天然气压缩机在排水采气中的应用
摘要
分析了排水采气特殊的工况条件及其对压缩机性能的影响，对压缩机的性能提出了特殊的要求。为充分发挥压缩机在排水采气生产中的作用，对比国内外压缩机发展现状，系统分析了整体式和分体式天然气压缩机组在气田开发生产中的适应性，对充分发挥天然气压缩机效率，降低生产成本，提高低压、有水气藏采收率和增产挖潜效果具有重要的指导意义。
1 引言
21世纪，石油和天然气仍是世界重要的能源。天然气消费的增长速度将会大幅度增长，其在世界 能源构成中的比例将可达到45%，而我国天然气在能源结构中的比例仅占2.5%，与世界能源结构的先进水平相比差距很大。我国天然气工业急待迅速发展，要缩小我国与世界能源结构先进水平的差距，需增大天然气的开采力度，一是要加快天然气勘探、开发的速度，二是要提高低压气井的产量，特别是低压、有水气藏的开发，需努力提高采收率。随着气田采出程度的提高，气藏能量降低，相 当一部分气井逐渐进入中晚期开采阶段，低压、产水气井呈逐年增长的趋势，更多的气井难以自喷带水生产，气藏水淹停产比例越来越大，很大一部分 天然气储量处于有水气藏中而无法得以开采，气藏采收率和产能大幅降低，需采取工艺措施提高井筒内气液流速、开展排水采气方能恢复和提高气井产能，其中，通过气举和增压降低井口生产压力恢复气井生产是非常重要的、显著的增产工艺技术，而天然气压缩机是实现气举和增压的重要手段和主力工艺设备，可有效提高低压气藏和有水气藏采收率。
2 天然气压缩机气举和增压开采是最有效 的排水采气工艺技术
2.1 气举增产效果显著
气举排水采气工艺是借助天然气压缩机或外来高压气源，将高压天然气注入井筒，降低井内注气点至井口压力梯度，从而降低井底回压，增大生产压差，同时提高气液的流速，增加天然气的携液能力，排出井底积液，使水淹井复活，实现连续或间歇生产的机械排水采气工艺。而在高压气源井缺乏 的区域，天然气压缩机是实施气举工艺的必备装备。四川气田自1978年在威40井率先开展机抽排水采气工艺以来，经过20多年来的试验、改进和发展，形成了泡排、优选管柱、气举、机抽、电潜泵、射流泵等多套有水气藏排水采气工艺，在多年
的开发生产中取得了良好的应用效果，累计开展排水采气工艺措施近3700井次，增产天然气近100X108m3。其中，气举工艺具有工艺简单、操作方便、易于管理、适应范围广、效果显著的特点，并
能充分利用地层能量，可实现复产后的自喷生产，有利于节约开采成本，累计开展气举工艺排水采气近1300井次，增产天然气近50X108m3，占工艺
措施增产气量的50%以上，其增产效果最为显著，详见表1。而采用天然气压缩机实施气举排水采气则是使用最多、最广泛的、最有效的工艺手段。
2.2 增压开采挖潜效果突出
增压开采是借助机械设备(主要是天然气压缩机)过一定的机械能转换和热力变化过程，增
加天然气的压能，使低压天然气成为高压天然气，从而可降低气井井口生产压力，提高带液能力，实现气井连续自喷带水生产，达到增产挖潜的目的。增压开采工艺技术在新老气田的开发过程中得到广泛的应用，已获得显著的增产挖潜效果。
表 1 各项排水采气工艺增产情况表
四川气田从1980年开展增压开采以来，累计开展1621井次，增产天然气69.5X108m3，因此，推广应用好天然气压缩机增压开采技术，对低压老气田挖潜生产，提高低压气藏采收率具有重要的意义。
3 排水采气对压缩机的要求
(1)由于各气井的地层压力、气量、水量和生产压力不一样，气举和增压开采时所要求的功率各不相同，从目前在用气举压缩机看，功率范围为100~2000kW，四川气田气举压缩机功率范围为100~300kW，这就要求压缩机要有多种规格的系列产品，以供选择。
(2)随着气田天然气不断开采，气田的产量和压力将逐渐降低，集输干线的压力随用气量的波动，要使压缩机能在变化的进、排气压力条件下正常工作，要求气举和增压开采压缩机必须具有较强的变工况适应能力。
(3)由于气井位置分散，多数位于边远山区，不仅交通不便，供水、供电系统多不完善，且环境条件差异很大，这就要求压缩机整体搬安装方便、不需要接水和电、运行可靠、操作简便，能实现无人值守。
(4)天然气在温度、压力条件变化时会析出凝析水，稀释和污染压缩机润滑油，使机械零件加速磨损，以至其它更严重的运行事故，因此要求压缩机配置可靠的高精度液体分离器。
(5)天然气为易燃、易爆气体，这就要求压缩机必须具有防火、防爆特性及良好的密封措施。
(6)有的天然气含H2S和CO2，压缩机必须根据天然气这种特种介质而设计，从结构、选材、加
工工艺上必须满足抗H2S和CO2腐蚀的要求。
(7)气举排水采气和增压开采要求压缩机运转具有高度的连续性，除必要的计划停机检修外，压缩机必须不间断连续正常运行。
4 工况变化对压缩机性能的影响
在排水采气过程中，压缩机的吸气压力、吸气温度、排气压力都将随气举井的气举压力、排出气
液比而变化，使机组实际运行点偏离设计工况，从而影响压缩机性能。
4.1进气压力改变
压缩机进气压力减小，活塞完成一个循环所吸入的气体体积折算到标准状况下的流量就随着减少。此外，当进气压力降低而排气压力不变时，压比升高，使容积系数下降，排气量降低。对于单级压缩机，这种影响较大。由于多级压缩机压比的升
高要分摊到各级去，因而，主要体现在末级压比升高上，容积系数下降，末级吸气压力也相应回升，依次影响到前面级压比回升，致使I级容积系数也有所下降，使机器排气量下降。如果进气压力降至设计值以下，而排气压力不变，压比的增加将导致活塞杆负荷的增加，这时应该校核活塞杆负荷是否超过最大允许杆载。另外压比的增加还将导致排气
温度升高。
当进气压力改变时，功率也发生变化。当压缩机的设计压比大于1.1(k+1)时(k为绝对指数)，由于进气压力和进气量降低所减少的功率超过压比上升所增加的功率，所以功率减少。当设计压比小于1.1(k+1)时，则进气压力下降，功耗上升。当进气压力提高，排气压力不变时，排量和功率都呈增大趋势，此时要特别注意机组超负荷。
4.2排气压力改变
如果进气压力不变，而排气压力增加，则压比上升，容积系数减少、排气量减少，反之若排气压力下降，则容积系数增加、排气量增加。按一般规律，当压力每变化0.176MPa时，则排气量反向变化1%。对于单级压缩机，影响较明显，对于多级压缩机，升高或降低排气压力，主要升高末级压比，末级压比升高、排气压力增加，功耗增加、排温升高，反之亦然。一般来讲，当压力每变化0.007MPa时，功率随之变化0.5%。
4.3吸气温度的变化
当吸气温度升高，排气温度增加，而排气量下降。功率在单级压缩机中与吸气温度无关，但在多级压缩中，各级吸气温度的变化，意味着气体回冷完善程度的变化，不完善冷却，使过程偏离等温压缩，功率随着增加。
4.4余隙容积的变化
改变I级的余隙容积，若使之增大，I级压比下降，末级压比上升，排气量减少;I级和其余中间级的排气温度均按比例下降，但末级排气温度上升。若减少I级余隙容积，排气量增大。当增加中间级的余隙容积时，该级的排气温度下降，而前一级排气温度上升，且间接影响其它级的排气量。按比例改变所有级的余隙容积，排气量减少，功率将随排气量成比例的变化，若只改变某一级的余隙容积，功率将不随排气量成比例的变化，也就是说功 率变化大，排气量变化小。
5 天然气压缩机国内外水平及发展概况
国外用于天然气增压和气举压缩机产品系列发展比较完善，已形成各具风格与特色的系列，可满足各种工艺条件的要求，且普遍采用安装基座及橇装结构，便于安装和拆迁。同时国外也十分重视可靠性和自动化控制方面的研究。欧美及日本政府制定了压缩机耗能指标及运转法规，作为排水采气和增压开采的心脏设备的压缩机，必须有较高的可靠性，一般以年运转率表示，按每年运行小时数除以每年日历小时数(每年按8760h计)。目前国外天然气增压和气举往复活塞式压缩机年运转率最低94%，最高100%;在结构设计上，国外应用计算机可以对几种压缩机结构进行分析和比较，并能充分依据选定的最佳结构方案;与此同时配备完善的自动控制和保护装置，多为无人操作和远距离控制，并对压缩机运行事故进行诊断与预测。国外各油气田和国内油气田所使用的压缩机中，多由美国库伯工业公司、Ariel公司、英格索兰-兰德公司、环美德拉沃公司、奥地利LMF等公司提供。尤其是库伯公司，能提供7~2700kW动力范围的任一种压缩机设备。有整体摩托式，柴油和燃气发动机，燃气轮机、电动机等多种型式的动力配套，供用户选用。从1982年至今，全国已引进美国库伯公司DPC整体式天然气发动机-压缩机组和MH分体式天然气压缩机组120余台， 用于天然气增压和气举。
国内天然气压缩机的开发是在其它类型产品的间隙中发展起来的，绝大部分是空气压缩机的改型、变形产品，但都不很成功。因为国内天然气压 缩机的设计没有充分考虑天然气的特殊性，因此在产品品种、数量、性能(包括易损件寿命、振动、 噪音、可靠性、配件互换性、变工况适应性等)成套水平、交货期和售后服务上存在着一定差距，具体表现在以下几个方面:
(1)国内目前生产天然气压缩机的厂家，均未 建立完整的试验台，无法在厂内以天然气介质进行性能试验，有的厂家交付试验以空气为介质，因而与实际工况相差甚远。
(2)对增压和气举的工艺要求了解不多，产品可靠性差。一是设计不尽完善，制造水平低，压缩介质带液严重，级间分离效果差;二是材质选用不当。由于CO2、H2S的腐蚀，气缸、活塞、气阀、活塞环在极短的时间内就损坏。
(3)漏气、漏油、漏水较为严重。
(4)产品不成系列，动力配套单一，缺乏标准 化、系列化的设计思想，加之油气田较为分散，特别是四川地区油气田，且各油气田压力差别很大，因而没有更多的产品供用户选择。
(5)国产天然气压缩机自动化控制系统的控制 水平低，项目少，加上控制元件质量差，因而灵敏度差，不可靠，最终导致压缩机工作不正常，客户意见大。
国内北京第一通用机械厂，柳州空压机厂生产ZD12系列，P型和4L型石油气电动压缩机用于油田气的集输，轻油回收，原油稳产等。湖北江汉石油管理局第三机械厂生产RDS系列分体式压缩机(动力有电动和燃气发动机)用于燃气增压。四川简阳华西通用机器公司生产M1、M2等燃气摩托压缩机，80年代有几十台在新疆和四川油气田使用。四川石油管理局成都压缩机厂(原资中机械厂)根据天然气工业的发展和国内天然气压缩机的现状，凭着丰富的发动机设计和制造经验及进口压缩机大修经验，充分分析了国产天然气压缩机所存在的问题，吸取国外压缩机的先进技术，从1992年开始，陆续开发出ZTY系列天然气发动机-压缩机组，至今已生产200余台，广泛应用于全国各 大矿区油田。
随着天然气工业的发展，在集气外输、油气加 工、排水采气等均需大量性能优越、运行可靠、自动化控制程度高的天然气压缩机。那么，国内天然气压缩机的开发，老产品的改造换新宜从以下几方面着手:
(1)加强天然气压缩机可靠性的研究，采用优化设计和可靠性设计准则，将数字模拟与数字分析理论应用于设计工作。 (2)发挥引进技术的作用，替代进口机，减缓 引进势头。
(3)标准化、系列化设计，采用国外先进的积木式设计方法，以缩短系列产品的设计周期，使有更多的规格品种供客户选择。
(4)建立健全完善的售后服务体系，有条不紊的为客户提供订货、发货、安装调试、用户访问、信息反馈、维修等一条龙服务，取信于客户，提高客户的信任感，增强与国外产品竞争的能力。
(5)外引内联，加速内部改造，抓管理，要质量，上品种，拓市场增效益，拿出用户满意的产 品。
6 排水采气压缩机的选型
由于排水采气的井压力变化幅度大，所需的工 作压力大都在10MPa以上，属高压压缩机。因而排水采气用压缩机宜采用往复活塞式，因为往复活塞压缩机的以下特点能满足排水采气的工艺要求:
(1)往复活塞压缩机压力范围最广，从低压到超高压都适用。目前使用的压力范围一般为0.2~35MPa，最高压力可达700MPa。
(2)效率高。由于工作原理不同，活塞压缩机比离心式效率高得多。而回转式压缩机由于高速气流阻力损失和气体内泄漏等原因，效率亦较低。
(3)适应性强。活塞压缩机的排气量可在较广泛的范围内进行选择，特别是在较小排气量的情况下，要做成速度型，往往很困难，甚至是不可能的。
需排水采气的井多数地处边远山区，环境条件恶劣。因此压缩机应符合使用条件，满足工艺、工况要求，排量、压比调节方便，可靠性好、耐用性好、寿命长且功率有一定储备，连续工作能力强。对于气田作业相对固定，时间较长的井站，宜选用整体式天然气发动机-压缩机组;对于间隙作业的气井可选用车载分体式压缩机。这两种机型的技术特点如下:
6.1整体式天然气发动机-压缩机组技术特点
整体式天然气发动机-压缩机组又称整体式燃气摩托压缩机组，该机组系由燃用天然气的数只动力缸和压缩天然气的数只压缩缸通过共用机身，共用曲轴构成的撬装有机整体，不需外接主电源和水源，其冷却、润滑、点火、自控等系统无需外界提供动力。该系列机组功率范围为45~630kW，额定转速360~440min，排气压力最高可达35MPa，可满足各种排水采气井的工况要求，具有如下特点:
(1)该机组二冲程燃气发动机是根据DEMA标准，按低速重载而设计，标定功率和转速即为长期连续运行的功率和转速，该机组已经历了新疆沙漠高温环境(45。C)和四川高含硫天然气的严峻考验。
(2)发动机结构简单，没有四冲程发动机的热负荷很重的排气门，摇臂挺杆，凸轮和定时机构及联轴器等，安装调整方便，长年运行维护成本低。
(3)机组转速低，各机械负荷轻，磨损件和机械寿命长，不存在进厂大修，只有5、6年后的现场大检修。
(4)燃料适应能力强。由于机组特殊的空燃比调节系统，能适应燃气的低热值是16200~46000kJ/Nm3，可以使用各种热值的天然气。
(5)润滑系统简单可靠。机组的主轴承、连杆轴承、十字头采用飞溅润滑，而动力缸内采用强制润滑，与一般发动机润滑方式刚好相反，加之机身油池独特的密封系统，燃烧后的废气无泄漏到油池的可能，润滑油的使用寿命可达5000h以上，而一般发动机只有1500~2000h。
(6)仪表控制系统自动化程度高。既可就地控制，也可远传，有完整的故障诊断和报警系统，保证压缩机可靠安全的运行。
(7)机组变工况适应能力强，气量可由转速调节、压缩缸余隙调节、压缩缸单双作用及压缩缸串并联等方式调节。可以保证在排水采气过程中对排量、负荷、温度等运行参数进行调整，以满足现场环境条件，工况条件等的特定要求。
(8)该机组发动机特性曲线是直线，最低负荷转速是标定转速的60%，最低负荷扭矩是标定扭矩的60%。那么最低负荷功率仅为标定功率的36%，可以保证压缩机的小排量运行。
6.2车载分体式压缩机特点
车载分体式压缩机是中高速压缩机通过联轴器与柴油或燃气发动机连接，布置安装于汽车上，成为移动间隙作业的排水采气压缩机组，具有如下特点:
(1)该机组转速高，操作维修技术要求高，但易于操作和管理。
(2)车载式压缩机具有灵活、机动性强、战斗力强、使用效率高的特点。车载式压缩机搬安方便、快捷，不用专门征用土地和场站，可随时进行施工作业，很快投入运行。对一些具有一定地层能量，通过替喷排液能自喷生产的气井，可通过车载式压缩机进行气举复产，既有利于生产，也有利于降低生产成本、并提高设备利用率;停机时可进行保养，动力机和压缩机可整体拆卸倒换维修，并进入车库管理。
(3)车载式压缩机适用性强，适用于各类气水同产井的气举作业，既可用于气举作业，又可用于增压，对一些气井是否需进行单井增压和方案优选前，可先采用车载式压缩机进行试增压试验，验证气井产气能力，以便于后续工艺优选及设备造型。
(4)采取车载式压缩机气举作为气水井前期试排水工艺措施，进行探索性气举，为其它工艺的开展或后期生产方案的制定提供可靠的依据，以减少盲目投资。因地质构造的复杂性，一些气水井前期出水特征尚不清楚，可利用车载式压缩机灵活、机动的特点，且施工作业一次费用较低，采用车载式压缩机气举试排水，摸清其出水规律，为下步开采方案的制定和投资提供可靠的依据，从而减少因开采方案不配套而造成的盲目投资。
7 ZTY系列整体式天然气压缩机在中国油 气田的应用
成都天然气压缩机厂ZTY系列整体式天然气压缩机功率范围85~630kW，划分为9个功率级(表2)，系列机组吸气压力范围0.2~4.5MPa，最高排气压力已达35MPa，最高单级压力比达5.9，压缩缸缸径范围4~28”。在某一额定功率下，根据用户的实际吸、排气压力及气量，通过选型、配套设计可构成高、中、低压多品种压缩机组，满足不同地域、不同工艺油气田用整体式天然气压缩机的需求。
表 2 ZTY系列整体式天然气压缩机组型号及主要性能参数
经过10余年发展，目前，在四川的蜀南、川东、川中、川西北，贵州的赤水，青海的南翼山、涩北，东北吉林、长春，新疆的牙哈、塔西南、漠北、陆梁、乌而禾等地已有170余台套ZTY系列整体式压缩机在安全运行。
安装于西南油气田分公司蜀南气矿包33井的ZTY265-13#机组和型号为ZTY265H7-1/2x4的高压机组，从1997年5月启用投入生产，运行稳定，尤其在2000年，全年开机运行累计达8692小时，运行率高达99.2%，而我国在用的进口同类机型最高年运行率为98%，新疆塔里木油田分公司牙哈集中处理站安装有五台ZTY265机组，其中3台ZTY265MH5-3/4x5-3/4机组用于中压气增压，两台ZTY265ML15x10-1/2机组用于原油稳定气增压，于2000年11月投产至今，平均累计年运行8500~8590h，运行率达97%以上;滇黔桂油田分公司贵州石油天然气开发公司现有ZTY265机11台，整体运行良好，性能可靠，能在野外恶劣条件下连续生产，其中太4井的9408#机组从1995年6月启用，截至2002年12月，已累计运行59000h以上，年均运行率达97.9%;克拉马依漠北增压站有两台进口DPC2803机组和一台成都天然气压缩机厂生产的ZTY470机组，在同样的运行工况条件下，ZTY470机组在排气温度、排气压力、排气量均达到了设计要求，其质量、稳定性、可靠性达到了国外同类机型的水平。
长期使用实践表明:ZTY系列整体式天然气压缩机性能优良、运转平稳，易于操作维修，故障少，寿命长，可靠性高，经受了高含硫天然气和沙漠高温等恶劣环境考验，能完全满足气田气举等排水采气开发生产的需要。随着西气东输的深入实施，ZTY系列整体式压缩机必将在油气生产的各个环节得到更广泛的应用，为我国石油天然气工业的发展作出更大的贡献。
8 结论
(1)天然气压缩机气举和增压开采是最有效的排水采气工艺技术，增产效果最为显著。(2)排水采气变工况的使用环境和条件，要求天然气压缩机具有能广泛适应于气田不同生产环境要求的变工况特征，而且性能高、能连续运转、可靠性好、安装操作简便。
(3)整体式压缩机用于需长期作业的气井气举排水采气和增压开采等。车载式压缩机用于具有一定能量的气井通过短时间作业可替喷复产和后续工艺措施前的先导性试验作业，有利于降低生产成本和为开发投资提供可靠依据。
(4)ZTY系列整体式天然气压缩机性能优良，能完全满足高含硫气田和恶劣环境条件下增压开采、气举排水采气等开发生产的需要。
转载自《压缩机技术》2006年第4期(总第198期)
中图分类号:TH457文献标识码:B
作者：刘虎1，李川东2，李德禄1，林宁2，秦飞虎1，武喜怀3，杨金1 (1 四川石油管理局成都天然气压缩机厂，四川成都610100; 2 西南油气田分公司，四川成都610051; 3 长庆石油勘探局油气技术综合服务处，宁夏银川750006)