多相混輸技術在國內某海上油田開發中的應用

楊施穎，陳文峰，于成龍，劉博

海洋石油工程股份有限公司 設計院（天津300451）

從20世紀80年代開始國外各大機構以及石油公司就對多相混輸技術展開研究[1]。與傳統的單相集輸技術相比，多相混輸技術最主要的優勢在于其不再需要增設氣液分離器、泵、氣體壓縮機以及分別用于輸送氣、液的兩條管道[2]，減少投資，提高油氣田開發效益[3]。目前，多相混輸技術已在我國海上油田得到成功應用。

1 混輸工藝及優勢

混輸工藝按照其混輸位置的不同可分為地面混輸和水下混輸兩種[4]，其中地面混輸工藝主要是指將混輸設備安裝在生產平臺上的混輸工藝[5]；水下混輸主要是指將混輸設備安裝在水下的混輸工藝，該混輸工藝可減少平臺建設工程的投資。

1.1 混輸設備的主要類型

1）雙螺桿混輸泵由兩個平行的螺桿相嚙合，由軸末端的傳動裝置驅動[6]。其轉速范圍在1 500～2 400 r/min，在高速運轉下具有較強的穩定性，因此被廣泛運用于重油開發中。

2）螺旋軸流式混輸泵屬于回轉動力泵，其原理同傳統的離心泵相似，均是通過旋轉葉輪增大流體的動能，隨后動能轉為勢能[7]。螺旋軸流式混輸泵運行時的轉速通常在3 500～6 500 r/min,輸送氣容比范圍寬泛[8]。

1.2 混輸泵特性及選型

混輸泵是混輸工藝的關鍵，因此，混輸泵的選型應遵循工藝設計要求，其參數主要包括：吸入壓力、壓差、液體黏度以及使用年限內的輸量范圍[9]。而對于水下混輸泵的應用，經濟性及泵的可靠性是水下混輸泵選型過程中主要的考慮因素。

雙螺桿泵和螺旋軸流式泵的特點見表1。

表1 混輸泵參數比較

通過表1混輸泵參數比較可知，在多相混輸增壓系統工藝設計時，泵的選型主要考慮以下幾點[10]：

1）混輸泵輸送的流體流速與泵的結構參數有關，在吸入壓力足夠高的工況下，螺旋軸流式混輸泵比雙螺桿泵可產生更高的流速。

2）相比雙螺桿泵，螺旋軸流式泵通過泵速改變流速更為靈活。相對于雙螺桿泵，螺旋軸流式泵的輸送流體流速范圍更寬，應用更具優勢。

3）兩種混輸泵均可在使用液體回流裝置、流體混合器或者緩沖罐的輔助下處理含氣量在0～100%的流體。因此含氣量并不是泵選型方面的制約因素。

4）雙螺桿泵在輸送混合流體黏度方面沒有最高黏度的限制，而螺旋軸流式泵可輸送的混合流體黏度最高僅為4 000 mPa·s。

5）螺旋軸流式泵比雙螺桿泵對于含沙流體的忍耐度高，因此在生產液含沙時，螺旋軸流式泵更具優勢。

6）在安裝方面，螺旋軸流式泵在水下主要采用豎直的安裝方向，在陸面主要采用水平的安裝方向；而雙螺桿泵目前僅存在水平的安裝方向，豎直安裝還在研究中。

7）耐壓等級方面，相比雙螺桿泵，螺旋軸流式泵耐壓等級較高，最大耐壓可達103.49 MPa，雙螺桿泵最大耐壓為34.48 MPa（可滿足海上低黏度流體的水下增壓需求）。

通過上述分析可知，從技術可行性、經濟性可行性以及技術成熟度等角度對比分析，在多相混輸增壓技術應用過程中選用螺旋軸流式混輸泵作為該項技術的混輸泵。

1.3 混輸工藝的優勢

混輸工藝的主要優勢有[11]：

1）有利于開井。使用混輸增壓技術可以在開井井口壓力較低的情況下啟泵生產，還可有效抑制段塞流去往下游，減少流程中設備的失效率。

2）降低油氣田開發成本。混輸泵的成本大約是傳統分離設備的70%，對于邊際油田的開發，可通過混輸工藝將各油田的生產液集中起來，輸送至中心平臺集中處理。

3）對環境友好。混輸泵的使用可實現天然氣零放空，以前需要燃燒處理的伴生氣現在可以被輸送至偏遠處理設備集中并售賣。不僅可增加額外的收入，而且減少溫室氣體對環境的影響。

2 混輸工藝在某海上油田的應用及存在的問題

2.1 混輸工藝在國內某海上油田的應用實例

國內某海上油田，由于油氣儲量小，如果建設具有油、氣、水處理能力的綜合平臺開發該油田，會造成油田開發成本大幅增加，降低該油田的開發效益。因此，該油田在開發過程中采用混輸技術，即只建一座簡易的井口小平臺，生產出的油氣水利用混輸泵通過混輸海管輸送到距離16 km的中心平臺進行處理。其大幅降低了油田開發過程中的工程建設投資，從而該油田得到有效開發。

該油田開發所采用的混輸泵為螺桿泵，共設有3臺[12]，每臺處理量為246 m3/h，功率為400 kW，出口壓力為5.6 MPa。每臺泵撬上的設備主要包括：雙螺桿雙吸流泵1臺、電機1臺、現場控制盤1個及輔助設備。混輸泵的參數見表2。

表2 國內某海上油田某平臺混輸泵主要參數表

通過圖1國內某海上油田某平臺1998年1月—2004年1月的氣液比柱狀圖，該平臺混輸泵從1997年投產開始使用，設備投運后一直正常運轉。但由于設備投產初期以及2004年后油田天然氣產量下降，該泵存在運行不穩定的情況。

圖1 國內某海上油田某平臺氣液比柱狀圖

2.2 混輸工藝在某海上油田應用存在的問題

1）在泵使用壽命內流體狀態發生變化。通常情況下，會根據具體的工況來選擇特定的混輸泵，其中包括假設的井底壓力、含水率、含氣率以及其他的油藏參數。但隨著時間變化，實際生產中可能會偏離這些參數。2004年后油田天然氣產量下降，偏離設計參數氣液比范圍33%以下，導致泵運行不穩定。

2）氣液比的變化。在長氣泡產生的情況下，流體狀態可能會100%的純液體突變為100%純氣體（氣液比由0～100%），這會導致輸送流體的劇烈波動。

3)螺旋及軸承磨損問題。因為混輸泵的入口是一個平行橫管段，在重力作用下油氣分開造成一邊腔室主要進油，另外一邊腔室主要進氣，造成泵的兩端螺桿壓縮比不一致，導致沖擊振動，主要是橫向竄動，加速螺桿及軸承磨損。

4）氣體壓縮的影響。混輸泵同時具有泵與壓縮機兩種功能，氣體在出口端被壓縮，繼而會導致溫度的升高。通常，泵的溫度會通過流體流過而冷卻，但是在高氣液比工況下運行時，氣體壓縮效果會導致明顯的氣體溫度變化，繼而會導致泵內元件的熱膨脹。如橡膠定子一樣的熱敏元件還可能發生過早失效。

3 混輸泵外輸工藝流程上的改進

混輸泵對于氣液比的要求還比較嚴格，而油田開發過程中氣液比變化是客觀存在的，為了維持混輸泵正常運轉，必須把氣液比控制在混輸泵要求的范圍。

3.1 混輸泵兩端螺桿壓縮比不一致問題的解決方案

將混輸泵的入口管線進行改造，由水平直入改為立管進入，此種方法可減少了因重力原因將油氣分隔在兩個腔室從而產生沖擊振動的影響，

3.2 低氣液比問題的解決方案

當井口來液中生產水含量較高時，可以在泵前設置分離器脫除部分生產水，提高氣液比維持混輸泵的正常運轉。分離出來多余的生產水進入污水處理系統進行處理后回注或外排，這樣既提高了氣液比又降低泵的外輸量，減小海管尺寸以及下游設備的處理量，還可以解決油田注水水源問題。也可以在混輸泵出口設置管式分離器，把分離出來的氣體回流到泵的入口達到調節氣液比解決低氣液比問題。

3.3 高氣液比問題的解決方案

對于高氣液比問題，可以通過在泵后加設分離器，分離出一部分液相再回輸至混輸泵入口，以滿足最小的液相比例要求。利用加設分離器的方式來控制氣液比，可以使混輸泵的適用范圍更廣，由于對分離精度要求不高，管式分離器可滿足液氣分離的要求。與傳統的分離設備相比,管式分離器具有體積小、重量輕、投資省等許多明顯的優點。

4 結論

混輸工藝由于具有工程投資少、延長輸送距離、對環境友好等優點，被廣泛地應用于邊際油田的開發過程中，通過該項技術在海上油田的應用和不斷完善，目前該項技術已經逐漸趨于成熟。通過對該項技術在國內某海上油田應用過程中存在的問題分析，對于氣液比的變化導致混輸泵無法正常工作的問題從工藝角度進行研究分析，分別從低氣液比、高氣液比以及混輸泵兩端螺桿壓縮比不一致等方面提出解決方案，有效改善了目前混輸工藝因氣液比的變化導致混輸泵無法正常工作的問題，有利于后期該項技術的應用和推廣。