海上油氣田低壓氣回收增壓技術(shù)方案的研究

徐海波，王文祥，洪毅，張琳，安維崢，楊白冰

（1.中海油研究總院，北京100027；2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京110029）

海上油氣田低壓氣回收增壓技術(shù)方案的研究

徐海波1，王文祥1，洪毅1，張琳1，安維崢1，楊白冰2

（1.中海油研究總院，北京100027；2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京110029）

分析了海上油田和海上氣田開發(fā)中原油和天然氣工藝處理系統(tǒng)特點(diǎn)，提出了可分別適用于海上氣田和海上油田低壓力、小流量伴生氣的回收工藝方法；并根據(jù)南海某氣田低壓氣回收利用的要求分析了可適用于低壓氣回收、增壓的設(shè)備配置方案；同時結(jié)合近期油田、氣田低壓氣方案設(shè)計案例簡要分析了低壓氣回收裝置的經(jīng)濟(jì)效益；最后總結(jié)了可適用于海上油田和海上氣田低壓氣回收系統(tǒng)增壓方案和設(shè)備配置要求。

低壓伴生氣；增壓回收；壓縮機(jī)選擇；節(jié)能減排；海上油氣田

1　引言

在海洋石油工業(yè)開發(fā)中，隨著海上油、氣田開發(fā)的不斷深入，無論是海上油田還是海上氣田普通油氣開發(fā)工藝流程已經(jīng)不能滿足油、氣田對低壓力、小流量伴生氣的開發(fā)要求，導(dǎo)致較多的伴生天然氣通過放空系統(tǒng)直接燃燒處理，沒有進(jìn)行回收利用，造成了能源的浪費(fèi)。為解決該問題，本文以分析海上油、氣田開發(fā)工藝流程的特點(diǎn)，設(shè)計了相應(yīng)的低壓氣回收方法，實現(xiàn)了低壓力、小流量伴生氣的回收，實現(xiàn)了節(jié)能減排的要求。

2　常規(guī)工藝處理方案

針對海上油田和海上氣田的特點(diǎn)需要設(shè)計不同的工藝處理方案來實現(xiàn)油、氣田的開發(fā)和生產(chǎn)。通常海上油、氣田開發(fā)的主要工藝流程分為3個步驟：一級分離器系統(tǒng)（高壓）；二級分離器系統(tǒng)（中、低壓）；三級分離器系統(tǒng)（低壓）。對于原油處理工藝：一級分離系統(tǒng)主要分離開液相和氣相；二級分離系統(tǒng)主要分離油和水，同時有少量氣相析出；三級分離系統(tǒng)主要把液相中的水分離出來，達(dá)到合格原油的要求。對于天然氣處理工藝：一級處理系統(tǒng)主要是分離壓力較高的氣相和液相，此時分離出的氣相可以直接進(jìn)入天然氣處理系統(tǒng)，然后通過干氣壓縮機(jī)增壓后外輸；二級處理系統(tǒng)主要分離出壓力較低的氣相和液相，此時分離出氣相需要先經(jīng)過濕氣壓縮機(jī)增壓后才能進(jìn)入天然氣處理系統(tǒng)或者進(jìn)入燃料系統(tǒng)供海上平臺自耗氣直接使用；三級處理系統(tǒng)主要分離出凝析油中的低壓伴生氣，分離出的氣相直接放空處理，分離出的液相直接外輸。

2.1海上油田常規(guī)工藝處理流程

通常海上油田原油處理工藝流程需要配置以下系統(tǒng)：一級油、氣、水處理分離系統(tǒng)；二級油、氣、水分離系統(tǒng)；三級電脫水分離系統(tǒng)。此類油田主要以開發(fā)原油為主，油田中的天然氣或伴生氣產(chǎn)生相對較少，通常在一級分離器中就可以把大部分的天然氣分離出來，通過燃料氣壓縮機(jī)增壓就可以供給油田正常生產(chǎn)時自耗氣使用；對于二級分離器中分離的伴生氣由于氣量少、壓力低，則進(jìn)入放空系統(tǒng)，由火炬燃燒處理掉。如圖1所示為某海上油田常規(guī)工藝處理流程示意圖。

圖1　海上油田常規(guī)工藝處理流程示意圖

在海上油田的開發(fā)中，主要以電潛泵的人工舉升方式進(jìn)行原油的開采，原油工藝處理流程的各級分離器的壓力，需要根據(jù)各油田油藏特點(diǎn)與后續(xù)原油工藝流程來設(shè)定。經(jīng)初步統(tǒng)計，各級處理設(shè)施操作壓力見表1所示。

2.2海上氣田常規(guī)工藝處理流程

通常海上氣田的天然氣處理工藝流程需要配置以下系統(tǒng)：高壓分離器、低壓分離器、凝析油緩沖罐、濕氣壓縮機(jī)、三甘醇脫水系統(tǒng)、干氣壓縮機(jī)等。此類氣田主要以開發(fā)天然氣為主，通常在氣田開發(fā)初期，井口來物流的壓力較高，經(jīng)過高壓分離器后，氣相物流進(jìn)入三甘醇脫水系統(tǒng)，然后再通過干氣壓縮機(jī)增壓后進(jìn)行外輸；液相以及少量氣相經(jīng)過高壓分離器后再進(jìn)入低壓分離器，經(jīng)過低壓分離器后的氣相一部分直接供給燃料氣系統(tǒng)使用，另一部分通過濕氣壓縮機(jī)增壓達(dá)到三甘醇脫水系統(tǒng)壓力的要求，經(jīng)三甘醇脫水系統(tǒng)后再通過干氣壓縮機(jī)增壓后進(jìn)行外輸；經(jīng)過低壓分離器的液相進(jìn)入凝析油緩沖罐，經(jīng)過凝析油緩沖罐分離出的氣相由于壓力較低、氣量較少，進(jìn)入放空系統(tǒng)由火炬燃燒處理掉，經(jīng)過凝析油緩沖罐的液相通過外輸泵輸送到相應(yīng)油處理中心進(jìn)行處理。由于此類氣田通常采用自噴式開采方式，在氣田開發(fā)的后期，當(dāng)井口來的物流達(dá)不到平臺濕氣壓縮機(jī)入口壓力的要求時，氣田開發(fā)周期結(jié)束。如圖2所示為海上氣田常規(guī)工藝處理流程示意圖。

表1　海上油田原油處理流程中各級處理設(shè)施操作壓力統(tǒng)計

圖2　海上氣田常規(guī)工藝處理流程示意圖

在海上氣田的開發(fā)中，主要以自噴的方式進(jìn)行開發(fā)，天然氣工藝處理流程的各級分離器壓力需要根據(jù)各氣田氣藏特點(diǎn)來設(shè)定，經(jīng)初步統(tǒng)計，各級操作壓力見表2所示。

表2　海上氣田天然氣處理流程中各級操作壓力統(tǒng)計

3　低壓氣回收工藝分析

通過上述工藝流程方案可以看出，海上油、氣田低壓氣主要來源是二級、三級工藝處理系統(tǒng)，即：原油處理系統(tǒng)中的二級分離器和天然氣處理系統(tǒng)中的凝析油緩沖罐。為了實現(xiàn)對海上油、氣田低壓伴生氣的回收和利用，需要配置相應(yīng)的增壓設(shè)備，根據(jù)系統(tǒng)流程的要求，對于海上油田和海上氣田新工藝流程方案如圖3、圖4所示。

圖3　海上油田新增低壓氣回收工藝流程示意圖

圖4　海上氣田新增低壓氣回收工藝流程示意圖

如上圖3所示，在海上油田主工藝流程的二級分離器后配置了相應(yīng)的增加處理設(shè)施（冷卻器、滌氣罐和壓縮機(jī)），使低壓伴生氣通過增壓后達(dá)到燃料系統(tǒng)的壓力要求，減少低壓氣體的放空量，實現(xiàn)節(jié)能減排。

如上圖4所示，在海上氣田主工藝流程的凝析油緩沖罐后配置了相應(yīng)的增壓處理設(shè)施，一方面可以回收、增壓緩沖罐內(nèi)析出的低壓伴生氣，減少低壓氣的放空量，實現(xiàn)節(jié)能減排；同時在氣田開發(fā)的后期，當(dāng)井口壓力低于濕氣壓縮機(jī)入口壓力要求時，低壓氣井口氣可以先進(jìn)入凝析油緩沖罐，然后由低壓增壓系統(tǒng)增壓后進(jìn)入濕氣壓縮機(jī)，以延長氣田的開發(fā)周期。

4　增壓設(shè)備的分析

由前面的分析可以看出，海上油田和海上氣田低壓氣壓力通常在130～250 kPa（A），在新工藝方案中配置的增壓設(shè)備需要滿足低壓力的要求。下面根據(jù)某氣田低壓氣的要求來進(jìn)行壓縮機(jī)的選型方案分析。

4.1壓縮機(jī)工況要求

在南海某氣田中，按照氣田新增低壓氣回收工藝流程的要求，需要在凝析油緩沖罐后設(shè)置增壓壓縮機(jī)。根據(jù)測算，凝析油緩沖罐中析出的伴生氣量最大約3097 Sm3/h，最小氣量為447 Sm3/h，氣體壓力為180 kPa（A），需要增壓到1800 kPa（A）。壓縮機(jī)需要滿足的實際運(yùn)行工況如表3所示。

表3　低壓氣壓縮機(jī)需要滿足的實際運(yùn)行工況

通過表3可以看出，低壓氣壓縮機(jī)選型工況的特點(diǎn)要求：入口壓力較低；氣量較小，氣量變化較大；出口壓力不高，壓縮比較大。

4.2壓縮機(jī)類型選擇

目前海上油氣田中常用天然氣增壓壓縮機(jī)的類型主要有：往復(fù)式壓縮機(jī)、離心式壓縮機(jī)、螺桿式壓縮機(jī)，各壓縮機(jī)的特點(diǎn)簡要描述如表4所示。

由表4信息可以得出，離心式壓縮機(jī)適用于氣量較大、壓力適中的工況；往復(fù)式壓縮機(jī)可以滿足低壓氣壓縮機(jī)工況的要求，相對于螺桿式壓縮機(jī)，往復(fù)式壓縮機(jī)易損件較多，操作維護(hù)較為復(fù)雜，因此推薦采用螺桿式壓縮機(jī)。

表4　各類壓縮機(jī)特點(diǎn)統(tǒng)計

4.3螺桿壓縮機(jī)分析

螺桿壓縮機(jī)按照螺桿數(shù)量可以分為單螺桿壓縮機(jī)和雙螺桿壓縮機(jī)；按照運(yùn)行方式可以分為無油螺桿壓縮機(jī)和噴油螺桿壓縮機(jī)。結(jié)合海上伴生氣增壓的特點(diǎn)，采用雙螺桿壓縮機(jī)適應(yīng)性更好，接下來對無油雙螺桿壓縮機(jī)和噴油雙螺桿壓縮機(jī)進(jìn)行研究分析。

（1）無油雙螺桿壓縮機(jī)

該型螺桿壓縮機(jī)陰、陽螺桿之間不直接接觸，相互之間存在一定的間隙，需要通過同步齒輪來傳遞動力，陰、陽螺桿需要高速旋轉(zhuǎn)達(dá)到密封氣體，實現(xiàn)提高氣體的壓力。

圖5　無油雙螺桿壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖5所示無油雙螺桿壓縮機(jī)的殼體采用雙層壁結(jié)構(gòu)，其間通入冷卻水對機(jī)體進(jìn)行冷卻，壓縮機(jī)工作腔室內(nèi)不加入任何外部介質(zhì)，由于受到排氣溫度的限制，無油雙螺桿壓縮機(jī)的單級壓比一般為3～4。

（2）噴油雙螺桿壓縮機(jī)

該型壓縮機(jī)采用一對高精度陰、陽螺桿相互嚙合在一個單殼體的腔室里，陰、陽螺桿兩端分別采用軸承支撐。壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中需要在壓縮機(jī)腔室中噴入特定潤滑油，形成油膜，起密封、冷卻和潤滑的作用。

（3）無油與噴油螺桿壓縮機(jī)對比

根據(jù)無油和噴油雙螺桿壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)，其各自優(yōu)缺點(diǎn)對比分析如表5所示。

表5　無油與噴油螺桿壓縮機(jī)對比

4.4低壓氣增壓壓縮機(jī)工藝流程

根據(jù)無油和噴油螺桿壓縮機(jī)的特點(diǎn)，在對低壓氣回收壓縮機(jī)進(jìn)行設(shè)計時分別需要配置不同的工藝方案和相應(yīng)的輔機(jī)設(shè)施。

伴生氣中含有一定量的重?zé)N和水分，在增壓后冷卻會形成液態(tài)，所以需要根據(jù)無油和噴油螺桿壓縮機(jī)的特點(diǎn)，設(shè)計不同的低壓氣回收壓縮機(jī)工藝方案和相應(yīng)的輔機(jī)設(shè)施。各壓縮機(jī)工藝流程設(shè)計如圖7、8所示。

圖7　無油雙螺桿壓縮機(jī)工藝流程示意圖

圖8　噴油雙螺桿壓縮機(jī)工藝流程

通過圖7可以看出，低壓儲罐的伴生氣體可以直接進(jìn)入無油雙螺桿壓縮機(jī)進(jìn)行增壓，經(jīng)過兩級增壓后，伴生氣體經(jīng)過氣液分離器，分離出析出的液相（重?zé)N、水）進(jìn)入排放系統(tǒng)，增壓后的氣相進(jìn)入后續(xù)主工藝系統(tǒng)。壓縮機(jī)的流量通常采用變頻器來調(diào)節(jié)。

通過圖8可以看出，低壓的伴生氣需要先脫出重?zé)N后才進(jìn)入螺桿壓縮機(jī)，同時需要在壓縮過程中噴入冷卻潤滑油，壓縮后的油氣混合物通過后置的高效油氣分離器進(jìn)行分離，液相冷卻后進(jìn)入潤滑油箱進(jìn)行循環(huán)使用，氣相進(jìn)入后續(xù)主工藝系統(tǒng)。該螺桿壓縮機(jī)可以配置氣量調(diào)節(jié)滑閥（10%～100%）和壓力調(diào)節(jié)滑閥來實現(xiàn)不同流量的調(diào)節(jié)。

通過上述分析可以看出，無油雙螺桿壓縮機(jī)和噴油雙螺桿壓縮機(jī)均可以滿足于低壓氣回收工藝的要求，但各自有相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)：無油雙螺桿壓縮機(jī)單級壓比相對較低，需要采用變頻器進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，但是壓縮介質(zhì)不會與潤滑油接觸，壓縮過程不會對伴生氣產(chǎn)生污染；噴油雙螺桿壓縮機(jī)需要提前分離出伴生氣中的重?zé)N，壓縮過程可能會對潤滑油或伴生氣產(chǎn)生影響，但是可以實現(xiàn)較高單級壓縮比，且不需要再配置流量調(diào)節(jié)裝置。

5　經(jīng)濟(jì)性分析

經(jīng)過對近期海上油、氣田中低壓氣回收裝置的設(shè)計，產(chǎn)生的效益統(tǒng)計如下：

在渤海某油田的中心處理平臺上，設(shè)置了一套油田低壓氣回收裝置，對二級分離器后的伴生氣進(jìn)行回收和再利用：該裝置采用無油雙螺桿壓縮機(jī)進(jìn)行增壓，最大可以回收約300 Sm3/h低壓伴生氣，年回收總氣量約2.5×106m3，回收氣可以發(fā)電約6.25×106kW·h/a，減少二氧化碳排放約6231 t。

在南海某氣田的中心處理平臺上，設(shè)置了一套氣田低壓天然氣回收增壓裝置，對凝析油緩沖罐后的天然氣進(jìn)行回收和再利用：該裝置采用無油雙螺桿壓縮機(jī)進(jìn)行增壓，最大可以回收約3097 Sm3/h低壓天然氣，年回收總量約2×107m3，回收氣可以發(fā)電約5×107kW·h/a，減少二氧化碳排放約49850 t。

6　結(jié)語

通過上述分析可以看出，在海洋石油開發(fā)過程中無論是油田還是氣田都會產(chǎn)生一定量的低壓伴生氣，對這部分伴生氣的增壓回收和利用，需要根據(jù)油、氣田的特點(diǎn)分別配置相應(yīng)的工藝設(shè)施，以最大限度的利用低壓力、小流量伴生天然氣；同時還需要根據(jù)伴生氣組份的選擇相應(yīng)的增壓設(shè)備，用以滿足低壓伴生氣的增壓要求。主要結(jié)論如下：

（1）海上油田的低壓氣回收增壓系統(tǒng)推薦在二級分離器后設(shè)置低壓氣回收裝置；海上氣田的低壓氣回收系統(tǒng)推薦在三級處理設(shè)施（凝析油緩沖罐）后設(shè)置低壓氣回收增壓裝置；

（2）低壓氣回收增壓裝置主要包括：洗滌器、入口冷卻器、增壓壓縮機(jī)、后冷卻器等設(shè)備，其中增壓壓縮機(jī)推薦采用雙螺桿壓縮機(jī)，而選用噴油雙螺桿壓縮機(jī)還是無油雙螺桿壓縮機(jī)，需要根據(jù)回收伴生氣參數(shù)的特點(diǎn)來確定。

［1］周國良.壓縮機(jī)維修手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［2］郝點(diǎn)，魏統(tǒng)勝，胡丹梅，等.壓縮機(jī)手冊［M］.北京：中國石化出版社，2003.

Study on Low Pressure Associated Gas Recovery Boosting Technical Plan for the Offshore Oil&Gas Field

XU Hai-bo1，WANG Wen-xiang1，HONG Yi1，ZHANG Lin1，AN Wei-zheng1，YANG Bai-bing2
（1.CNOOC Research Institution，Beijing 100027，China；2.China Special Equipment Inspection and Research Institute，Beijing 110029，China）

This paper analyzes the offshore oil fields and offshore gas field development flowing process treatment system and the characteristics of low pressure associated gas，and then the new flowing process is designed which can be applied for recovering in offshore gas fields and offshore oil fields of low pressure，small flow associated gas.According to the one of gas field in South China Sea，it also analyzed pressurized equipment and pressurized recovery process according to the low pressure associated gas recycling requirements.Furthermore it briefly analyzed the economic benefits of low pressure gas recovery device according to the recent oil field and gas field low pressure gas design cases.Finally，it summarized the low pressure gas recovery boosting plan and main required equipments suitable for actual demand of offshore oil and gas fields.

low pressure associated gas；boosting recycling；compressor selection；energy saving and emission reduction；offshore oil and gas field

TH45

B

1006-2971（2015）02-0046-05

徐海波，工程師，2008年畢業(yè)于中國石油大學(xué)，現(xiàn)從事海洋工程機(jī)械設(shè)備選型設(shè)計工作。E-mail:xuhb4@cnooc.com.cn.

2014-12-16