第一章 绪论
1.1 课题研究背景和意义
在油田的实际生产中，大量气井随着长期开采出现因为储层压力下降而导致的产气量下降的情况，甚至随着气井压力的降低，还会导致部分气井开始积液，最终出现无气量的现象。常规的开采经验认为：出现这种现象是由于地层能量下降，造成气井井底与井口间压力差下降，最终导致产量的下降；且在此过程中气井携液量已然低于临界携液量，即井筒内没有足够的压力将积液形成段塞流排出井筒，这就出现了气井气量的下降，甚至会造成该井口无气量的情况。
在出现上述情况的初期，通常所采用的解决办法为以阶段关井的方式来恢复产量，这样有助于近井地层的能量得到及时补充；然而这种方法在气田开发的中后期并不适合，因为随着开采时间的延长，储层压力下降程度变大，储层喷射天然气的能力也就逐步减弱，这就会出现原料气无法到达井口或到达井口时的气体压力过低，管网压力大于井口压力的情况，此时阶段关井就无法满足气井的正常开采。最终结果就是关闭该井口，这就使得大量剩余的可采储量得不到开采。
较多由于无法正常开采而被迫关井或报废的井口尚未达到废弃标准，仍具有继续开发的价值，为了对此类气井的进一步开采，其中一种方式就是需要通过在井口设置增压装置增大压差：通过降低井口压力，提高储层与井口之间的压力差，并且可以将生产出的原料气通过压缩机增压，使原料气有足够的压力进入集输管网，解决井口压力降低后原料气产量下降甚至无气量的问题，以及单井因气压不足而不能入网运行的问题。
根据气举排水和井口增压原理设计可以解决以上问题的一体化井口增压装置。该装置通过降低井口压力，来提高储层和井口的压差，从而解决多数现场出现的因气井压力不足而导致的气量下降甚至无气量问题，或者是油气井积水造成的减产或停产问题，并且将生产出来的原料气通过压缩机再次增压，来解决井口压力降低后原料气不能进入集输管网的问题，可以最大程度节约地面工程建设成本，实现气田最大效益开发。
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1.2 国内外发展现状
本文是基于先进的移动式单井撬装压缩机 GasJack 的装置原理：将压缩机和发动机集于一体作为工作机，整体呈 V 型结构，一边为压缩气体的压缩缸，一边为提供动力的动力缸，两缸共用同一个曲轴，如图 1-1 所示，从动力缸到压缩缸不需要进行功率转换。并与分离设备、计量设备、冷却设备、控制部分等整体成撬。国内外用于对油气井增产及天然气压缩集输方面的井口增压装置已经有了很多应用，并且很多都进行了现场的实际安装和使用。
判断一个压缩机工作性能的好坏，以及其工作效率的高低，主要就是确定工作状态下气缸流场的变化情况，并且可以通过气缸流场的变化看出内部不易观察部件的好坏，所以研究气缸流场在工作循环中的变化情况，对提高压缩机能效具有重要作用。
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2.1 往复式压缩机概述
压缩机是通过改变机体容积，从而压缩气体使气体压力升高的机械。往复式活塞压缩机，是通过缸内的活塞进行往复运动，从而来改变气缸的容积，进气阀和排气阀在气缸缸体上，如图 2-1 所示。当活塞在曲轴和连杆的带动下，往复运动在上止点和下止点间，从而使压缩机容积发生变化，影响缸内压力变化，实现气体的进气、压缩和排气。在实际的生产工作中，往复式压缩机的在很多方面都可以使用，相应的便有很多适应特定工况的活塞和缸体，以及多种驱动活塞进行往复运动的方式，在设计时会根据工作需求进行适当调整。
往复式压缩机有以下四个工作过程：
（1）膨胀过程：曲轴带动活塞使气缸容积增大，并向下止点运动，此时进气阀片处于关闭状态，压力随容积的增大而下降，因为气缸必定存在间隙，所以残留在气缸中的余气会随容积变化不断膨胀，此时进气阀片弹簧力大于缸体内外压差，而该过程就是膨胀过程。
（2）进气过程: 曲轴带动连杆活塞继续向下止点运动，当压差足够克服阀片的弹簧力时，进气阀打开，进气腔内的气体进入气缸内，整个进气过程持续到曲轴转到下止点。
（3）压缩过程：当吸气过程结束后，曲轴转动刚刚过下止点，此时活塞开始向上运动，缸体容积逐渐缩小。随着曲轴向上止点旋转，气缸内的气体被压缩，缸内压力与温度都开始增大，此时排气阀片弹簧力大于缸体内外气体压差，吸气阀、排气阀均处于关闭状态。
（4）排气过程：压缩缸内气体压力随活塞继续上移而增大，当排气阀片弹簧力开始小于气缸内外压差时，排气阀就会打开，此时高压气体随排气阀进入排气管中，并不断排出，直到活塞移至最上止点为止。
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2.2 级数选择和压力比分配
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第三章 发动机热效率确定及匹配验证 ....................................... 19 3.1 发动机热效率确定 .......................................... 19
3.1.1 燃爆过程反应焓与机械功之间的关系 ....................................... 19
3.1.2 热效率确定 ................................. 20
第四章 往复式压缩机气缸流场的研究 .............................................. 24
4.1 CFD 流体计算理论基础及软件介绍................................ 24
4.1.1 计算流体力学概述 ................................ 24
4.1.2 流体动力学控制方程 .................................... 24
第五章 成撬系统一体化设计 ...................................... 45
5.1 预处理工艺流程设计 ........................................... 45
5.1.1 原料气初始参数及净化标准 ......................................... 45
5.1.2 脱硫、脱碳工艺流程 ............................................ 46
第五章 成撬系统一体化设计
5.1 预处理工艺流程设计
所谓原料气的预处理就是指除去天然气中混有的影响工作机正常工作的杂质，如微量固体、酸性气体（CO2、H2S）、水等，使其成分相对简单、性能相对稳定，达到燃烧及压缩前的使用标准，防止原料气中所含有的杂质对装置设备造成堵塞、腐蚀，影响正常的生产运行，严重时将会危及财产、生命安全。对于预处理流程而言，不同地域、不同区块产出的原料气的组成成分不尽相同，所以也就决定了不同的预处理流程。
原料气从井口刚被采出时，是不符合压缩机和发动机工作的介质条件，其含有的硫化物将会与液体相遇产生具有腐蚀性的硫酸，对压缩机和发动机缸体零件产生破坏，所以在进入工作机之前要进行脱硫、脱碳处理，以及最后的脱水处理。原料气中含有的液态烃类（炔类）由于性质较为活泼，在高温下会分解为炭黑和氢，不仅大量放热，并且会与铜产生新的化合物，破坏铜制零件，所以还需要在此过程中除去液态烃（炔类）。
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第六章 结论与展望
6.1 结论
对于在油田的实际生产中，大量气井随着长期的开采开始出现储层压力下降，从而导致产气量下降的情况，甚至随着气井压力的降低，还会导致部分气井开始积液，最终出现无气量的现象。本文通过对国内外对该种情况各种解决办法的研究，根据气举排水和井口增压原理设计可以解决以上问题的井口增压装置。
对井口增压装置进行设计，主要基于成撬系统的成撬条件及要求，围绕核心工作机的工作状态进行研究和关键流程的设计；井口增压装置的核心机构是基于 Gas Jack 的结构原理，要适应于目标井口的压力、温度、排气量等因素，所以对核心工作机进行设计计算和流场研究，对前后设备管路进行选型设计。所以根据初始条件及要求，在第二章进行了热力计算和相关参数选择计算，并从功耗和气量角度在第三章验证符合实际工作要求。基于这两章研究内容为基础，为探究整个工作过程的压力场和温度场的变化，通过技术参数建立各气缸初始条件下的物理模型，并通过 ANSYS Fluent 对压缩机一个周期内的压力温度变化进行了连续性瞬时模拟，为第五章系统成撬中的原料气预处理系统和冷却系统方案设计提供了理论支持。
通过对气缸的模拟分析，得到以下结论：
（1）在对压缩机进行物理模型建立时，应尽量考虑多种影响因素，并在物理模型建立后进行优化或修正，以保证所建立物理模型的正确性；
（2）在气缸压力场中，在进排气阀附近和气缸活塞面处的压力变化最为明显，所以在进行流场分析和具体设计时应该考虑此区域的压力损失等问题；在气缸温度场中，进气温度与残余气体温度影响气缸温度场变化，且各级气缸平均排气温度分别为403℃、413℃、438℃，为后续热负荷的确定提供依据。
（3）气体在进入气缸后，会在进气阀两侧出现滚流现象，会促进气缸内部流场温度的混合有利于散热器的散热。
参考文献（略）