽，等.幾種井口增壓采氣工藝運行探討[C].《石油化工應(yīng)用》雜志社.第十屆寧夏青年科學家論壇石化專題論壇論文集，2014：430-434.

[9]于希南，黃全華，關(guān)成禮.靖邊氣田陜45區(qū)塊增壓開采時機的確定[J].石油天然氣學報，2009，31（1）：329-331.

[10]安維杰，劉銀春，李艷芳.蘇里格氣田增壓工藝技術(shù)研究[J].內(nèi)蒙古石油化工，2013，39（2）：73-75.

[11]張建國，王東旭，蘭義飛，等.靖邊氣田增壓開采方式優(yōu)化研究[J].鉆采工藝，2013，36（1）：31-35.

[12]楊川東.采氣工程[M].北京：石油工業(yè)出版社，1997：78-85.

[13]廖銳全，張志全.采氣工程[M].北京：石油工業(yè)出版社，2003：126-127.