水下增壓工藝方案現(xiàn)狀及展望

劉永飛

(中海油研究總院有限責任公司，北京 100028)

0 引 言

水下增壓技術(shù)起源于對水下泵的研究，為了使無法繼續(xù)開發(fā)的老油氣田延長壽命以及對低壓油藏進行開發(fā)，水下增壓泵作為一種解決方案被提出。早在20世紀90年代，以Framo、Leistriz、Bornemann為代表的國外企業(yè)就開始了水下多相泵的研究。隨著多相泵技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟以及水下油氣田對水下增壓的需求，國外不同企業(yè)分別以水下螺旋軸流式多相泵和離心式壓縮機為基礎研制成功了水下壓縮機。2016年，OneSubsea公司研制成功的對轉(zhuǎn)軸流式壓縮機在Gullfaks[1]油氣田成功應用，同年MAN公司研制成功的水下離心式壓縮機在Asgard[2-3]油氣田成功使用，這兩種壓縮機的投入使用標志著海上油氣田水下增壓成為可能。隨著水下增壓設備的多樣化發(fā)展，以及水下遠距離控制、供電等技術(shù)的發(fā)展，使水下增壓適用性和水下增壓工藝方案類型更加多樣化。如何針對不同的增壓需求選擇合適的增壓工藝方案成為值得關(guān)注和思考的問題。

1 水下增壓工藝方案

水下增壓技術(shù)的發(fā)展依賴于水下增壓設備的發(fā)展，因此，水下增壓工藝的設計與選擇依賴于水下增壓設備的選擇。根據(jù)增壓井流介質(zhì)及氣液比的不同，可以將水下增壓設備分為水下單相泵、水下多相泵和水下壓縮機三類。水下單相泵一般為離心泵，可以對含氣量不高(gas volume fraction，GVF＜10%)的油氣田井流進行增壓，或者對水下分離器處理后的液相進行增壓，具有處理量大、增壓比高的特點。水下多相泵一般分為螺旋軸流式多相泵或雙螺桿式多相泵[4-6]，可以對多相井流(GVF＜95%)進行增壓，兩種類型的多相泵各具特點。螺旋軸流式多相泵適用于高流量、中低增壓、低黏度的工況，能夠適應一定的含砂環(huán)境；雙螺桿式多相泵更加適用于低流量、中高增壓、不含砂工況，但是可以適應高黏度流體增壓需要。水下壓縮機目前投產(chǎn)使用的主要有兩種： 對轉(zhuǎn)軸流式壓縮機和離心式壓縮機。兩種壓縮機系統(tǒng)都可以對GVF≥95%的井流進行增壓，區(qū)別在于對轉(zhuǎn)軸流式壓縮機不需要配置入口分離器，而離心式壓縮機需要配置入口分離器。不同水下增壓設備的特點如表1所示。

表1 不同水下增壓設備的特點

針對不同的海上油氣田井流特性和水下增壓需求，可以結(jié)合不同類型水下增壓設備，選擇合適的水下增壓工藝。典型的水下增壓工藝主要有以下5種。

1.1 水下單相泵直接增壓工藝

水下單相泵直接增壓工藝是指直接用單相泵對井口采出液進行增壓，這種增壓工藝簡單，如圖1所示。由于單相泵對含氣量較為敏感，該工藝僅適用于不含氣或含氣量很低的油氣田水下增壓，要求進口氣相體積流量小于10%。1996年投產(chǎn)的我國LF22-1油氣田是世界上第一個使用電驅(qū)海底增壓泵系統(tǒng)進行開發(fā)的油氣田，其泵體為三級離心泵，如圖2所示。水下離心泵具有對井流含氣量敏感、處理量大、增壓比高等特點，對于含氣量高的井流無法直接增壓，可以配合水下分離器使用，即圖3所示的水下單相泵分離增壓工藝。

圖1 水下單相泵直接增壓工藝

圖2 LF22-1水下離心式單相泵

1.2 水下單相泵分離增壓工藝

水下單相泵分離增壓工藝即水下單相泵配合水下分離器來進行增壓的工藝。水下單相泵配合水下分離器使用，既可以解決單相泵無法對高含氣量工況增壓的問題，又可以充分利用離心泵處理量大、增壓比高等優(yōu)勢，還可以降低輸氣管線管徑。根據(jù)增壓目的的不同，增壓后的液相可以選擇單獨輸送、和氣相混合輸送以及直接海底回注等。

圖3 水下分離增壓工藝

水下單相泵分離增壓工藝對井流氣液比適用性廣，既可以對油田井流進行增壓又可以對氣田井流進行增壓，但是需要校核單相泵前的氣相體積含量不超過10%。這就要求水下單相泵和水下分離器的距離不能太遠，否則水下分離器后液相管線隨著壓力降低將有大量氣相析出，將無法滿足水下單相泵進口氣液比需求。因此，在實際工程應用中，往往將水下分離器和水下單相泵安裝在同一個橇塊上，這樣不但不用擔心分離后氣相再析出的問題，而且還會給安裝帶來很大的便利性，例如Pazflor項目水下分離增壓模塊[7]，如圖4所示。

圖4 Pazflor項目水下分離增壓模塊

1.3 水下多相混輸增壓工藝

水下多相混輸增壓工藝即只用水下多相泵對水下多相井流進行增壓的工藝，相對于水下分離增壓工藝來說，這種工藝無須再配置水下分離器就可以直接對多相井流進行增壓，這在一定程度上簡化了工藝，減省了設備，如圖5所示。水下多相混輸增壓工藝對井流的含氣量要求為GVF＜95%，其他對井流的要求主要根據(jù)所采用的水下多相泵類型而定，因此可以根據(jù)增壓需求選擇不同類型的水下多相泵。螺旋軸流式多相泵的處理量可高達2 000 m3/h，能更好地適應含砂環(huán)境，但是要求進口井流黏度小于50 mPa·s；雙螺桿式多相泵的處理量只能達到500 m3/h，但是可以對高黏度流體進行增壓。

圖5 水下多相混輸增壓工藝

為了保障水下多相泵在更大范圍氣液比工況下性能穩(wěn)定，多相泵系統(tǒng)往往配置入口混合器或者液相循環(huán)系統(tǒng)等。但是鑒于多相泵葉片形式，無論是螺旋軸流式多相泵還是雙螺桿式多相泵，都無法滿足GVF≥95%工況的井流增壓。因此，Onesubsea公司在螺旋軸流式多相泵的基礎上研制成功的對轉(zhuǎn)軸流式濕氣壓縮機滿足了高氣液比工作井流的增壓需求，即水下濕氣直接增壓工藝。

1.4 水下濕氣直接增壓工藝

水下濕氣直接增壓工藝(見圖6)是一種基于對轉(zhuǎn)軸流式濕氣壓縮機的增壓工藝，類似于水下多相混輸增壓工藝，區(qū)別在于增壓設備是針對對轉(zhuǎn)軸流式壓縮機而不是螺旋軸流式多相泵。對轉(zhuǎn)軸流式壓縮機在螺旋軸流式多相泵的基礎上研發(fā)而成，電機、軸承、機械密封、操作理念等機械部件傳承于螺旋軸流式多相泵，對轉(zhuǎn)軸流式葉片是軸流式葉片的一種變化形式，工作原理類似于軸流式壓縮機。因為對轉(zhuǎn)葉輪在含氣量90%以上時才具有較為理想的性能，一般要求對轉(zhuǎn)軸流式壓縮機進口井流含氣量GVF≥95%[4]。

圖6 水下濕氣直接增壓工藝

單臺對轉(zhuǎn)軸流式壓縮機目前可以達到6 000～8 000 Am3/h的處理量，增壓能力達4～6 MPa，水下濕氣直接增壓工藝可配置兩臺對轉(zhuǎn)軸流式壓縮機，具體配置形式可根據(jù)逐年井流量和井口壓力的變化選擇兩臺壓縮機并聯(lián)或者串聯(lián)。水下濕氣直接增壓工藝于2015年成功應用于Gullfaks油氣田，橇塊如圖7所示，主要包括保護結(jié)構(gòu)、壓縮機站、冷卻模塊、水下控制單元、臍帶纜終端等。

1.5 水下濕氣分離增壓工藝

水下濕氣分離增壓工藝(見圖8)即利用水下離心式壓縮機加水下分離器的方案對井流進行增壓。相對于水下濕氣直接增壓工藝，這種工藝更加復雜，水下壓縮機站體積和重量更大，但是水下離心式壓縮機具有處理量大、增壓比大的優(yōu)點，單臺流量可高達14 000 Am3/h，增壓比最高可達3，實際應用中可以選擇兩臺壓縮機并聯(lián)或者串聯(lián)，因此這種增壓工藝具備水下濕氣直接增壓工藝所不具備的優(yōu)勢。目前水下濕氣分離增壓工藝已經(jīng)在Asgard油氣田投入使用，可以每天處理2 100萬標準立方米濕氣，壓縮機站組成如圖9所示。

圖8 水下濕氣分離增壓工藝

圖9 水下離心式壓縮機站組成

2 水下增壓工藝對比

每種水下增壓工藝都有優(yōu)勢、劣勢和適用的工況。表2從處理能力、增壓能力、井流含氣量、增壓井流特點、安裝難易程度等多個方面綜合分析了每一種水下增壓工藝的特點，并根據(jù)其特點總結(jié)了每一種水下增壓工藝所適用的工況。

表2 不同水下增壓工藝對比

(續(xù)表)

3 水下增壓工藝在我國的應用前景

得益于水下增壓工藝在提高油氣田采收率以及適用于邊際小油田等方面的優(yōu)勢，在我國具有廣闊的應用前景，具體體現(xiàn)在以下幾方面：

(1) 水下增壓方案在Gullfaks和Asgard油氣田的應用可以使油氣田增產(chǎn)10%～20%，這對于任何一個油氣田都具備無與倫比的誘惑力，考慮到成本的時間效應，對于油氣田來說，水下增壓工藝往往在生產(chǎn)后期才作為增產(chǎn)方案投入使用。荔灣3-1是我國第一個深水大型油氣田，于2014年投產(chǎn)，近幾年將逐步步入油氣田的中后期，早在幾年前中海油已經(jīng)進行了針對荔灣3-1油氣田的水下濕氣增壓方案前瞻性研究，經(jīng)過測算，水下濕氣增壓方案能大大提高荔灣3-1油氣田的采收率，因此水下增壓工藝方案在荔灣3-1油氣田具有很好的應用前景。

(2) 正在建設中的陵水17-2油氣田是我國又一個大型油氣田，該油氣田生產(chǎn)后期某些井存在產(chǎn)水量大幅增加的問題，屆時水下增壓工藝將可能作為解決方案之一。

(3) 水下增壓工藝可以通過長輸管道使水下井口在遠離依托平臺的地方進行開發(fā)，這將為渤海淺水海域無法建平臺區(qū)域的井口開發(fā)提供解決方案。

4 結(jié) 語

隨著水下增壓設備的發(fā)展和遠距離控制、供電等新技術(shù)的發(fā)展，水下增壓工藝呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：

(1) 增壓工藝方案多樣化。水下增壓設備由單相泵、多相泵發(fā)展到水下濕氣壓縮、水下離心式壓縮機，種類不斷增加，增壓能力不斷完善。目前水下泵與水下壓縮機仍在不斷改良與升級，以適應多變的水下井流增壓要求，可以預見未來隨著增壓設備的改良升級，增壓工藝方案將會更加多樣化。

(2) 增壓工藝方案簡潔化、設備規(guī)模小型化。隨著增壓設備的技術(shù)發(fā)展，水下增壓設備的功能在逐漸增強，未來諸如水下壓縮機入口分離器等部件將會被簡化，水下增壓工藝方案將會更簡潔化、設備規(guī)模小型化，這會極大減小水下增壓工藝帶來的設備投資和安裝成本，從而促進水下增壓技術(shù)的發(fā)展與應用。

(3) 促進深遠海小型油氣田的開發(fā)。鑒于浮式平臺高昂的投資成本，深遠海油氣田往往需要達到一定的規(guī)模才能經(jīng)濟開發(fā)，而水下增壓工藝可以克服遠距離管道輸送阻力，將深遠海水下井口回接到淺水平臺或者陸上終端，實現(xiàn)深遠海小型油氣田的開發(fā)。隨著遠距離控制和供電技術(shù)的發(fā)展與成熟，水下增壓工藝將會促進深遠海小型油氣田的開發(fā)。

(4) 促進水下工廠的發(fā)展。所謂水下工廠[8-9]，就是將油氣處理設備全部由傳統(tǒng)的平臺轉(zhuǎn)移到海底，集水下分離技術(shù)、水下增壓技術(shù)、水下存儲技術(shù)、水下回注技術(shù)等為一體的綜合水下處理站。作為水下工廠的核心功能組成部分，水下增壓工藝的功能性和可靠性的增強將會促進水下工廠的實現(xiàn)與發(fā)展。