王銳鋒

(吉孚艾(天津)壓縮系統(tǒng)技術(shù)有限公司，天津 101520)

1 引言

近年來，各氣田開始進(jìn)入衰減期，為提高采收率，壓縮機(jī)的安裝，由集氣站擴(kuò)展到井口。在不斷嘗試中，取得了一定的經(jīng)驗(yàn)，也證明了通過降低井口壓力來提高氣藏采收率的可行性[1]。但由于生產(chǎn)后期，壓縮機(jī)在井口面對(duì)的工況相對(duì)于在氣站的復(fù)雜性，許多嘗試不達(dá)預(yù)期，條件苛刻的井口仍未找到有效解決方案。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保工程的推進(jìn)，這一問題日漸突出，有必要就井口壓縮機(jī)面臨的主要問題進(jìn)行總結(jié)分析。

2 后期井工況及對(duì)壓縮機(jī)的影響

2.1 重組分烴含量增高

重組分烴在氣藏開發(fā)初期一般以液態(tài)形式存在。開發(fā)過程中，地層溫度變化相對(duì)較小，重組分烴維持其較低的分壓不變。但隨著氣藏壓力降低，其在氣分中的占比會(huì)逐漸增高，而且當(dāng)降至其飽和蒸氣壓時(shí)，重組分C3+就會(huì)依次“沸騰”，由液態(tài)轉(zhuǎn)為氣態(tài)而產(chǎn)出；各烴在油(如果有)中的溶解度也隨氣藏壓降而降低，開始析出。溶解度較小的C1、C2在前期析出，溶解度較大的C3+依次在后期析出?？偵?，使得后期井流物中重?zé)N組分增高，且含量不穩(wěn)定。

一般天然氣井口無動(dòng)力電，壓縮機(jī)組采用燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)燃料氣取自井口。當(dāng)井口氣中C3、C4、甚至C5增加，且占比不穩(wěn)定(甲烷值變化較大)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)就容易發(fā)生爆震，造成管線開裂、缸頭變形或裂紋等。此外，燃?xì)鉄嶂翟黾?，缸?nèi)溫度升高，造成進(jìn)排氣門燒蝕、氣缸墊燒損等故障高頻率發(fā)生。

另外，由于“相似相溶”，產(chǎn)出氣中的重組分烴經(jīng)過壓縮機(jī)的壓縮腔時(shí)，極易溶入腔內(nèi)的潤(rùn)滑油，使?jié)櫥腿榛冑|(zhì)。高頻率更換潤(rùn)滑油抬升了設(shè)備運(yùn)營(yíng)成本。這類壓縮機(jī)主要指，需借助向壓縮腔內(nèi)噴入潤(rùn)滑油來實(shí)現(xiàn)其密封、冷卻，然后再對(duì)潤(rùn)滑油循環(huán)利用的滑片機(jī)、噴油螺桿等。

2.2 大體量攜液

開采至后期，由于地層壓力降低等因素很多井產(chǎn)出大量的液體，主要成分為地層滲透水，部分井還帶有凝析油。出液量因井口而異，差別較大。對(duì)井口壓縮機(jī)形成挑戰(zhàn)的主要是段塞狀兩相流(攜水量較小的流型對(duì)壓縮機(jī)不形成挑戰(zhàn)，全液柱工況一般用氣舉解決)。井口沒有污水處理?xiàng)l件，需要壓縮機(jī)上的排液裝置將其隨氣沿管線輸送至下游集氣站處理。對(duì)于目前的井口機(jī)，排液裝置一般由分離器和排液閥或泵組成，當(dāng)單股段塞流體量超過分離器容積時(shí)，液體來不及排出，設(shè)備就被迫停機(jī)[2]。

2.3 固態(tài)顆粒含量增高

在壓縮機(jī)抽吸作用下，部分井后期產(chǎn)出物中明顯地含有固體物，主要為完井時(shí)的壓裂沙及出液時(shí)帶出的地層泥沙，也有井產(chǎn)出粘稠狀結(jié)晶水合物[3]。對(duì)于后期煤層氣井，游離氣減少，氣源主要來自煤層的解吸；此時(shí)，煤粉含量增加。這些固體物會(huì)造成壓縮機(jī)內(nèi)密封件磨損、閥和過濾器塞堵等損害。

2.4 流壓降低

普通后期天然氣井，井口壓力低壓降快，在設(shè)備抽吸下，有氣田很快由2～3 MPa降到0.1～0.3 MPa[4]；而且為提高采收率，井口壓力最好能降至負(fù)壓。在外輸壓力相對(duì)穩(wěn)定的情況下，使得設(shè)備壓比升高：一般4～18。

對(duì)于煤層氣井，外輸壓力較低，一般為0.05～0.2 MPa，設(shè)備所需壓比不高；但后期解吸氣量隨氣藏壓力降低而急劇升高，負(fù)壓生產(chǎn)對(duì)提高采收率極具意義。

壓縮機(jī)在進(jìn)氣壓力為負(fù)時(shí)，會(huì)有空氣倒吸進(jìn)過流腔的危險(xiǎn)，目前各設(shè)備極少有真正能工作在負(fù)壓的。高壓比引起壓縮腔內(nèi)高溫升高，造成設(shè)備相關(guān)非金屬件損傷及壓縮效率降低。

3 壓縮機(jī)的適應(yīng)性分析

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的適應(yīng)

為適應(yīng)井口復(fù)雜流分，卡特開發(fā)了G3304系列井口專用發(fā)動(dòng)機(jī)，功率71～151 kW@1800 r/min；但對(duì)于國(guó)內(nèi)用戶成本高，備件供應(yīng)慢。國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)品牌未見有井口專用產(chǎn)品。

對(duì)此，為降低對(duì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的要求，建議對(duì)燃料氣，除脫水外，用成本較低的活性炭進(jìn)行脫重?zé)N處理[5]。研究表明，活性炭孔徑尺寸為被吸附分子直徑2倍時(shí)具有最佳的吸附性能[6]。C3～C5的分子直徑約為0.5 nm，據(jù)此，用孔徑尺寸為1 nm的活性炭應(yīng)可以脫附燃料氣中的重?zé)N組分。

對(duì)于載荷波動(dòng)較大的設(shè)備如往復(fù)式二拐壓縮機(jī)組，為避免燃?xì)饨M分變化與載荷波動(dòng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的疊加影響，除對(duì)燃料氣脫重?zé)N外，還可采用電動(dòng)機(jī)+發(fā)電機(jī)+直流濾波器的方式來隔離其載荷波動(dòng)。即，先用發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電，再用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，在電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)之間加入濾波裝置。原理是將載荷的波動(dòng)轉(zhuǎn)換為電流的波動(dòng)，再對(duì)電流濾波。但考慮到載荷波動(dòng)頻率接近工頻電，濾波最好在直流回路進(jìn)行。如圖1，在變頻器直流環(huán)節(jié)串入適當(dāng)容量的LC濾波器。

圖1 變流減波結(jié)構(gòu)原理

對(duì)于重組分烴對(duì)機(jī)組潤(rùn)滑油的污染，考慮到工藝氣屬于輸送介質(zhì)、體量大，應(yīng)采取兼容策略。建議使用無油、少油或水潤(rùn)滑壓縮機(jī)，如噴水單螺桿、液壓類機(jī)及井口專用的GASJACK[7]、GASHOG[8]、星旋[9]等新型設(shè)備。

3.2 對(duì)大體量水的適應(yīng)

對(duì)于大體量段塞流引起的停機(jī)問題，如果在每個(gè)井口設(shè)置大型分離器，則成本上升且利用率低(因段塞流的出現(xiàn)具有不確定性)。

為解決此矛盾，近年來，出現(xiàn)了一系列氣液混輸設(shè)備，如同步回轉(zhuǎn)、齊達(dá)康液壓機(jī)等。但液體輸送與氣體增壓在對(duì)設(shè)備的需求上存在本質(zhì)性的矛盾。前者兼于介質(zhì)不可壓縮，常用泵來完成，其耗功曲線在PV圖上呈矩形；而后者介質(zhì)可壓縮，常用壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)，其耗功曲線在PV圖上呈類梯形。即泵在流程上無內(nèi)壓縮過程而壓縮機(jī)卻有；相同工況下，處理同樣標(biāo)準(zhǔn)體積的介質(zhì)，泵比壓縮機(jī)耗功大。另外，氣、液密度相差很大，由流體力學(xué)可知，當(dāng)液體流經(jīng)壓縮機(jī)進(jìn)排氣閥時(shí)，會(huì)產(chǎn)生巨大壓損。綜上所述，為解決井中產(chǎn)出的大量液體，若采取氣液混輸?shù)募嫒菪运悸?，無論是將泵做壓縮機(jī)用還是將壓縮機(jī)作泵用，都會(huì)造成能源浪費(fèi)、成本增加。因此，建議還是優(yōu)先采取先分離再混合的思路，即先在壓縮機(jī)入口通過分離裝置將液體分離，壓縮機(jī)專司氣體增壓，再另配一臺(tái)小功率的排液泵，在需要時(shí)開機(jī)，將分離出的液體泵至壓縮機(jī)的出口，隨高壓氣一同外輸。

本文提出如圖2旁通排水方案。從井場(chǎng)安全性考慮，排液泵選用了液驅(qū)。井口氣經(jīng)分離罐分離后，通過三通閥A進(jìn)入壓縮機(jī)，增壓后排向下游。正常工作狀態(tài)下，閥A、閥C得氣，分離罐和壓縮機(jī)連通，排液泵處關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)分離罐內(nèi)液位達(dá)到一定高度，觸發(fā)浮子開關(guān)后，閥A失氣，關(guān)閉分離罐與壓縮機(jī)之間的通道，打開壓縮機(jī)旁通通道，壓縮機(jī)開始內(nèi)循環(huán)；同時(shí)，閥B得氣，打開排液通道，閥C失氣，液壓油流入排液泵，排液泵開始工作，將液體壓至下游排氣管線。排液完畢后，浮子開關(guān)恢位，各閥隨之復(fù)位，壓縮機(jī)恢復(fù)增壓狀態(tài)。

圖2 旁通排水方案

此案優(yōu)勢(shì)是對(duì)段塞流體量的兼容能力不受限于分離罐(含延伸罐)的容積。

3.3 對(duì)固態(tài)物的適應(yīng)

考慮到前述固態(tài)物含量一般較小，若為此增加專門的除沙、水合物裝置，則成本升高，建議優(yōu)先采取兼容性策略。

對(duì)于普通天然氣井，提出如圖3柔性串聯(lián)缸方案。大概分為液壓驅(qū)動(dòng)、壓縮和工藝氣處理3個(gè)部分。壓縮部分由2個(gè)豎直布置但串聯(lián)在一起的單作用氣缸組成；兩缸并非通過一個(gè)活塞桿直接串聯(lián)，而是通過一個(gè)液壓同步模塊將置于氣缸背腔內(nèi)的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)液壓缸連通。該模塊確保兩液壓缸有桿腔內(nèi)的油量恒定，實(shí)現(xiàn)兩缸柔性串聯(lián)。工藝氣處理部分有將冷卻水回流至氣缸壓縮腔。

此案：活塞為豎立柱塞結(jié)構(gòu)，密封件設(shè)計(jì)在氣缸壁上，進(jìn)入氣缸的固體顆粒及液體下沉，通過V形截面氣閥排出。V形截面的閥片使固體顆粒難以滯留其上，缸體上的密封件也不易被磨損，從而兼容了介質(zhì)中的固態(tài)物。另外，壓縮缸內(nèi)封閉，不與大氣相鄰，能適應(yīng)負(fù)壓工況；回水冷卻能使設(shè)備適應(yīng)較大的壓比。

圖3 柔性串聯(lián)缸方案

對(duì)于煤層氣井，考慮到其外輸壓力低，效率屬于次要問題，但負(fù)壓抽吸又極具意義。建議采用彈性轉(zhuǎn)子泵作為橇裝機(jī)頭來解決。根據(jù)最新試驗(yàn)，此案取得較好效果。泵頭結(jié)構(gòu)原理如圖4。

安裝在2根平行軸上的一對(duì)轉(zhuǎn)子與工作腔形成密封腔體。通過一對(duì)同步齒輪帶動(dòng)2個(gè)轉(zhuǎn)子同步反向轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生容積的連續(xù)位移，填充在腔體內(nèi)的介質(zhì)被不斷從一端推向另一端，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)的泵送。其轉(zhuǎn)子應(yīng)用彈性材料，可與泵腔形成無間隙配合，能適應(yīng)微細(xì)煤粉。在過流腔體與傳動(dòng)齒輪腔之間設(shè)有隔離腔，隔離腔與過流腔由機(jī)械密封隔離，過流腔內(nèi)可有一定的真空度。與齒輪腔不同，隔離腔內(nèi)的潤(rùn)滑油在正常狀態(tài)下始終處于充滿狀態(tài)，然后再通大氣；當(dāng)過流腔工作在負(fù)壓時(shí)，若機(jī)械密封有泄漏，則隔離腔內(nèi)的潤(rùn)滑油會(huì)首先被吸走，腔內(nèi)液位下降，觸發(fā)檢測(cè)系統(tǒng)報(bào)警，確保不會(huì)有空氣進(jìn)入工藝氣。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣藏的負(fù)壓開采。

3.4 對(duì)負(fù)壓與高壓比的適應(yīng)

對(duì)于要求負(fù)壓和高壓比，但沒有固態(tài)物的工況，可通過圖5高壓液循環(huán)方案實(shí)現(xiàn)。其由特制填料封、使用V形氣閥的氣缸組件及冷卻回路構(gòu)成。將壓力較高的冷卻液(如防凍液)先引入填料封，再經(jīng)單向閥進(jìn)入氣缸。由于填料封內(nèi)壓力始終高于外部大氣壓力，所以不會(huì)有空氣從活塞桿處泄入氣缸內(nèi)，無論其內(nèi)部壓力多低。進(jìn)入氣缸的高壓液冷卻由高壓比帶來的高溫。氣液混合物通過具有抗液擊功能的V形閥片氣閥依次進(jìn)入分離器、冷卻器后，氣體排出，液體由泵抽走循環(huán)使用。當(dāng)工況只有負(fù)壓并無高壓比時(shí)，可去除分離環(huán)節(jié)，只使少量高壓潤(rùn)滑油經(jīng)過填料封泵入氣缸即可。

圖4 轉(zhuǎn)子泵結(jié)構(gòu)原理

圖5 高壓液循環(huán)方案

4 總結(jié)

后期井口氣呈現(xiàn)：重?zé)N、水及固態(tài)物含量升高，壓力及產(chǎn)量降低的“三高兩低”工況(不一定每口井都具有所有特征)。為提高氣藏采收率，井口壓縮機(jī)必須進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料氣進(jìn)行脫重組分烴處理，對(duì)大的載荷波動(dòng)通過變流濾波進(jìn)行削減；對(duì)工藝氣中的重?zé)N、少量固態(tài)顆粒通過選擇適當(dāng)機(jī)頭與設(shè)計(jì)改進(jìn)進(jìn)行兼容；對(duì)大體量液體采取先分再合、機(jī)頭旁通的方案；對(duì)負(fù)壓及高壓比，采取氣-空連接處高壓封堵與回流冷卻的解決思路。但兼于氣井的復(fù)雜性及作者認(rèn)知的局限性，所做分析并不能涵蓋井口壓縮機(jī)所面臨的所有問題，所提方案也只為參考性概論。