射流器在海上油田的應用及未來發展

喬勝勇，張海兵，胡忠良

(中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司 天津 300452)

0 引 言

射流器基于文丘里效應，文丘里效應(也稱文氏效應)以其發現者，意大利物理學家文丘里(Giovanni Battista Venturi)命名。射流器的工作原理是加速高壓氣流(動力)通過噴嘴將壓力能量轉化為速度。在速度最高的噴嘴尖端周圍會形成一個低壓區，這通常被稱為射流器的吸入室。如果該區域的壓力低于與射流器側入口或“吸入支管”相連的吸入流體的壓力，則吸入流體將被吸入射流器的主體。然后，兩股流體流過射流器的擴散器部分，在該部分由于幾何形狀的分散，速度降低，壓力恢復。重要的是，低壓吸入流經歷壓力增加/壓縮，而動力流看到壓力下降，這是因為它的一些能量已被用于對吸入流“做功”。因此，產生的排放壓力介于動力壓力和吸入壓力之間[1]。射流器廣泛應用于石油和天然氣行業，可以被有效地用于氣體壓縮、流體混合和液體泵送任務。射流器在海上油田也有部分設備使用，如惰氣系統的用以除塵的文丘里洗滌器、低壓氣回收系統的射流裝置、泵倉的射流泵、部分污水系統加藥用的加藥泵等。

1 文丘里射流器在海上油田的應用介紹

1.1 氣體射流器——用高壓氣體帶低壓氣體

目前部分海上油氣田的設施用射流器回收生產系統中的低壓伴生氣，一般是將來自壓縮機的高壓氣體用于驅動射流器，再與來自低壓分離器的低壓氣體在射流器混合，使得低壓分離器氣體壓力提升，見圖1。射流器出口壓力在設計條件下達到第二級壓縮機的入口壓力，從而完全取消需要昂貴費用的機械式的一級壓縮機。類似的技術也可以應用于吸入氣體壓力低于壓縮機最小入口壓力。射流器可以作為增壓壓縮機以確保達到吸入壓力。射流器可以用來取代現有的機械壓縮機，由于無需維護，這種方法整體投入較低且幾乎沒有運營成本，回收后的低壓伴生氣可以作為耗氣設備的燃料或者直接通過官網外輸銷售，同時減少火炬排放、大氣污染，天然氣得到回收再利用，有利于社會民生。

圖1 射流回收流程 Fig.1 Jet recovery process

其特點有：靜設備，無活動部件；無需專人操作和后期維護，噴嘴壽命可達數年，節省大量操作維護費用；回收壓縮機回流高壓氣能量，節能降耗環保[1]；浪費能源再利用；性能參數易于變更，以適應不斷變化的工藝條件；結構堅固；易于安裝，工作量小，易于控制；重量輕，占地面積小，更加適用于老平臺改造；投資少(約為壓縮機項目的1/3～1/4)，回報周期短；改造工程量小，主要是管線改造及控制回路優化變更，施工安全風險降低，而且對平臺消防安全設計沒有影響[2]；經濟效益優于同類型的壓縮機增壓技術。

1.2 液體射流器——用高壓液體帶灰塵或低壓氣體

海上FPSO為降低貨油艙內的氧氣含量并保持倉內正壓狀態，船上設有惰氣系統，惰氣可以驅走貨油艙內原有的空氣，使艙內氣體含氧量降低到符合要求，從而保護貨油艙及周圍壓載水倉。惰氣通常由惰氣系統的燃燒裝置燃燒柴油或對其他設備的燃燒尾氣進行二次燃燒來獲得，此部分氣體含有一定的煙塵，在進入貨油艙之前需要進行除塵處理。海上惰氣系統一般使用文丘里洗滌器進行除塵處理，見圖2。惰氣系統使用的文丘里洗滌器主要由文丘里管(有收縮管、喉管和擴散管3部分)和旋風分離器組成。含煙塵氣體進入收縮管，流速沿管逐漸增大；水或其他液體由喉管處噴入，被高速氣流撞擊而霧化，氣體中的塵粒與液滴接觸而被潤濕；進入擴大管后流速逐漸減小，塵粒互相黏合，使其顆粒增大易于除去；最后進入旋風分離器，由于離心力的作用，水與潤濕的塵粒被拋至分離器的內壁上并向下流出器外，凈制后的氣體則由分離器的中央管排出。文丘里洗滌器的優點是結構簡單，除塵效率高[3]。

圖2 文丘里除塵 Fig.2 Venturi dust removal

其特點有：結構簡單緊湊，體積小，占地少，價格低；既可用于高溫煙氣降溫，高溫、高濕和易燃氣體的凈化，也可以凈化含有微米和亞微米粉塵及易于被洗滌液吸收的有毒有害氣體，如二氧化硫、氯化氫、硫酸等。

1.3 用高壓液體帶低壓液體

部分FPSO透平發電機在艏傾嚴重時軸承潤滑油回流不順，利用高速滑油經過射流器結構在噴嘴附近形成低壓區，引導軸承腔室滑油回流到油箱。

1.4 其他

海上某些自動加藥裝置使用射流器使得藥劑與水充分混合霧化后注入配藥管道。

2 射流回收低壓氣通常的控制方式

低壓氣或火炬氣的流速發生變化，如果不加以控制，這部分氣體的吸入壓力也會發生變化，這種情況需要采取多種控制策略進行解決。

通常由低壓氣入口的壓力控制高壓氣，如有需要則在中壓氣出口增加回流來調節低壓氣的入口壓力，見圖3。

圖3 射流器控制簡圖 Fig.3 Jet control diagram

圖3為某海上油田使用射流器對平臺的五路低壓氣進行回收的示意圖，通過安裝在低壓氣入口總管上的PIT壓力變送器控制射流器高壓氣控制器的開度，從而達到穩定回收低壓氣的目的。

3 成功應用案例

上文提到的方案已經成功應用在多個海上油田，回收效果良好，工作穩定。

應用項目一：將某海上油田的一處二級分離器50kPaG低壓氣成功增壓至200kPaG，送達下游壓縮機入口，經壓縮機壓縮后供油田燃氣透平使用來增加發電量。此應用不僅為油田帶來了一定經濟收入，也在節能減排上取得了突破，平臺原二級分離器處的放空閥門基本關閉。

應用項目二：將某海上油田設施5處二級分離器60kPaG的低壓氣成功增壓至200kPaG，送至下游壓縮機入口，該平臺原4處二級分離器及1處原油緩沖罐的放空閥門基本關閉。

需要注意的是，在冬季運行時經過射流器的氣體在降溫降壓后的穩定運行問題，低溫高壓氣與高溫低壓氣混合后溫度不能達到射流器的穩定運行溫度，一般高壓氣應選用溫度較高的接入點，以免因冬季降溫、降壓后影響使用效果。

4 未來應用前景

4.1 高壓氣體回收火炬放空氣

海上生產設施根據工藝要求和各現場現有設施的可用性可采用多種方式配置射流器以回收火炬氣，見圖4。但需要確定以下幾點：最大火炬氣流量以確定射流器最大可回收量；經過射流器增壓后的火炬氣要進入生產流程的接入點，將決定射流器必須達到的排放壓力。由于工藝的季節性變化，可能影響到火炬的氣流量，這些都需要考慮，并確保采用適當、有效的控制策略。控制策略對于海上油田火炬氣回收項目來說至關重要，因為它涉及火炬系統的安全性，故需要在危險與可操作性分析的基礎上進行深入研究， 并評估其帶來的其他影響。

圖4 高壓氣回收火炬氣流程示意 Fig.4 Schematic diagram of high pressure gas recovery flare gas process

此種方式的優點：用壓縮機的回流氣降低低壓分離器壓力，提高天然氣、石油、凝析油的產量；用壓縮機的回流氣進行火炬氣回收；用壓縮機的回流氣取代低壓壓縮機并提高產量、消除瓶頸；較其他形式壓縮機回收來說，大幅降低了初始投入成本及后期維護成本，提高了效益。

需要注意的是射流裝置回收火炬氣的采用最好在油田設計初期就予以確定，這樣在各種設備及安裝裝置的設計選擇上不至于后期調整，避免帶來額外的工程量及不必要的費用支出。

4.2 高壓液體增壓低壓氣

在海上油氣設施中，采出水、注入水、海水等高壓液體可用于驅動射流器。如果現有液體流可用，但壓力低于射流器所需的壓力，則可通過添加增壓泵來提升壓力以驅動射流器。高壓液體通常返回到流程，見圖5。未來具備條件的海上設施可以考慮采取這個方式進行低壓氣體的增壓處理。

圖5 高壓液體增壓低壓氣體流程示意 Fig.5 Schematic diagram of high pressure liquid pressurizing low pressure gas

潛在的應用場景：高壓水回收火炬氣；高壓水用于多項井提高產量；高壓氣用于回注二氧化碳，提升儲層壓力，提高采收率。

4.3 高壓氣井帶動低壓氣井

來自高壓氣井的氣體可將低壓氣井中的氣體增壓到下游工藝條件需要的壓力，見圖6。

圖6 高壓氣井增產流程示意 Fig.6 Schematic diagram of stimulation process of high pressure gas well

優點是安裝了射流器后可以最大限度地提高產量；施工時間短；射流器不需要維護，也不會產生排放；降低下游系統的壓力，從而降低項目風險；通過安裝射流器甚至可以重新啟動已經關停的老井。

5 結 語

射流裝置為海上油氣田低壓天然氣回收再利用提供了一條壓縮機增壓技術之外的新途徑，同時，該技術還可應用于低效天然氣井增產和利用射流器回收低壓氣及廢熱水、二氧化碳回注等，這些都是響應國家節能減排號召的有效技術措施，不僅經濟效益顯著，同時會帶來一定社會效益。未來隨著我國大型海上油氣田的發現及勘探開發，射流器將有可能在某些具備條件的海上油氣田成為第一級壓縮機，并提供比第一級壓縮機更低的進口壓力處理能力，應用空間廣泛。因此，在油氣田開發階段有針對性地對射流器增壓進行工藝流程設計是必要并有意義的。■