楊施穎，陳文峰，于成龍，劉博

海洋石油工程股份有限公司 設(shè)計(jì)院（天津300451）

從20世紀(jì)80年代開(kāi)始國(guó)外各大機(jī)構(gòu)以及石油公司就對(duì)多相混輸技術(shù)展開(kāi)研究[1]。與傳統(tǒng)的單相集輸技術(shù)相比，多相混輸技術(shù)最主要的優(yōu)勢(shì)在于其不再需要增設(shè)氣液分離器、泵、氣體壓縮機(jī)以及分別用于輸送氣、液的兩條管道[2]，減少投資，提高油氣田開(kāi)發(fā)效益[3]。目前，多相混輸技術(shù)已在我國(guó)海上油田得到成功應(yīng)用。

1 混輸工藝及優(yōu)勢(shì)

混輸工藝按照其混輸位置的不同可分為地面混輸和水下混輸兩種[4]，其中地面混輸工藝主要是指將混輸設(shè)備安裝在生產(chǎn)平臺(tái)上的混輸工藝[5]；水下混輸主要是指將混輸設(shè)備安裝在水下的混輸工藝，該混輸工藝可減少平臺(tái)建設(shè)工程的投資。

1.1 混輸設(shè)備的主要類(lèi)型

1）雙螺桿混輸泵由兩個(gè)平行的螺桿相嚙合，由軸末端的傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)[6]。其轉(zhuǎn)速范圍在1 500～2 400 r/min，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，因此被廣泛運(yùn)用于重油開(kāi)發(fā)中。

2）螺旋軸流式混輸泵屬于回轉(zhuǎn)動(dòng)力泵，其原理同傳統(tǒng)的離心泵相似，均是通過(guò)旋轉(zhuǎn)葉輪增大流體的動(dòng)能，隨后動(dòng)能轉(zhuǎn)為勢(shì)能[7]。螺旋軸流式混輸泵運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速通常在3 500～6 500 r/min,輸送氣容比范圍寬泛[8]。

1.2 混輸泵特性及選型

混輸泵是混輸工藝的關(guān)鍵，因此，混輸泵的選型應(yīng)遵循工藝設(shè)計(jì)要求，其參數(shù)主要包括：吸入壓力、壓差、液體黏度以及使用年限內(nèi)的輸量范圍[9]。而對(duì)于水下混輸泵的應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)性及泵的可靠性是水下混輸泵選型過(guò)程中主要的考慮因素。

雙螺桿泵和螺旋軸流式泵的特點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 混輸泵參數(shù)比較

通過(guò)表1混輸泵參數(shù)比較可知，在多相混輸增壓系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)時(shí)，泵的選型主要考慮以下幾點(diǎn)[10]：

1）混輸泵輸送的流體流速與泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，在吸入壓力足夠高的工況下，螺旋軸流式混輸泵比雙螺桿泵可產(chǎn)生更高的流速。

2）相比雙螺桿泵，螺旋軸流式泵通過(guò)泵速改變流速更為靈活。相對(duì)于雙螺桿泵，螺旋軸流式泵的輸送流體流速范圍更寬，應(yīng)用更具優(yōu)勢(shì)。

3）兩種混輸泵均可在使用液體回流裝置、流體混合器或者緩沖罐的輔助下處理含氣量在0～100%的流體。因此含氣量并不是泵選型方面的制約因素。

4）雙螺桿泵在輸送混合流體黏度方面沒(méi)有最高黏度的限制，而螺旋軸流式泵可輸送的混合流體黏度最高僅為4 000 mPa·s。

5）螺旋軸流式泵比雙螺桿泵對(duì)于含沙流體的忍耐度高，因此在生產(chǎn)液含沙時(shí)，螺旋軸流式泵更具優(yōu)勢(shì)。

6）在安裝方面，螺旋軸流式泵在水下主要采用豎直的安裝方向，在陸面主要采用水平的安裝方向；而雙螺桿泵目前僅存在水平的安裝方向，豎直安裝還在研究中。

7）耐壓等級(jí)方面，相比雙螺桿泵，螺旋軸流式泵耐壓等級(jí)較高，最大耐壓可達(dá)103.49 MPa，雙螺桿泵最大耐壓為34.48 MPa（可滿足海上低黏度流體的水下增壓需求）。

通過(guò)上述分析可知，從技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)性可行性以及技術(shù)成熟度等角度對(duì)比分析，在多相混輸增壓技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中選用螺旋軸流式混輸泵作為該項(xiàng)技術(shù)的混輸泵。

1.3 混輸工藝的優(yōu)勢(shì)

混輸工藝的主要優(yōu)勢(shì)有[11]：

1）有利于開(kāi)井。使用混輸增壓技術(shù)可以在開(kāi)井井口壓力較低的情況下啟泵生產(chǎn)，還可有效抑制段塞流去往下游，減少流程中設(shè)備的失效率。

2）降低油氣田開(kāi)發(fā)成本?；燧敱玫某杀敬蠹s是傳統(tǒng)分離設(shè)備的70%，對(duì)于邊際油田的開(kāi)發(fā)，可通過(guò)混輸工藝將各油田的生產(chǎn)液集中起來(lái)，輸送至中心平臺(tái)集中處理。

3）對(duì)環(huán)境友好?；燧敱玫氖褂每蓪?shí)現(xiàn)天然氣零放空，以前需要燃燒處理的伴生氣現(xiàn)在可以被輸送至偏遠(yuǎn)處理設(shè)備集中并售賣(mài)。不僅可增加額外的收入，而且減少溫室氣體對(duì)環(huán)境的影響。

2 混輸工藝在某海上油田的應(yīng)用及存在的問(wèn)題

2.1 混輸工藝在國(guó)內(nèi)某海上油田的應(yīng)用實(shí)例

國(guó)內(nèi)某海上油田，由于油氣儲(chǔ)量小，如果建設(shè)具有油、氣、水處理能力的綜合平臺(tái)開(kāi)發(fā)該油田，會(huì)造成油田開(kāi)發(fā)成本大幅增加，降低該油田的開(kāi)發(fā)效益。因此，該油田在開(kāi)發(fā)過(guò)程中采用混輸技術(shù)，即只建一座簡(jiǎn)易的井口小平臺(tái)，生產(chǎn)出的油氣水利用混輸泵通過(guò)混輸海管輸送到距離16 km的中心平臺(tái)進(jìn)行處理。其大幅降低了油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中的工程建設(shè)投資，從而該油田得到有效開(kāi)發(fā)。

該油田開(kāi)發(fā)所采用的混輸泵為螺桿泵，共設(shè)有3臺(tái)[12]，每臺(tái)處理量為246 m3/h，功率為400 kW，出口壓力為5.6 MPa。每臺(tái)泵撬上的設(shè)備主要包括：雙螺桿雙吸流泵1臺(tái)、電機(jī)1臺(tái)、現(xiàn)場(chǎng)控制盤(pán)1個(gè)及輔助設(shè)備?；燧敱玫膮?shù)見(jiàn)表2。

表2 國(guó)內(nèi)某海上油田某平臺(tái)混輸泵主要參數(shù)表

通過(guò)圖1國(guó)內(nèi)某海上油田某平臺(tái)1998年1月—2004年1月的氣液比柱狀圖，該平臺(tái)混輸泵從1997年投產(chǎn)開(kāi)始使用，設(shè)備投運(yùn)后一直正常運(yùn)轉(zhuǎn)。但由于設(shè)備投產(chǎn)初期以及2004年后油田天然氣產(chǎn)量下降，該泵存在運(yùn)行不穩(wěn)定的情況。

圖1 國(guó)內(nèi)某海上油田某平臺(tái)氣液比柱狀圖

2.2 混輸工藝在某海上油田應(yīng)用存在的問(wèn)題

1）在泵使用壽命內(nèi)流體狀態(tài)發(fā)生變化。通常情況下，會(huì)根據(jù)具體的工況來(lái)選擇特定的混輸泵，其中包括假設(shè)的井底壓力、含水率、含氣率以及其他的油藏參數(shù)。但隨著時(shí)間變化，實(shí)際生產(chǎn)中可能會(huì)偏離這些參數(shù)。2004年后油田天然氣產(chǎn)量下降，偏離設(shè)計(jì)參數(shù)氣液比范圍33%以下，導(dǎo)致泵運(yùn)行不穩(wěn)定。

2）氣液比的變化。在長(zhǎng)氣泡產(chǎn)生的情況下，流體狀態(tài)可能會(huì)100%的純液體突變?yōu)?00%純氣體（氣液比由0～100%），這會(huì)導(dǎo)致輸送流體的劇烈波動(dòng)。

3)螺旋及軸承磨損問(wèn)題。因?yàn)榛燧敱玫娜肟谑且粋€(gè)平行橫管段，在重力作用下油氣分開(kāi)造成一邊腔室主要進(jìn)油，另外一邊腔室主要進(jìn)氣，造成泵的兩端螺桿壓縮比不一致，導(dǎo)致沖擊振動(dòng)，主要是橫向竄動(dòng)，加速螺桿及軸承磨損。

4）氣體壓縮的影響?；燧敱猛瑫r(shí)具有泵與壓縮機(jī)兩種功能，氣體在出口端被壓縮，繼而會(huì)導(dǎo)致溫度的升高。通常，泵的溫度會(huì)通過(guò)流體流過(guò)而冷卻，但是在高氣液比工況下運(yùn)行時(shí)，氣體壓縮效果會(huì)導(dǎo)致明顯的氣體溫度變化，繼而會(huì)導(dǎo)致泵內(nèi)元件的熱膨脹。如橡膠定子一樣的熱敏元件還可能發(fā)生過(guò)早失效。

3 混輸泵外輸工藝流程上的改進(jìn)

混輸泵對(duì)于氣液比的要求還比較嚴(yán)格，而油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中氣液比變化是客觀存在的，為了維持混輸泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)，必須把氣液比控制在混輸泵要求的范圍。

3.1 混輸泵兩端螺桿壓縮比不一致問(wèn)題的解決方案

將混輸泵的入口管線進(jìn)行改造，由水平直入改為立管進(jìn)入，此種方法可減少了因重力原因?qū)⒂蜌夥指粼趦蓚€(gè)腔室從而產(chǎn)生沖擊振動(dòng)的影響，

3.2 低氣液比問(wèn)題的解決方案

當(dāng)井口來(lái)液中生產(chǎn)水含量較高時(shí)，可以在泵前設(shè)置分離器脫除部分生產(chǎn)水，提高氣液比維持混輸泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。分離出來(lái)多余的生產(chǎn)水進(jìn)入污水處理系統(tǒng)進(jìn)行處理后回注或外排，這樣既提高了氣液比又降低泵的外輸量，減小海管尺寸以及下游設(shè)備的處理量，還可以解決油田注水水源問(wèn)題。也可以在混輸泵出口設(shè)置管式分離器，把分離出來(lái)的氣體回流到泵的入口達(dá)到調(diào)節(jié)氣液比解決低氣液比問(wèn)題。

3.3 高氣液比問(wèn)題的解決方案

對(duì)于高氣液比問(wèn)題，可以通過(guò)在泵后加設(shè)分離器，分離出一部分液相再回輸至混輸泵入口，以滿足最小的液相比例要求。利用加設(shè)分離器的方式來(lái)控制氣液比，可以使混輸泵的適用范圍更廣，由于對(duì)分離精度要求不高，管式分離器可滿足液氣分離的要求。與傳統(tǒng)的分離設(shè)備相比,管式分離器具有體積小、重量輕、投資省等許多明顯的優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)論

混輸工藝由于具有工程投資少、延長(zhǎng)輸送距離、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于邊際油田的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)在海上油田的應(yīng)用和不斷完善，目前該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)逐漸趨于成熟。通過(guò)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)某海上油田應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題分析，對(duì)于氣液比的變化導(dǎo)致混輸泵無(wú)法正常工作的問(wèn)題從工藝角度進(jìn)行研究分析，分別從低氣液比、高氣液比以及混輸泵兩端螺桿壓縮比不一致等方面提出解決方案，有效改善了目前混輸工藝因氣液比的變化導(dǎo)致混輸泵無(wú)法正常工作的問(wèn)題，有利于后期該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用和推廣。