雙螺桿混輸泵在潿洲11-4N油田的應(yīng)用

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(湛江南海西部石油勘察設(shè)計(jì)有限公司，廣東 湛江 524057)

0 引 言

利用多相混輸工藝，海上平臺(tái)的井口物流不需要經(jīng)過氣液兩相分離，通過混輸泵增壓后可以直接進(jìn)行外輸，能大幅降低油田開發(fā)投資費(fèi)用，生產(chǎn)中還可以降低自噴井的井口回壓，提高油氣產(chǎn)量及采收率[1]?；燧敱米鳛榛燧敼に嚨暮诵脑O(shè)備，從20世紀(jì)90年代開始就成為國際上著重研究開發(fā)的熱點(diǎn)并先后有多個(gè)類型的混輸泵成功投用[2-4]。目前，我國多所院校及研究機(jī)構(gòu)對(duì)雙螺桿混輸泵進(jìn)行多角度的理論研究與產(chǎn)品研制，并取得一定的成果。徐建寧等[5]從螺桿泵的密封裝置設(shè)計(jì)、螺桿的加工工藝及裝配工藝角度進(jìn)行研究；胡斌等[6]針對(duì)螺桿轉(zhuǎn)子建立模型，對(duì)高含氣率下雙螺桿混輸泵轉(zhuǎn)子的熱變形和力變形規(guī)律進(jìn)行研究；許明等[7]通過改換螺旋套和轉(zhuǎn)子的材質(zhì)，優(yōu)化泵體內(nèi)部表面處理等角度，提高混輸泵的泵效和使用壽命。但是，雙螺桿混輸泵在海上石油平臺(tái)應(yīng)用的實(shí)踐較少，可借鑒的成功經(jīng)驗(yàn)十分有限，對(duì)混輸流程的設(shè)計(jì)帶來了難度和挑戰(zhàn)。本文結(jié)合潿洲11-4N油田二期開發(fā)的工程實(shí)例，對(duì)影響多相混輸泵運(yùn)行性能的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析，給出對(duì)應(yīng)的解決措施，并制定適合現(xiàn)場(chǎng)工況的混輸工藝方案。

1 潿洲11-4N油田混輸泵應(yīng)用背景

1.1 WHPB平臺(tái)生產(chǎn)流程

潿洲11-4N油田位于我國南海北部灣海域，包括已建井口平臺(tái)A(Well-Head Platform A,WHPA)及二期開發(fā)新建井口平臺(tái)B(Well-Head Platform B,WHPB)。WHPB匯集來自WHPA及潿洲11-1 油田立管平臺(tái)(Riser Platform,RP)2座平臺(tái)的生產(chǎn)物流，通過海管一起外輸。其中，WHPB平臺(tái)及RP平臺(tái)流體的外輸壓力均為3 600 kPaG，而來自WHPA平臺(tái)流體的上岸壓力只有1 200～1 500 kPaG，故利用雙螺桿混輸泵將其增壓至3 600 kPaG。生產(chǎn)流程如圖1所示。

圖1 潿洲11-4N WHPB平臺(tái)生產(chǎn)流程

1.2 混輸泵進(jìn)口工況及主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)油藏模擬預(yù)測(cè)，混輸泵進(jìn)口的油、氣、水三相物流參數(shù)見表1，可以看出：油、氣、水產(chǎn)量及含氣率在投產(chǎn)的第1年即2015年最高，隨后總體呈現(xiàn)逐年降低的趨勢(shì)。

表1 混輸泵進(jìn)口流體工況

根據(jù)表1中的參數(shù)，選用2臺(tái)德國雷士公司生產(chǎn)的型號(hào)為L4MG200-075AHOKR-G的雙螺桿多相泵，其主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 L4MG200-075AHOKR-G混輸泵技術(shù)參數(shù)

2 影響混輸泵運(yùn)行性能的關(guān)鍵因素

2.1 固體顆粒對(duì)螺桿襯套材料的影響

為保證一定的容積效率及穩(wěn)定性，螺桿泵轉(zhuǎn)子之間及螺桿與襯套之間留有一個(gè)合理的間隙值[8]，根據(jù)流體工況及泵材質(zhì)的不同，這一數(shù)值一般在零點(diǎn)幾毫米至幾毫米之間，這就導(dǎo)致其對(duì)流體含砂等固體顆粒直徑的敏感性。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，固體顆粒隨流體進(jìn)入泵內(nèi)后，在離心力的作用下很快會(huì)被甩到螺桿與襯套之間的周向間隙中，易對(duì)螺套頂部和襯套內(nèi)壁造成劃痕拉傷，降低螺桿和襯套的使用壽命，增加修泵的頻率，使現(xiàn)場(chǎng)難以維持正常生產(chǎn)。在最嚴(yán)重的情況下，當(dāng)固體顆粒直徑超過泵最小間隙值，并且硬度超過螺桿及襯套的硬度時(shí)，會(huì)造成“機(jī)械阻轉(zhuǎn)”，直接導(dǎo)致停泵。

2.2 進(jìn)口含氣率對(duì)泵動(dòng)態(tài)密封性能的影響

雙螺桿混輸泵內(nèi)存在3條主要的泄漏通道[9]，對(duì)泵的間隙密封性能有較大影響。根據(jù)徐建寧等[5]的理論研究及王凱等[10]建立的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)流體中不含氣體或含氣率較低時(shí)，徑向、齒側(cè)及周向間隙3條內(nèi)部通道被液體介質(zhì)密封，間隙回流只有少部分的液體；當(dāng)進(jìn)出口壓差不變而含氣率增加到一定程度時(shí)，液體的量不足以對(duì)回流間隙起到密封作用，從而導(dǎo)致回流量急劇增大，泵效大大降低。楊小強(qiáng)等[11]的試驗(yàn)則很好地印證了這一結(jié)論，并進(jìn)一步指出：在高含氣率時(shí)，一定量的液體對(duì)保持泵的動(dòng)態(tài)密封起到關(guān)鍵的作用。因此，混輸泵對(duì)流體進(jìn)口含氣率(Gas Volume Fraction,GVF)及液體流量存在一定的敏感性。

2.3 段塞流極端工況對(duì)螺桿和機(jī)械密封的影響

理論上雙螺桿混輸泵可以輸送純氣體，滿足段塞流含氣率100%的氣塞段工況。但是受材料特性所限，若泵長時(shí)間壓縮氣體，易使嚙合螺桿迅速升溫變形。我國渤海某平臺(tái)就曾發(fā)生類似的事故：生產(chǎn)中由于井下油管段產(chǎn)生嚴(yán)重的段塞流，混輸泵長時(shí)間干轉(zhuǎn)致使螺桿過熱咬死，目前平臺(tái)上采用的3臺(tái)雙螺桿泵已經(jīng)停用。另外，在段塞流工況氣液流體交變載荷的沖擊下，會(huì)使泵產(chǎn)生劇烈震動(dòng)，加速軸承和密封等機(jī)械構(gòu)件的磨損，降低使用壽命。

為了解決這個(gè)問題，雷士泵廠定在泵上設(shè)置專門的溫度探測(cè)與關(guān)停裝置，當(dāng)嚙合螺桿溫度超過80 ℃時(shí)停泵。但是，停泵的直接后果是導(dǎo)致上游平臺(tái)停產(chǎn)，同時(shí)還極易引起潛油泵故障，應(yīng)避免這種情況的發(fā)生。

3 確保混輸泵正常運(yùn)行的措施及混輸方案的設(shè)計(jì)

3.1 入口改進(jìn)籃式濾器的采用

對(duì)儲(chǔ)層巖心的力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明：潿洲11-4N油田開發(fā)的主力油層潿三段I-IV油組巖石強(qiáng)度較低，屬于弱膠結(jié)儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)，在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了流體含砂的現(xiàn)象。為了確定混輸泵對(duì)巖砂等固體顆粒直徑的敏感程度，雷士泵廠家根據(jù)工況參數(shù)(見表1)及泵體選材(見表3)，模擬計(jì)算出運(yùn)行時(shí)泵內(nèi)間隙最小值為3 mm。在靠近泵入口的管線上采用經(jīng)過改進(jìn)的籃式濾器，如圖2所示，對(duì)固體顆粒直徑進(jìn)行限定，孔徑為0.25 mm。

表3 混輸泵主要部件材質(zhì)

與傳統(tǒng)籃式濾器的單濾網(wǎng)相比，經(jīng)過改進(jìn)后的籃式濾器最大的不同是采用了一套共8組濾網(wǎng)，在保證過濾精度的前提下，有效過濾表面積增加71%，進(jìn)一步提高過濾效率，同時(shí)把壓降控制在較低的水平(30 kPaG以下)，保證了泵的吸入性能。

圖2 改進(jìn)籃式濾器結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 出口液體管理系統(tǒng)及純液回流

針對(duì)潿洲11-4N油田的流體工況(見表1)，為了保證運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)密封，雷士泵廠家對(duì)進(jìn)口流體GVF條件及最小液體流量提出了一定的要求(見表2)。根據(jù)模擬計(jì)算及工廠性能試驗(yàn)，泵所需最小液體流量約為11 L/s，當(dāng)小于該數(shù)值時(shí)泵效出現(xiàn)較明顯的降低。

為了解決該問題，提出液體管理系統(tǒng)(Liquid Management System)的概念，如圖3所示，在泵出口管線的低點(diǎn)設(shè)置一套小型積液回流裝置，使得液體能夠依靠自身重力積聚到一臺(tái)50 L的儲(chǔ)液罐中。罐中純液在進(jìn)出口壓差(2 100～2 400 kPaG)的作用下通過一條2英寸(1英寸=0.025 4 m)的管線回流至泵入口，回流的最小流量控制通過管線上設(shè)置的限流孔板(RO-001)實(shí)現(xiàn)。在正常運(yùn)行時(shí)，持續(xù)的液體回流可以消除GVF瞬時(shí)波動(dòng)帶來的影響，保證較高的泵效，在啟泵前能滿足灌泵的使用要求。

圖3 “液體管理系統(tǒng)”流程及裝置照片

但是，受到平臺(tái)空間及投資成本等因素的制約，限制了該系統(tǒng)的儲(chǔ)液罐尺寸和容積，只能在較短時(shí)間內(nèi)滿足泵的最小流量要求，對(duì)氣液波動(dòng)更劇烈且持續(xù)時(shí)間較長的段塞流工況則不適用。

3.3 外部補(bǔ)充流體的引入

根據(jù)模擬計(jì)算，潿洲11-4N WHPA至WHPB平臺(tái)的海底管道在最不利情況下，段塞流持續(xù)的時(shí)間將超過20 min，不能滿足雷士泵干轉(zhuǎn)小于15 min的要求。為了解決該問題，從來自RP平臺(tái)高壓流體的上岸管線引出一條支路，經(jīng)過控制閥調(diào)壓接入混輸泵的進(jìn)口，利用外部液體作為補(bǔ)充，消除段塞流帶來的不利影響。外部補(bǔ)充液體流程圖如圖4所示。

圖4 外部補(bǔ)充液體流程圖

在靠近混輸泵入口管線上設(shè)置1臺(tái)壓力變送裝置，利用其輸出的信號(hào)直接控制補(bǔ)充支路上的調(diào)壓閥。當(dāng)來自潿洲11-4N WHPA的立管中發(fā)生段塞流時(shí)，前部的氣塞段將首先到達(dá)泵入口被壓縮。由于得不到后續(xù)能量的補(bǔ)充，壓力持續(xù)降低至1 200 kPaG時(shí)調(diào)壓閥開啟，把來自RP平臺(tái)的壓力為3 600 kPaG的液體引至泵進(jìn)口，當(dāng)壓力大于1 600 kPaG時(shí)調(diào)壓閥自動(dòng)關(guān)閉。對(duì)于調(diào)壓閥尺寸的確定，按照較為保守的設(shè)計(jì)思路，選取海管最低操作壓力1 200 kPaG時(shí)對(duì)應(yīng)的油氣輸量分別為3 945 m3/d ，58 386 Sm3/d，最終確定了調(diào)壓閥尺寸為4英寸。

在外部補(bǔ)充流體來源的選擇上，不同的平臺(tái)根據(jù)自身的特點(diǎn)，還可以利用其他流體，如生產(chǎn)水、含油污水或海水等，必要時(shí)還可以增加單獨(dú)的穩(wěn)流補(bǔ)液泵。

3.4 平臺(tái)混輸工藝流程的制定

在圖1生產(chǎn)流程的基礎(chǔ)上，綜合考慮確保混輸泵正常運(yùn)行的各項(xiàng)措施，制定平臺(tái)混輸工藝流程，如圖5所示。

圖5 混輸工藝流程示意圖

4 結(jié) 論

(1) 在泵進(jìn)口采用改進(jìn)后的籃式濾器，避免了油田投產(chǎn)后流體從地層中攜帶的巖砂和管道內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物等較大固體顆粒對(duì)螺桿和襯套的磨損，延長了泵的使用壽命。

(2) 在進(jìn)口管線引入外部流體作為補(bǔ)充，避免了平臺(tái)立管嚴(yán)重段塞流工況對(duì)泵機(jī)械構(gòu)件變形的影響，提高了運(yùn)行的穩(wěn)定性。

(3) 在泵的出口設(shè)置一套液體管理系統(tǒng)，滿足泵的最小流量要求，消除進(jìn)口流體GVF瞬時(shí)波動(dòng)對(duì)泵動(dòng)態(tài)密封性能的影響，提高泵的容積效率。

目前，潿洲11-4N油田的2臺(tái)混輸泵已經(jīng)通過調(diào)試順利投產(chǎn)，運(yùn)行情況良好。

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