水下多相增压技术的最新进展

刘永飞， 李清平， 秦 蕊

(中海油研究总院，北京 100028)

水下多相增压技术的最新进展

刘永飞， 李清平， 秦 蕊

(中海油研究总院，北京 100028)

通过研究螺旋轴流式增压技术、双螺杆式增压技术、对转轴流式增压技术等水下多相增压技术的技术原理和技术参数，分析了几种水下多相增压技术的特点、发展及应用现状。在此基础上总结分析了水下多相增压技术目前阶段存在的难点和挑战，包括对气液波动较大工况的适应性、长距离供电技术的制约、水下安装技术的挑战、新技术的可靠性、水深对集成设备的挑战等，为今后在深水油气田开发中应用水下多相增压技术提供借鉴和技术支持。

水下多相增压；水下多相泵；水下压缩机；水下设备

0 引 言

近年来，随着石油开采从陆上发展到海上，海上油气田开发中的一些问题不断显现，如低压油藏无法自喷开发、油气田开发中后期油藏压力不足、气田含水过高、气田采收率低等问题，一定程度上影响了海上油气田的安全和经济有效的开发，因此，需要研究一种提高海上油气田特别是深水油气田安全性、进行经济有效开发的方法，于是水下多相增压技术应运而生。水下多相增压技术涵盖水下增压技术和多相增压技术两项前沿技术。其中水下增压技术就是将增压设备放置在靠近井口的位置，从而弥补油藏压力不足的问题，同时还能降低关井压力，提高采收率；多相增压技术就是不通过分离设备对油气水等进行增压，这就需要解决单相泵增压气蚀问题和压缩机增压喘振等问题。水下多相增压技术就是将水下增压和多相增压两项前沿技术结合使用，来达到提高采收率、提高经济效益的目的。本文总结分析水下多相增压技术目前阶段存在的难点和挑战，为今后在深水油气田开发中应用水下多相增压技术提供借鉴和技术支持。

1 水下多相增压技术的发展

从20世纪60年代起，随着技术的不断发展以及工程需求的不断增加，水下多相增压技术经历了三个阶段[1]： 第一阶段(20世纪60年代至70年代早期)，重点研究泵内混入空气以后，由于液体浓度降低而导致的冲击可能性以及泵内气蚀、空化现象，研究泵型主要为单相叶片泵；第二阶段(20世纪70年代中期至80年代)，重点研究冷凝液输送泵中出现的蒸汽，使液体泵变成输送水和水蒸气的两相泵，研究重点是有相变发生的气液两相流泵；第三阶段(20世纪80年代至今)，远距离输送未经处理的油气水多相井流的多相混输技术，研制一种能为未经处理的油-气-水多相井流提供动力的多相增压技术。

2 水下多相增压技术介绍

水下多相增压技术是指在水下对气液比为0～100%的气、油、水进行增压。水下多相增压技术经过几十年的发展，目前在现场应用且技术比较成熟的主要有螺旋轴流式多相增压技术、双螺杆式多相增压技术、对转叶轮多相增压技术、半轴流式叶片技术、离心式增压技术等。

2.1 螺旋轴流式多相增压技术

螺旋轴流式多相泵的基本工作原理是利用叶片剖面呈机翼状的螺旋叶片对油气混合流产生升力而进行增压的，旋转的螺旋形叶片激起的旋转流动经过静止的固定导叶的梳理整流，强迫输送油气混合介质沿轴向流动。

螺旋轴流式增压技术源于20世纪80年代著名的“海神计划”的研究成果[2—4]，它由法国石油研究院获得专利，其结构如图1所示。第一代海神泵是在电潜泵的基础上发展起来的，第二代海神泵采用了优化设计的“NACA”螺旋形叶片，较为有效地防止或延缓了叶道内气液两相间相态分离的发生。在此基础上，1987年首次研制出工业用原理机，命名为P300；1992年，海神式多相泵已发展到P300、P301、P302三种型号。经过陆上和海上现场实验考核后，海神泵的研制者将其水力设计技术转让给挪威的Framo和法国的Sulzer泵业有限公司，从此螺旋轴流式多相泵进入工业化应用阶段。

图1 螺旋轴流式多相泵叶片Fig.1 Helico-axial multiphase pump impeller

螺旋轴流式增压泵主要技术特点有： 泵的转速决定压力提高，流量根据系统阻力特性自适应；更适合高流量条件(100～2000m3/h)；更适合高入口压力条件，中低等增压(0～5MPa)的工况；适用于低黏度(<50mPa·s)；更好地适应含沙环境，泵体采用开式或半开式结构，对沙或其他固体颗粒不敏感，在处理含有固体颗粒的流体时表现出其显著的优越性；抗干转能力(进口含气率100%情况下可无故障安全运行两天)；含气率很高时，增压能力相对较弱。

Framo多相泵主要用于水下市场，已在20多个项目中应用，实物如图2所示。Framo多相泵的设计参数为： 最大流量2000m3/h，压差3～20MPa，气体体积含量(GVF)最高达95%，压力等级34.5～97.1MPa，设计水深3000m，轴功率300～3000kW，高5m，占地面积小于4m2，重量7～20t。

图2 Framo水下多相泵实物图Fig.2 Framo multiphase pump

Sulzer螺旋轴流式多相泵主要为陆上应用。1994—2013年Sulzer共有多相泵业绩17项，GVF为20%～95%，其中13项在陆上，2项在平台上，2项在水下，已经完成测试与认证，未真正投入使用。Sulzer的两项水下业绩分别为1998年的Nautilus项目和2011年的Mark 1项目。1998年的Nautilus项目中的多相泵已经通过检验，由于油田原因，并未投入使用；2011年的Mark 1项目中的多相泵是基于Nautilus项目多相泵产品而研发，而且也已经通过了检验(见图3)。

Sulzer多相泵的设计参数为： GVF为0～100%，增压幅度大于10MPa，轴功率3.2MW(6000r/min)，设计水深2000m，设计压力34.5MPa，设计温度80℃，设计环境水温4℃。

图3 Sulzer多相泵及测试Fig.3 Sulzer multiphase pump testing

2.2 双螺杆式多相增压技术

双螺杆式多相泵一般有两种： 一种是高压型双螺杆泵，这种泵是在开采与输送高黏原油的普通双螺杆液体泵的基础上，吸收了喷油双螺杆气体压缩机(实质为含气率97%～99%油气混输泵)的螺杆型线设计和转子加工等关键技术后发展起来的，是目前现场应用较多的双螺杆式多相泵；另一种为低压型双螺杆泵，是在螺杆压缩机的基础上，考虑多相流体的特殊性发展起来的，一般增压值较低[5]。

双螺杆式多相泵的转子副由两根互不接触的螺杆组成，通过硬化处理过的直齿圆柱同步齿轮传递扭矩，如图4所示。该泵在设计上利用气体的压缩性成功地降低回流损失，提高了泵的容积效率，并将轴向推力、噪声、压力脉动以及泵的振动等不利因素降低到最小，因此具有较好的效率和运行特性，典型双螺杆式多相泵的性能曲线如图5所示。

双螺杆泵主要技术特点有： 泵的转速决定流量，压力根据系统阻力特性自适应；更适合低流量条件(10～500m3/h)；更适合低入口压力条件、中高等增压(0～10MPa)的场合；可以适用于高黏度工况；不适应含沙环境，会磨损螺杆，降低性能；需要配置相关流体系统，进行自循环来防止干转；在输送介质的含气率很高时，仍可以达到较高的容积效率和较好的增压；输送过程中双螺杆中至少保留3%的液体。

图4 双螺杆式多相泵示意图Fig.4 Twin screw multiphase pump impeller

图5 双螺杆式多相泵性能曲线Fig.5 Twin screw multiphase pump performance curve

2008年Leistriz双螺杆式多相泵(见图6)应用于巴西海域，该多相泵的设计参数为流量500m3/h， GVF高达95%，增压6.6MPa，功率1200kW，转速1800r/min。

图6 Leistriz多相泵Fig.6 Leistriz multiphase pump

Bornemann从1997年参加德国R&D项目开始进行了水下多相泵的研究工作，接下来的挪威DEMO2000项目揭开了水下双螺杆泵第一次在北海和墨西哥湾的安装应用。SMPC系列为水下多相泵系列(见图7)，目前发展到第四代，其中第二代和第三代在墨西哥湾和北海共有4项业绩，增压高达5MPa，功率高达1100kW，流量10～1300m3/h不等。

图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 对转叶轮技术

对转叶轮是轴流式叶片的一种变化形式，机体呈对置方式，转向相反的一对电机分别驱动常规轴流压缩机的动叶和静叶，转速可变频调节。由于它的动、静叶是相对转动的，通常在较低的转速下就可得到很好的增压效果。该装置的一个显著特点是流量很大，但因其工作原理类似于轴流式压缩机，所以在含气量高达90%以上才具有较为理想的性能，叶片形式如图8所示。

图8 对转叶轮技术Fig.8 Contra-rotating (CR) technology

OneSubsea水下湿气压缩机WGC4000(见图9)是2010年研制成功的一款对转湿式压缩机[6—7]，该湿气压缩机处理量达6000Am3/h(工况下的流量)，功率5000kW。其中机械研制基于Framo成熟的螺旋轴流式多相泵，如电机、轴承、机械密封和操作理念。该压缩机可以处理GVF大于95%的工况，在启动时处理全液体的工况。2015年第四季度，WGC4000成功应用于Gullfaks项目。水深约135m，电机功率为5000kW(2×2500kW)，回接距离约15km。Gullfaks水下增压项目使产量增加2200万桶油当量，采收率从63%提高到73%。

图9 OneSubsea水下压缩机Fig.9 OneSubsea subsea compressor WGC

2.4 半轴流式增压技术

半轴流式增压技术采用半轴流叶片，这种叶片类似于螺旋轴流式叶片，叶片的一部分起增压作用，一部分起整流作用，该种叶片能够实现0～100%气液比的多相增压，最佳气液比为70%，增压能力达20MPa。叶片结构如图10所示。2015年Aker Solution公司已经完成该种叶片式水下多相泵的测试。

图10 半轴流叶片Fig.10 Semi-axial impeller

2.5 离心式增压技术

水下离心式增压技术由陆上离心式压缩技术改进而来，通过无油润滑、高频率感应电机、动态磁力轴承、变频软启动等先进技术保证压缩机在水下长期无故障运行。目前阶段应用于Asgard[7—8]的MAN Turbo HOFIMTM离心式压缩机(见图11)进气液量最多允许0.46%(体积分数)，因此该水下离心式压缩机目前阶段还需配合分离器一起使用。脱离分离器真正实现水下湿气增压的水下离心式压缩机目前正在研发中。

应用于Asgard 项目的压缩机橇块尺寸为75m×45m×20m，重量5000t，主要包括两个压缩机2×11.5MW，一个分离器，一个泵，一个冷却器，应用水深250～325m。2015年，Asgard水下增压项目增产3.06亿桶油当量，采收率提高20%左右。

图11 MAN Turbo HOFIMTM水下压缩机Fig.11 MAN Turbo HOFIMTM compressor

3 水下多相增压技术的难点和努力方向

水下多相增压技术是集水下增压技术、多相混输技术、设备集成技术、水下输配电技术、水下控制技术、水下分离技术、水下安装技术等多方面技术于一体的综合性技术，因此存在许多制约水下多相增压技术的瓶颈。水下多相增压技术的难点主要有以下几点。

(1) 对气液比波动较大工况的适应性。水下气田井流气液比往往在全生命周期内变化较大，而目前几种水下多相增压设备都对气液比有一定的要求，螺旋轴流式增压泵、双螺杆式增压泵的泵送井流气液比范围为0～95%，无法适用于气液比高于95%的气田；对转轴流式压缩机泵送井流气液比范围为95%～100%，但是抗干转时间只有两天；离心式压缩机对进口液量的限制更为苛刻。因此，研究一种可以适用于气液比变化大、具有长期抗干转能力的水下多相增压设备是水下多相增压技术的难点之一。

(2) 长距离供电技术的制约。水下多相增压设备通常采用电驱，为了适应深水油气多变的工况，需要配置变频器进行调速，目前已投入现场应用的水下多相增压设备配置的变频器均放置于依托设施上部组块，随着海洋油气开发区域水深的不断增加，水下多相增压设备回接距离不断增长(例如荔湾3-1为79km回接)，变频器供电距离有限(现场应用最远距离为Asgard水下压缩机系统供电距离40km)，变频器放置于依托设施上部组块将无法满足回接距离的要求。目前在Ormen Lange[9]提出了一种水下变频模式，采用水下变频器、水下断路器、水下不间断电源(UPS)等水下输配电设备，虽然已经经过试验测试，但是并无现场经验，技术成熟度有待实际项目长期可靠运行来验证。

(3) 水下安装技术。水深和水下生产设施重量的增加对于水下安装技术提出了更大的挑战，包括安装船舶、下放和回收系统、运动补偿系统、连接和配重、定位和通信等相关的技术问题都需要解决。Asgard项目水下压缩机模块重量达4800t，尺寸达75m×45m×20m，对水下安装提出了非常大的挑战，世界范围内能够完成水下安装的船舶资源非常有限，大大增加了安装成本。因此，为了避免水下安装技术成为水下增压技术的瓶颈，也为了降低水下增压技术的成本，水下增压模块需要进一步进行小型化研究。

(4) 新技术的可靠性。为了长期免维护可靠运行，水下离心式压缩机运用了高频率感应电机、动态磁力轴承、变频软启动、无油密封、工艺气冷却等一系列新技术。目前阶段水下运行时间短，可靠性有待项目长时间可靠运行来检验。

(5) 水深对集成设备的挑战。目前已经现场应用水下压缩机的两个项目Asgard和Gullfaks都处于100～350m水深的范围，随着现场应用水深的增加，部分组成单元(包括相关的水下分离设备、水下输配电设备等)可能需要重新设计并进行相关试验测试和认证，以满足水深需求，保证系统可靠性。系统故障将导致减产和维修维护费用的大幅增加。

4 结 语

水下多相增压技术各有优缺点和适用工况，应根据深水油气田实际需求来选择相关类型。螺旋轴流式多相增压技术和双螺杆式多相增压技术主要适用于气液比范围为0～95%的油气田，其中螺旋轴流式多相增压技术更加成熟，现场应用经验更丰富。对转轴流式湿气压缩技术主要适用于气液比超过95%的气田，但是抗干转能力还需进一步研究提高。离心式压缩机已经应用于水下，但是探索脱离分离器，适用高含液工况，研究防喘振等技术仍然是需要继续攻关的难点。此外，水下多相增压技术还面临着长距离供电技术、控制技术、水下安装技术等配套技术及自身技术发展的制约，仍然需要科研人员继续在深水油气田的开发中不断去解决这些问题。

随着荔湾3-1气田的开发以及陵水17-2大型气田的发现，我国海洋石油开发逐渐从浅水走向深水，水下多相增压技术对低压油藏、高含水油藏的开发以及提高油气田采收率和增长油气田生产年限等方面都具有非常重要的战略性意义。

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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

刘永飞(1988—)，男，硕士，主要从事深水油气田开发和水下设备等方面的研究。