压缩机降压采气系统压损分析与适应性研究

耿新中，刘学凯，张文娟，娄乐勤，青聪

（1.中国石化中原油田分公司天然气产销厂，河南 濮阳 457061；2.中国石化中原油田分公司技术监测中心，河南 濮阳 457001；3.中国石化中原油田分公司采油五厂，河南 濮阳 457001）

1 降压采气基本原理

气田开发早期，通常利用气井较高的井口压力实施高压集输。当井口压力降低到外输系统回压时，转为定井口压力生产，直至产量逐步递减到经济极限产量时停采。此时，往往还有大量的剩余储量未采出，因此，在气田开发中后期，一般都要考虑实施降压采气[1-7]。

降压采气，就是通过改变供气流向降低外输回压，或者通过增压系统抽吸降低井口回压提高天然气采收率的工艺方法。压缩机降压采气也称为负压采气或增压采气[1-3，8-11]。 因为建设增压系统投资较大，降压采气是否可行，取决于实施系统抽吸降压后，可以增加多少经济可采储量。

式中：ΔNp为经济可采储量增量，104m3；R为气藏弹性产率，104m3/MPa；Δpr为地层压力降，MPa。

根据式（1），降压采气主要适用于弹性产率较高的气藏。对于具体气藏，主要取决于可以形成多大的地层压力降。

2 系统压损变化特征

按照增压系统设置节点，可将降压采气分为单井、集气站、区块集中降压这3种情况。因为实施降压采气时，单井产量一般都较低，通常采取集气站或区块集中降压采气。

以区块集中降压采气为例，天然气流程一般为：地层渗流→井筒管流→集气支线管流→集气站→集气干线管流→压缩机。沿程主要流动压力损失如下[12]。

地层渗流：

井筒管流：

地面管流：

式中：Q 为气井产量，104m3/d； pwf，pwh，ps分别为井底流压、井口流压、末端分离压力，MPa；f为摩阻系数；为平均温度，K；为天然气平均偏差因子；γg为气体相对密度；D为管线内径，m；H为油管下深，m；L为管线长度，m；n 为指数；A，B，a，b，c 为系数。

由式（2）—（4）可以看出，因为气体的可压缩性，从地层到压缩机入口的整个流程中，天然气沿程流动压力损失均是各节点之间压力的平方差关系，而不是数学差。不论地面管流、井筒管流，还是地层渗流，均有系统压力越小、沿程流动压力损失越大的特点。相同流量下，降压后的流动压力损失比降压前大。

以地层渗流过程为例，由式（2）可得

式（5）可变形为

式中：下标1，2分别表示降压前、后。

因为增压系统降低的是集气压力，所以论证降压采气时，不能简单地把压缩机进出口压差作为降压采气可能产生的地层压力降，必须结合产能和沿程流动压力损失分析，对降压后形成的地层压力降进行系统的计算预测。

3 降压参数的确定与优化

3.1 降压采气起始地层压力

进入定井口压力生产阶段后，气井产能会逐渐递减。但即便不实施降压采气，在产量降至经济极限产量之前，仍然能够采出一部分气量，这部分气量与降压采气实施与否没有关系，因此，降压采气起始地层压力应以气井产能递减趋势预测为基础。把产量递减至经济极限产量Qe1时所对应的地层压力pr1，作为降压采气起始地层压力，否则，将造成降压采气效果预测夸大、决策失误和项目后评估的失实。

需要注意的是，对于产液气井，因为井筒临界携液气量的影响[13]，在气井产量递减至经济极限产量Qe1之前，当产量低于临界携液气量时，气井即不能正常生产。因此，应将降压前的井筒临界携液气量，看作降压前的经济极限产量Qe1，对应的地层压力pr1即为降压采气起始地层压力。

3.2 降压采气失效地层压力

实施降压采气后，形成了生产压差进一步扩大和地层压力进一步降低的空间，使得气井经济生产时间得以延长。当气井产量降低至降压采气工艺下的经济极限产量Qe2时，降压采气失效，此时所对应的地层压力pr2，即为降压采气失效地层压力。

需要说明的是，实施降压采气后，因为增压设备流程系统投资折旧和运行费用增加的影响，天然气生产成本随之增加。在气价不变的情况下，不产液气井降压采气后的经济极限产量Qe2高于降压采气前的经济极限产量Qe1。

对于产液气井，由式（6）可知，因为压力的降低，降压后的井筒临界携液气量，会明显小于降压前的井筒临界携液气量。根据产能递减预测，如果降压采气末期气井的井筒临界携液气量高于降压采气工艺下的经济极限产量，应该把降压后的井筒临界携液气量，作为降压后的经济极限产量，对应的地层压力，作为降压采气失效地层压力。

3.3 压缩机进口压力

因为气井降压生产系统各节点的压力与压缩机进口压力并非同步下降，因此压缩机进口单位压降在地层中的响应幅度也有区别。以地层渗流过程为例，假设降压起始地层压力pr1为9 MPa，起始井底流压pwf1为6 MPa。

3.3.1 不产液气井降压效果分析

设 K=Qe2/Qe1，式（2）中 n 取 0.7。 由式（2）可得

为方便计算分析，假设K为1.1，代入式（7），预测降压后不同井底流压下（pwf2分别取值 5，4，3，2，1 MPa）的降压采气效果，结果见表1。

表1 不产液井降压效果预测

可以看出：随着pwf2的降低，降压采气失效地层压力pr2虽然相应降低，但却表现出几个特点：1）降压采气形成的地层压力降Δpr明显小于井底流压降Δpwf。2）因为Qe2＞Qe1，受降压前、后经济极限产量变化的影响，当Δpwf较小时，Δpr反而更小，说明小幅度的降压作用不大。3）随着pwf2的降低，Δpr的增量越来越小，显示井底降压效果在地层中的响应越来越弱；同理，根据系统压力越小、沿程流动压力损失越大的特点，压缩机进口压力降在地层中的响应将更弱。

3.3.2 产液气井降压效果分析

由式（6）可知，随着井底流压的降低，井底临界携液气量也会降低。取降压前、后的临界携液气量为经济极限产量，根据不同井底流压下的临界携液气量，计算出K值代入式（7），预测降压后不同井底流压下（pwf2分别取值 5，4，3，2，1 MPa）的降压采气效果（见表 2）。

表2 产液井降压采气效果预测

可以看出：随着pwf2的降低，尽管降压采气失效地层压力pr2也相应降低，但因井筒临界携液气量随压力下降而降低，所以产液气井的降压采气失效地层压力降与不产液气井存在鲜明的区别，具体表现在：1）产液气井降压采气形成的地层压力降Δpr，接近甚至可能大于井底流压降Δpwf，说明产液气井实施降压采气的效果更好；2）随着井底流压pwf2的降低，Δpr的增量还有微小的增大，说明井底流压越低，产液气井的地层降压效果越明显。

3.3.3 压缩机进口压力的确定

从单纯的地质意义上讲，压缩机的进口压力越低，降压采气开发效果也越好。但是，从经济技术综合分析上讲，却并非如此，这是因为：1）对不产液气井，井底压降在地层的响应越来越弱，过度降压意义不大；2）对产液气井，虽然压力越低，降压效果越好，但是，压缩机进口压力越低，吸入气体的密度越小，压缩机的抽吸效率越低，单位气量的生产运行成本越高，经济效益将变差；3）压缩机进口压力的极限降低，将导致对压缩比要求的成倍增加，如果小幅降压，必须通过增加压缩级数来实现，将造成设备投入的大幅增加，同样预示着降压开发投入产出指标的变差。

因此，从经济技术方面综合考虑，不论气井是否产液，降压采气的降压幅度均不是越大越好，应根据降压开发效果预测和经济评价结果，进行综合论证确定。

4 地层渗透性与降压采气的适应性

地层渗透性越差，相同产量下的生产压差越大，降压采气起始地层压力就越高。假设：某井降压采气前井底流压pwf1为6 MPa，降压后期井底流压pwf2为2 MPa，Δpwf为 4 MPa。 式（2）中 n 取 0.7。 根据式（8）分别预测不同起始地层压力下 （pr1分别取值 7，8，9，10，11，12 MPa）的降压采气效果。

对于不产液气井，降压采气经济极限产量比（K值）取1.1。计算结果见表3。

表3 不产液气井不同起始地层压力降压效果预测

对于产液气井，降压采气经济极限产量为井筒临界携液流量，根据表2，K值为0.572。计算结果见表4。

表4 产液气井不同起始地层压力降压效果预测

由表3可以看出：对不产液气井，地层渗透性越差，地层压力降Δpr越小，降压采气效果越差；而且，因为降压后比降压前的经济极限产量高，沿程管流压力损失将更大，降压采气效果会更差。由表4可以看出：对产液气井，地层渗透性越差，地层压力降Δpr越大，甚至可能大于井底流压降Δpwf，降压采气效果越好；而且，因为降压后井筒临界携液流量大幅度降低，沿程管流压损也相对变小，降压采气效果会更好。

5 应用实例

2006年，对文23气田20口外输回压在1.60 MPa的气井开展区块集中降压采气试验。结果表明：外输回压、集气站和井口油压分别降低了 0.39，0.35，0.29 MPa。因为降压幅度不大，且地层致密低渗，平均产量只增加了2.66%，但产液明显的井效果较好，最高的文69-7井增产达16.6%。

2008年，选择外输回压为0.85 MPa的8口低压井开展了多井集中降压采气试验。结果表明：外输回压、集气站和井口油压分别降低了0.80，0.64，0.55 MPa，不产液井井底流压平均降低0.31 MPa，产液井井底流压平均降低1.01 MPa，所有井平均产量增加12.37%，产液井增产效果好于不产液井。

试验表明，地层和井底降压幅度不等同于外输回压降幅，降压采气效果与地层渗透性、是否产液有密切关系。

6 结论

1）受气体的可压缩性影响，降压采气可以形成的地层压力降并不等同于压缩机的进出口压差。

2）应结合气井是否产液，以经济极限产量或井筒临界携液气量为依据，确定降压采气的起始与失效地层压力。

3）小幅度降压意义不大，但综合考虑设备投资和生产运行成本，苛求极限降压没有必要。

4）地层渗透性越好，不产液气井降压采气效果越好；地层渗透性越差，产液气井降压采气效果越好。压缩机降压采气更适用于弹性产率大、高渗不产液或低渗产液的气藏。

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