水下多相增壓技術(shù)的最新進(jìn)展

劉永飛， 李清平， 秦 蕊

(中海油研究總院，北京 100028)

水下多相增壓技術(shù)的最新進(jìn)展

劉永飛， 李清平， 秦 蕊

(中海油研究總院，北京 100028)

通過(guò)研究螺旋軸流式增壓技術(shù)、雙螺桿式增壓技術(shù)、對(duì)轉(zhuǎn)軸流式增壓技術(shù)等水下多相增壓技術(shù)的技術(shù)原理和技術(shù)參數(shù)，分析了幾種水下多相增壓技術(shù)的特點(diǎn)、發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上總結(jié)分析了水下多相增壓技術(shù)目前階段存在的難點(diǎn)和挑戰(zhàn)，包括對(duì)氣液波動(dòng)較大工況的適應(yīng)性、長(zhǎng)距離供電技術(shù)的制約、水下安裝技術(shù)的挑戰(zhàn)、新技術(shù)的可靠性、水深對(duì)集成設(shè)備的挑戰(zhàn)等，為今后在深水油氣田開(kāi)發(fā)中應(yīng)用水下多相增壓技術(shù)提供借鑒和技術(shù)支持。

水下多相增壓；水下多相泵；水下壓縮機(jī)；水下設(shè)備

0 引 言

近年來(lái)，隨著石油開(kāi)采從陸上發(fā)展到海上，海上油氣田開(kāi)發(fā)中的一些問(wèn)題不斷顯現(xiàn)，如低壓油藏?zé)o法自噴開(kāi)發(fā)、油氣田開(kāi)發(fā)中后期油藏壓力不足、氣田含水過(guò)高、氣田采收率低等問(wèn)題，一定程度上影響了海上油氣田的安全和經(jīng)濟(jì)有效的開(kāi)發(fā)，因此，需要研究一種提高海上油氣田特別是深水油氣田安全性、進(jìn)行經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)的方法，于是水下多相增壓技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。水下多相增壓技術(shù)涵蓋水下增壓技術(shù)和多相增壓技術(shù)兩項(xiàng)前沿技術(shù)。其中水下增壓技術(shù)就是將增壓設(shè)備放置在靠近井口的位置，從而彌補(bǔ)油藏壓力不足的問(wèn)題，同時(shí)還能降低關(guān)井壓力，提高采收率；多相增壓技術(shù)就是不通過(guò)分離設(shè)備對(duì)油氣水等進(jìn)行增壓，這就需要解決單相泵增壓氣蝕問(wèn)題和壓縮機(jī)增壓喘振等問(wèn)題。水下多相增壓技術(shù)就是將水下增壓和多相增壓兩項(xiàng)前沿技術(shù)結(jié)合使用，來(lái)達(dá)到提高采收率、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。本文總結(jié)分析水下多相增壓技術(shù)目前階段存在的難點(diǎn)和挑戰(zhàn)，為今后在深水油氣田開(kāi)發(fā)中應(yīng)用水下多相增壓技術(shù)提供借鑒和技術(shù)支持。

1 水下多相增壓技術(shù)的發(fā)展

從20世紀(jì)60年代起，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展以及工程需求的不斷增加，水下多相增壓技術(shù)經(jīng)歷了三個(gè)階段[1]： 第一階段(20世紀(jì)60年代至70年代早期)，重點(diǎn)研究泵內(nèi)混入空氣以后，由于液體濃度降低而導(dǎo)致的沖擊可能性以及泵內(nèi)氣蝕、空化現(xiàn)象，研究泵型主要為單相葉片泵；第二階段(20世紀(jì)70年代中期至80年代)，重點(diǎn)研究冷凝液輸送泵中出現(xiàn)的蒸汽，使液體泵變成輸送水和水蒸氣的兩相泵，研究重點(diǎn)是有相變發(fā)生的氣液兩相流泵；第三階段(20世紀(jì)80年代至今)，遠(yuǎn)距離輸送未經(jīng)處理的油氣水多相井流的多相混輸技術(shù)，研制一種能為未經(jīng)處理的油-氣-水多相井流提供動(dòng)力的多相增壓技術(shù)。

2 水下多相增壓技術(shù)介紹

水下多相增壓技術(shù)是指在水下對(duì)氣液比為0～100%的氣、油、水進(jìn)行增壓。水下多相增壓技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，目前在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用且技術(shù)比較成熟的主要有螺旋軸流式多相增壓技術(shù)、雙螺桿式多相增壓技術(shù)、對(duì)轉(zhuǎn)葉輪多相增壓技術(shù)、半軸流式葉片技術(shù)、離心式增壓技術(shù)等。

2.1 螺旋軸流式多相增壓技術(shù)

螺旋軸流式多相泵的基本工作原理是利用葉片剖面呈機(jī)翼狀的螺旋葉片對(duì)油氣混合流產(chǎn)生升力而進(jìn)行增壓的，旋轉(zhuǎn)的螺旋形葉片激起的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)經(jīng)過(guò)靜止的固定導(dǎo)葉的梳理整流，強(qiáng)迫輸送油氣混合介質(zhì)沿軸向流動(dòng)。

螺旋軸流式增壓技術(shù)源于20世紀(jì)80年代著名的“海神計(jì)劃”的研究成果[2—4]，它由法國(guó)石油研究院獲得專利，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。第一代海神泵是在電潛泵的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，第二代海神泵采用了優(yōu)化設(shè)計(jì)的“NACA”螺旋形葉片，較為有效地防止或延緩了葉道內(nèi)氣液兩相間相態(tài)分離的發(fā)生。在此基礎(chǔ)上，1987年首次研制出工業(yè)用原理機(jī)，命名為P300；1992年，海神式多相泵已發(fā)展到P300、P301、P302三種型號(hào)。經(jīng)過(guò)陸上和海上現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)考核后，海神泵的研制者將其水力設(shè)計(jì)技術(shù)轉(zhuǎn)讓給挪威的Framo和法國(guó)的Sulzer泵業(yè)有限公司，從此螺旋軸流式多相泵進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用階段。

圖1 螺旋軸流式多相泵葉片F(xiàn)ig.1 Helico-axial multiphase pump impeller

螺旋軸流式增壓泵主要技術(shù)特點(diǎn)有： 泵的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定壓力提高，流量根據(jù)系統(tǒng)阻力特性自適應(yīng)；更適合高流量條件(100～2000m3/h)；更適合高入口壓力條件，中低等增壓(0～5MPa)的工況；適用于低黏度(<50mPa·s)；更好地適應(yīng)含沙環(huán)境，泵體采用開(kāi)式或半開(kāi)式結(jié)構(gòu)，對(duì)沙或其他固體顆粒不敏感，在處理含有固體顆粒的流體時(shí)表現(xiàn)出其顯著的優(yōu)越性；抗干轉(zhuǎn)能力(進(jìn)口含氣率100%情況下可無(wú)故障安全運(yùn)行兩天)；含氣率很高時(shí)，增壓能力相對(duì)較弱。

Framo多相泵主要用于水下市場(chǎng)，已在20多個(gè)項(xiàng)目中應(yīng)用，實(shí)物如圖2所示。Framo多相泵的設(shè)計(jì)參數(shù)為： 最大流量2000m3/h，壓差3～20MPa，氣體體積含量(GVF)最高達(dá)95%，壓力等級(jí)34.5～97.1MPa，設(shè)計(jì)水深3000m，軸功率300～3000kW，高5m，占地面積小于4m2，重量7～20t。

圖2 Framo水下多相泵實(shí)物圖Fig.2 Framo multiphase pump

Sulzer螺旋軸流式多相泵主要為陸上應(yīng)用。1994—2013年Sulzer共有多相泵業(yè)績(jī)17項(xiàng)，GVF為20%～95%，其中13項(xiàng)在陸上，2項(xiàng)在平臺(tái)上，2項(xiàng)在水下，已經(jīng)完成測(cè)試與認(rèn)證，未真正投入使用。Sulzer的兩項(xiàng)水下業(yè)績(jī)分別為1998年的Nautilus項(xiàng)目和2011年的Mark 1項(xiàng)目。1998年的Nautilus項(xiàng)目中的多相泵已經(jīng)通過(guò)檢驗(yàn)，由于油田原因，并未投入使用；2011年的Mark 1項(xiàng)目中的多相泵是基于Nautilus項(xiàng)目多相泵產(chǎn)品而研發(fā)，而且也已經(jīng)通過(guò)了檢驗(yàn)(見(jiàn)圖3)。

Sulzer多相泵的設(shè)計(jì)參數(shù)為： GVF為0～100%，增壓幅度大于10MPa，軸功率3.2MW(6000r/min)，設(shè)計(jì)水深2000m，設(shè)計(jì)壓力34.5MPa，設(shè)計(jì)溫度80℃，設(shè)計(jì)環(huán)境水溫4℃。

圖3 Sulzer多相泵及測(cè)試Fig.3 Sulzer multiphase pump testing

2.2 雙螺桿式多相增壓技術(shù)

雙螺桿式多相泵一般有兩種： 一種是高壓型雙螺桿泵，這種泵是在開(kāi)采與輸送高黏原油的普通雙螺桿液體泵的基礎(chǔ)上，吸收了噴油雙螺桿氣體壓縮機(jī)(實(shí)質(zhì)為含氣率97%～99%油氣混輸泵)的螺桿型線設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)子加工等關(guān)鍵技術(shù)后發(fā)展起來(lái)的，是目前現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較多的雙螺桿式多相泵；另一種為低壓型雙螺桿泵，是在螺桿壓縮機(jī)的基礎(chǔ)上，考慮多相流體的特殊性發(fā)展起來(lái)的，一般增壓值較低[5]。

雙螺桿式多相泵的轉(zhuǎn)子副由兩根互不接觸的螺桿組成，通過(guò)硬化處理過(guò)的直齒圓柱同步齒輪傳遞扭矩，如圖4所示。該泵在設(shè)計(jì)上利用氣體的壓縮性成功地降低回流損失，提高了泵的容積效率，并將軸向推力、噪聲、壓力脈動(dòng)以及泵的振動(dòng)等不利因素降低到最小，因此具有較好的效率和運(yùn)行特性，典型雙螺桿式多相泵的性能曲線如圖5所示。

雙螺桿泵主要技術(shù)特點(diǎn)有： 泵的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定流量，壓力根據(jù)系統(tǒng)阻力特性自適應(yīng)；更適合低流量條件(10～500m3/h)；更適合低入口壓力條件、中高等增壓(0～10MPa)的場(chǎng)合；可以適用于高黏度工況；不適應(yīng)含沙環(huán)境，會(huì)磨損螺桿，降低性能；需要配置相關(guān)流體系統(tǒng)，進(jìn)行自循環(huán)來(lái)防止干轉(zhuǎn)；在輸送介質(zhì)的含氣率很高時(shí)，仍可以達(dá)到較高的容積效率和較好的增壓；輸送過(guò)程中雙螺桿中至少保留3%的液體。

圖4 雙螺桿式多相泵示意圖Fig.4 Twin screw multiphase pump impeller

圖5 雙螺桿式多相泵性能曲線Fig.5 Twin screw multiphase pump performance curve

2008年Leistriz雙螺桿式多相泵(見(jiàn)圖6)應(yīng)用于巴西海域，該多相泵的設(shè)計(jì)參數(shù)為流量500m3/h， GVF高達(dá)95%，增壓6.6MPa，功率1200kW，轉(zhuǎn)速1800r/min。

圖6 Leistriz多相泵Fig.6 Leistriz multiphase pump

Bornemann從1997年參加德國(guó)R&D項(xiàng)目開(kāi)始進(jìn)行了水下多相泵的研究工作，接下來(lái)的挪威DEMO2000項(xiàng)目揭開(kāi)了水下雙螺桿泵第一次在北海和墨西哥灣的安裝應(yīng)用。SMPC系列為水下多相泵系列(見(jiàn)圖7)，目前發(fā)展到第四代，其中第二代和第三代在墨西哥灣和北海共有4項(xiàng)業(yè)績(jī)，增壓高達(dá)5MPa，功率高達(dá)1100kW，流量10～1300m3/h不等。

圖7 Bornemann第二代和第四代水下泵Fig.7 Bornemann multiphase pump SMPC series 2 and series 4

2.3 對(duì)轉(zhuǎn)葉輪技術(shù)

對(duì)轉(zhuǎn)葉輪是軸流式葉片的一種變化形式，機(jī)體呈對(duì)置方式，轉(zhuǎn)向相反的一對(duì)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)常規(guī)軸流壓縮機(jī)的動(dòng)葉和靜葉，轉(zhuǎn)速可變頻調(diào)節(jié)。由于它的動(dòng)、靜葉是相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的，通常在較低的轉(zhuǎn)速下就可得到很好的增壓效果。該裝置的一個(gè)顯著特點(diǎn)是流量很大，但因其工作原理類似于軸流式壓縮機(jī)，所以在含氣量高達(dá)90%以上才具有較為理想的性能，葉片形式如圖8所示。

圖8 對(duì)轉(zhuǎn)葉輪技術(shù)Fig.8 Contra-rotating (CR) technology

OneSubsea水下濕氣壓縮機(jī)WGC4000(見(jiàn)圖9)是2010年研制成功的一款對(duì)轉(zhuǎn)濕式壓縮機(jī)[6—7]，該濕氣壓縮機(jī)處理量達(dá)6000Am3/h(工況下的流量)，功率5000kW。其中機(jī)械研制基于Framo成熟的螺旋軸流式多相泵，如電機(jī)、軸承、機(jī)械密封和操作理念。該壓縮機(jī)可以處理GVF大于95%的工況，在啟動(dòng)時(shí)處理全液體的工況。2015年第四季度，WGC4000成功應(yīng)用于Gullfaks項(xiàng)目。水深約135m，電機(jī)功率為5000kW(2×2500kW)，回接距離約15km。Gullfaks水下增壓項(xiàng)目使產(chǎn)量增加2200萬(wàn)桶油當(dāng)量，采收率從63%提高到73%。

圖9 OneSubsea水下壓縮機(jī)Fig.9 OneSubsea subsea compressor WGC

2.4 半軸流式增壓技術(shù)

半軸流式增壓技術(shù)采用半軸流葉片，這種葉片類似于螺旋軸流式葉片，葉片的一部分起增壓作用，一部分起整流作用，該種葉片能夠?qū)崿F(xiàn)0～100%氣液比的多相增壓，最佳氣液比為70%，增壓能力達(dá)20MPa。葉片結(jié)構(gòu)如圖10所示。2015年Aker Solution公司已經(jīng)完成該種葉片式水下多相泵的測(cè)試。

圖10 半軸流葉片F(xiàn)ig.10 Semi-axial impeller

2.5 離心式增壓技術(shù)

水下離心式增壓技術(shù)由陸上離心式壓縮技術(shù)改進(jìn)而來(lái)，通過(guò)無(wú)油潤(rùn)滑、高頻率感應(yīng)電機(jī)、動(dòng)態(tài)磁力軸承、變頻軟啟動(dòng)等先進(jìn)技術(shù)保證壓縮機(jī)在水下長(zhǎng)期無(wú)故障運(yùn)行。目前階段應(yīng)用于Asgard[7—8]的MAN Turbo HOFIMTM離心式壓縮機(jī)(見(jiàn)圖11)進(jìn)氣液量最多允許0.46%(體積分?jǐn)?shù))，因此該水下離心式壓縮機(jī)目前階段還需配合分離器一起使用。脫離分離器真正實(shí)現(xiàn)水下濕氣增壓的水下離心式壓縮機(jī)目前正在研發(fā)中。

應(yīng)用于Asgard 項(xiàng)目的壓縮機(jī)橇塊尺寸為75m×45m×20m，重量5000t，主要包括兩個(gè)壓縮機(jī)2×11.5MW，一個(gè)分離器，一個(gè)泵，一個(gè)冷卻器，應(yīng)用水深250～325m。2015年，Asgard水下增壓項(xiàng)目增產(chǎn)3.06億桶油當(dāng)量，采收率提高20%左右。

圖11 MAN Turbo HOFIMTM水下壓縮機(jī)Fig.11 MAN Turbo HOFIMTM compressor

3 水下多相增壓技術(shù)的難點(diǎn)和努力方向

水下多相增壓技術(shù)是集水下增壓技術(shù)、多相混輸技術(shù)、設(shè)備集成技術(shù)、水下輸配電技術(shù)、水下控制技術(shù)、水下分離技術(shù)、水下安裝技術(shù)等多方面技術(shù)于一體的綜合性技術(shù)，因此存在許多制約水下多相增壓技術(shù)的瓶頸。水下多相增壓技術(shù)的難點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)。

(1) 對(duì)氣液比波動(dòng)較大工況的適應(yīng)性。水下氣田井流氣液比往往在全生命周期內(nèi)變化較大，而目前幾種水下多相增壓設(shè)備都對(duì)氣液比有一定的要求，螺旋軸流式增壓泵、雙螺桿式增壓泵的泵送井流氣液比范圍為0～95%，無(wú)法適用于氣液比高于95%的氣田；對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)泵送井流氣液比范圍為95%～100%，但是抗干轉(zhuǎn)時(shí)間只有兩天；離心式壓縮機(jī)對(duì)進(jìn)口液量的限制更為苛刻。因此，研究一種可以適用于氣液比變化大、具有長(zhǎng)期抗干轉(zhuǎn)能力的水下多相增壓設(shè)備是水下多相增壓技術(shù)的難點(diǎn)之一。

(2) 長(zhǎng)距離供電技術(shù)的制約。水下多相增壓設(shè)備通常采用電驅(qū)，為了適應(yīng)深水油氣多變的工況，需要配置變頻器進(jìn)行調(diào)速，目前已投入現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的水下多相增壓設(shè)備配置的變頻器均放置于依托設(shè)施上部組塊，隨著海洋油氣開(kāi)發(fā)區(qū)域水深的不斷增加，水下多相增壓設(shè)備回接距離不斷增長(zhǎng)(例如荔灣3-1為79km回接)，變頻器供電距離有限(現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最遠(yuǎn)距離為Asgard水下壓縮機(jī)系統(tǒng)供電距離40km)，變頻器放置于依托設(shè)施上部組塊將無(wú)法滿足回接距離的要求。目前在Ormen Lange[9]提出了一種水下變頻模式，采用水下變頻器、水下斷路器、水下不間斷電源(UPS)等水下輸配電設(shè)備，雖然已經(jīng)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，但是并無(wú)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)成熟度有待實(shí)際項(xiàng)目長(zhǎng)期可靠運(yùn)行來(lái)驗(yàn)證。

(3) 水下安裝技術(shù)。水深和水下生產(chǎn)設(shè)施重量的增加對(duì)于水下安裝技術(shù)提出了更大的挑戰(zhàn)，包括安裝船舶、下放和回收系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)、連接和配重、定位和通信等相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題都需要解決。Asgard項(xiàng)目水下壓縮機(jī)模塊重量達(dá)4800t，尺寸達(dá)75m×45m×20m，對(duì)水下安裝提出了非常大的挑戰(zhàn)，世界范圍內(nèi)能夠完成水下安裝的船舶資源非常有限，大大增加了安裝成本。因此，為了避免水下安裝技術(shù)成為水下增壓技術(shù)的瓶頸，也為了降低水下增壓技術(shù)的成本，水下增壓模塊需要進(jìn)一步進(jìn)行小型化研究。

(4) 新技術(shù)的可靠性。為了長(zhǎng)期免維護(hù)可靠運(yùn)行，水下離心式壓縮機(jī)運(yùn)用了高頻率感應(yīng)電機(jī)、動(dòng)態(tài)磁力軸承、變頻軟啟動(dòng)、無(wú)油密封、工藝氣冷卻等一系列新技術(shù)。目前階段水下運(yùn)行時(shí)間短，可靠性有待項(xiàng)目長(zhǎng)時(shí)間可靠運(yùn)行來(lái)檢驗(yàn)。

(5) 水深對(duì)集成設(shè)備的挑戰(zhàn)。目前已經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用水下壓縮機(jī)的兩個(gè)項(xiàng)目Asgard和Gullfaks都處于100～350m水深的范圍，隨著現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用水深的增加，部分組成單元(包括相關(guān)的水下分離設(shè)備、水下輸配電設(shè)備等)可能需要重新設(shè)計(jì)并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)測(cè)試和認(rèn)證，以滿足水深需求，保證系統(tǒng)可靠性。系統(tǒng)故障將導(dǎo)致減產(chǎn)和維修維護(hù)費(fèi)用的大幅增加。

4 結(jié) 語(yǔ)

水下多相增壓技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)和適用工況，應(yīng)根據(jù)深水油氣田實(shí)際需求來(lái)選擇相關(guān)類型。螺旋軸流式多相增壓技術(shù)和雙螺桿式多相增壓技術(shù)主要適用于氣液比范圍為0～95%的油氣田，其中螺旋軸流式多相增壓技術(shù)更加成熟，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)更豐富。對(duì)轉(zhuǎn)軸流式濕氣壓縮技術(shù)主要適用于氣液比超過(guò)95%的氣田，但是抗干轉(zhuǎn)能力還需進(jìn)一步研究提高。離心式壓縮機(jī)已經(jīng)應(yīng)用于水下，但是探索脫離分離器，適用高含液工況，研究防喘振等技術(shù)仍然是需要繼續(xù)攻關(guān)的難點(diǎn)。此外，水下多相增壓技術(shù)還面臨著長(zhǎng)距離供電技術(shù)、控制技術(shù)、水下安裝技術(shù)等配套技術(shù)及自身技術(shù)發(fā)展的制約，仍然需要科研人員繼續(xù)在深水油氣田的開(kāi)發(fā)中不斷去解決這些問(wèn)題。

隨著荔灣3-1氣田的開(kāi)發(fā)以及陵水17-2大型氣田的發(fā)現(xiàn)，我國(guó)海洋石油開(kāi)發(fā)逐漸從淺水走向深水，水下多相增壓技術(shù)對(duì)低壓油藏、高含水油藏的開(kāi)發(fā)以及提高油氣田采收率和增長(zhǎng)油氣田生產(chǎn)年限等方面都具有非常重要的戰(zhàn)略性意義。

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TechnologyProgressofSubseaMultiphaseBoosting

LIU Yong-fei, LI Qing-ping, QIN Rui

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

We mainly summarize the technical principle and parameters of helico-axial multiphase boosting technology, twin screw multiphase boosting technology, contra-rotating multiphase boosting technology, etc., and analyze the characteristics and application status of them. Meanwhile, the difficulties of subsea multiphase boosting technology at present, including the adaptability of liquid fluctuation conditions, the restriction of long distance power supply technology, subsea installation challenges, reliability of new technology, and reliability of the integrated equipment, are analyzed. This work will provide reference and technical supports for the application of the subsea multiphase boosting technology in subsea oil and gas field development.

subsea multiphase boosting; subsea multiphase pump; subsea gas compressor; subsea equipment

TE53

A

2095-7297(2017)04-0205-06

2017-01-17

劉永飛(1988—)，男，碩士，主要從事深水油氣田開(kāi)發(fā)和水下設(shè)備等方面的研究。