氮氣吹掃技術在渤海友誼號浮式生產儲油裝置上的應用

曹葛軍 姜 安 劉建華 寧永庚 王海捷 岳志峰 劉軍義 孫一閣 林建軍

(中海石油(中國)有限公司天津分公司)

渤海友誼號浮式生產儲油裝置(FPSO)用于匯集、處理渤中28-1油氣田、渤中34油田群及渤中26-2油田的井產物流,處理合格的原油通過該FPSO在海上直接外輸。為防止停輸后原油在外輸漂浮軟管內凝固,原設計方案為在每次原油外輸作業結束后用70 m3的柴油對外輸漂浮軟管內原油進行吹掃、置換,年消耗柴油約2300 m3,增加成本約1000多萬元。為降低油田操作成本,實現節能降耗、環保的目標,充分利用現場設備資源,對外輸系統進行了適當的技術改造,新增了氮氣發生裝置等設備,采用氮氣替代柴油進行外輸作業后軟管內存油的吹掃、置換。氮氣吹掃技術在渤海友誼號FPSO的應用,不僅大大降低了操作成本,而且提高了生產的安全性,同時也實現了海上油氣生產節能環保的目標。

1 技術改造

1.1 外輸作業結束后漂浮軟管工作狀態分析

FPSO上的外輸軟管通常只在外輸原油作業時才使用。輸油作業結束后渤海友誼號FPSO船尾一端的外輸管線高出海平面約10 m,提油輪一端的外輸軟管高出海面約5 m,漂浮在海面的軟管長約200 m,形成一個U字形管(圖1)。該U字形管內原油很難清除干凈,在寒冷的天氣條件(0℃)下可能結蠟,造成管線堵塞,嚴重時可影響下一船油的外輸,因此對該段軟管進行維護至關重要。

圖1 外輸作業結束后渤海友誼號FPSO漂浮軟管工作狀態

1.2 氮氣用作柴油替代介質的理論分析與試驗驗證

停輸后U字形輸油管線中存在大量原油和少量可燃氣體,一般用柴油對其進行吹掃、置換,但存在浪費資源、操作成本高等問題。氮氣是一種惰性氣體,在平常狀態下不易與其它物質發生化學反應,將氮氣用作柴油的替換介質在驅替原油過程安全風險很小,但是氮氣的流動性較原油強的多,很容易導致氣竄現象,影響原油的吹掃、置換效果,因此管線內必須具備足夠大的氣體流量和壓力才能保證作業效果。

管內氣體的流量和壓力需通過理論分析和現場模擬試驗確定。根據Orkiszew ski流型分析結論,段塞流是管中兩相流中舉升效率最高的流型[1]。為了確保用氮氣置換原油過程中管中流體流態為段塞流,根據氮氣相關性質、外輸原油特征、漂浮軟管直徑和管內滯留流體量,采用 O rkiszew ski計算方法[1-2]對吹掃、置換作業中的氮氣需求量進行了計算。計算參數取值結果見表1。

表1 用Orkiszewski方法計算吹掃、置換作業氮氣需求量所需參數取值

經過計算,氮氣流速為2000 m3/h時可滿足段塞流形成的條件。為確保應用效果,又在渤海友誼號FPSO上進行了氮氣模擬吹掃試驗:利用壓縮空氣和軟管模擬外輸軟管的狀態,進行空氣吹掃管中水試驗;模擬試驗軟管內徑為152.4 mm,管兩端高度分別為10 m和5 m,水平段長度為30 m;試驗用的供氣管線內徑為25.4 mm,空氣入口壓力為0.7 M Pa,空氣流量為300 m3/h。在上述條件下,經過30 min空氣吹掃,可將軟管中水吹掃出95%。

結合理論計算與模擬試驗結果,對現場氮氣吹掃所使用設備和管線的參數進行了詳細核算,提出了相應的氮氣系統改造方案;在滿足安全要求的前提下,該方案兼顧了改造費用最低和氮氣吹掃效果較好的關系。

(1)氮氣儲存罐安裝位置與操作條件。為實現氮氣吹掃、置換的最佳效果(減小管輸壓降),將氮氣儲存罐設計安裝在FPSO艉部,使氮氣儲存罐的出口盡量靠近外輸漂浮軟管入口;考慮到FPSO左舷主甲板現場通過能力的限制,采用2個2.5 m3氮氣儲存罐,氮氣儲存罐的設計壓力為2.0MPa,正常操作壓力為1.5 M Pa、試驗壓力為1.65 M Pa。

(2)氮氣吹掃技術。該方案采用爆破式吹掃技術,可使氮氣吹掃速度達到2000 m3/h以上。

(3)安全標準。新增的氮氣裝置、管線、閥門、氮氣儲存罐及附件均符合ANSI150LB標準。

(4)氮氣系統功能優化。為充分發揮氮氣發生裝置的使用功能,不僅對外輸軟管吹掃、置換采用了氮氣,而且對日常工藝系統(特別是工藝管線、壓力容器)也進行了氮化處理,將氮氣作為工藝管線、壓力容器的惰化介質,減少了氮氣瓶的使用量,降低了氮氣瓶在現場存放的風險,同時也節省了氮氣瓶的費用[3]。

2 安全可靠性分析

(1)外輸軟管原油替換速度為490 m3/h,一般3萬噸提油輪的受油速度可達到3000 m3/h,因此本置換作業對提油輪沒有任何危險。

(2)本置換作業吹掃氮氣速度達2100 m3/h(70 m3氮氣2 min吹掃完畢),3萬噸提油輪受氣能力為4000 m3/h,因此本置換作業不會影響提油輪艙室安全。

(3)渤海友誼號FPSO上氮氣發生裝置的氮氣產量為100 m3/h時,所產氮氣質量可以達到純度≥95%;在氮氣產量低于100 m3/h時,所產氮氣質量可以達到純度≥97%,因此,完全滿足氮氣吹掃外輸管線對純度的要求。

3 氮氣系統操作流程設計

為了提高外輸管線氮氣吹掃、置換效率,節省外輸時間,在作業前數小時提前啟動氮氣發生裝置制氮,這樣在氮氣發生裝置運轉約50 min時即可將2個氮氣儲存罐內的氮氣充壓到1.5 M Pa,且可使壓力保持在1.3～1.4 M Pa之間備用;完成原油外輸作業后,提油輪在導通流程后通知渤海友誼號FPSO上的操作人員打開氮氣注入閥門即可進行氮氣吹掃、置換(正常情況下每次輸油后對外輸軟管置換一次即可)。渤海友誼號FPSO氮氣系統操作流程設計如下:

(1)在 FPSO右舷184～178號肋骨上安裝氮氣發生裝置。由于受到現場空間、吊車能力的限制,氮氣發生裝置集裝箱平面尺寸控制在4500 mm×3000 mm,整體重量控制在4.5 t以內。

(2)在氮氣發生裝置出口新增一路氮氣輸出管線連接到計量橇塊軟管站處,供工藝系統流程容器及管線氮化使用。氮氣系統改造流程圖如圖2所示。

(3)所有氮氣連接管線、附件(壓力表、安全閥)、氮氣儲存罐及閥門的選材、制作及現場安裝、調試、試壓全部執行 ANSI 150LB要求。

圖2 渤海友誼號FPSO氮氣裝置改造流程圖(紅色虛線為新增管線)

4 應用效果與經濟評價

(1)由于充分利用了渤海友誼號FPSO現有資源,本次外輸軟管置換系統改造的成本較低,整套設備購置費用與安裝改造費用共計60萬元。

(2)每次外輸漂浮軟管置換使用柴油約在70 m3(約合58.5 t),若按6500元/t計算,每次柴油置換所需費用約為38萬元。2008年渤海友誼號FPSO共外輸33船原油,用氮氣替代柴油置換管中原油約節省柴油2310 m3,折合費用約為1250萬元,經濟效益相當明顯。

(3)采用氮氣吹掃技術明顯提高了外輸速率,也縮短了外輸時間。據統計,每次外輸結束后提油輪的離泊時間比用柴油置換時約節省1 h,這意味著降低了提油輪、拖船等設施的油耗及費用。

(4)本次改造結束了渤海友誼號FPSO使用氮氣瓶的歷史,同時節省了瓶裝氮氣的采購、運輸等費用。

5 結束語

氮氣吹掃技術在渤海友誼號 FPSO的成功應用,說明用氮氣替代柴油吹掃、置換外輸軟管內原油的工藝技術是可行的,也是安全的。采用氮氣吹掃技術不僅提高了海上原油外輸作業的安全性,而且降低了海洋環境污染的隱患,也進一步實現了海上油氣生產節能降耗、環保的目標。需要提醒的是,采用氮氣吹掃技術時必須要根據油田自身特點進行技術調整,切不可原版照搬。

[1] 李穎川.采油工程[M].北京:石油工業出版社,2002.

[2] 萬仁薄.采油工程手冊[M].北京:石油工業出版社,2000.

[3] 佚名.采用碳分子篩變壓吸附生產氮氣[J].謝開明,譯.航氧科技,1995(1).