摘  要：水下壓縮機(jī)是海上氣田開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵設(shè)備之一, 可以實(shí)現(xiàn)水下氣田長(zhǎng)距離回接、延長(zhǎng)氣田壽命、提高采收率等。近年來(lái), 有兩種不同類型的水下壓縮機(jī)成功實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用, 它們是水下對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)和水下離心式壓縮機(jī)。本文首先分析了水下對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)和水下離心式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)、 工作原理及特點(diǎn), 然后基于兩種壓縮機(jī)的工作原理和特點(diǎn), 結(jié)合它們的關(guān)鍵參數(shù), 針對(duì)典型的工程實(shí)例,分析了水下壓縮機(jī)的選型方法。研究表明, 氣田規(guī)模、增壓需求和井流氣液比是影響壓縮機(jī)選型的關(guān)鍵因素。本文研究可為海上氣田水下壓縮機(jī)選型提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：水下壓縮機(jī); 對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī);水下離心式壓縮機(jī); 選型

0  引 言

隨著世界范圍內(nèi)石油和天然氣消費(fèi)需求的增加, 石油天然氣開(kāi)采從陸上發(fā)展到海上。20 世紀(jì)80年代以來(lái), 海上油氣田開(kāi)發(fā)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步, 但是近20 年來(lái), 很多油氣田陸續(xù)進(jìn)入了開(kāi)采壽命后期,面臨著油藏壓力下降、減產(chǎn)或停產(chǎn)等問(wèn)題。這些問(wèn)題和挑戰(zhàn)推動(dòng)了水下生產(chǎn)系統(tǒng)的快速發(fā)展 , 水下單相泵、水下多相泵、水下分離器等水下設(shè)備先后在全球范圍內(nèi)成功運(yùn)用, 這些也促進(jìn)了水下濕氣增壓技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展。

2015 年, 在經(jīng)過(guò)了多年的研究與測(cè)試以后, 水下壓縮機(jī)在挪威北海挪威國(guó)家石油公司的 Asguard和Gullfaks 油氣田成功運(yùn)行。Asgard 油氣田于1999—2000 年投產(chǎn), 隨著氣藏壓力逐漸降低, 原油田投產(chǎn)時(shí)預(yù)計(jì)到2015 年將沒(méi)有足夠的天然氣壓力來(lái)保持穩(wěn)定生產(chǎn), 作為解決方案, 一個(gè)包含有兩臺(tái)11.5MW 的離心式壓縮機(jī)的壓縮機(jī)站在2015 年被安裝到海底。這個(gè)壓縮機(jī)站每天可以處理2100 萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)立方米的天然氣, 合計(jì)增產(chǎn)3.06 億桶油當(dāng)量,提高油氣田采收率超過(guò)20%。Gullfaks 油氣田于2001年左右投產(chǎn), 面臨著與 Asgard 油氣田同樣的問(wèn)題, 為了延長(zhǎng)油氣田壽命、 提高采收率, 挪威國(guó)家石油公司于2015 年在 Gullfaks 油氣田水下安裝了由兩臺(tái)5 MW 對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)組成的壓縮機(jī)站,每天的采氣量增加了1 000 萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)立方米, 合計(jì)增產(chǎn)2200萬(wàn)桶油當(dāng)量, 提高油氣田采收率達(dá)10%, 使Gullfaks 油氣田的開(kāi)采壽命延長(zhǎng)了20 年[4]。

挪威北海水下壓縮機(jī)的成功應(yīng)用為中國(guó)南海油氣田開(kāi)采壽命后期增產(chǎn)提供了解決方案。2013年以來(lái),中國(guó)南海以荔灣3 1 為代表的深水油氣田被不斷發(fā)現(xiàn)和開(kāi)發(fā), 隨著開(kāi)發(fā)的不斷深入, 中國(guó)南海的油氣田群也將逐漸面臨油藏壓力下降、減產(chǎn)或停產(chǎn)等問(wèn)題。因此,有必要提前對(duì)水下濕氣增壓技術(shù)進(jìn)行研究。

1  水下濕氣壓縮機(jī)

目前, 世界范圍內(nèi)已經(jīng)取得現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的水下濕氣壓縮機(jī)主要有兩類: 水下對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)和水下離心式壓縮機(jī)。其中, 水下對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)是在成熟的螺旋軸流式多相泵的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的,水下離心式壓縮機(jī)是陸上離心式壓縮機(jī)通過(guò)一系列技術(shù)改進(jìn)而來(lái)。

1.1 水下對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)

水下對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)是在水下螺旋軸流式多相泵的基礎(chǔ)上研發(fā)而成的,水下螺旋軸流式多相泵源于20 世紀(jì)80 年代著名的“海神計(jì)劃”的研究成果。20 世紀(jì)90 年代, 在相關(guān)研究成果轉(zhuǎn)讓給Framo 后,水下螺旋軸流式多相泵進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用階段。近20 多年來(lái),在世界范圍內(nèi)超過(guò)20 個(gè)油氣田上成功應(yīng)用。

水下對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)的機(jī)械研制基于成熟的螺旋軸流式多相泵, 比如電機(jī)、軸承、機(jī)械密封、操作理念。對(duì)轉(zhuǎn)葉輪是軸流式葉片的一種變化形式, 機(jī)體呈對(duì)置方式、轉(zhuǎn)向相反的一對(duì)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)常規(guī)軸流壓縮機(jī)的動(dòng)葉和靜葉, 轉(zhuǎn)速可變頻調(diào)節(jié)。由于它的動(dòng)、靜葉是相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的, 通常在較低的轉(zhuǎn)速下就可得到很好的增壓效果。該裝置的一個(gè)顯著特點(diǎn)是流量很大, 因其工作原理類似于軸流式壓縮機(jī), 所以在含氣量90%以上時(shí)才具有較理想的性能, 葉片形式如圖1 所示。

(a) 螺旋軸流式葉片 (b) 對(duì)轉(zhuǎn)軸流式葉片

水下對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)具備以下特點(diǎn):

(1) 處理液相段塞能力。

(2) 直接處理原工藝流體能力。

(3) 處理液相工況的能力。

(4) 具備防喘振保護(hù)系統(tǒng)。

(5) 兩個(gè)壓縮機(jī)可以實(shí)現(xiàn)串聯(lián)或者并聯(lián)。

2015 年第四季度, 對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)XR4000成功應(yīng)用于Gullfaks 油氣田項(xiàng)目,回接距離為15km,壓縮機(jī)橇塊尺寸為43m ×18 m ×12 m, 重量為1070t,主要包括兩個(gè)壓縮功率為2×5.0 MW 的壓縮機(jī),設(shè)計(jì)流量為1000S m3/d,使Gullfaks 油氣田增產(chǎn)2200 萬(wàn)桶油當(dāng)量,采收率從63%提高到73%。

XR4000 壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)如下[6]:

(1) 2×2.5 MW 高壓電機(jī)。

(2) 實(shí)際流量: 6000m3/h(液相處理能力400Am3/h) 。

(3) 增壓: 32 bar(1bar=105 Pa) 。

(4) 尺寸: 3.3 m×4.3m×7.7 m。

(5) 設(shè)計(jì)壓力: 390 bar。

(6) 重量低于60t。

對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)與多相泵結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖2 所示。

圖2  對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)與多相泵結(jié)構(gòu)對(duì)比

1.2 水下離心式壓縮機(jī)

水下離心式增壓技術(shù)由陸上離心式壓縮機(jī)改進(jìn)而來(lái), 通過(guò)無(wú)油潤(rùn)滑、 高頻率感應(yīng)電機(jī)、動(dòng)態(tài)磁力軸承、變頻軟啟動(dòng)等技術(shù)確保壓縮機(jī)在水下長(zhǎng)期無(wú)故障運(yùn)行。相對(duì)于傳統(tǒng)的陸上離心式壓縮機(jī), 水下離心式壓縮機(jī)取消了變速箱、調(diào)速行星齒輪、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、軸密封、密封系統(tǒng)等傳統(tǒng)組件, 具備以下幾方面的優(yōu)勢(shì)[4] :

(1) 采用高電機(jī)功率和集成系統(tǒng), 大大減小了占地面積和減輕了重量。

(2) 采用無(wú)油理念, 簡(jiǎn)化了設(shè)備布置。

(3) 無(wú)排放。

(4) 采用無(wú)磨損的理念, 減少了維護(hù)需求。

(5) 適合遠(yuǎn)程控制, 減少了人員需求。

離心式壓縮機(jī)改進(jìn)前后對(duì)比如圖3 所示。

(a) 傳統(tǒng)離心式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu) (b) 離心式壓縮機(jī)改進(jìn)后結(jié)構(gòu)

2015 年, 水下離心式壓縮機(jī)成功應(yīng)用于 Asgard油氣田,回接距離為40km , 壓縮機(jī)橇塊尺寸為75 m×45 m×20 m, 重量為5000t, 主要包括一個(gè)分離器,一個(gè)泵,一個(gè)冷卻器, 兩個(gè)功率為2×11.5 MW的壓縮機(jī), 設(shè)計(jì)流量為2100 Sm3/d。水下離心式壓縮機(jī)為油氣田增產(chǎn)3.06 億桶油當(dāng)量, 采收率提高20% 左右。Asgard 水下壓縮機(jī)站組成如圖4所示。

 圖4   Asgard水下壓縮機(jī)站組成

壓縮機(jī)參數(shù)如下 :

(1) 功率: 11.5MW(3~18 MW) 。

(2) 設(shè)計(jì)壓力: 22 MPa(內(nèi)部) ,15 MPa(外部) 。

(3) 流量: 14 000 Am3/h(兩臺(tái)并聯(lián)可達(dá)28000 Am3/h)。

(4) 增壓比高: 3(兩臺(tái)并聯(lián)可達(dá)5.5) 。

(5) 入口低壓力可達(dá)10bar。

(6) 尺寸: 5.7 m×4.0m×2.7 m。

(7) 重量: 57t。

水下離心式壓縮機(jī)如圖5所示。

圖5 水下離心式壓縮機(jī)

1.3 兩種壓縮機(jī)特點(diǎn)對(duì)比

水下對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)由螺旋軸流式多相泵改進(jìn)而來(lái), 無(wú)須配置水下分離器, 壓縮機(jī)橇塊相對(duì)簡(jiǎn)單, 尺寸小, 重量輕, 易于安裝, 耗資較小, 增壓氣量相對(duì)較小, 增壓能力相對(duì)較弱, 適用于對(duì)增壓能力要求不高或者規(guī)模較小的油氣田。

水下離心式壓縮機(jī)由陸上壓縮機(jī)改進(jìn)而來(lái), 需要配置水下分離器, 壓縮機(jī)橇塊相對(duì)復(fù)雜, 尺寸大,重量大, 安裝難度更大, 耗資更多, 增壓氣量相對(duì)較大, 增壓能力相對(duì)更強(qiáng), 適用于對(duì)增壓能力要求更高或者規(guī)模更大的油氣田。對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)和離心式壓縮機(jī)特點(diǎn)如表1 所示。

表1 對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)和離心式壓縮機(jī)特點(diǎn)

2  水下濕氣增壓方案研究案例

2.1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

中國(guó)南海某油氣田后期油藏壓力逐年下降, 到一定年份后井流自身壓力無(wú)法實(shí)現(xiàn)天然氣等平臺(tái)外輸, 需要配置水下壓縮機(jī)來(lái)增壓。

主要物性參數(shù)如下:

(1) 天然氣密度: 0.2070~0.2429 g/cm3。

(2) 凝析油密度: 0.7808 g/cm3。

(3) 凝析油黏度: 0.50 mPa· s(在50℃時(shí)) 。

(4) 二氧化硫含量: 0。

(5) 二氧化碳含量: 6.9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 。

設(shè)計(jì)參數(shù): 具體氣、油、水量以及所需壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力如表2 所示。

表2 壓縮機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 選型計(jì)算

水下壓縮機(jī)的選型計(jì)算主要包括壓縮機(jī)所需排量、軸功率、電功率, 以及壓縮機(jī)入口氣液比等的計(jì)算。

(1) 壓縮機(jī)排量。

壓縮機(jī)的排量要滿足增壓工況的需求, 如果不滿足, 可以采取多臺(tái)并聯(lián)的形式。

對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)的排量為氣量和液量之和:

q =ql +qg;

離心式壓縮機(jī)配置有分離器, 排量約為氣相流量:q≈qg;

由于氣體體積與狀態(tài)壓力和溫度有關(guān), 需要將標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體流量換算成壓縮機(jī)入口狀態(tài)的氣體流量:

式中:q 為壓縮機(jī)入口排量,Am3/h;ql為壓縮機(jī)入口液相流量,m3/h;qg為壓縮機(jī)入口氣相流量,m3/h;qs為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下流量,Sm3/h;pi為壓縮機(jī)入口壓力,MPa;ps為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,0.1 MPa;Ti為壓縮機(jī)入口熱力學(xué)溫度,K;Ts為熱力學(xué)常溫,293 K。

(2) 增壓能力。

壓縮機(jī)進(jìn)口壓力、增壓能力要滿足工況增壓需求, 如果不能滿足, 可以采取多臺(tái)串聯(lián)的形式。

(3) 壓縮機(jī)軸功率。

估算公式如下:

式中: P為電功率,kW; PS為軸功率,kW; P為理論功率,kW;qS為壓縮機(jī)入口質(zhì)量流量,kg/h; Hp為壓縮機(jī)壓頭,J/kg;K 為電機(jī)的功率裕量系數(shù);ηg為機(jī)械效率,0.97%; ηc為傳動(dòng)效率,1; ηp為壓縮機(jī)多變效率; m為多變過(guò)程指數(shù); Z為氣體平均可壓縮系數(shù),0.9; R為氣體常數(shù),415.7;ε為名義壓力比; TS為進(jìn)氣溫度,K。

(4) 壓縮機(jī)站入口氣體體積分?jǐn)?shù)(GVF) 。

壓縮機(jī)站入口氣體體積分?jǐn)?shù)是指在入口壓力、溫度條件下, 氣相體積流量與總流量的百分比。

對(duì)于對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)來(lái)說(shuō), 壓縮機(jī)站入口的氣體體積分?jǐn)?shù)即壓縮機(jī)入口的氣體體積分?jǐn)?shù); 對(duì)于離心式壓縮機(jī)來(lái)說(shuō), 由于配置了水下分離器模塊, 壓縮機(jī)入口的氣體體積分?jǐn)?shù)是分離器分離后的氣體體積分?jǐn)?shù)。

(5) 選型計(jì)算結(jié)果。

根據(jù)目標(biāo)油氣田設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù), 計(jì)算壓縮機(jī)選型參數(shù), 逐年計(jì)算結(jié)果如表3 所示。

表3 水下壓縮機(jī)選型計(jì)算結(jié)果

3  選型分析

根據(jù)表3 的計(jì)算結(jié)果, 分別對(duì)比分析兩種壓縮機(jī)的適用性, 具體如表4 所示。與方案二相比, 方案一多用一臺(tái)壓縮機(jī), 在經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性上更差, 所以不選擇方案一。與方案二相比, 方案三經(jīng)濟(jì)性更差,而且壓縮機(jī)長(zhǎng)期低流量運(yùn)行, 容易引起喘振等問(wèn)題。

所以可以得出結(jié)論,針對(duì)目標(biāo)油氣田增壓需求, 配置方案為配置兩臺(tái)水下對(duì)轉(zhuǎn)軸流式 壓縮機(jī)WGC6000。

表4  水下壓縮機(jī)配置方案對(duì)比

3  結(jié) 語(yǔ)

(1) 產(chǎn)氣量、增壓需求、氣液比是影響水下壓縮機(jī)選型的關(guān)鍵因素。在壓縮機(jī)選型過(guò)程中, 應(yīng)首先計(jì)算以上參數(shù), 并根據(jù)兩種不同類型壓縮機(jī)的性能特點(diǎn)分析適用性。

(2) 水下對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)增壓氣量相對(duì)較小, 增壓能力相對(duì)較弱, 適用于對(duì)增壓能力要求不高或者規(guī)模較小的油氣田。

(3) 水下離心式壓縮機(jī)增壓氣量相對(duì)較大, 增壓能力相對(duì)更強(qiáng), 適用于對(duì)增壓能力要求更高或者規(guī)模更大的油氣田。

(4) 在兩種壓縮機(jī)性能都符合要求的情況下,應(yīng)考慮方案的經(jīng)濟(jì)性、安裝難易程度等。