水下增壓泵在水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的應(yīng)用

侯莉,付劍波,石磊,趙瑞云,何鑫

（海洋石油工程股份有限公司，天津塘沽，300451）

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，世界各國對(duì)油氣資源的需求越來越大。水下生產(chǎn)系統(tǒng)以其技術(shù)優(yōu)勢(shì)、可觀的經(jīng)濟(jì)效益得到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。使用水下生產(chǎn)技術(shù)可以避免建造昂貴的海上平臺(tái)，從而節(jié)省大量投資。水下生產(chǎn)系統(tǒng)適用于邊際油田和深水油氣田開發(fā)。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)通常依靠自身壓力進(jìn)行開采。而對(duì)于某些少數(shù)水下生產(chǎn)系統(tǒng)，需要借助注水/注氣或采用水下增壓泵以保持系統(tǒng)壓力。開發(fā)某些水下生產(chǎn)系統(tǒng)，其存在水深較深、重稠油、油藏儲(chǔ)量小、儲(chǔ)量不明或低采收率、流體低壓/極高壓、流動(dòng)保障要求、回接距離遠(yuǎn)、一期增壓泵成熟使用等情況，可考慮采用放置在海床上的水下增壓泵進(jìn)行開發(fā)。

采用水下增壓泵進(jìn)行油氣開發(fā)，可有效增加采收率，促進(jìn)生產(chǎn)，簡(jiǎn)化上部平臺(tái)等基礎(chǔ)設(shè)施。如下圖所示：

圖1 利用水下增壓泵增加采收率示意圖

2 水下增壓泵在水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的應(yīng)用

某油田水下生產(chǎn)系統(tǒng)包括3口水下采油樹，水深約500米，油氣產(chǎn)出物回接至某上部海上平臺(tái)。采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)方案，采用水下增壓泵舉升的采油方式，可實(shí)現(xiàn)油田的高速高效開發(fā)，提高采收率。某油田地質(zhì)油藏特征表明，砂巖油藏物性好、產(chǎn)能高、地層能量充沛，利用地層能量將流體舉升至海底，再利用增壓泵進(jìn)行開采。

2.1 水下增壓泵總體要求：

水下增壓泵系統(tǒng)包括集成在水下管匯上的水下增壓泵模塊、布置在上部平臺(tái)上的增壓泵的相關(guān)動(dòng)力和控制設(shè)備，包括MCS,EPU,VFD,HPU，BPU(隔離液?jiǎn)卧?等。以及臍帶纜中與增壓泵相關(guān)的組成部分，增壓泵操作、安裝、回收專用工具等。

水下增壓泵模塊集成在水下管匯上，水下增壓泵模塊設(shè)計(jì)為可回收形式，可提升至水面上進(jìn)行維修，并使用ROV進(jìn)行連接和解脫。水下增壓泵應(yīng)設(shè)計(jì)適應(yīng)水深。根據(jù)某油田現(xiàn)在油藏配產(chǎn)和操作條件，增壓泵輸送過程中不會(huì)出現(xiàn)氣體，水下增壓泵采用單相泵。單相泵能夠適應(yīng)的GVF（gas volume fraction）范圍為0～10%。

在水下增壓泵維護(hù)方面，應(yīng)了解增壓泵的水下維護(hù)空間、安裝維修工具等需求，將在設(shè)計(jì)中予以體現(xiàn)。

2.2 水下增壓泵模塊設(shè)計(jì)：

某油田增壓泵模塊的尺寸約為4mX3.5mX6m，重量約為50噸。水下整個(gè)增壓泵模塊包括泵體、馬達(dá)箱、泵工藝管線接口、控制接口/隔離液接口/HIGH VOLTAGE接口的ROV操作面板的模塊結(jié)構(gòu)。

水下增壓泵采用立式泵，泵軸和馬達(dá)豎直安裝，馬達(dá)箱位于泵體上方。馬達(dá)配置上部組塊上的VFD，以滿足水下增壓泵設(shè)計(jì)年限內(nèi)的各種工況。

水下增壓泵的工藝進(jìn)出口管線接口位于泵體正下方，增壓泵進(jìn)出口管線采用水下垂直連接器與管匯上管線接口進(jìn)行快速精準(zhǔn)連接，同時(shí)方便提升水下增壓泵時(shí)與管匯上管線解脫。

水下增壓泵ROV操作面板全部設(shè)置同一面上，以方便ROV水下連接及操作。操作面板包括控制電飛線、液壓飛線（包括液壓/化學(xué)藥劑）、隔離液飛線、HIGH VOLTAGE飛線等接口。

水下增壓泵ROV操作面板一側(cè)的管匯保護(hù)罩為敞開式設(shè)計(jì)，而其它3面均可設(shè)計(jì)為用保護(hù)罩進(jìn)行保護(hù)，以最大限度地保護(hù)管匯內(nèi)部設(shè)施和泵體。增壓泵設(shè)置ROV操作抓手，ROV操作面板應(yīng)方便ROV連接及操作，應(yīng)位于1.5米泥線以上，并且需要考慮ROV操作空間。

水下增壓泵頂部設(shè)有吊耳，由于水下增壓泵維修時(shí)需要提升，應(yīng)在泵體上方的管匯保護(hù)罩上設(shè)置頂部開門，實(shí)現(xiàn)泵體提升及保護(hù)泵體的作用。水下增壓泵模塊設(shè)置導(dǎo)向桿。

2.3 水下增壓泵性能要求：

水下增壓泵在一定水深揚(yáng)程范圍內(nèi)日趨成熟。某油田水下生產(chǎn)系統(tǒng)管匯上地水下增壓泵采用API 610多級(jí)單相離心泵，配有變頻裝置。泵軸功率在各工況下保持在75%以上，泵氣NPSH小于允許NPSH至少1m。泵曲線穩(wěn)定。若初期生產(chǎn)時(shí)存在明顯的流量較少時(shí)，水下增壓泵還要有流量回流的功能要求。

圖2 水下增壓泵示意圖

圖3 水下增壓泵工藝管線進(jìn)出口示意圖

水下增壓泵的轉(zhuǎn)速、流量、揚(yáng)程、級(jí)數(shù)等參數(shù)按照油田的流體壓力、溫度、流量、油氣組分進(jìn)行確定。

某油田水下增壓泵電機(jī)電壓為6.6KV ，馬達(dá)配置上部平臺(tái)組塊上的VFD，以滿足水下增壓泵設(shè)計(jì)年限內(nèi)的各種工況。水下增壓泵控制系統(tǒng)與水下生產(chǎn)系統(tǒng)集成在一起，與水下管匯共用同一個(gè)SCM。

水下增壓泵使用隔離液系統(tǒng)的主要作用為，保護(hù)馬達(dá)避免進(jìn)入海水或生產(chǎn)流體；為增壓泵提供冷卻液；為軸承和機(jī)械密封提供潔凈的潤(rùn)滑液。隔離液管線采用雙相不銹鋼或更好的材料。系統(tǒng)中需要布置濾器，隔離液清潔等級(jí)按照SAE AS 4059 class 6B-F或更高。隔離液系統(tǒng)需布置蓄能器，其工作壓力、供給/回流流量、冷卻增壓泵用量需經(jīng)過計(jì)算滿足使用要求。隔離液系統(tǒng)可在上部平臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控。隔離液的選擇需要對(duì)環(huán)境友好、高效技術(shù)成熟的產(chǎn)品。

2.4 水下增壓泵的材料、密封、防腐及標(biāo)識(shí)：

水下增壓泵是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要設(shè)備，材料選擇應(yīng)與內(nèi)部油氣介質(zhì)相適應(yīng)，材料選擇要求較高。某油田水下增壓泵泵體選用超級(jí)雙相不銹鋼，葉輪、殼體耐磨環(huán)、軸承、軸套選用超級(jí)雙相不銹鋼帶碳化鎢涂層，泵軸選用inconel625。

水下增壓泵密封采用機(jī)械密封，與環(huán)境的密封采用金屬密封。

水下增壓泵模塊應(yīng)進(jìn)行水下防腐設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)防腐涂層和布置陽極，并保證所有組成部件的電連續(xù)性。防腐設(shè)計(jì)應(yīng)滿足20年自保護(hù)。

水下增壓泵要有明顯的標(biāo)識(shí)，字高及顏色滿足ISO13628-8的要求。標(biāo)識(shí)要在設(shè)計(jì)年限內(nèi)保持清晰可見并考慮潛在的海生物影響。

2.5 水下增壓泵振動(dòng)要求：

水下增壓泵是垂直懸掛泵，其振動(dòng)由廠家考慮，以滿足泵和電機(jī)的振動(dòng)要求。增壓泵的平衡設(shè)計(jì)通過單獨(dú)的葉輪平衡、相對(duì)葉輪布置或采用平衡活塞。在水下增壓泵的工廠測(cè)試期間，在軸承箱或附近的壓力套管上測(cè)量，對(duì)于整個(gè)工作范圍內(nèi)的垂直懸掛泵，按照API610要求其泵振動(dòng)速度不得超過5.0mm/s，按照API541要求馬達(dá)振動(dòng)速度不得超過2.8mm/s，使用加速計(jì)對(duì)增壓泵進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，建議在增壓泵底部支撐上設(shè)置緩沖裝置，也可減少泵的振動(dòng)對(duì)水下管匯的影響，以保護(hù)水下管匯上的設(shè)備設(shè)施。

2.6 水下增壓泵的備用方式：

水下增壓系統(tǒng)重要性高，水下增壓泵需要配置為一用一備。需要考慮合理的備用原則，某油田對(duì)四種備用方式進(jìn)行比選：

方式4不設(shè)初始備用，模塊故障后，新購模塊投用初始投資 高 較高 無 無初始采購周期 約20個(gè)月 備用模塊延后備用方式 方式1備用水下增壓模塊整體方式2備用水下增壓模塊核心部件方式3不設(shè)初始備用，模塊故障后回收、維修、再投用約20個(gè)月 約20個(gè)月 約20個(gè)月第一套模塊故障后，水下增壓模塊再投用耗時(shí) 0.5個(gè)月 3～7個(gè)月 19個(gè)月 22個(gè)月以往項(xiàng)目情況 多 極少 無 無

綜合以上條件進(jìn)行比選，某油田推薦使用備用水下增壓模塊整體的備用方式。

2.7水下增壓泵的安裝：

水下增壓泵通常體積較大，重量較重。若與管匯一起安裝，則整體重量非常重，可選擇安裝船舶的資源受限。因此，某油田水下增壓泵單獨(dú)安裝下放。水下增壓泵應(yīng)設(shè)計(jì)安裝工具框架，及導(dǎo)向裝置。

3 結(jié)語

本文通過水下增壓泵在某項(xiàng)目中的應(yīng)用，闡明了水下增壓泵的用途，總結(jié)了水下增壓泵的總體要求、水下增壓泵模塊在水下管匯上的布置、水下增壓泵的技術(shù)要求、水下增壓泵的材料、密封、防腐及標(biāo)識(shí)、水下增壓泵的振動(dòng)要求、水下增壓泵的備用方式、水下增壓泵的安裝等方面的技術(shù)要求，對(duì)需要用水下增壓泵的水下生產(chǎn)系統(tǒng)的提供了設(shè)計(jì)思路。