“瑪麗卡”FPSO生產(chǎn)工藝流程介紹

曾 偉 ，趙晟辰，孫豐雷

(1.廣州船舶及海洋工程設(shè)計研究院,廣州510250；2.必維船級社（中國）有限公司,上海200011）

1 概述

“瑪麗卡”FPSO是由一艘308 300 DWT VLCC改裝而成,改裝完成后將用于巴西桑托斯盆地Lula Alto鹽下油氣田的開發(fā)。該FPSO主要用作：原油的生產(chǎn)、儲存及外輸；生產(chǎn)污水處理；天然氣的生產(chǎn)、回注及外輸；CO2的回注及海水的注入等。其具有較強(qiáng)的油氣水處理能力：儲油能力達(dá)160萬桶；原油處理能力為15萬桶/天；天然氣產(chǎn)能為600萬m3/d；生產(chǎn)污水處理能力為2.1萬m3/d，注水能力為3.5萬m3/d。

根據(jù)系統(tǒng)和功能的不同，油氣水生產(chǎn)處理系統(tǒng)被劃分成多個模塊布置的主甲板上。該FPSO采用多點(diǎn)系泊系統(tǒng)，生活樓布置在尾部，火炬塔布置在首部，共有23個上部模塊布置在兩者之間，其中左舷13個、右舷10個。左舷主要布置油氣水處理模塊、火炬及閉排系統(tǒng)模塊、管匯處理模塊等；右舷主要布置動力模塊、化學(xué)注入模塊、天然氣壓縮模塊、CO2分離及壓縮模塊、原油外輸計量模塊等。

2 原油處理工藝流程

原油處理工藝流程是根據(jù)油田井流的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分析研究相關(guān)原油處理工藝并對其進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較，從而確定適宜的工藝流程。原油處理工藝流程，主要由原油匯集、處理、計量外輸三大系統(tǒng)組成。

2.1 原油匯集

為節(jié)約投資，一般在可以聯(lián)合開發(fā)的海域只設(shè)計少量的FPSO，將周邊油田、采油平臺來液匯集后集中處理。“瑪麗卡”FPSO用于開采的Lula Alto油田，屬于深海區(qū)塊鹽下層油氣田，來自16口油井的井流經(jīng)由FPSO左舷舷側(cè)的立管平臺，進(jìn)入靠近左舷的4個管匯模塊匯集，然后進(jìn)入油處理模塊進(jìn)行處理。在這4個管匯模塊上，布置了16個清管器發(fā)射裝置和3個清管器接收裝置，用于進(jìn)行油田井口與FPSO上管匯模塊之間的海底管道清管作業(yè)，從而減少海底管道內(nèi)壁的腐蝕，提高管道的輸送效率和管道壽命。

2.2 原油處理

來自管匯模塊的井流混合物是典型的多組分系統(tǒng)，必須經(jīng)過油、氣、水等分離、處理和穩(wěn)定，才能滿足儲存、輸送或外銷的要求。為此，設(shè)置了一系列生產(chǎn)設(shè)備，其中分離器是最主要的設(shè)備，其他還包括換熱器、泵、脫水器、穩(wěn)定裝置等設(shè)備。

該FPSO原油處理采用三級分離：一級分離設(shè)備包括高壓三相分離器、原油換熱器、原油加熱器，來自管匯模塊的井液，壓力約20 bar、溫度20～40 ℃，進(jìn)入高壓三相分離器進(jìn)行油、氣、水三相分離，分離出來的氣體進(jìn)入燃料氣處理系統(tǒng)，水進(jìn)入生產(chǎn)水處理系統(tǒng)，分離出來的原油溫度為40 ℃，通過原油/合格原油換熱器和原油加熱器加熱到92 ℃后進(jìn)入二級分離；二級分離設(shè)備主要由IP閃蒸罐和預(yù)處理器組成，原油在IP閃蒸罐中脫除氣態(tài)輕烴，從而降低原油蒸汽壓，使原油在常溫常壓下儲存時減少蒸發(fā)損失，脫除的氣體進(jìn)入燃料氣處理系統(tǒng)。含水原油通過預(yù)處理器進(jìn)行油水分離，分離出來的水進(jìn)入生產(chǎn)水處理系統(tǒng)，處理后的原油壓力1.5 bar、溫度75 ℃進(jìn)行三級分離；三級分離主要由低壓脫氣器和電脫水器組成，低壓脫氣器脫除的氣體進(jìn)入燃料氣處理系統(tǒng)，含水原油則通過電脫水器進(jìn)行深度脫水，脫除的水去生產(chǎn)水處理系統(tǒng)，含水<0.5%的合格原油進(jìn)入原油/合格原油換熱器進(jìn)行冷卻，冷卻后的原油約55 ℃、壓力1.1 bar，進(jìn)入油艙儲存。原油在貨油儲存艙內(nèi)進(jìn)一步沉降分離油水，穩(wěn)定貨油參數(shù)，等待外輸。

2.3 原油外輸

原油外輸是將合格原油經(jīng)過計量后裝船外運(yùn)的過程。儲存在貨油艙內(nèi)的合格原油通過集中布置在泵艙的3臺外輸油泵增壓，計量裝置計量后經(jīng)過卸油站卸油至外輸油輪。該FPSO首尾各布置了一個卸油站，卸油站內(nèi)布置輸油裝置，外輸油輪通過系泊纜與FPSO串靠，合格原油經(jīng)過漂浮軟管輸送到外輸油輪上，漂浮軟管的回收和儲存是通過軟管絞車來完成的。

3 生產(chǎn)污水處理工藝流程

生產(chǎn)水處理是FPSO的一項(xiàng)主要功能，該系統(tǒng)主要是收集來自油氣水分離處理罐的污水，由總管匯集后經(jīng)過除油除氣得到排放要求的生產(chǎn)水。

“瑪麗卡”FPSO上生產(chǎn)污水處理系統(tǒng)和油處理系統(tǒng)一起布置在油處理模塊上，主要由生產(chǎn)水駁運(yùn)泵、生產(chǎn)水冷卻器、電脫水器用泵、水力旋流器、加氣浮選器和循環(huán)泵組成。井液在原油分離罐中初步處理，得到處理污水，該污水由對應(yīng)的污水泵輸送到污水匯集管匯集，利用生產(chǎn)水冷卻器冷卻后進(jìn)入水力旋流器，利用油水密度差進(jìn)行油水分離，分離出來的水則進(jìn)入加氣浮選器進(jìn)一步脫油處理，最后達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的污水排海，不合格的污水排到生產(chǎn)水艙，再次進(jìn)入生產(chǎn)水處理系統(tǒng)處理，直至合格后再排海。

4 天然氣處理工藝流程

天然氣處理是FPSO的另一項(xiàng)主要功能，主要是把分離罐中分離出來的天然氣進(jìn)行收集、分離凈化、增壓至可用水平后供各用戶使用。 “瑪麗卡”FPSO用于開采伴生氣較多的油氣田，其天然氣經(jīng)處理后主要有以下幾種用途：（1）作為自身的燃料需求，主要是供作為電站、熱站、壓縮機(jī)動力燃料使用；（2）用作油田的氣舉；（3）通過海底管線輸送的井口平臺使用；四、余下部分回注油田或作火炬放空和燃燒。

4.1 天然氣的回收

在原油處理過程中，原油在容器中要進(jìn)行加熱、緩沖、減壓、穩(wěn)壓，伴生有許多可燃?xì)鈴脑椭蟹蛛x出來，這些氣體被統(tǒng)一進(jìn)行收集利用。

該FPSO天然氣回收主要是依據(jù)原油三級分離罐中分離氣的分離壓力，對其進(jìn)行增壓匯集的過程。該處理流程的關(guān)鍵設(shè)備是天然氣壓縮機(jī)組，該壓縮機(jī)組為兩系列螺桿式壓縮機(jī)，共兩臺一用一備。高壓三相分離器分離出來的天然氣壓力為19 bar、溫度40 ℃，直接進(jìn)入天然氣匯集管中匯集；低壓脫氣器分離氣的壓力為1.5 bar，經(jīng)過兩系列壓縮機(jī)一級壓縮后與來自IP閃蒸罐的分離氣混合，壓力達(dá)到6.5 bar，再經(jīng)兩系列壓縮機(jī)二級壓縮處理壓力達(dá)到19.5 bar、溫度135 ℃，最后通過天然氣回收出口冷卻器冷卻至40 ℃、壓力降為19 bar后，在天然氣匯集管中與高壓分離器分離出的天然氣匯集，進(jìn)入天然氣的脫水處理。另外，原油三級分離罐中的分離氣也可以通過壓力控制閥流向高低壓火炬分液罐，到火炬燃燒放空。

4.2 天然氣脫水

天然氣中的水可能會在管線中形成水合物，從而引起管線堵塞和腐蝕，因此在天然氣生產(chǎn)過程中需要進(jìn)行脫水處理，使之達(dá)到規(guī)定的含水汽量指標(biāo)。天然氣脫水常用的方法有溶劑吸收法、固體吸附法、直接冷卻法和化學(xué)反應(yīng)法，“瑪麗卡”FPSO是采用分子篩脫水和冷劑制冷脫水聯(lián)合使用來脫水：分子篩脫水是利用多孔性的分子篩吸附劑處理含水氣體混合物，使其中水分吸附于分子篩表面上，從而達(dá)到分離的目的；冷劑制冷脫水是通過冷劑循環(huán)制冷來降低天然氣的溫度，使氣體中部分水蒸氣冷凝析出，從而達(dá)到分離的目的。

“瑪麗卡”FPSO天然氣脫水工藝流程如下：來自天然氣回收模塊的氣體，經(jīng)進(jìn)口洗滌器脫除小液滴，由壓縮機(jī)將氣體壓力提高到58.5bar，壓縮后的濕氣通過出口冷卻器和天然氣/脫水氣換熱器后進(jìn)入分子篩脫水處理流程，分子篩脫水后的干氣通過干氣冷卻器、制冷單元和低溫分離器進(jìn)一步脫除其中的凝析油和污水，最終的干氣通過天然氣/脫水氣換熱器后進(jìn)入CO2膜分離單元，進(jìn)行CO2分離操作。

天然氣脫水的關(guān)鍵是分子篩脫水工藝流程，主要由進(jìn)口分離器、進(jìn)口加熱器、分子篩脫水塔、粉塵過濾器、再生氣預(yù)加熱器、再生氣電加熱器、再生氣冷卻器、再生氣分離器等設(shè)備組成。分子篩脫水工藝采用四個脫水塔，其中兩塔用于吸附脫水，另外兩塔進(jìn)行吸附劑的再生和冷卻，四塔同時進(jìn)行，然后相互之間切換操作。脫水流程分為脫水吸附和再生循環(huán)兩部分，首先來自天然氣/脫水氣換熱器的濕氣經(jīng)過進(jìn)口分離器和進(jìn)口加熱器，除去攜帶的液滴并加熱后進(jìn)入兩個分子篩脫水塔進(jìn)行脫水吸附操作，脫除水后的干氣經(jīng)粉塵過濾器除去分子篩粉塵后和雜質(zhì)后分為兩部分：一部分進(jìn)入制冷脫水單元進(jìn)行深度脫水脫油；另一部分進(jìn)行分子篩的再生循環(huán)操作，再生循環(huán)包括分子篩的加熱再生和分子篩的冷卻。在加熱再生期間，再生氣通過再生氣預(yù)加熱器和電加熱器加熱到120 ℃ ～ 230℃后, 進(jìn)入分子篩脫水塔，進(jìn)行分子篩再生過程，分子篩脫水塔頂出來的再生氣經(jīng)過再生氣冷卻器冷卻后,進(jìn)入再生氣分離器分離出凝液, 之后再生氣返回到壓縮機(jī)入口。一旦分子篩床層被再生完全后, 再生氣將走再生氣加熱器旁通, 進(jìn)入分子篩脫水塔使床層冷卻下來,當(dāng)冷吹氣流出口溫度低于40℃時, 冷卻過程即可停止。

4.3 二氧化碳的脫除及注入

天然氣中的CO2可能會在管線中形成酸性氣體，從而引起管線和設(shè)備的腐蝕，同時也降低天然氣的熱值和輸氣管道的輸送能力，因此天然氣需要進(jìn)行CO2脫除處理。脫除的CO2可回注到油層以提高地層壓力，從而提高原油采收率。“瑪麗卡”FPSO的天然氣在進(jìn)行脫水處理后，通過天然氣/脫水氣換熱器加熱到24.5 ℃、壓力約為52.5 bar，然后進(jìn)入CO2膜分離單元進(jìn)行CO2分離操作，分離出的CO2氣經(jīng)CO2壓縮模塊后注入地層；分離出來的天然氣（脫碳?xì)猓毫?7 bar、溫度10 ℃，一部分通過燃料氣洗滌器脫除液滴后供用戶使用，主要是為電站、熱站、CO2壓縮機(jī)組提供動力燃料及為其它設(shè)備提供輔助用氣，剩余部分進(jìn)入氣舉壓縮機(jī)進(jìn)一步壓縮。

該流程的關(guān)鍵是CO2膜脫除工藝和CO2壓縮工藝流程。CO2膜脫除工藝是以膜兩側(cè)氣體壓力差為驅(qū)動力，使得CO2溶解并滲透過膜，從而使天然氣組分在膜原料側(cè)濃度降低，而在膜的另一側(cè)CO2達(dá)到富集，達(dá)到天然氣脫除CO2的目的。分離后的CO2滲透氣壓力為1.5 bar、溫度10℃，送到CO2壓縮機(jī)壓縮。選用了兩臺離心式四級壓縮機(jī)組，壓縮后的CO2壓力達(dá)到249 bar，壓縮后的CO2氣與天然氣回注氣一起經(jīng)注氣壓縮機(jī)加壓至449 bar，通過注入井向油田地層注氣，以維持油層壓力，提高原油采收率。

4.4 天然氣的氣舉和回注

在油氣田開采中，液體(原油)較重，在上千米甚至幾千米的井筒中會造成比較大的壓力，使地層中的原油無法流到地面，為了解決該問題，氣驅(qū)采油技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前應(yīng)用較多是天然氣氣舉采油，它是從地面將天然氣注入井筒與油層混合，利用高壓天然氣的膨脹使井筒中的混合液密度降低，將井內(nèi)的原油舉升到地面的一種采油方式。

另外，油田開采中的天然氣，在滿足自身用氣需要后，可以采用天然氣回注技術(shù)，把剩余的伴生氣回注到地層保留起來，不僅提升了地層壓力，提高了原油采收率,而且還可以留待后期開發(fā)利用。

“瑪麗卡”FPSO的天然氣在脫除CO2后，除了部分自身用氣需求外，其余的全部送到兩級氣舉壓縮機(jī)，將氣體壓力提高到249bar。經(jīng)氣舉壓縮機(jī)壓縮的的天然氣將分成三部分：一部分通過外輸管線輸送至井口平臺，作為平臺用氣；一部分通過氣舉管線進(jìn)入注入井中用于氣驅(qū)采油，其到達(dá)采油井井底后，成為石油氣的組成部分和原油一起被舉升到地面，再一次通過油氣水分離進(jìn)入天然氣處理流程；其余部分氣體經(jīng)注氣壓縮機(jī)加壓至449 bar，通過注入井向油田地層注氣，留待后期開發(fā)利用。

5 結(jié)束語

上文簡單介紹了“瑪麗卡”FPSO的主要生產(chǎn)工藝系統(tǒng)，該生產(chǎn)工藝系統(tǒng)還包括一些輔助生產(chǎn)工藝系統(tǒng)，如：火炬系統(tǒng)、開排及閉排系統(tǒng)、化學(xué)藥劑注入系統(tǒng)、海水處理及注水系統(tǒng)等，限于篇幅本文就不再展開。FPSO生產(chǎn)工藝流程設(shè)計，不僅是FPSO的核心技術(shù)，同時也是油田開發(fā)的核心技術(shù)之一，希望本文的總結(jié)分析對后續(xù)FPSO的設(shè)計開發(fā)有一定促進(jìn)作用。

[1] 海洋石油工程設(shè)計指南[M] .北京：石油工業(yè)出版社，2007.

[2] 趙耕賢.浮式生產(chǎn)儲油船（FPSO）設(shè)計[J] .上海造船，2009.

[3] 秦向東，溫鐵軍，金美芳. 脫除與濃縮二氧化碳的膜分離技術(shù). 膜科學(xué)與技術(shù)[J].1998，18（6）.