生產(chǎn)水緩沖罐覆蓋氣消耗問題研究與解決

彭彬 向晶晶

（中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司曹妃甸FPSO作業(yè)公司 天津 300451）

曹妃甸油田群投產(chǎn)于2004年7月，目前由一艘15萬t級FPSO和六座井口平臺組成，油田群采用滾動式開發(fā)。伴隨著平臺的投產(chǎn)，油田群總產(chǎn)液量和總產(chǎn)水量逐年攀升，而國家下達(dá)的生產(chǎn)水外排控制指標(biāo)卻逐年下降，這就不得不考慮將油田生產(chǎn)水注水量逐年提高，故作為油田群注水系統(tǒng)的主力-FPSO生產(chǎn)水注水系統(tǒng)就成了整個油田注水板塊中的重中之重。

在FPSO注水工藝流程中，有一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是注水緩沖罐，由于FPSO并未安裝天然氣凈化和增壓系統(tǒng)，而是選擇覆蓋氣為高純度氮?dú)猓S著生產(chǎn)水注水量的逐年攀升，覆蓋氣消耗量也逐之攀升，迫使油田在原有一臺處理量150Nm3/h、氮?dú)饧兌葹?9.9%的制氮機(jī)的基礎(chǔ)上，先后租用了液氮裝置和購買安裝了另一臺相同參數(shù)的制氮機(jī)，由于大量溶解氣的存在，造成注水緩沖罐液位調(diào)節(jié)反頻繁氣蝕穿孔損壞，也存在縮短下游注水泵壽命的風(fēng)險。

1 FPSO上注水緩沖罐基本介紹和面臨問題

FPSO上注水緩沖罐是水處理和注水系統(tǒng)工藝中的一個重要樞紐，既承接上游處理合格的生產(chǎn)水，進(jìn)行穩(wěn)定緩沖，又通過頂部用作覆蓋的氮?dú)鈦硖岣呔彌_罐的操作壓力（10bar），從而為下游注水泵提供穩(wěn)定的流量和入口壓力。

1.1 FPSO注水緩沖罐技術(shù)參數(shù)

設(shè)備名稱：注水(生產(chǎn)水)緩沖罐

制造單位：渤海石油結(jié)構(gòu)廠

設(shè)計壓力：17.3Bar 操作壓力：10Bar

設(shè)計溫度：100℃ 操作溫度：70℃

處理介質(zhì)：生產(chǎn)水 罐體直徑：3m，長15m

罐體容積：113m3處理能力：2120 m3/h

1.2 油田操作面臨的問題

隨著注水緩沖罐的處理量從最初的300 m3/h達(dá)到2120 m3/h，對氮?dú)獾南牧恳矎?0m3/h達(dá)到230m3/h，F(xiàn)PSO上的兩臺制氮機(jī)已經(jīng)逐漸不能滿足注水緩沖罐需求，主要表現(xiàn)為：

1.2.1 制氮機(jī)的超限疲勞運(yùn)行

由于氮?dú)庀牧啃枨蟮呐噬?，使得兩臺制氮機(jī)只能長時間大負(fù)荷同時在線，沒有備用機(jī)，無法做一些常規(guī)性維保，經(jīng)常出現(xiàn)延時保養(yǎng)的現(xiàn)象，從而設(shè)備故障率大大提高。

1.2.2 氮?dú)庋鹾可仙?，注水水質(zhì)含氧難以保證

為了滿足注水緩沖罐的覆蓋氮?dú)庑枨?，兩臺制氮機(jī)不得不通過降低一定的氮?dú)饧兌葋頁Q取足夠的產(chǎn)氣量，使得氮?dú)饧兌纫欢扔?9.9%降低到98.9%。這使得注水緩沖罐中的注水氧氣含量由20ppb上升到60ppb，大大增加了注水管線的腐蝕率，縮短了注水管線的使用壽命。

1.2.3 增加化學(xué)藥劑使用成本

為了降低注水中的氧氣含量，保護(hù)注水管線，迫使在注水流程中注入了大量的脫氧劑，濃度達(dá)15ppm，合計每天消耗大約0.76m3，大大增加了操作成本。

1.2.4 注水緩沖罐液位調(diào)節(jié)閥門氣蝕問題

由于大量溶解氣的存在，使得注水緩沖罐調(diào)節(jié)閥閥芯氣蝕穿孔，影響正常使用，增加更換維修的操作成本。

2 氮?dú)庀牧窟^大的原因排查及分析

2.1 注水緩沖罐對氮?dú)庀牧窟^大的現(xiàn)象確認(rèn)

為了確認(rèn)FPSO上其他系統(tǒng)對氮?dú)庀牧繘]有很大影響，操作人員進(jìn)行了一系列試驗，包括停止向其他氮?dú)庀挠脩簦ㄈ缭头钟蜋C(jī)、熱介質(zhì)膨脹罐、污油處理設(shè)備等）供氣，關(guān)閉注水緩沖罐覆蓋氣管線出口閥門，注意到氮?dú)庀牧繘]有明顯減少，最終確認(rèn)制氮機(jī)生產(chǎn)出的氮?dú)饨^大部門被消耗在注水緩沖罐內(nèi)。

2.2 氮?dú)庀牧窟^大的原因排查及分析

仔細(xì)研究整個流程，排除氮?dú)馔饴┑那闆r外，覆蓋氮?dú)庀牧窟^大的可能只剩下一種，那就是覆蓋氮?dú)獗蛔⑺畮肓讼铝髁鞒?，而且?guī)ё叩姆绞街豢赡苡袃煞N—氮?dú)獗蝗芙鈳ё呋蛘叩獨(dú)饣旌线M(jìn)水中被帶走，那到底是哪一種呢?

首先了解一下氮?dú)獾娜芙舛?，根?jù)研究表明，在標(biāo)準(zhǔn)情況下氮?dú)獾臍怏w密度是1.25g/L，難溶于水，在常溫常壓下，1體積水中大約只溶解0.02體積的氮?dú)猓ㄈ鐖D2-1所示）。那么在注水緩沖罐的操作壓力為10Bar，操作溫度為78℃，流量為2120 m3/h的情況下，理論計算出溶解于生產(chǎn)水的氮?dú)饬績H為42.4m3/h，而FPSO上現(xiàn)存的兩臺制氮機(jī)的制氮能力絕對大大超出了這個數(shù)值，所以用這種方式來解釋氮?dú)饬肯倪^大是行不通的。

接下來就剩下另一種可能性—?dú)獗凰旌蠋ё?；從流程設(shè)計上看，生產(chǎn)水和覆蓋氮?dú)舛际菑淖⑺彌_罐的頂部進(jìn)入罐內(nèi)的。分析以后發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)水由注水緩沖罐的頂部通過18寸的管口直接噴射到罐內(nèi)，撞擊水面會造成液面散射震蕩，并與覆蓋氮?dú)獬浞纸佑|，如圖2-2所示。這些散射的水會將氮?dú)庋杆賻胨?，并在氮?dú)馍细∏?，將其從緩沖罐出口帶走，這是造成氮?dú)庀牧窟^大的主要原因。

圖2 -1 氮?dú)馊芙舛?/p>

圖2 -2 注水緩沖罐（改造前）

3 改造方案論證和實施

根據(jù)以上的分析，可以看出造成氮?dú)庀牧看蟮母驹蚴堑獨(dú)馀c生產(chǎn)水充分接觸及罐內(nèi)氣液界面不穩(wěn)定所造成的。維持罐內(nèi)氣液界面的穩(wěn)定、避免水與氮?dú)夥磸?fù)頻繁的接觸，理論上應(yīng)該可以大大降低氮?dú)庠谒械娜芙饧氨凰畮ё叩南牧俊＝酉聛砭褪强紤]如何對流程進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑炝?，?jīng)過現(xiàn)場實際調(diào)研和討論分析，如果把生產(chǎn)水入口的管口延伸至注水緩沖罐的正常操作液面以下，就可實現(xiàn)上述目的，從而大大降低氮?dú)獾南牧?。流程基本改造如圖3-1，3-2所示

圖3 -1 注水緩沖罐（改造圖紙）

圖3 -2 注水緩沖罐(改造后)

拆除18寸的進(jìn)口管線并重新預(yù)制新的16寸的延伸管到緩沖罐正常操作液面以下的位置，同時設(shè)計改造需要考慮的幾個因素，第一，由于管徑的變化，從18寸管線降低為16寸管線，會造成管流體速度的增加，也會增加一定的背壓，造成上游注水增壓泵的出口壓力舉升。第二，由于延伸管進(jìn)入到罐體的中部，需要考慮流體對罐底部沖刷影響。

根據(jù)目前的生產(chǎn)狀況及各個生產(chǎn)水流程的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，計算改造如下：

進(jìn)水管管線工作流量：32萬桶/d（0.589m3/s）；

進(jìn)水管管線中介質(zhì) ：78℃生產(chǎn)水，其動力粘度μ為0.351×10-3N·s/m2，其運(yùn)動粘度 ν 為 0.351×10-6m2/s；進(jìn)水管管線介質(zhì)壓強(qiáng)：1Bar；緩沖罐內(nèi)壓強(qiáng)：10Bar；

緩沖罐改造前后進(jìn)水管線情況如表3-1所示

表3 -1 注水緩沖罐改造前后進(jìn)水管線數(shù)據(jù)

圖3 -3 注水緩沖罐截面

新預(yù)制的管線插入液面以下時，與原管線出口處（液面以上）的壓力比較，如圖3-3所示截面為罐頂上任意截面，2-2截面為原進(jìn)水管出口截面（高于液面），3-3截面為新的進(jìn)水管出口，設(shè)1-1截面為基準(zhǔn)面，設(shè)截面管內(nèi)壓強(qiáng)為P1，流速為 V1，2-2截面的壓力為P2，流速為 V2，相對基準(zhǔn)面高度為-h1，3-3截面管內(nèi)壓強(qiáng)為 P3，流速為 V3，相對基準(zhǔn)面高度為-(h1+h2)。

分析：

1）原管出口在2-2截面處時（液體液面以上），出口處壓力有管內(nèi)流體壓力P2，和罐內(nèi)壓力1MPa，根據(jù)實際流體伯努力方程，有

由于在這一段內(nèi)管的截面積未變，根據(jù)流體流動的連續(xù)性原理，有V1=V2

所以，有

2）新管線深入液面以下時（即截面3-3處），出口處的壓力有管內(nèi)流體壓力P3，罐內(nèi)壓力1MPa和管內(nèi)液體壓力h2，根據(jù)實際流體伯努力方程，有

因為由于在這一段內(nèi)管的截面積未變，根據(jù)流體流動的連續(xù)性原理，有V1=V3，

所以有 p3=p1+ρgh1-ρg×1

那么：通過 1）、2）項分析，P2=P3，即舊管的出口壓力與新管的出口壓力相等，所以，管子的出口位置對泵的出口壓力不產(chǎn)生影響。

3）新管與舊管截面積減小造成的局部壓力損失Δpj

式中ζ——局部阻力系數(shù)，本管線由18寸變?yōu)?6寸采用異徑管變徑，可視為普通縮小型

ρ——介質(zhì)密度，ρ=1000kg/m3；

故

局部壓力損失為1454.5Pa。

4）由新管截面積比原管截面積減小和長度增加而產(chǎn)生的沿程壓力損失差Δpy1

原管線在這一段（灌頂?shù)焦迌?nèi)）的沿程損失為Δpy1，則式中v1——流速m3/s；

d1——原管內(nèi)徑0.429m；

λ1——沿程阻力系數(shù)，液體在金屬管道中宜取，而78℃水的運(yùn)動粘度為0.351×10-6m2/s

l1——原管長度0.5m（假設(shè)）；

ρ——介質(zhì)密度，水的密度為1000kg/m3

5）新管線在這一段（灌頂?shù)焦迌?nèi)）的沿程損失為Δpy2，則

式中v2——流速m3/s；

d2——新管內(nèi)徑0.380 m；

λ2——沿程阻力系數(shù)，由

知

l2——新管長度1.0m；

ρ——介質(zhì)密度，水的密度為1000kg/m3

即由于新管段截面積比原管段截面積減小和長度增加而產(chǎn)生的沿程阻力損失增大數(shù)值為0.327Pa。

6）采用新管比舊管增加的壓力損失為

Δp=Δpj+Δpy=1454.5Pa+0.327Pa=1454.827Pa

7）關(guān)于生產(chǎn)水出管后對罐壁沖擊的計算

生產(chǎn)水的流速為v=5.19m/s，生產(chǎn)水密度為ρ=1000kg/m3，生產(chǎn)水出離管口后，其速度水頭全部轉(zhuǎn)換為壓力水頭，由能量方程

可見，由速度水頭產(chǎn)生的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于罐內(nèi)介質(zhì)壓力1MPa，所以，在生產(chǎn)水出離管口后，其速度水頭所產(chǎn)生的壓力（也即沖擊力）將瞬間被環(huán)境壓力所抵消，不會對罐壁產(chǎn)生沖擊。

那么：由于管線更換造成了介質(zhì)在管線中的壓力損失為0.001454827MPa，由此將導(dǎo)致泵的出口壓力升高，從而造成泵的流量損失，但此壓力損失很小，對于上游注水增壓泵的影響應(yīng)該不會太大，從改造后到目前泵的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)和整個系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)來看，此壓力的增加不會對上游注水增壓泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生太大的影響。

在后來的計劃關(guān)斷時間里，根據(jù)以上的分析和計算結(jié)果，并設(shè)計進(jìn)行了現(xiàn)場的管線安裝。如圖3-4注水緩沖罐頂部進(jìn)口管線和圖3-5注水緩沖罐頂部進(jìn)口管線延伸至罐內(nèi)管線（改造后）所示：

圖3 -4 注水緩沖罐頂部

圖3 -5 注水緩沖罐進(jìn)口管線內(nèi)部改造延伸管線

4 效益和影響分析

通過改造，成功的解決的注水緩沖罐氮?dú)猱惓Ｏ牡膯栴}。

1）注水緩沖罐覆蓋氮?dú)獾南穆蚀蟠蠼档?，由原來?00 m3/h降低到80 m3/h，由原來的兩臺氮?dú)膺\(yùn)行，到目前僅僅使用1臺氮?dú)鈾C(jī)變能保障整個FPSO所有用戶的氮?dú)庀摹?/p>

2）提高了氮?dú)獾募兌群妥⑺焚|(zhì)，使得含氧量由60ppb降低到20ppb。

3）節(jié)省了脫氧劑的消耗量，節(jié)省了化學(xué)藥劑的成本，由原來每天消耗0.76 m3減少到0.25 m3。

4）減小了制氮機(jī)的運(yùn)行時間，降低了故障率，有了一臺制氮機(jī)作為備用，保證了注水系統(tǒng)的上線率。

5）有效的保護(hù)了注水緩沖罐液位調(diào)節(jié)閥，至2014年液位調(diào)節(jié)未出現(xiàn)氣蝕穿孔現(xiàn)象，節(jié)約了更換調(diào)節(jié)閥的費(fèi)用。

6）消除注水泵（12級離心泵）因氣蝕問題而縮短壽命的風(fēng)險。

7）對于上游注水增壓泵的壓力舉升的影響微乎其微。

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