0 引言
大牛地气田属于低压致密气藏，产出天然气中含有少量的水，随着气田开发时间的推移，低压低产气井越来越多。由于地层压力下降和日产气量的降低，部分气井产气量低于临界携液流量，携液效果变差[1-4]，造成气井水淹停产或减产。为排出井筒积液，通常采用液氮气举和井口放空等工艺，但这2种工艺存在费用高以及天然气排放到大气中污染环境等问题，每天因放空浪费的天然气量达到10.73万m3[5]。因此，需要开展降压排水采气工艺试验，通过降低井口压力，增大生产压差来提高产气量，增强排液效果，保持气井的正常生产。同步回转泵具有无气阀等易损件，能实现任意气液比混输抽吸，连续吸气和排气等优势[6-12]。为此，开展了同步回转泵降压排水的现场试验，收到了一定的排水采气效果，但也存在泵的降压能力有限、排量随进口压力的降低而降低、泵效随进出口压差的增大而下降的缺点，造成其应用范围窄。通过分析，提出了增加泵的容积、提高泵的转速、减小转子与转缸配合间隙和多泵串联抽吸等改进完善措施。
1 技术分析 1.1 同步回转泵结构及原理同步回转泵的结构如图 1所示，它主要由转子、气缸、滑板和外壳等部件构成。转子与气缸偏心布置，二者通过嵌入式滑板相连接；转子内圆始终与气缸外圆相切，二者之间形成的月牙形工作腔通过滑板分割为周期性变化的吸入腔与排出腔；在气缸和转子处分别开设吸入孔和排出孔。当同步回转泵运转时，主轴驱动转子，转子通过滑板驱动气缸，二者分别绕自身轴心做回转运动，吸入腔与排出腔周期性的变化，从而实现工质的不断吸入与增压排出。
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| 图 1 同步回转泵结构原理图 Fig.1 Structural schematic diagram of synchronous rotary pump 1—外壳；2—气缸；3—转子；4—滑板；5—吸入腔；6—排出腔。 |
1.2 降压排水采气机理
同步回转泵降压排水采气工艺流程见图 2。在采气井与集气站之间增加一个同步回转泵，利用同步回转泵抽吸作用来降低井口压力。气体流入、流出曲线见图 3。
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| 图 2 同步回转泵降压排水采气工艺流程 Fig.2 Pressure reduction water drainage and gas recovery process using the synchronous rotary pump |
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| 图 3 气体流入、流出曲线 Fig.3 Gas inflow and outflow curve |
根据气井流入IPR曲线可知，在一定的地层压力下，气井井筒压力越低，从地层流入到井筒的气流量越大；根据流出曲线可知，气井井筒压力越高，由井筒流入到地面的气流量越大。这样2条曲线的交叉点Q1就是气井的产气量。通过同步回转泵的抽吸作用，可使流出曲线下移，泵的特性曲线即为抽吸状态下的流出曲线，泵的排量越大，流出曲线下移的幅度就越大，这样流出曲线与IPR曲线交叉点的流量Q2、Q3变大，也即气井的气流量变大；泵的排量越大，气井气流量越大，携液效果越好[1]，从而达到降压排水的目的。
1.3 主要技术参数吸入腔容积：4 L、6 L;
吸入压力：0.0~4.5 MPa;
排出压力：≤6.3 MPa;
吸入温度：5~45 ℃；
排出温度：30~100 ℃；
排量：1 500~69 000 m3/d；
转速：200~320 r/min。
1.4 关键技术及优势同步回转泵的关键技术是采用气缸与转子同步回转的新颖运动形式，具有360°旋转式吸、排口，通过气缸和转子构成的月牙形吸入腔和排出腔周期性的变化，实现工质的不断吸入与增压排出。同步回转泵与往复式增压泵相比有以下优势[7]：① 无气阀等易损件，泵故障率低。② 运动平衡性好，所有回转运动部件皆绕自身轴心旋转，只有自身质量较小的滑板产生较轻的往复惯性力，几乎没有不平衡的旋转惯性力，运转平稳。③ 工质适应性广，在运行过程中，排出腔始终与旋转式的排出口相连通，介质中的硬颗粒会随着同步回转运动排出，不会因划伤排出口造成泄漏。④ 适应性强，在运行过程中，由于同步回转泵通过旋转式吸入孔和排出孔，使吸入腔始终与进口管线相通，排出腔始终与出口管线相通，所以可以实现任意比例的气液混输，无固定压缩比，无过压缩、压缩不足、无气蚀等现象。
2 现场试验 2.1 试验井基本情况选取大牛地气田低产积液气井DPH-6井开展同步回转泵的抽吸排液试验。该井基本情况：井筒生产管柱内径50 mm，井口油压3.6 MPa, 临界携液流量8 049 m3/d, 产气量5 377 m3/d, 平均产水量0.59 m3/d, 水气比1.1 m3/104 m3，放空排液频率2.54次/d，每次放空时长32 min，每次放空气量576 m3，每天放空后压力恢复时间23 min，每次放空排液后生产时间8.9 h。
2.2 试验效果根据试验方案，2015年4—10月先后用4 L泵、6 L泵以及2台6 L泵并联运行等方式在DPH-6井开展同步回转泵抽吸排液试验，共计抽吸48次，抽吸排液效果见表 1。总体来看，通过优化抽吸方式后，抽吸可以代替放空排液。与放空排液生产相比，同步回转泵抽吸排液后日产气量增加，排液频率降低，抽吸排液后可持续生产时间延长，抽吸时间与放空时间相当，同时可有效减少放空造成的天然气浪费和环境污染。
| 试验阶段 | 平均日生产时间/h | 平均日产气量/m3 | 抽吸/降压排液频率/(次·d-1) | 每次抽吸/放空时长/min | 每次抽吸/放空压力恢复时长/min | 抽吸/放空后可连续生产时间/h | 每次抽吸/放空气量/m3 |
| 放空排液 | 22.2 | 5 377 | 2.54 | 32 | 23 | 8.9 | 576 |
| 抽吸排液 | 22.4 | 7 026 | 1.40 | 60 | 30 | 15.2 | 1 192 |
不同阶段抽吸效果见表 2。从表可见，同步回转泵抽吸可以起到降压排液作用，抽吸期间的平均瞬时流量大于非抽吸期间流量和该井的临界携液流量，与非抽吸期间相比，抽吸期间携液效果明显变好；泵排量越大，水气越大，排液效果越好。因此，增加泵的排量有利于增强抽吸排液效果。
| 阶段 | 泵转速/(r·min-1) | 理论容积排量/(m3·h-1) | 油压/MPa | 排气压力/MPa | 平均瞬时流量/(m3·h-1) | 水气比/(m3·10-4 m-3) |
| 抽吸前 | — | — | 3.92 | — | 224 | 1.10 |
| 4 L泵 | 288 | 69.12 | 2.6 | 3.91 | 509 | 2.50 |
| 6 L泵 | 210 | 75.60 | 2.8 | 4.11 | 731 | 5.31 |
| 2台6 L泵 | 210 | 151.20 | 1.9 | 3.88 | 1 113 | 6.83 |
不同抽吸时间效果对比见表 3。从表 3可以看出，随着抽吸时间的延长，平均瞬时流量降低，水气比下降，抽吸后关井时间延长，抽吸后生产时间缩短，抽吸效果变差。
| 抽吸时间/h | 平均瞬时流量/(m3·h-1) | 产液量/m3 | 水气比/(m3·10-4 m-3) | 抽吸后关井时间/min | 抽吸后生产时间/h |
| 1.0 | 1 113 | 0.76 | 6.83 | 30 | 21.00 |
| 1.5 | 921 | 0.56 | 4.09 | 60 | 14.25 |
| 2.0 | 901 | 0.71 | 3.94 | 60 | 12.00 |
| 3.0 | 895 | 0.98 | 3.65 | 120 | 7.50 |
分析原因为：① 对致密低渗气藏而言，地层渗流能力有限，在大排量抽吸生产情况下，抽吸时间越长，近井地带压力越低，抽吸后需要关井的时间越长，恢复井筒压力大于外输压力后才能正常生产；② 由于地层供气能力不足，所以抽吸后能够正常生产的时间缩短；③ 抽吸期间排量大于临界携液流量，井筒积液很快排出，多延长的抽吸时间没有收到降压排水的效果，只收到降压采气的效果，因此随着抽吸时间的延长，水气比下降。合理的抽吸工作制度应为大排量的抽吸，抽吸时间为排出井筒积液即可，过长时间的抽吸不利于气井后期的生产。
同步回转泵进气压力与排量的关系见图 4。从图可以看出，同步回转泵排量随进气压力的降低而降低，当排量低于气井的临界携液流量时，不能起到降压排液的作用。这说明同步回转泵降压排水采气能力有限，对压力低的气井，要想收到降压排水效果，则需要泵的排量越大。
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| 图 4 同步回转泵进气压力与排量关系曲线 Fig.4 The relation of gas inlet pressure and displacement of synchronous rotary pump |
同步回转泵进、出口压差与泵效关系见图 5。从图可以看出，随着同步回转泵进、出口压差的增大，泵效降低，实际泵的增压能力在2.5 MPa左右，这说明泵的增压能力有限。因此，在外输压力较高的情况下，对低压气井需要采用多泵串联的方式抽吸。
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| 图 5 同步回转泵进、出口压差与泵效关系曲线 Fig.5 The relation of inlet and outlet pressure differential and pump efficiency of synchronous rotary pump |
3 改进措施
根据临界携液流量理论[3]可知，要提高同步回转泵抽吸排液的效果，就需要提高泵的排量。同步回转泵排量公式为：
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(1) |
式中：Q泵为泵的实际排量，m3/h；V为泵的容积，m3；n为泵转速，r/min；p进口为泵的进口压力，MPa；p常压为标准大气压，取值0.1 MPa；η为泵容积效率，%。
从公式(1) 可以看出，泵的排量主要取决于容积、进气压力、转速和泵容积效率。从同步回转泵的结构可以看出，泵排出腔向吸入腔漏失量的大小取决于转子和气缸的配合间隙，滑板与转子、滑板与气缸之间的密封性。因此改进方法之一就是要提高它们之间的密封性，通过降低转子和气缸之间的配合间歇来减少漏失量，同时也可以提高泵的增压能力；对一定的泵来说，漏失量只与排出腔和吸入腔的压差成正比，当提高泵的转速时，排量增加，漏失量不变，相应的泵效增加，因此改进方法之二就是要提高泵的转速；由于泵进口压力越低，泵的排量越小，所以改进方法之三就是对低压气井采用大排量泵抽吸，确保抽吸时排量大于临界携液流量，排出井筒积液；由于泵效随着泵进、出口压差的增大而降低，泵的增压能力有限，所以改进方法之四就是对需要增压能力大的低压气井采用多泵串联抽吸的方式。
4 结论(1) 同步回转泵抽吸期间气井水气比和产气量均增加，可以排出井筒积液。因此，采用同步回转泵降压排水采气工艺可以用抽吸代替放空排液，从而减少放空排液造成的天然气浪费和环境污染。
(2) 同步回转泵抽吸排液时间的长短以排出井筒积液为限，过长时间的抽吸不利于气井的生产。
(3) 随着同步回转泵进口压力的降低，其排量也降低，因此气井压力越低，需要泵的排量越大，这样才能达到降压排水采气的目的。
(4) 同步回转泵泵效随着泵进、出口压差的增大而增大，但泵的增压能力有限，低压气井若要达到较高的排出压力，则需要采用多泵串联抽吸的方式。
(5) 泵的排量越大，排液效果越好，对于某些气井，可以通过提高泵的容积、转速和密封性能等方法来提高泵的排量。
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