生產水緩沖罐覆蓋氣消耗問題研究與解決

彭彬 向晶晶

（中海油能源發展采油服務公司曹妃甸FPSO作業公司 天津 300451）

曹妃甸油田群投產于2004年7月，目前由一艘15萬t級FPSO和六座井口平臺組成，油田群采用滾動式開發。伴隨著平臺的投產，油田群總產液量和總產水量逐年攀升，而國家下達的生產水外排控制指標卻逐年下降，這就不得不考慮將油田生產水注水量逐年提高，故作為油田群注水系統的主力-FPSO生產水注水系統就成了整個油田注水板塊中的重中之重。

在FPSO注水工藝流程中，有一個關鍵環節就是注水緩沖罐，由于FPSO并未安裝天然氣凈化和增壓系統，而是選擇覆蓋氣為高純度氮氣，隨著生產水注水量的逐年攀升，覆蓋氣消耗量也逐之攀升，迫使油田在原有一臺處理量150Nm3/h、氮氣純度為99.9%的制氮機的基礎上，先后租用了液氮裝置和購買安裝了另一臺相同參數的制氮機，由于大量溶解氣的存在，造成注水緩沖罐液位調節反頻繁氣蝕穿孔損壞，也存在縮短下游注水泵壽命的風險。

1 FPSO上注水緩沖罐基本介紹和面臨問題

FPSO上注水緩沖罐是水處理和注水系統工藝中的一個重要樞紐，既承接上游處理合格的生產水，進行穩定緩沖，又通過頂部用作覆蓋的氮氣來提高緩沖罐的操作壓力（10bar），從而為下游注水泵提供穩定的流量和入口壓力。

1.1 FPSO注水緩沖罐技術參數

設備名稱：注水(生產水)緩沖罐

制造單位：渤海石油結構廠

設計壓力：17.3Bar 操作壓力：10Bar

設計溫度：100℃ 操作溫度：70℃

處理介質：生產水 罐體直徑：3m，長15m

罐體容積：113m3處理能力：2120 m3/h

1.2 油田操作面臨的問題

隨著注水緩沖罐的處理量從最初的300 m3/h達到2120 m3/h，對氮氣的消耗量也從90m3/h達到230m3/h，FPSO上的兩臺制氮機已經逐漸不能滿足注水緩沖罐需求，主要表現為：

1.2.1 制氮機的超限疲勞運行

由于氮氣消耗量需求的攀升，使得兩臺制氮機只能長時間大負荷同時在線，沒有備用機，無法做一些常規性維保，經常出現延時保養的現象，從而設備故障率大大提高。

1.2.2 氮氣氧含量上升，注水水質含氧難以保證

為了滿足注水緩沖罐的覆蓋氮氣需求，兩臺制氮機不得不通過降低一定的氮氣純度來換取足夠的產氣量，使得氮氣純度一度由99.9%降低到98.9%。這使得注水緩沖罐中的注水氧氣含量由20ppb上升到60ppb，大大增加了注水管線的腐蝕率，縮短了注水管線的使用壽命。

1.2.3 增加化學藥劑使用成本

為了降低注水中的氧氣含量，保護注水管線，迫使在注水流程中注入了大量的脫氧劑，濃度達15ppm，合計每天消耗大約0.76m3，大大增加了操作成本。

1.2.4 注水緩沖罐液位調節閥門氣蝕問題

由于大量溶解氣的存在，使得注水緩沖罐調節閥閥芯氣蝕穿孔，影響正常使用，增加更換維修的操作成本。

2 氮氣消耗量過大的原因排查及分析

2.1 注水緩沖罐對氮氣消耗量過大的現象確認

為了確認FPSO上其他系統對氮氣消耗量沒有很大影響，操作人員進行了一系列試驗，包括停止向其他氮氣消耗用戶（如原油分油機、熱介質膨脹罐、污油處理設備等）供氣，關閉注水緩沖罐覆蓋氣管線出口閥門，注意到氮氣消耗量沒有明顯減少，最終確認制氮機生產出的氮氣絕大部門被消耗在注水緩沖罐內。

2.2 氮氣消耗量過大的原因排查及分析

仔細研究整個流程，排除氮氣外漏的情況外，覆蓋氮氣消耗量過大的可能只剩下一種，那就是覆蓋氮氣被注水帶入了下流流程，而且帶走的方式只可能有兩種—氮氣被溶解帶走或者氮氣混合進水中被帶走，那到底是哪一種呢?

首先了解一下氮氣的溶解度，根據研究表明，在標準情況下氮氣的氣體密度是1.25g/L，難溶于水，在常溫常壓下，1體積水中大約只溶解0.02體積的氮氣（如圖2-1所示）。那么在注水緩沖罐的操作壓力為10Bar，操作溫度為78℃，流量為2120 m3/h的情況下，理論計算出溶解于生產水的氮氣量僅為42.4m3/h，而FPSO上現存的兩臺制氮機的制氮能力絕對大大超出了這個數值，所以用這種方式來解釋氮氣量消耗過大是行不通的。

接下來就剩下另一種可能性—氣被水混合帶走；從流程設計上看，生產水和覆蓋氮氣都是從注水緩沖罐的頂部進入罐內的。分析以后發現，生產水由注水緩沖罐的頂部通過18寸的管口直接噴射到罐內，撞擊水面會造成液面散射震蕩，并與覆蓋氮氣充分接觸，如圖2-2所示。這些散射的水會將氮氣迅速帶入水中，并在氮氣上浮前，將其從緩沖罐出口帶走，這是造成氮氣消耗量過大的主要原因。

圖2 -1 氮氣溶解度

圖2 -2 注水緩沖罐（改造前）

3 改造方案論證和實施

根據以上的分析，可以看出造成氮氣消耗量大的根本原因是氮氣與生產水充分接觸及罐內氣液界面不穩定所造成的。維持罐內氣液界面的穩定、避免水與氮氣反復頻繁的接觸，理論上應該可以大大降低氮氣在水中的溶解及被水帶走的消耗量。接下來就是考慮如何對流程進行適當的改造了，經過現場實際調研和討論分析，如果把生產水入口的管口延伸至注水緩沖罐的正常操作液面以下，就可實現上述目的，從而大大降低氮氣的消耗量。流程基本改造如圖3-1，3-2所示

圖3 -1 注水緩沖罐（改造圖紙）

圖3 -2 注水緩沖罐(改造后)

拆除18寸的進口管線并重新預制新的16寸的延伸管到緩沖罐正常操作液面以下的位置，同時設計改造需要考慮的幾個因素，第一，由于管徑的變化，從18寸管線降低為16寸管線，會造成管流體速度的增加，也會增加一定的背壓，造成上游注水增壓泵的出口壓力舉升。第二，由于延伸管進入到罐體的中部，需要考慮流體對罐底部沖刷影響。

根據目前的生產狀況及各個生產水流程的運轉狀況，計算改造如下：

進水管管線工作流量：32萬桶/d（0.589m3/s）；

進水管管線中介質 ：78℃生產水，其動力粘度μ為0.351×10-3N·s/m2，其運動粘度 ν 為 0.351×10-6m2/s；進水管管線介質壓強：1Bar；緩沖罐內壓強：10Bar；

緩沖罐改造前后進水管線情況如表3-1所示

表3 -1 注水緩沖罐改造前后進水管線數據

圖3 -3 注水緩沖罐截面

新預制的管線插入液面以下時，與原管線出口處（液面以上）的壓力比較，如圖3-3所示截面為罐頂上任意截面，2-2截面為原進水管出口截面（高于液面），3-3截面為新的進水管出口，設1-1截面為基準面，設截面管內壓強為P1，流速為 V1，2-2截面的壓力為P2，流速為 V2，相對基準面高度為-h1，3-3截面管內壓強為 P3，流速為 V3，相對基準面高度為-(h1+h2)。

分析：

1）原管出口在2-2截面處時（液體液面以上），出口處壓力有管內流體壓力P2，和罐內壓力1MPa，根據實際流體伯努力方程，有

由于在這一段內管的截面積未變，根據流體流動的連續性原理，有V1=V2

所以，有

2）新管線深入液面以下時（即截面3-3處），出口處的壓力有管內流體壓力P3，罐內壓力1MPa和管內液體壓力h2，根據實際流體伯努力方程，有

因為由于在這一段內管的截面積未變，根據流體流動的連續性原理，有V1=V3，

所以有 p3=p1+ρgh1-ρg×1

那么：通過 1）、2）項分析，P2=P3，即舊管的出口壓力與新管的出口壓力相等，所以，管子的出口位置對泵的出口壓力不產生影響。

3）新管與舊管截面積減小造成的局部壓力損失Δpj

式中ζ——局部阻力系數，本管線由18寸變為16寸采用異徑管變徑，可視為普通縮小型

ρ——介質密度，ρ=1000kg/m3；

故

局部壓力損失為1454.5Pa。

4）由新管截面積比原管截面積減小和長度增加而產生的沿程壓力損失差Δpy1

原管線在這一段（灌頂到罐內）的沿程損失為Δpy1，則式中v1——流速m3/s；

d1——原管內徑0.429m；

λ1——沿程阻力系數，液體在金屬管道中宜取，而78℃水的運動粘度為0.351×10-6m2/s

l1——原管長度0.5m（假設）；

ρ——介質密度，水的密度為1000kg/m3

5）新管線在這一段（灌頂到罐內）的沿程損失為Δpy2，則

式中v2——流速m3/s；

d2——新管內徑0.380 m；

λ2——沿程阻力系數，由

知

l2——新管長度1.0m；

ρ——介質密度，水的密度為1000kg/m3

即由于新管段截面積比原管段截面積減小和長度增加而產生的沿程阻力損失增大數值為0.327Pa。

6）采用新管比舊管增加的壓力損失為

Δp=Δpj+Δpy=1454.5Pa+0.327Pa=1454.827Pa

7）關于生產水出管后對罐壁沖擊的計算

生產水的流速為v=5.19m/s，生產水密度為ρ=1000kg/m3，生產水出離管口后，其速度水頭全部轉換為壓力水頭，由能量方程

可見，由速度水頭產生的壓力遠遠小于罐內介質壓力1MPa，所以，在生產水出離管口后，其速度水頭所產生的壓力（也即沖擊力）將瞬間被環境壓力所抵消，不會對罐壁產生沖擊。

那么：由于管線更換造成了介質在管線中的壓力損失為0.001454827MPa，由此將導致泵的出口壓力升高，從而造成泵的流量損失，但此壓力損失很小，對于上游注水增壓泵的影響應該不會太大，從改造后到目前泵的運轉參數和整個系統運行的狀態來看，此壓力的增加不會對上游注水增壓泵正常運轉產生太大的影響。

在后來的計劃關斷時間里，根據以上的分析和計算結果，并設計進行了現場的管線安裝。如圖3-4注水緩沖罐頂部進口管線和圖3-5注水緩沖罐頂部進口管線延伸至罐內管線（改造后）所示：

圖3 -4 注水緩沖罐頂部

圖3 -5 注水緩沖罐進口管線內部改造延伸管線

4 效益和影響分析

通過改造，成功的解決的注水緩沖罐氮氣異常消耗的問題。

1）注水緩沖罐覆蓋氮氣的消耗率大大降低，由原來的300 m3/h降低到80 m3/h，由原來的兩臺氮氣運行，到目前僅僅使用1臺氮氣機變能保障整個FPSO所有用戶的氮氣消耗。

2）提高了氮氣的純度和注水品質，使得含氧量由60ppb降低到20ppb。

3）節省了脫氧劑的消耗量，節省了化學藥劑的成本，由原來每天消耗0.76 m3減少到0.25 m3。

4）減小了制氮機的運行時間，降低了故障率，有了一臺制氮機作為備用，保證了注水系統的上線率。

5）有效的保護了注水緩沖罐液位調節閥，至2014年液位調節未出現氣蝕穿孔現象，節約了更換調節閥的費用。

6）消除注水泵（12級離心泵）因氣蝕問題而縮短壽命的風險。

7）對于上游注水增壓泵的壓力舉升的影響微乎其微。

[1]天津石化設計院.生產水緩沖罐設計資料[M].2004.

[2]汪楠,徐春碧,梁平,等.工程流體力學[M].重慶科技學院印制,2001.

[3]張鈞,余克讓,等.海上采油工程手冊（上 /下）[M].北京：石油工業出版社,2001.