一种用于天然气井增压开采的井下压缩系统

本发明属于天然气井增压开采领域，具体涉及一种用于天然气井增压开采的井下压缩系统。

背景技术：

1、随着天然气开采工作的进行，气井中储层压力逐渐降低，天然气产量会迅速下降，当储层压力较低以克服生产管道中的总压力损失时，天然气缺乏动量无法喷出，液体会从地层中流出，积聚在井中形成液压柱，导致过早弃井。

2、现有技术中有通过地面增压装置对天然气井进行增压，以提高天然气产量，但该方法作用有限，当增压装置与地下储层距离过大，生产管道中的压力损失过大时，天然气产量下降甚至停止。

3、井下压缩机是一种人工提升气井中储层压力的技术，它向天然气注入外部能量，延长气井使用寿命并获得超过常规地面增压开采的经济效益。现有井下压缩机为离心式压缩系统结构，受其结构影响，一般为侧壁进气，尾端侧壁出气，其内部气流通道除了沿轴向结构部分，还存在进口段和出口段的径向弯曲结构，当天然气气流通过时，受到压缩气体的惯性力影响，会冲击径向通道处的流道内壁。由于天然气中包含液滴和固体颗粒，大量天然气混合物对气流通道内壁的冲击会对气流通道造成腐蚀，导致压缩系统使用寿命明显下降。同时，现有井下压缩机受其结构影响，压缩效果也有待提升。

技术实现思路

1、要解决的技术问题：为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种用于天然气井增压开采的井下压缩系统，是一种井下多级轴流压缩系统，能够深入井中实现气井有效增压，通过多级轴流压气机叶盘配合整个装置中沿轴线设置的气流通道，保证天然气沿轴向直流道流动，减少气动损失，提升压缩效率，减小天然气混合物对气流通道的腐蚀，提升设备使用寿命。

2、本发明的技术方案是：一种用于天然气井增压开采的井下压缩系统，包括依次同轴连接的导流装置、压缩装置、传动装置、驱动装置；所述导流装置位于井下压缩系统最前方，其一端为敞口端作为进气口，另一端连接压缩装置，导流装置用于将天然气来流导向至压缩装置；所述压缩装置连接于导流装置后方，压缩装置包括五级轴流压气机，用于对井下天然气增压输出；所述驱动装置位于井下压缩系统的最后方，驱动装置内部设有和压缩装置匹配的驱动电机，用于为压缩装置的旋转轴提供旋转动力；所述传动装置连接压缩装置和驱动装置，用于将驱动电机的转子轴与压缩装置的旋转轴刚性连接，实现动力传递；

3、所述传动装置沿轴向设有过气通道，所述驱动装置中沿轴向设有送气通道，天然气从导流装置的进气口进入井下压缩系统，流经导流装置被吸入压缩装置，经压缩装置加压后再经传动装置的过气通道进入驱动装置的送气通道送出，最终由天然气管道输出。

4、本发明的进一步技术方案是：所述导流装置包括第一机匣、进口导流锥；所述第一机匣为柱状两端敞口的壳体结构，其一端作为天然气进气口，另一端与压缩装置固定连接；所述进口导流锥位于第一机匣内，其外形主体为碗状，进口导流锥的碗口端朝向压缩装置，并同轴套装于压缩装置的旋转轴输出端，进口导流锥的碗底端中心位置设有沉孔，通过位于沉孔内的紧固件与旋转轴输出端的端面固定；所述进口导流锥的外形壁与第一机匣的内壁形成天然气进入压缩装置的导流通道。

5、本发明的进一步技术方案是：所述压缩装置包括第二机匣、旋转轴、第一轴承、第一端盖、进口导流叶片、第二轴承、第二端盖、第一转子叶片盘、第一静子叶片盘、第二转子叶片盘、第二静子叶片盘、第三转子叶片盘、第三静子叶片盘、第四转子叶片盘、第四静子叶片盘、第五转子叶片盘、第五静子叶片盘、出口导流叶片盘；

6、所述第二机匣为柱状壳体结构，第二机匣一端与第一机匣对接固定，其另一端与驱动装置固定连接；所述旋转轴通过第一轴承、第二轴承沿第二机匣轴线转动安装于第二机匣内；所述第一轴承套装于旋转轴的输出端，其内圈与旋转轴紧配合；所述第一端盖套装于第一轴承外圈，第一端盖的轴向内孔与第一轴承外圈紧密配合；多个所述进口导流叶片均布于第一端盖外壁周圈，进口导流叶片一端与第一机匣的内壁固定，另一端与第一端盖外壁固定，相邻两个进口导流叶片间形成天然气通道，用于天然气流入压缩装置；所述第二轴承套装于旋转轴的输入端，其内圈与旋转轴紧配合；所述第二端盖套装于第二轴承外圈，第二端盖的轴向内孔与第二轴承外圈紧配合，第二端盖外径壁与第二机匣内壁接触并固定连接；所述第二端盖靠近外径壁处周圈均布多个导流孔，用于天然气流出压缩装置；

7、所述旋转轴的外壁设有限位法兰盘，所述第一转子叶片盘、第二转子叶片盘、第三转子叶片盘、第四转子叶片盘、第五转子叶片盘依次套装于旋转轴上，各转子叶片盘的内孔与旋转轴紧密配合，其中第一转子叶片盘与旋转轴的限位法兰盘轴向限位接触；所述第一静子叶片盘、第二静子叶片盘、第三静子叶片盘、第四静子叶片盘、第五静子叶片盘、出口导流叶片盘依次嵌入安装于第二机匣，并与第二机匣的内壁紧密配合，其中第一静子叶片盘位于第一转子叶片盘径向，出口导流叶片盘位于第五静子叶片盘径向，各转子叶片盘和各静子叶片盘的轴向位置交错；所述出口导流叶片盘外侧壁与第二端盖的内侧壁轴向限位接触；所述各静子叶片盘和各转子叶片盘之间形成的叶片通道逐级缩小。

8、本发明的进一步技术方案是：所述压缩装置还包括轴套、连接法兰、挡板，所述轴套安装于旋转轴的输入端，位于第二轴承外侧，与位于第二轴承内侧的轴承限位台阶共同限定第二轴承的内圈轴向位置；所述连接法兰固定于第二端盖外侧，并与第二轴承外圈外端面接触，所述挡板固定于第二端盖内侧，并与第二轴承外圈内端面接触，挡板与连接法兰用于第二轴承外圈的轴向限位。

9、本发明的进一步技术方案是：所述驱动装置包括第三机匣、第一内套筒、第二内套筒、驱动电机、导流支板；所述第三机匣为两端敞口的圆柱形壳体，其一端与第二机匣固定连接，另一端作为天然气出口；所述第一内套筒、第二内套筒依次嵌入第三机匣内壁并紧密配合固定，其中第一内套筒位于靠近第二机匣一端；所述驱动电机沿第三机匣轴线固定安装于第一内套筒、第二内套筒内，驱动电机的动力输出端朝向第二机匣，驱动电机的电机壳体与第二内套筒的内孔紧密配合，通过第二内套筒支撑驱动电机一端；驱动电机的另一端即动力输出端与传动装置的支撑壳固定支撑；所述驱动电机的转子轴输出端伸入传动装置的支撑壳；所述第一内套筒的内壁与驱动电机的电机壳体之间形成天然气流道；所述第二内套筒周圈设有过气流道，与第一内套筒形成的天然气流道接通，共同形成驱动装置的轴向送气通道；所述导流支板固定于驱动电机的电机壳体，位于驱动电机尾端，用于天然气导流并支撑驱动电机的供电线缆。

10、本发明的进一步技术方案是：所述导流支板为锥形收口壳体，其大口端套装于驱动电机的电机壳体，其小口端的内孔处用于引出供电线缆，其外锥面用于天然气导流；所述导流支板的小口端周圈均布有三个导线管，用于支撑固定引出的供电线缆，将供电线缆导出第三机匣。

11、本发明的进一步技术方案是：所述第二内套筒包括套筒内环、套筒外环和多个连接板；所述套筒内环和套筒外环同轴，所述连接板一端连接套筒内环的外壁，另一端连接套筒外环的内壁；多个所述连接板在套筒内环外壁周圈均布；所述套筒内环的内壁与驱动电机的电机壳体紧密配合；所述套筒内环、套筒外环、相邻两个连接板之间构成第二内套筒的过气流道。

12、本发明的进一步技术方案是：所述驱动电机包括电机壳体、定子、转子、转子轴、第三轴承、第四轴承、电机前挡板、散热机壳、电机后挡板；所述散热机壳安装于电机壳体的前端，并与电机壳体固定连接；所述电机前挡板安装于散热机壳外侧，并与散热机壳通过销钉紧固连接；所述电机前挡板背向散热机壳一端与传动装置的支撑壳固定连接，用于支撑驱动电机的动力输出端；所述电机后挡板安装于电机壳体的后端，其中心设有盲孔，用于支撑转子轴；所述转子轴通过第三轴承、第四轴承转动支撑于电机前挡板、电机后挡板的轴线上，转子轴的输出端伸出电机前挡板；所述转子套装于转子轴，并通过转子轴销与转子轴限位连接，转子上设有电机绕组；所述定子位于转子径向外围，定子与电机壳体的内壁固定；所述散热机壳沿周向均布多个散热孔，所述散热孔与电机壳体外的天然气流道接通。

13、本发明的进一步技术方案是：所述传动装置位于第二机匣和第三机匣对接处的两个机匣内，传动装置包括支撑壳、联轴器；所述支撑壳一端与压缩装置的第二端盖固定连接，另一端与驱动装置的电机前挡板固定连接；所述联轴器位于支撑壳空腔内，通过联轴器将旋转轴的输入端、转子轴的输出端同轴刚性连接；所述支撑壳外壁设有支撑环，所述支撑环与支撑壳外壁间通过多个沿支撑壳外壁周圈均布的立板固定连接；所述支撑环的径向外壁与第三机匣的内壁紧配合，所述支撑环内壁、支撑壳外壁、相邻两个立板间形成传动装置的天然气过气通道。

14、本发明的进一步技术方案是：所述支撑壳的周向壳壁上设有操作窗口，用于对位于支撑壳内腔的联轴器进行操作；所述操作窗口上可拆卸安装有盖板。

15、有益效果

16、本发明的有益效果在于：本发明的一种用于天然气井增压开采的井下压缩系统，采用井下压缩方式给天然气井增压，所述的压缩系统从天然气进口端至出口端依次为导流装置、压缩装置、传动装置、驱动装置，各装置内均有沿轴向的气流通道，该结构设计实现了天然气沿压缩系统轴向直线流动输出，配合五级轴流压气机，有效提高了天然气井内的人力举升效果，提高了气井产气效率，有效避免了天然气中杂质对气流通道，以及压缩系统叶片的腐蚀，延长了井下压缩系统的使用寿命，同时也提升了天然气质量、延长了天然气井的使用寿命。

17、本发明导流装置中进口导流锥的外形壁与第一机匣的内壁形成长且狭窄流道的导流通道，由于进口导流锥随压缩装置的旋转轴转动，导流同时能够效沉积天然气携带的液相和固相杂质，在天然气入口处形成了过滤系统，避免了杂质对井下压缩系统造成腐蚀和损坏，提高设备使用寿命。进口导流锥制成中空结构实现减重，并且前端留有沉孔，除了能安装紧固件与旋转轴固定外，还能减小压缩装置的转动惯量，使压缩装置快速在设计转速状态下工作，并充分释放安装过程中产生的应力，提高旋转部件的工作安全性。同时，与进口导流锥连接的旋转轴端部设有紧固件安装盲孔，能够有效释放进口导流锥装配时产生的应力。

18、本发明压缩装置中采用直流道的五级轴流压气机，与气井中天然气主流速度良好匹配，各级静子叶片盘、转子叶片盘的叶片，使用流线曲率法、小尺寸压缩装置中损失和落后角模型设计，实现较宽范围内的天然气高效增压效果，各叶片盘形成了由第一至第五随级数增加逐渐缩小的叶片通道，能够让气流逐级增压，实现与各级压力提升相匹配的轴向流速，合理控制各级压气机的扩散因子，提高压气机工作效率。压缩装置的天然气入口处，设有进口导流叶片，进口导流叶片是精密气动设计的导流叶片，能够使来流天然气减速增压，并使部分较大液滴和颗粒物沉积在进口导流叶片上，减少对各级转子叶片盘中叶片的侵蚀。压缩装置的天然气出口处，设有出口导流叶片盘，能够对进入驱动装置送气通道的天然气进行充分梳理。

19、本发明驱动装置的驱动电机壳体与第一内套筒之间形成沿轴线的直线流道排出压缩气体，能够使气流匀速流过驱动装置，配合散热机壳周向均布的散热孔，能同时将驱动电机产生的热量带走，避免驱动电机高温。在不增加井下压缩系统的前提下，通过合理控制驱动电机尺寸保证天然气直线流道截面积，实现天然气的高效增压增速，提高天然气的开采效率。第一内套筒内表面尾部呈阶梯形逐渐扩张，与第二内套筒的过气流道接通，能够基本不损失天然气的动能，实现结构强度与气动性能的良好协调。位于驱动装置的导流支板，为中空结构，其小端孔处可以实现引出驱动装置的输入输出电缆，能够为所述井下压缩系统提供电力和信号的输入和输出。