往復壓縮機混合氣體注氣增壓過程凝析特性分析

代澤宇，邵 華，王增麗，肖 剛

(1.中國石油大學(華東)新能源學院，山東 青島 266580；2.勝利油田分公司注汽技術服務中心，山東 東營 257000)

1 引言

近年來，隨著國民經濟發展對能源需求的持續增加，受油氣資源儲量有限問題限制，油田逐漸加大了對稠油、超稠油等油藏的開發。稠油、超稠油開發過程常面臨采出程度低、剩余油含量較高等問題，亟需采取合理的增產措施。目前國內外學者經研究提出油藏注氣在一定程度上能夠恢復地層能量、改善原油物性、降低滲流阻力，提高原油采出率[1]。因此，注氣增壓開采被廣泛推廣應用于稠油、超稠油或其他致密油藏，以提升原油采收率。

注氣提高采收率技術是指自地面向油層中注入氣體驅油從而增加原油產量的油田開發技術。注氣增產常用氣體主要有CO2、CH4、N2。但隨著多功能氣體增壓注氣在稠油高效開發中需求的增加，且現階段油田注氣中存在多種氣體獨立注入利用率不高的問題，因此亟需開展多組分混合氣體的注氣特性研究，以提高運行效率[2，3]。

目前國內外學者針對混合氣體注氣過程開展了一定的研究工作，徐勇分析了CO2驅、N2驅、煙道氣驅和天然氣驅等氣體驅替開采的驅油機理及其應用現狀[4]。袁士義、李憲騰等人分析了煙道氣驅油過程中的增溶、降黏、重力分異、混相抽提、加強滲透和蒸餾特性[5，6]。馬濤等人論述了煙道氣驅提高采收率的機理[7]。孫巖等人基于對流擴散理論建立了凝析氣藏注入干氣運移的數學模型，分析了注入干氣的超覆規律[8]。李浩楠等人針對瑪湖致密礫巖儲層，開展了注氮氣提高采收率研究，通過實驗分析了注氮氣驅機理及增產效果[9]。張弦等人利用物理模擬和數值模擬的方法開展了吞吐后轉蒸汽+煙道氣+化學劑復合驅驅油效果評價和參數優化研究[10]。但上述研究均是針對注氣提高采收率機理及增產特性的研究，并沒有開展混合氣體注氣增壓特性的影響。

針對氣體增壓特性研究，陳鵬霏基于VC++編程語言，結合Matlab軟件開發了往復式壓縮機設計計算的程序平臺，實現熱力學計算的簡化[11]?；旌蠚怏w注氣增壓過程中，壓縮機級間冷卻可能發生介質的凝析，并極大影響著壓縮機的運行效率。因此，關于壓縮機增壓過程中露點的研究便頗為重要。秦瑤等人針對壓縮機濕氣體級間冷卻器冷凝水析出問題進行了詳細分析，確定了冷卻器中冷凝水析出的判別式，并給出了凝析量的計算方法[12]。孫曉明分析了CO2壓縮機濕氣體壓縮過程中水蒸氣的凝析可能性，得到了壓縮濕CO2氣體中水含量的控制指標[13]。上述研究為氣體增壓過程分析及級間冷卻凝析特性分析提供的一定的理論依據，但現有對于增壓過程的研究，多集中于單氣體工質的單級壓縮，缺少對混合氣體在多級壓縮中的級間冷卻處的研究。而且對于混合氣體增壓過程介質級間冷卻凝析特性的研究還未開展，無法指導混合氣體注氣增壓設備的選修和運行控制。

混合氣體多級增壓級間冷卻過程，受介質溫度降低影響，極易發生凝析，并影響壓縮機的運行效率和可靠性。為了防止凝析現象的發生，本文根據往復活塞式壓縮機工作原理及熱力學基本方程，構建了考慮介質凝析的多級增壓過程變質量系統熱力特性計算模型，基于此模型研究2種不同組分的混合氣體的增壓特性及其在固定級間冷卻溫度下的凝析規律，得到確保不發生凝析的最適級間冷卻溫度，對提高實際壓縮機混合氣體多級增壓的運行效率具有指導意義。

2 壓縮機熱力過程研究

2.1 工作腔容積

本文針對Ariel重型平衡對置式壓縮機開展混合氣體注氣增壓過程凝析特性研究。為構建多組分氣體實際壓縮過程數值計算模型，首先需得到壓縮機工作過程中工作腔容積隨曲軸轉角的變化規律函數。

圖1所示為往復式壓縮機的工作原理圖，曲軸帶動連桿-十字頭-活塞機構運動，活塞在氣缸內往復運行，從而形成周期性變化工作腔，實現介質壓縮。為構建工作腔容積計算模型，取活塞位移x以外止點為起點，外止點處x=0；活塞至內止點時，x=S(活塞最大行程)。

圖1 往復壓縮機的工作原理

活塞自外止點出發，經過內止點再一次回到外止點，曲柄轉過360°，壓縮機完成一個工作周期。壓縮機的活塞位移與曲柄轉角的關系式如式(1)所示

(1)

式中x——活塞位移，m

r——曲柄半徑，m

α——曲軸轉角，rad

λ——徑長比

基于任意轉角下的活塞位移，結合Ariel重型平衡對置式壓縮機的基本結構參數，即可得各級工作腔容積隨曲柄轉角的變化關系。

(2)

根據式(2)計算得到的壓縮機各級工作腔容積隨曲柄轉角的變化關系如圖2所示。

圖2 工作腔容積隨曲柄轉角變化關系

2.2 控制容積

往復活塞式壓縮機增壓過程中，依靠活塞在氣缸內的往復運動，并與氣閥的啟閉動作配合，共同實現介質的增壓和輸送。在壓縮機增壓特性分析過程中，為簡化模型，可將工作腔簡化為圖3所示控制容積，在方程建立過程中，把通過進氣閥和排氣閥的介質統一視作控制容積內質量的變化。

圖3 控制容積簡圖

3 增壓過程數值計算模型構建

3.1 基本假設

往復活塞式壓縮機工作過程中，影響其增壓特性的因素較多，包括介質流動、傳熱、傳質、泄漏以及運動部件間的摩擦等，而且尤其壓縮介質為多組分氣體，在增壓-冷卻過程中還會存在介質凝析，導致混合氣體增壓過程及其復雜，為簡化分析過程，本文做了如下假設：

(1)控制容積內各組分介質狀態均勻，且在相同的活塞位移位置處內部工作的總狀態參數相同；

(2)增壓過程中，工作腔容積的空間位置變化不大，介質流入和流出工作腔的速度變化不大，因此忽略多組分介質動能和位能的變化；

(3)各組分介質的凝析過程只發生在級間冷卻過程；

(4)由于本文主要研究多級增壓級間冷卻過程介質凝析特性，故忽略多組分氣體增壓過程的泄漏影響。

3.2 增壓過程數學建模

往復活塞式壓縮機增壓過程研究主要基于連續性方程、能量守恒方程及多組分混合氣體狀態方程。根據變質量系統熱力學基本原理，基于圖3所示控制容積，建立內部多組分混合氣體的能量守恒方程

dU=dEin-dEout+dW-dQ

(3)

(4)

(5)

dU=d(mu)

(6)

根據假設(2)，多組分混合氣體增壓過程可忽略動能和勢能的影響，將公式(4)～(6)帶入公式(3)，并進行簡化可得

d(mu)=∑dminhin-∑dmouthout+dW-dQ

(7)

同時，控制容積內介質增壓過程還滿足質量守恒方程

dmg=∑dmg，in-∑dmg，out

(8)

由于壓縮介質為多組分混合氣體，且介質均為實際氣體，不能簡單按照理想氣體狀態方程計算，故本文采用C++編程調用美國國家標準技術研究所研發的REFPROP軟件中的介質數據庫源程序來計算各組分氣體的熱物性參數。得到各組分熱物性參數后，混合氣體的物性參數可按下列方程計算

M=∑Miri

(9)

ρ=∑ρiri

(10)

Cp=∑Cpigi

(11)

Cv=∑Cvigi

(12)

式中Mi——各組分的相對分子質量

ri——各組分體積分數

ρi——各組分的密度

Cpi——各組分等壓質量比容

gi——各組分質量分數

Cvi——各組分等容質量比容

基于公式(3)～(12)，即可構建各組分單獨壓縮和混合壓縮的增壓特性數值計算模型。利用四階龍格庫塔法求解上述模型，得到混合氣體的增壓特性及增壓過程級間冷卻的凝析特性。

3.3 凝析特性數學建模

對于多組分混合氣體增壓用多級往復活塞式壓縮機，為降低排氣溫度、節省壓縮過程功，一般設置級間冷卻。由于級間冷卻裝置的存在，各組分介質在較高壓力下溫度降低，極限狀態會使得部分介質溫度降低到該壓力對應的飽和溫度，從而發生凝析，引起壓縮機工作性能和可靠性的降低。

實際增壓過程中混合氣體溫度遠高于氮氣、甲烷和氧氣的臨界溫度，對于混合氣體的凝析分析，僅需考慮其中的二氧化碳和水蒸氣。

增壓結束，混合氣體得到冷卻，若發生凝析，凝析系數計算如下式

(13)

式中μi——第i級的凝析系數

psi、psi+1——第i、i+1級的進氣壓力，Pa

RHi、RHi+1——第i、i+1級的相對濕度

pvi、pvi+1——第i、i+1級溫度下的飽和蒸汽壓，Pa

凝析量計算如下式

(14)

式中Qμi——第i級的凝析量，Nm3/h(凝析量的計算為凝析出的液態組分換算成一級進氣狀態下的質量流量)

Qi——第i級進氣口體積流量，Nm3/h

若在i、i+1級間發生凝析，混合氣體第i+1級進氣時的組分比例也需重新計算，第i+1級進氣混合氣體各組分新的占比計算如下式

(16)

式中xi+1——第i+1級進氣各組分的占比

Qx，i+1——第i+1級進氣各組分的體積流量，Nm3/h

Qi，凝析——在第i、i+1級間的凝析量，Nm3/h

3.4 混合氣體物性

混合氣體1、混合氣體2組分及體積分數如表1、2所示，采用Ariel重型平衡對置式壓縮機分別對兩種混合氣體開展增壓過程凝析特性研究，該機型的主要結構參數和運行參數如表3所示。針對該混合氣體的基礎物性開展理論計算，研究混合氣體的溫度、壓力變化對密度、壓縮因子的影響。

表1 混合氣體1組分及體積分數

表2 混合氣體2組分及體積分數

表3 結構及運行參數

圖4(a)所示為混合氣體1不同溫度下，密度-壓力曲線，隨著溫度的升高密度逐漸減小，隨著壓力的增加密度隨之增加。圖4(b)所示為混合氣體1不同壓力下，壓縮因子-溫度曲線。隨著溫度的升高，壓縮因子逐漸增大；隨著壓力的升高，壓縮因子逐漸減小，當壓力較低時，壓縮因子變化幅度較小，當壓力較高時，壓縮因子變化幅度增大。

圖4 混合氣體1的密度-壓力和Z因子-溫度曲線

圖5為混合氣體2在CO2為80%占比下的密度-壓力和Z因子-溫度曲線，混合氣體密度隨著溫度的升高逐漸減小，隨著壓力的增加隨之增大。壓縮因子隨著溫度的升高逐漸增大，隨著壓力的升高逐漸減小。

4 結果與討論

基于上述模型及物性參數，研究了混合氣體1、2的增壓特性、凝析特性，并研究了為避免凝析現象的發生應采取的最合適的級間冷卻溫度。

4.1 混合氣體增壓特性

圖6為混合氣體1在不同壓縮比工況下進行四級壓縮過程壓力隨曲柄轉角的變化，各壓縮比依次為2.24∶5∶11.18∶25(壓縮比1)、2∶4∶8∶25(壓縮比2)、3∶6∶12∶25(壓縮比3)3種工況。

圖6 混合氣體1增壓特性

曲柄轉角轉過360°為一級壓縮過程，如圖6所示，混合氣體1共經過四級壓縮，在每一級壓縮過程中，各組分氣體都經歷進氣(壓力平緩)、壓縮(壓力上升)、排氣(壓力平緩)3個時期。CO2、N2和O2的各級進氣壓力也即是上一級的排氣壓力，經過多級的連續壓縮，實現壓力的不斷升高，最終實現總壓達到25 MPa在圖6(a)、(c)中，CO2的分壓曲線在第三級與第四級的交際處突然下降，N2和O2的分壓曲線突然上升，這是由于在壓縮比1和3工況下，CO2在第三級與第四級級間冷卻時發生了凝析，導致CO2分壓下降，進而導致其他組分(N2、O2、H2O)的分壓上升。

圖6中3種壓縮比工況下水蒸氣的分壓曲線基本一致，在第一級壓縮時水蒸氣分壓上升，第一、二級級間冷卻時，水蒸氣在較高分壓的情況下溫度驟減，大部分的水蒸氣在此時凝析，直至飽和狀態。而剩余的水蒸氣在后面幾級重復著升壓-凝析的過程，級數越靠后，凝析量也就越少。

混合氣體2一級進氣壓力為0.6 MPa，各級排氣壓比為1.56∶4.68∶14.04∶35.1。圖7為混合氣體2在CO2和CH4不同比例工況下進行四級壓縮過程壓力隨曲柄轉角的變化，CO2的體積分數占比依次為20%(比例1)、80%(比例2)、100%(比例3)3種工況。

圖7 混合氣體2增壓特性

針對混合氣體2的研究相較于混合氣體1添加了氣閥啟閉的影響作用，導致在增壓過程中，氣體的壓力曲線出現波動，但氣體壓力的總體趨勢在各個組分比例下均保持穩定上升，并未出現混合氣體1研究中分壓曲線明顯下降的趨勢，這意味著混合氣體2的四級增壓過程中未出現氣體的凝析現象。

4.2 混合氣體凝析特性研究結果

基于本文所構建模型對混合氣體1、2增壓過程中水蒸氣、二氧化碳組分的凝析特性開展研究。圖8為混合氣體1不同壓縮比工況下，各級間冷卻處水蒸氣、二氧化碳組分的凝析量。

圖8 水蒸氣和二氧化碳組分的凝析特性

如圖8(a)所示，混合氣體1在增壓過程各級間冷卻后均有水蒸氣發生凝析，且隨壓縮過程的進行，級數越靠后，水蒸氣凝析量越少。由于第三、四級間冷卻溫度確定，水蒸氣各級凝析總量僅受三級排壓限制，三級排壓越小，水蒸氣的凝析總量越小。凝析出的水蒸氣絕大部分在第一、二級的級間冷卻處凝析，該處的凝析量與第一、二級的壓縮比有關，水蒸氣在第一級增壓過程可以達到越高的分壓，隨之級間冷卻時水蒸氣的凝析量越大。將水蒸氣的凝析集中到第一、二級級間，減少后續增壓過程凝析出的液態水量，集中處理第一、二級級間凝析出的液態水，增加處理效率。

圖8(b)所示三種壓縮比工況下，一、二級間與二、三級間均無二氧化碳發生凝析，而在三、四級間，壓縮比1、3工況下發生了二氧化碳組分凝析，壓縮比2工況下依舊不凝析。這是由于混合氣體1經過三級壓縮結束之后，壓縮比1與壓縮比3工況下二氧化碳分壓均大于級間冷卻溫度下的飽和蒸汽壓，發生凝析，并且分壓越大，凝析量越大；而壓縮比2工況下三級壓縮后分壓小于級間冷卻溫度下的飽和蒸汽壓，故不凝析。

混合氣體2所有比例工況在各級增壓過程中，各組分的分壓均未超過級間冷卻溫度下的飽和蒸汽壓，因此并未出現凝析現象。

4.3 最適級間冷卻溫度

為了避免凝析的發生，壓縮機的級間冷卻溫度需盡可能提高；但級間冷卻溫度的提高將會使壓縮過程偏離等溫壓縮，增加壓縮耗功，進而降低壓縮機效率。因此，需要合理平衡凝析和功耗的影響，確定最合適的級間冷卻溫度，在保證不發生凝析的前提下，盡可能降低級間冷卻溫度，以得到最高的運行效率。故，最適級間冷卻溫度應為級間冷卻前一級排氣壓力下各組分分壓所對應的飽和溫度的最高值。

對混合氣體1增壓過程的最適級間冷卻溫度進行探究，結果如圖9所示。

圖9 水蒸氣和二氧化碳對應分壓下的飽和溫度

圖9中曲線為混合氣體增壓過程中為確保水蒸氣與二氧化碳組分不發生凝析最低級間冷卻溫度。從圖中曲線變化趨勢可知，隨著增壓壓力的提高，水蒸氣和二氧化碳的分壓增大，最適的級間冷卻溫度也隨之升高；確保水蒸氣不發生凝析的最適應級間冷卻溫度曲線在二氧化碳對應的最適應級間冷卻溫度曲線上方，為確保凝析的不發生，壓縮機各級間的冷卻溫度設置應與較高的曲線(即水蒸氣對應的最適應級間冷卻溫度曲線)保持一致。

5 結論

(1)根據混合氣體增壓過程凝析特性研究發現：混合氣體1增壓過程中，20 ℃的級間冷卻溫度將發生水蒸氣和二氧化碳的凝析。相同溫度下水蒸氣的飽和蒸汽壓更低，因此水蒸氣凝析在各級間都有發生，而二氧化碳的凝析只發生在增壓過程更高級數。

(2)混合氣體1中水蒸氣的凝析總量取決于三級增壓過程排氣壓力，三級排壓越小，凝析總量越小。

(3)混合氣體1中水蒸氣的凝析絕大多數集中在第一、二級的級間冷卻處，該處凝析量取決于一級增壓比，一級增壓比越大，一、二級間水蒸氣的凝析量越大。

(4)結合對凝析特性的研究，分析計算混合氣體確保凝析不發生最適級間冷卻溫度，結果發現，隨著壓縮機級數的增加，最適級間冷卻溫度逐漸升高；水蒸氣的最適級間冷卻溫度恒大于二氧化碳的，故混合氣體增壓過程的最適級間冷卻溫度只需與水蒸氣確保不發生凝析的最適應級間冷卻溫度保持一致。