壓縮機降壓采氣系統(tǒng)壓損分析與適應性研究

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銷廠，河南 濮陽 457061；2.中國石化中原油田分公司技術監(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，轉為定井口壓力生產，直至產量逐步遞減到經濟極限產量時停采。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，可以增加多少經濟可采儲量。

式中：ΔNp為經濟可采儲量增量，104m3；R為氣藏彈性產率，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生的地層壓力降，必須結合產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階段后，氣井產能會逐漸遞減。但即便不實施降壓采氣，在產量降至經濟極限產量之前，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系，因此，降壓采氣起始地層壓力應以氣井產能遞減趨勢預測為基礎。把產量遞減至經濟極限產量Qe1時所對應的地層壓力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，對于產液氣井，因為井筒臨界攜液氣量的影響[13]，在氣井產量遞減至經濟極限產量Qe1之前，當產量低于臨界攜液氣量時，氣井即不能正常生產。因此，應將降壓前的井筒臨界攜液氣量，看作降壓前的經濟極限產量Qe1，對應的地層壓力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，使得氣井經濟生產時間得以延長。當氣井產量降低至降壓采氣工藝下的經濟極限產量Qe2時，降壓采氣失效，此時所對應的地層壓力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，天然氣生產成本隨之增加。在氣價不變的情況下，不產液氣井降壓采氣后的經濟極限產量Qe2高于降壓采氣前的經濟極限產量Qe1。

對于產液氣井，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)產能遞減預測，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濟極限產量，應該把降壓后的井筒臨界攜液氣量，作為降壓后的經濟極限產量，對應的地層壓力，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幅度也有區(qū)別。以地層滲流過程為例，假設降壓起始地層壓力pr1為9 MPa，起始井底流壓pwf1為6 MPa。

3.3.1 不產液氣井降壓效果分析

設 K=Qe2/Qe1，式（2）中 n 取 0.7。 由式（2）可得

為方便計算分析，假設K為1.1，代入式（7），預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，結果見表1。

表1 不產液井降壓效果預測

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、后經濟極限產量變化的影響，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將更弱。

3.3.2 產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濟極限產量，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 產液井降壓采氣效果預測

可以看出：隨著pwf2的降低，盡管降壓采氣失效地層壓力pr2也相應降低，但因井筒臨界攜液氣量隨壓力下降而降低，所以產液氣井的降壓采氣失效地層壓力降與不產液氣井存在鮮明的區(qū)別，具體表現(xiàn)在：1）產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，從經濟技術綜合分析上講，卻并非如此，這是因為：1）對不產液氣井，井底壓降在地層的響應越來越弱，過度降壓意義不大；2）對產液氣井，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，單位氣量的生產運行成本越高，經濟效益將變差；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)，將造成設備投入的大幅增加，同樣預示著降壓開發(fā)投入產出指標的變差。

因此，從經濟技術方面綜合考慮，不論氣井是否產液，降壓采氣的降壓幅度均不是越大越好，應根據(jù)降壓開發(fā)效果預測和經濟評價結果，進行綜合論證確定。

4 地層滲透性與降壓采氣的適應性

地層滲透性越差，相同產量下的生產壓差越大，降壓采氣起始地層壓力就越高。假設：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。

對于不產液氣井，降壓采氣經濟極限產量比（K值）取1.1。計算結果見表3。

表3 不產液氣井不同起始地層壓力降壓效果預測

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

表4 產液氣井不同起始地層壓力降壓效果預測

由表3可以看出：對不產液氣井，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濟極限產量高，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，平均產量只增加了2.66%，但產液明顯的井效果較好，最高的文69-7井增產達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，不產液井井底流壓平均降低0.31 MPa，產液井井底流壓平均降低1.01 MPa，所有井平均產量增加12.37%，產液井增產效果好于不產液井。

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、是否產液有密切關系。

6 結論

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）應結合氣井是否產液，以經濟極限產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，但綜合考慮設備投資和生產運行成本，苛求極限降壓沒有必要。

4）地層滲透性越好，不產液氣井降壓采氣效果越好；地層滲透性越差，產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率大、高滲不產液或低滲產液的氣藏。

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

[2]禹繼貧.鄧井關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在氣田開發(fā)后期的應用[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)產技術[J].內蒙古石油化工，2013，39（14）：89-91.

[6]孫曉群.文23氣田降壓采氣技術可行性分析[J].石油規(guī)劃設計，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研究[J].內蒙古石油化工，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.