高壓注氣壓縮機(jī)在海上凝析氣田循環(huán)注氣開發(fā)中的應(yīng)用

于邦廷，劉維濱，秦小剛，王文祥，陳宏舉

（中海油研究總院有限責(zé)任公司， 北京 100028）

渤海某潛山凝析氣田儲(chǔ)層物性差、地露壓差小、凝析油含量高，采用常規(guī)的衰竭開發(fā)容易導(dǎo)致反凝析現(xiàn)象，出現(xiàn)凝析油采收率降低的風(fēng)險(xiǎn)。為避免反凝析，提出循環(huán)注氣開發(fā)模式，將采出的部分天然氣增壓后再回注地層以維持氣藏壓力。與衰竭開發(fā)模式相比，循環(huán)注氣可大幅提高凝析油采收率，使氣田的經(jīng)濟(jì)效益明顯提升。實(shí)現(xiàn)循環(huán)注氣開發(fā)的主要難點(diǎn)在于需要配置超高壓注氣壓縮機(jī)，所需的壓縮機(jī)出口壓力達(dá)到50MPa，這對(duì)壓縮機(jī)的選用與安全設(shè)計(jì)提出了非常高的要求。目前國(guó)內(nèi)海上氣田常規(guī)的外輸和增壓壓縮機(jī)的出口壓力均在25MPa以內(nèi)[1-3]，高壓注氣的安全風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較高，合理選擇高壓注氣壓縮機(jī)并對(duì)其輔助系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)該類型氣田注氣開發(fā)的關(guān)鍵。

針對(duì)該凝析氣田循環(huán)注氣開發(fā)的特點(diǎn)和難點(diǎn)，從滿足油藏實(shí)施要求出發(fā)，進(jìn)行注氣壓縮機(jī)的選型設(shè)計(jì)，對(duì)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)方式、壓縮機(jī)類型、冷卻方式、振動(dòng)分析等重點(diǎn)方面進(jìn)行適應(yīng)性分析和研究，為該氣田的高效開發(fā)提供安全可靠的技術(shù)方案。同時(shí)也為本區(qū)域后續(xù)注氣開發(fā)進(jìn)行試驗(yàn)性的設(shè)計(jì)，為未來(lái)整個(gè)氣田的開發(fā)提供技術(shù)支持。

1 海上平臺(tái)高壓注氣壓縮機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)較早實(shí)施注氣開發(fā)的氣田有牙哈氣田、吐哈氣田及大港油田等陸上油氣田，注氣壓力范圍約30～52MPa[4-6]。牙哈凝析氣田是采用循環(huán)注氣開采的整裝凝析氣田，其設(shè)計(jì)注氣壓力高達(dá)52MPa[4]，實(shí)際注氣壓力小于50MPa。經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行探索，陸上油田已掌握了一套循環(huán)注氣開發(fā)的成熟模式，在油藏研究、地面工程設(shè)計(jì)等方面均取得了較好的成效。相較于陸上的較多業(yè)績(jī)，目前國(guó)內(nèi)海上只有南海某W油田實(shí)施過(guò)伴生氣的回注，其設(shè)計(jì)注氣壓力25MPa，采用1臺(tái)燃驅(qū)往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)行天然氣注氣[7-9]。該海上油田的注氣氣源主要來(lái)自于油田伴生氣，不屬于凝析氣田循環(huán)注氣開發(fā)。海上油氣田在循環(huán)注氣開發(fā)經(jīng)驗(yàn)上還十分欠缺，尤其在高壓注氣系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)、配管設(shè)計(jì)、振動(dòng)整體管理與防護(hù)、高壓泄放以及低溫防護(hù)等方面均面臨著較大挑戰(zhàn)。

渤海某氣田屬于深藏潛山高含凝析氣藏，根據(jù)油藏?cái)?shù)值模擬結(jié)論，循環(huán)注氣壓力達(dá)到50MPa，對(duì)注氣壓縮機(jī)技術(shù)要求高，屬于國(guó)內(nèi)海上氣田首次進(jìn)行潛山凝析氣田的超高壓注氣開發(fā)。結(jié)合本項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)的成果，重點(diǎn)分析壓縮機(jī)選用的相關(guān)技術(shù)要求與特點(diǎn)，并對(duì)在壓縮機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的難點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2 海上凝析氣田高壓注氣壓縮機(jī)的選用

2.1 注氣壓縮機(jī)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

渤海某凝析氣田試驗(yàn)區(qū)開發(fā)采用循環(huán)注氣開發(fā)模式，注氣氣源來(lái)自于脫水后的干氣。根據(jù)油藏實(shí)施要求，采用季節(jié)性間歇注氣，每年4～10月實(shí)施注氣，注氣總量為80×104Sm3/d，壓縮機(jī)入口壓力范圍為6～7.5MPa，注氣井口最大注入壓力要求為50MPa。隨著氣田生產(chǎn)年份增加，需求的注氣壓力也將隨之降低，最小的注氣壓力約為30MPa。

表1 注氣壓縮機(jī)工藝參數(shù)

2.2 壓縮機(jī)型式的選擇

海上油氣田常用的壓縮機(jī)有離心式壓縮機(jī)和往復(fù)式壓縮機(jī)兩種，離心壓縮機(jī)常用于大氣量增壓外輸，一般單臺(tái)排氣量在200×104Sm3/d以上，單級(jí)壓比通?？刂圃?左右。往復(fù)式機(jī)組單機(jī)排量相對(duì)離心壓縮機(jī)要小，通常單機(jī)排量均在100×104Sm3/d以內(nèi)。兩種類型的壓縮機(jī)根據(jù)適應(yīng)的流量和壓力范圍而被用于不同的流程。渤海某凝析氣田注氣總量為80×104Sm3/d，注氣壓縮機(jī)入口壓力最低為6MPa，出口壓力高達(dá)50MPa，壓縮機(jī)入口實(shí)際體積流量小，已經(jīng)超出了離心式壓縮機(jī)的適應(yīng)范圍。所以本氣田注氣開發(fā)宜選用往復(fù)式壓縮機(jī)，根據(jù)現(xiàn)有成熟機(jī)型的能力，建議采用兩臺(tái)機(jī)組，單臺(tái)注氣能力為40×104Sm3/d。

2.3 驅(qū)動(dòng)方式的選擇

往復(fù)式壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)可采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)或者天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。由于該凝析氣田新建平臺(tái)上無(wú)新建電站，依托周邊現(xiàn)有油田電網(wǎng)供電，受制于電網(wǎng)余量的限制，注氣壓縮機(jī)只能選用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。該驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是配套簡(jiǎn)單，不需要在平臺(tái)單獨(dú)設(shè)置電站，投資費(fèi)用低。缺點(diǎn)是機(jī)組運(yùn)行中的噪音大、振動(dòng)明顯，操作維護(hù)工作量大。

2.4 冷卻器選擇

注氣壓縮機(jī)的冷卻器主要分兩類，一類是壓縮機(jī)級(jí)間工藝氣冷卻器，一類是機(jī)組滑油、缸套水冷卻器。其中壓縮機(jī)級(jí)間工藝氣冷卻器由于設(shè)計(jì)壓力高、換熱負(fù)荷大，陸上項(xiàng)目通常選用氣-空冷卻器。壓縮機(jī)橇內(nèi)滑油、缸套水的冷卻一般采用水-空冷卻器。現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組的布置可分為壓縮機(jī)主橇、氣空冷器橇、水空冷器橇和機(jī)組控制盤。氣空冷器的尺寸較大，適用于陸地空間寬裕的場(chǎng)合，不適宜在海上平臺(tái)應(yīng)用。單個(gè)氣空冷器橇的尺寸接近于壓縮機(jī)橇的尺寸，且在布置時(shí)還需要考慮現(xiàn)場(chǎng)連接管線的布置要求，實(shí)際占用面積更大，不利于在海上平臺(tái)應(yīng)用，因此建議采用適用于海上平臺(tái)特點(diǎn)的水冷器。

由于50MPa設(shè)計(jì)壓力高，已經(jīng)超出了GB/T 151的適用范圍，常規(guī)的管殼式換熱器將無(wú)法使用。板式換熱器的最高設(shè)計(jì)壓力都在20MPa以內(nèi)，也無(wú)法適用該壓力要求。印刷板式換熱器（PCHE）能夠承受50MPa的設(shè)計(jì)壓力，并且已經(jīng)有用于60MPa的業(yè)績(jī)。該類型的換熱器換熱效率高，換熱器尺寸小，并且能夠集成在壓縮機(jī)橇內(nèi)，非常適用于海上平臺(tái)。水冷器材質(zhì)選用需要考慮腐蝕和材質(zhì)承壓能力，對(duì)于50MPa的設(shè)計(jì)壓力，無(wú)法使用海水直接冷卻，需要采用淡水作為閉式循環(huán)冷卻介質(zhì)，如圖1所示。平臺(tái)采用閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)提供冷卻介質(zhì)。

圖1 平臺(tái)閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

3 壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題

3.1 高壓氣體泄放低溫效應(yīng)的影響

壓縮機(jī)橇內(nèi)高壓氣體的緊急或正常泄放需要通過(guò)高壓火炬系統(tǒng)，通過(guò)BDV或PSV將泄放的高壓氣體節(jié)流后引至火炬燃燒。由于氣體節(jié)流的初始?jí)毫^高，需要將高壓氣體從10000psi節(jié)流至150LB。根據(jù)API 521中的相關(guān)要求進(jìn)行模擬，節(jié)流后的低溫效應(yīng)顯著，注氣壓縮機(jī)三級(jí)高壓管線泄放的最低溫度約-98℃。即使將不同壓力氣體的泄放溫度混合后考慮，其終溫仍達(dá)到-45℃，相應(yīng)管線和壓力容器以及閥門材質(zhì)需要選用奧氏體不銹鋼。火炬管線和火炬頭在材質(zhì)選擇上同樣也需要考慮低溫材質(zhì)。

由于注氣組分中含有CO2，因此需要計(jì)算低溫工況下CO2結(jié)冰的風(fēng)險(xiǎn)。高壓氣體節(jié)流泄放的終溫與泄放的起始溫度關(guān)系密切，初始溫度越高泄放的終溫也越高，有利于避免氣體中CO2結(jié)冰凍堵。以注氣管匯上BDV-1202和RO-1202為例，其壓力泄放的設(shè)定值為52500kPaG，泄放終壓為1280kPaG，在HYSYS模擬計(jì)算中分別考慮了初始泄放溫度為30℃、37℃和38℃三種情況，相應(yīng)泄放過(guò)程的溫度變化見(jiàn)圖2所示。對(duì)于三種不同泄放初始溫度的工況，氣體中CO2結(jié)冰溫度基本一致，節(jié)流后氣體最低溫度出現(xiàn)在BDV閥開后的25s。當(dāng)泄放初始溫度為30℃時(shí)，節(jié)流降壓后的氣體最低溫度約-96.8℃。泄放初始溫度為37℃時(shí)，節(jié)流后的最低溫度約-92.1℃，泄放初始溫度為38℃時(shí)，節(jié)流后的最低溫度約-91.5℃。由于在25s時(shí)CO2結(jié)冰溫度約為-96.9℃，因此氣體的泄放初始溫度必須在30℃以上，同時(shí)鑒于溫度監(jiān)測(cè)與安全管理的要求，建議注氣壓縮機(jī)在停機(jī)時(shí)就進(jìn)行高壓氣體泄放，避免氣體冷卻后泄放導(dǎo)致的低溫效應(yīng)的不良后果。

圖2 高壓氣體在不同初始溫度泄放的溫度變化過(guò)程

3.2 高壓低溫壓力容器的影響

由于泄放導(dǎo)致的低溫效應(yīng)，使得壓縮機(jī)橇內(nèi)的滌氣罐的最低設(shè)計(jì)溫度較低，需要選用低溫材質(zhì)。同時(shí)由于壓縮機(jī)橇內(nèi)滌氣罐的設(shè)計(jì)壓力較高，超出了GB/T 150的適用范圍，壓力容器的設(shè)計(jì)需要采用分析設(shè)計(jì)，并采用低溫材質(zhì)的鍛造加工工藝。壓力容器的設(shè)計(jì)和加工技術(shù)要求高，應(yīng)選擇具有設(shè)計(jì)和建造經(jīng)驗(yàn)的制造廠進(jìn)行建造。應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注高壓低溫壓力容器的設(shè)計(jì)和建造問(wèn)題，嚴(yán)格遵守國(guó)內(nèi)和國(guó)際上的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)和測(cè)試。

表2 注氣壓縮機(jī)入口滌氣罐設(shè)計(jì)參數(shù)

3.3 壓縮機(jī)振動(dòng)分析

往復(fù)式高壓注氣壓縮機(jī)振動(dòng)大，由于其間歇式吸排氣的特點(diǎn)會(huì)激發(fā)管道內(nèi)流體呈現(xiàn)脈動(dòng)狀態(tài)[10-12]，導(dǎo)致高壓流體在管道內(nèi)壓力、溫度、密度等參數(shù)隨時(shí)間周期性變化，從而產(chǎn)生氣流脈動(dòng)。當(dāng)脈動(dòng)的流體遇到彎頭、閥門或者變徑管段時(shí)將會(huì)產(chǎn)生周期性變化的激振力。當(dāng)管道和流體組成體系的固有頻率與壓縮機(jī)機(jī)組的激發(fā)頻率接近時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振。因此優(yōu)化工藝管線配置，進(jìn)行壓縮機(jī)的脈動(dòng)分析，對(duì)于避免共振和減小氣流脈動(dòng)效應(yīng)十分有必要。

在壓縮機(jī)組成橇設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)要求廠家嚴(yán)格按照API 618中的相關(guān)方法進(jìn)行機(jī)組的氣流脈動(dòng)分析，并對(duì)機(jī)組的氣流脈動(dòng)和振動(dòng)進(jìn)行控制，提出優(yōu)化和建議措施。如根據(jù)脈動(dòng)分析優(yōu)化各級(jí)氣缸進(jìn)出口緩沖罐的尺寸、設(shè)置限流孔板，對(duì)機(jī)組管線的支撐進(jìn)行改進(jìn)。另外結(jié)合海上平臺(tái)的特點(diǎn)，對(duì)機(jī)組甲板布置位置、平臺(tái)甲板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需提前考慮機(jī)組振動(dòng)的影響，組塊結(jié)構(gòu)和支撐梁的設(shè)計(jì)需要考慮動(dòng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)引起的高頻動(dòng)載荷的影響，采用有限元仿真分析方法并結(jié)合壓縮機(jī)運(yùn)行模式進(jìn)行研究。為了增加壓縮機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的剛度，在壓縮機(jī)橇塊下方增加了支撐梁的布置，加固壓縮機(jī)底座結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，有利于減緩振動(dòng)的傳遞、降低振動(dòng)幅值。

圖3 壓縮機(jī)橇塊底部支撐架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.4 機(jī)組潤(rùn)滑油的選擇

根據(jù)海上平臺(tái)往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)判斷，由于注氣壓縮機(jī)的排出壓力高，三級(jí)高壓氣缸需用的潤(rùn)滑油黏度大、流動(dòng)性差，某氣田所在渤海區(qū)域冬季最低環(huán)境溫度-16℃，環(huán)境溫度較低。在機(jī)組低溫運(yùn)行或者啟動(dòng)時(shí)潤(rùn)滑油容易出現(xiàn)斷流或潤(rùn)滑不充分的問(wèn)題，從而導(dǎo)致活塞抱軸，嚴(yán)重威脅機(jī)組的運(yùn)行安全。因此壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)需要選用合適的潤(rùn)滑油并對(duì)滑油系統(tǒng)進(jìn)行保溫或加熱設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

海上平臺(tái)首次采用50MPa級(jí)別的高壓注氣壓縮機(jī)進(jìn)行注氣開發(fā)，工程設(shè)計(jì)應(yīng)充分重視安全性，避免單純追求高出口壓力、大排量，壓縮機(jī)應(yīng)盡量選用廠家的標(biāo)準(zhǔn)系列產(chǎn)品。關(guān)注高壓氣體節(jié)流泄放產(chǎn)生的低溫效應(yīng)，合理選用限流孔板的尺寸，重點(diǎn)解決高壓低溫壓力容器的設(shè)計(jì)和建造問(wèn)題，嚴(yán)格遵守國(guó)內(nèi)和國(guó)際上的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)和測(cè)試。應(yīng)重視壓縮機(jī)組的降噪、減振管理，采用合理的減振措施，如布置在平臺(tái)主結(jié)構(gòu)梁上，加強(qiáng)底橇設(shè)計(jì)。做好機(jī)組氣流脈動(dòng)和管道振動(dòng)的預(yù)防研究，并對(duì)高壓管道的脈動(dòng)分析進(jìn)行充分研究。

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