水下多相增壓技術的最新進展

劉永飛， 李清平， 秦 蕊

(中海油研究總院，北京 100028)

水下多相增壓技術的最新進展

劉永飛， 李清平， 秦 蕊

(中海油研究總院，北京 100028)

通過研究螺旋軸流式增壓技術、雙螺桿式增壓技術、對轉軸流式增壓技術等水下多相增壓技術的技術原理和技術參數，分析了幾種水下多相增壓技術的特點、發展及應用現狀。在此基礎上總結分析了水下多相增壓技術目前階段存在的難點和挑戰，包括對氣液波動較大工況的適應性、長距離供電技術的制約、水下安裝技術的挑戰、新技術的可靠性、水深對集成設備的挑戰等，為今后在深水油氣田開發中應用水下多相增壓技術提供借鑒和技術支持。

水下多相增壓；水下多相泵；水下壓縮機；水下設備

0 引 言

近年來，隨著石油開采從陸上發展到海上，海上油氣田開發中的一些問題不斷顯現，如低壓油藏無法自噴開發、油氣田開發中后期油藏壓力不足、氣田含水過高、氣田采收率低等問題，一定程度上影響了海上油氣田的安全和經濟有效的開發，因此，需要研究一種提高海上油氣田特別是深水油氣田安全性、進行經濟有效開發的方法，于是水下多相增壓技術應運而生。水下多相增壓技術涵蓋水下增壓技術和多相增壓技術兩項前沿技術。其中水下增壓技術就是將增壓設備放置在靠近井口的位置，從而彌補油藏壓力不足的問題，同時還能降低關井壓力，提高采收率；多相增壓技術就是不通過分離設備對油氣水等進行增壓，這就需要解決單相泵增壓氣蝕問題和壓縮機增壓喘振等問題。水下多相增壓技術就是將水下增壓和多相增壓兩項前沿技術結合使用，來達到提高采收率、提高經濟效益的目的。本文總結分析水下多相增壓技術目前階段存在的難點和挑戰，為今后在深水油氣田開發中應用水下多相增壓技術提供借鑒和技術支持。

1 水下多相增壓技術的發展

從20世紀60年代起，隨著技術的不斷發展以及工程需求的不斷增加，水下多相增壓技術經歷了三個階段[1]： 第一階段(20世紀60年代至70年代早期)，重點研究泵內混入空氣以后，由于液體濃度降低而導致的沖擊可能性以及泵內氣蝕、空化現象，研究泵型主要為單相葉片泵；第二階段(20世紀70年代中期至80年代)，重點研究冷凝液輸送泵中出現的蒸汽，使液體泵變成輸送水和水蒸氣的兩相泵，研究重點是有相變發生的氣液兩相流泵；第三階段(20世紀80年代至今)，遠距離輸送未經處理的油氣水多相井流的多相混輸技術，研制一種能為未經處理的油-氣-水多相井流提供動力的多相增壓技術。

2 水下多相增壓技術介紹

水下多相增壓技術是指在水下對氣液比為0～100%的氣、油、水進行增壓。水下多相增壓技術經過幾十年的發展，目前在現場應用且技術比較成熟的主要有螺旋軸流式多相增壓技術、雙螺桿式多相增壓技術、對轉葉輪多相增壓技術、半軸流式葉片技術、離心式增壓技術等。

2.1 螺旋軸流式多相增壓技術

螺旋軸流式多相泵的基本工作原理是利用葉片剖面呈機翼狀的螺旋葉片對油氣混合流產生升力而進行增壓的，旋轉的螺旋形葉片激起的旋轉流動經過靜止的固定導葉的梳理整流，強迫輸送油氣混合介質沿軸向流動。

螺旋軸流式增壓技術源于20世紀80年代著名的“海神計劃”的研究成果[2—4]，它由法國石油研究院獲得專利，其結構如圖1所示。第一代海神泵是在電潛泵的基礎上發展起來的，第二代海神泵采用了優化設計的“NACA”螺旋形葉片，較為有效地防止或延緩了葉道內氣液兩相間相態分離的發生。在此基礎上，1987年首次研制出工業用原理機，命名為P300；1992年，海神式多相泵已發展到P300、P301、P302三種型號。經過陸上和海上現場實驗考核后，海神泵的研制者將其水力設計技術轉讓給挪威的Framo和法國的Sulzer泵業有限公司，從此螺旋軸流式多相泵進入工業化應用階段。

圖1 螺旋軸流式多相泵葉片Fig.1 Helico-axial multiphase pump impeller

螺旋軸流式增壓泵主要技術特點有： 泵的轉速決定壓力提高，流量根據系統阻力特性自適應；更適合高流量條件(100～2000m3/h)；更適合高入口壓力條件，中低等增壓(0～5MPa)的工況；適用于低黏度(<50mPa·s)；更好地適應含沙環境，泵體采用開式或半開式結構，對沙或其他固體顆粒不敏感，在處理含有固體顆粒的流體時表現出其顯著的優越性；抗干轉能力(進口含氣率100%情況下可無故障安全運行兩天)；含氣率很高時，增壓能力相對較弱。

Framo多相泵主要用于水下市場，已在20多個項目中應用，實物如圖2所示。Framo多相泵的設計參數為： 最大流量2000m3/h，壓差3～20MPa，氣體體積含量(GVF)最高達95%，壓力等級34.5～97.1MPa，設計水深3000m，軸功率300～3000kW，高5m，占地面積小于4m2，重量7～20t。

圖2 Framo水下多相泵實物圖Fig.2 Framo multiphase pump

Sulzer螺旋軸流式多相泵主要為陸上應用。1994—2013年Sulzer共有多相泵業績17項，GVF為20%～95%，其中13項在陸上，2項在平臺上，2項在水下，已經完成測試與認證，未真正投入使用。Sulzer的兩項水下業績分別為1998年的Nautilus項目和2011年的Mark 1項目。1998年的Nautilus項目中的多相泵已經通過檢驗，由于油田原因，并未投入使用；2011年的Mark 1項目中的多相泵是基于Nautilus項目多相泵產品而研發，而且也已經通過了檢驗(見圖3)。

Sulzer多相泵的設計參數為： GVF為0～100%，增壓幅度大于10MPa，軸功率3.2MW(6000r/min)，設計水深2000m，設計壓力34.5MPa，設計溫度80℃，設計環境水溫4℃。

圖3 Sulzer多相泵及測試Fig.3 Sulzer multiphase pump testing

2.2 雙螺桿式多相增壓技術

雙螺桿式多相泵一般有兩種： 一種是高壓型雙螺桿泵，這種泵是在開采與輸送高黏原油的普通雙螺桿液體泵的基礎上，吸收了噴油雙螺桿氣體壓縮機(實質為含氣率97%～99%油氣混輸泵)的螺桿型線設計和轉子加工等關鍵技術后發展起來的，是目前現場應用較多的雙螺桿式多相泵；另一種為低壓型雙螺桿泵，是在螺桿壓縮機的基礎上，考慮多相流體的特殊性發展起來的，一般增壓值較低[5]。

雙螺桿式多相泵的轉子副由兩根互不接觸的螺桿組成，通過硬化處理過的直齒圓柱同步齒輪傳遞扭矩，如圖4所示。該泵在設計上利用氣體的壓縮性成功地降低回流損失，提高了泵的容積效率，并將軸向推力、噪聲、壓力脈動以及泵的振動等不利因素降低到最小，因此具有較好的效率和運行特性，典型雙螺桿式多相泵的性能曲線如圖5所示。

雙螺桿泵主要技術特點有： 泵的轉速決定流量，壓力根據系統阻力特性自適應；更適合低流量條件(10～500m3/h)；更適合低入口壓力條件、中高等增壓(0～10MPa)的場合；可以適用于高黏度工況；不適應含沙環境，會磨損螺桿，降低性能；需要配置相關流體系統，進行自循環來防止干轉；在輸送介質的含氣率很高時，仍可以達到較高的容積效率和較好的增壓；輸送過程中雙螺桿中至少保留3%的液體。

圖4 雙螺桿式多相泵示意圖Fig.4 Twin screw multiphase pump impeller

圖5 雙螺桿式多相泵性能曲線Fig.5 Twin screw multiphase pump performance curve

2008年Leistriz雙螺桿式多相泵(見圖6)應用于巴西海域，該多相泵的設計參數為流量500m3/h， GVF高達95%，增壓6.6MPa，功率1200kW，轉速1800r/min。

圖6 Leistriz多相泵Fig.6 Leistriz multiphase pump

Bornemann從1997年參加德國R&D項目開始進行了水下多相泵的研究工作，接下來的挪威DEMO2000項目揭開了水下雙螺桿泵第一次在北海和墨西哥灣的安裝應用。SMPC系列為水下多相泵系列(見圖7)，目前發展到第四代，其中第二代和第三代在墨西哥灣和北海共有4項業績，增壓高達5MPa，功率高達1100kW，流量10～1300m3/h不等。

圖7 Bornemann第二代和第四代水下泵Fig.7 Bornemann multiphase pump SMPC series 2 and series 4

2.3 對轉葉輪技術

對轉葉輪是軸流式葉片的一種變化形式，機體呈對置方式，轉向相反的一對電機分別驅動常規軸流壓縮機的動葉和靜葉，轉速可變頻調節。由于它的動、靜葉是相對轉動的，通常在較低的轉速下就可得到很好的增壓效果。該裝置的一個顯著特點是流量很大，但因其工作原理類似于軸流式壓縮機，所以在含氣量高達90%以上才具有較為理想的性能，葉片形式如圖8所示。

圖8 對轉葉輪技術Fig.8 Contra-rotating (CR) technology

OneSubsea水下濕氣壓縮機WGC4000(見圖9)是2010年研制成功的一款對轉濕式壓縮機[6—7]，該濕氣壓縮機處理量達6000Am3/h(工況下的流量)，功率5000kW。其中機械研制基于Framo成熟的螺旋軸流式多相泵，如電機、軸承、機械密封和操作理念。該壓縮機可以處理GVF大于95%的工況，在啟動時處理全液體的工況。2015年第四季度，WGC4000成功應用于Gullfaks項目。水深約135m，電機功率為5000kW(2×2500kW)，回接距離約15km。Gullfaks水下增壓項目使產量增加2200萬桶油當量，采收率從63%提高到73%。

圖9 OneSubsea水下壓縮機Fig.9 OneSubsea subsea compressor WGC

2.4 半軸流式增壓技術

半軸流式增壓技術采用半軸流葉片，這種葉片類似于螺旋軸流式葉片，葉片的一部分起增壓作用，一部分起整流作用，該種葉片能夠實現0～100%氣液比的多相增壓，最佳氣液比為70%，增壓能力達20MPa。葉片結構如圖10所示。2015年Aker Solution公司已經完成該種葉片式水下多相泵的測試。

圖10 半軸流葉片Fig.10 Semi-axial impeller

2.5 離心式增壓技術

水下離心式增壓技術由陸上離心式壓縮技術改進而來，通過無油潤滑、高頻率感應電機、動態磁力軸承、變頻軟啟動等先進技術保證壓縮機在水下長期無故障運行。目前階段應用于Asgard[7—8]的MAN Turbo HOFIMTM離心式壓縮機(見圖11)進氣液量最多允許0.46%(體積分數)，因此該水下離心式壓縮機目前階段還需配合分離器一起使用。脫離分離器真正實現水下濕氣增壓的水下離心式壓縮機目前正在研發中。

應用于Asgard 項目的壓縮機橇塊尺寸為75m×45m×20m，重量5000t，主要包括兩個壓縮機2×11.5MW，一個分離器，一個泵，一個冷卻器，應用水深250～325m。2015年，Asgard水下增壓項目增產3.06億桶油當量，采收率提高20%左右。

圖11 MAN Turbo HOFIMTM水下壓縮機Fig.11 MAN Turbo HOFIMTM compressor

3 水下多相增壓技術的難點和努力方向

水下多相增壓技術是集水下增壓技術、多相混輸技術、設備集成技術、水下輸配電技術、水下控制技術、水下分離技術、水下安裝技術等多方面技術于一體的綜合性技術，因此存在許多制約水下多相增壓技術的瓶頸。水下多相增壓技術的難點主要有以下幾點。

(1) 對氣液比波動較大工況的適應性。水下氣田井流氣液比往往在全生命周期內變化較大，而目前幾種水下多相增壓設備都對氣液比有一定的要求，螺旋軸流式增壓泵、雙螺桿式增壓泵的泵送井流氣液比范圍為0～95%，無法適用于氣液比高于95%的氣田；對轉軸流式壓縮機泵送井流氣液比范圍為95%～100%，但是抗干轉時間只有兩天；離心式壓縮機對進口液量的限制更為苛刻。因此，研究一種可以適用于氣液比變化大、具有長期抗干轉能力的水下多相增壓設備是水下多相增壓技術的難點之一。

(2) 長距離供電技術的制約。水下多相增壓設備通常采用電驅，為了適應深水油氣多變的工況，需要配置變頻器進行調速，目前已投入現場應用的水下多相增壓設備配置的變頻器均放置于依托設施上部組塊，隨著海洋油氣開發區域水深的不斷增加，水下多相增壓設備回接距離不斷增長(例如荔灣3-1為79km回接)，變頻器供電距離有限(現場應用最遠距離為Asgard水下壓縮機系統供電距離40km)，變頻器放置于依托設施上部組塊將無法滿足回接距離的要求。目前在Ormen Lange[9]提出了一種水下變頻模式，采用水下變頻器、水下斷路器、水下不間斷電源(UPS)等水下輸配電設備，雖然已經經過試驗測試，但是并無現場經驗，技術成熟度有待實際項目長期可靠運行來驗證。

(3) 水下安裝技術。水深和水下生產設施重量的增加對于水下安裝技術提出了更大的挑戰，包括安裝船舶、下放和回收系統、運動補償系統、連接和配重、定位和通信等相關的技術問題都需要解決。Asgard項目水下壓縮機模塊重量達4800t，尺寸達75m×45m×20m，對水下安裝提出了非常大的挑戰，世界范圍內能夠完成水下安裝的船舶資源非常有限，大大增加了安裝成本。因此，為了避免水下安裝技術成為水下增壓技術的瓶頸，也為了降低水下增壓技術的成本，水下增壓模塊需要進一步進行小型化研究。

(4) 新技術的可靠性。為了長期免維護可靠運行，水下離心式壓縮機運用了高頻率感應電機、動態磁力軸承、變頻軟啟動、無油密封、工藝氣冷卻等一系列新技術。目前階段水下運行時間短，可靠性有待項目長時間可靠運行來檢驗。

(5) 水深對集成設備的挑戰。目前已經現場應用水下壓縮機的兩個項目Asgard和Gullfaks都處于100～350m水深的范圍，隨著現場應用水深的增加，部分組成單元(包括相關的水下分離設備、水下輸配電設備等)可能需要重新設計并進行相關試驗測試和認證，以滿足水深需求，保證系統可靠性。系統故障將導致減產和維修維護費用的大幅增加。

4 結 語

水下多相增壓技術各有優缺點和適用工況，應根據深水油氣田實際需求來選擇相關類型。螺旋軸流式多相增壓技術和雙螺桿式多相增壓技術主要適用于氣液比范圍為0～95%的油氣田，其中螺旋軸流式多相增壓技術更加成熟，現場應用經驗更豐富。對轉軸流式濕氣壓縮技術主要適用于氣液比超過95%的氣田，但是抗干轉能力還需進一步研究提高。離心式壓縮機已經應用于水下，但是探索脫離分離器，適用高含液工況，研究防喘振等技術仍然是需要繼續攻關的難點。此外，水下多相增壓技術還面臨著長距離供電技術、控制技術、水下安裝技術等配套技術及自身技術發展的制約，仍然需要科研人員繼續在深水油氣田的開發中不斷去解決這些問題。

隨著荔灣3-1氣田的開發以及陵水17-2大型氣田的發現，我國海洋石油開發逐漸從淺水走向深水，水下多相增壓技術對低壓油藏、高含水油藏的開發以及提高油氣田采收率和增長油氣田生產年限等方面都具有非常重要的戰略性意義。

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TechnologyProgressofSubseaMultiphaseBoosting

LIU Yong-fei, LI Qing-ping, QIN Rui

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

We mainly summarize the technical principle and parameters of helico-axial multiphase boosting technology, twin screw multiphase boosting technology, contra-rotating multiphase boosting technology, etc., and analyze the characteristics and application status of them. Meanwhile, the difficulties of subsea multiphase boosting technology at present, including the adaptability of liquid fluctuation conditions, the restriction of long distance power supply technology, subsea installation challenges, reliability of new technology, and reliability of the integrated equipment, are analyzed. This work will provide reference and technical supports for the application of the subsea multiphase boosting technology in subsea oil and gas field development.

subsea multiphase boosting; subsea multiphase pump; subsea gas compressor; subsea equipment

TE53

A

2095-7297(2017)04-0205-06

2017-01-17

劉永飛(1988—)，男，碩士，主要從事深水油氣田開發和水下設備等方面的研究。