水下增压工艺方案现状及展望

刘永飞

(中海油研究总院有限责任公司，北京 100028)

0 引 言

水下增压技术起源于对水下泵的研究，为了使无法继续开发的老油气田延长寿命以及对低压油藏进行开发，水下增压泵作为一种解决方案被提出。早在20世纪90年代，以Framo、Leistriz、Bornemann为代表的国外企业就开始了水下多相泵的研究。随着多相泵技术的不断发展与成熟以及水下油气田对水下增压的需求，国外不同企业分别以水下螺旋轴流式多相泵和离心式压缩机为基础研制成功了水下压缩机。2016年，OneSubsea公司研制成功的对转轴流式压缩机在Gullfaks[1]油气田成功应用，同年MAN公司研制成功的水下离心式压缩机在Asgard[2-3]油气田成功使用，这两种压缩机的投入使用标志着海上油气田水下增压成为可能。随着水下增压设备的多样化发展，以及水下远距离控制、供电等技术的发展，使水下增压适用性和水下增压工艺方案类型更加多样化。如何针对不同的增压需求选择合适的增压工艺方案成为值得关注和思考的问题。

1 水下增压工艺方案

水下增压技术的发展依赖于水下增压设备的发展，因此，水下增压工艺的设计与选择依赖于水下增压设备的选择。根据增压井流介质及气液比的不同，可以将水下增压设备分为水下单相泵、水下多相泵和水下压缩机三类。水下单相泵一般为离心泵，可以对含气量不高(gas volume fraction，GVF＜10%)的油气田井流进行增压，或者对水下分离器处理后的液相进行增压，具有处理量大、增压比高的特点。水下多相泵一般分为螺旋轴流式多相泵或双螺杆式多相泵[4-6]，可以对多相井流(GVF＜95%)进行增压，两种类型的多相泵各具特点。螺旋轴流式多相泵适用于高流量、中低增压、低黏度的工况，能够适应一定的含砂环境；双螺杆式多相泵更加适用于低流量、中高增压、不含砂工况，但是可以适应高黏度流体增压需要。水下压缩机目前投产使用的主要有两种： 对转轴流式压缩机和离心式压缩机。两种压缩机系统都可以对GVF≥95%的井流进行增压，区别在于对转轴流式压缩机不需要配置入口分离器，而离心式压缩机需要配置入口分离器。不同水下增压设备的特点如表1所示。

表1 不同水下增压设备的特点

针对不同的海上油气田井流特性和水下增压需求，可以结合不同类型水下增压设备，选择合适的水下增压工艺。典型的水下增压工艺主要有以下5种。

1.1 水下单相泵直接增压工艺

水下单相泵直接增压工艺是指直接用单相泵对井口采出液进行增压，这种增压工艺简单，如图1所示。由于单相泵对含气量较为敏感，该工艺仅适用于不含气或含气量很低的油气田水下增压，要求进口气相体积流量小于10%。1996年投产的我国LF22-1油气田是世界上第一个使用电驱海底增压泵系统进行开发的油气田，其泵体为三级离心泵，如图2所示。水下离心泵具有对井流含气量敏感、处理量大、增压比高等特点，对于含气量高的井流无法直接增压，可以配合水下分离器使用，即图3所示的水下单相泵分离增压工艺。

图1 水下单相泵直接增压工艺

图2 LF22-1水下离心式单相泵

1.2 水下单相泵分离增压工艺

水下单相泵分离增压工艺即水下单相泵配合水下分离器来进行增压的工艺。水下单相泵配合水下分离器使用，既可以解决单相泵无法对高含气量工况增压的问题，又可以充分利用离心泵处理量大、增压比高等优势，还可以降低输气管线管径。根据增压目的的不同，增压后的液相可以选择单独输送、和气相混合输送以及直接海底回注等。

图3 水下分离增压工艺

水下单相泵分离增压工艺对井流气液比适用性广，既可以对油田井流进行增压又可以对气田井流进行增压，但是需要校核单相泵前的气相体积含量不超过10%。这就要求水下单相泵和水下分离器的距离不能太远，否则水下分离器后液相管线随着压力降低将有大量气相析出，将无法满足水下单相泵进口气液比需求。因此，在实际工程应用中，往往将水下分离器和水下单相泵安装在同一个橇块上，这样不但不用担心分离后气相再析出的问题，而且还会给安装带来很大的便利性，例如Pazflor项目水下分离增压模块[7]，如图4所示。

图4 Pazflor项目水下分离增压模块

1.3 水下多相混输增压工艺

水下多相混输增压工艺即只用水下多相泵对水下多相井流进行增压的工艺，相对于水下分离增压工艺来说，这种工艺无须再配置水下分离器就可以直接对多相井流进行增压，这在一定程度上简化了工艺，减省了设备，如图5所示。水下多相混输增压工艺对井流的含气量要求为GVF＜95%，其他对井流的要求主要根据所采用的水下多相泵类型而定，因此可以根据增压需求选择不同类型的水下多相泵。螺旋轴流式多相泵的处理量可高达2 000 m3/h，能更好地适应含砂环境，但是要求进口井流黏度小于50 mPa·s；双螺杆式多相泵的处理量只能达到500 m3/h，但是可以对高黏度流体进行增压。

图5 水下多相混输增压工艺

为了保障水下多相泵在更大范围气液比工况下性能稳定，多相泵系统往往配置入口混合器或者液相循环系统等。但是鉴于多相泵叶片形式，无论是螺旋轴流式多相泵还是双螺杆式多相泵，都无法满足GVF≥95%工况的井流增压。因此，Onesubsea公司在螺旋轴流式多相泵的基础上研制成功的对转轴流式湿气压缩机满足了高气液比工作井流的增压需求，即水下湿气直接增压工艺。

1.4 水下湿气直接增压工艺

水下湿气直接增压工艺(见图6)是一种基于对转轴流式湿气压缩机的增压工艺，类似于水下多相混输增压工艺，区别在于增压设备是针对对转轴流式压缩机而不是螺旋轴流式多相泵。对转轴流式压缩机在螺旋轴流式多相泵的基础上研发而成，电机、轴承、机械密封、操作理念等机械部件传承于螺旋轴流式多相泵，对转轴流式叶片是轴流式叶片的一种变化形式，工作原理类似于轴流式压缩机。因为对转叶轮在含气量90%以上时才具有较为理想的性能，一般要求对转轴流式压缩机进口井流含气量GVF≥95%[4]。

图6 水下湿气直接增压工艺

单台对转轴流式压缩机目前可以达到6 000～8 000 Am3/h的处理量，增压能力达4～6 MPa，水下湿气直接增压工艺可配置两台对转轴流式压缩机，具体配置形式可根据逐年井流量和井口压力的变化选择两台压缩机并联或者串联。水下湿气直接增压工艺于2015年成功应用于Gullfaks油气田，橇块如图7所示，主要包括保护结构、压缩机站、冷却模块、水下控制单元、脐带缆终端等。

1.5 水下湿气分离增压工艺

水下湿气分离增压工艺(见图8)即利用水下离心式压缩机加水下分离器的方案对井流进行增压。相对于水下湿气直接增压工艺，这种工艺更加复杂，水下压缩机站体积和重量更大，但是水下离心式压缩机具有处理量大、增压比大的优点，单台流量可高达14 000 Am3/h，增压比最高可达3，实际应用中可以选择两台压缩机并联或者串联，因此这种增压工艺具备水下湿气直接增压工艺所不具备的优势。目前水下湿气分离增压工艺已经在Asgard油气田投入使用，可以每天处理2 100万标准立方米湿气，压缩机站组成如图9所示。

图8 水下湿气分离增压工艺

图9 水下离心式压缩机站组成

2 水下增压工艺对比

每种水下增压工艺都有优势、劣势和适用的工况。表2从处理能力、增压能力、井流含气量、增压井流特点、安装难易程度等多个方面综合分析了每一种水下增压工艺的特点，并根据其特点总结了每一种水下增压工艺所适用的工况。

表2 不同水下增压工艺对比

(续表)

3 水下增压工艺在我国的应用前景

得益于水下增压工艺在提高油气田采收率以及适用于边际小油田等方面的优势，在我国具有广阔的应用前景，具体体现在以下几方面：

(1) 水下增压方案在Gullfaks和Asgard油气田的应用可以使油气田增产10%～20%，这对于任何一个油气田都具备无与伦比的诱惑力，考虑到成本的时间效应，对于油气田来说，水下增压工艺往往在生产后期才作为增产方案投入使用。荔湾3-1是我国第一个深水大型油气田，于2014年投产，近几年将逐步步入油气田的中后期，早在几年前中海油已经进行了针对荔湾3-1油气田的水下湿气增压方案前瞻性研究，经过测算，水下湿气增压方案能大大提高荔湾3-1油气田的采收率，因此水下增压工艺方案在荔湾3-1油气田具有很好的应用前景。

(2) 正在建设中的陵水17-2油气田是我国又一个大型油气田，该油气田生产后期某些井存在产水量大幅增加的问题，届时水下增压工艺将可能作为解决方案之一。

(3) 水下增压工艺可以通过长输管道使水下井口在远离依托平台的地方进行开发，这将为渤海浅水海域无法建平台区域的井口开发提供解决方案。

4 结 语

随着水下增压设备的发展和远距离控制、供电等新技术的发展，水下增压工艺呈现以下发展趋势：

(1) 增压工艺方案多样化。水下增压设备由单相泵、多相泵发展到水下湿气压缩、水下离心式压缩机，种类不断增加，增压能力不断完善。目前水下泵与水下压缩机仍在不断改良与升级，以适应多变的水下井流增压要求，可以预见未来随着增压设备的改良升级，增压工艺方案将会更加多样化。

(2) 增压工艺方案简洁化、设备规模小型化。随着增压设备的技术发展，水下增压设备的功能在逐渐增强，未来诸如水下压缩机入口分离器等部件将会被简化，水下增压工艺方案将会更简洁化、设备规模小型化，这会极大减小水下增压工艺带来的设备投资和安装成本，从而促进水下增压技术的发展与应用。

(3) 促进深远海小型油气田的开发。鉴于浮式平台高昂的投资成本，深远海油气田往往需要达到一定的规模才能经济开发，而水下增压工艺可以克服远距离管道输送阻力，将深远海水下井口回接到浅水平台或者陆上终端，实现深远海小型油气田的开发。随着远距离控制和供电技术的发展与成熟，水下增压工艺将会促进深远海小型油气田的开发。

(4) 促进水下工厂的发展。所谓水下工厂[8-9]，就是将油气处理设备全部由传统的平台转移到海底，集水下分离技术、水下增压技术、水下存储技术、水下回注技术等为一体的综合水下处理站。作为水下工厂的核心功能组成部分，水下增压工艺的功能性和可靠性的增强将会促进水下工厂的实现与发展。