深水氣田開發(fā)中崖城—香港海管天然氣反輸工藝設(shè)計(jì)

中海石油（中國）有限公司海南分公司

陵水17-2 氣田是中國海域自營深水勘探的第一個重大油氣田，儲量規(guī)模超千億立方米，為大型天然氣田[1]。氣田平臺是世界上首個凝析油儲存半潛設(shè)計(jì)深水平臺，位于瓊東南盆地北部海域，距離海南省三亞市約150 km，距離西北側(cè)已生產(chǎn)的崖城13-1氣田約160 km，水深為1 220～1 560 m。氣田采用浮式平臺開發(fā)方案，工程設(shè)施由1套水下生產(chǎn)系統(tǒng)、1座帶凝析油存儲及外輸功能的半潛式生產(chǎn)處理平臺和海底管線構(gòu)成。平臺采用張緊式多點(diǎn)系泊系統(tǒng)。水下生產(chǎn)系統(tǒng)主要包括1 套西區(qū)管匯和3 套東區(qū)管匯，來自東區(qū)管匯的全部井流在東1管匯匯集后通過兩條304.8 mm海底管線以及兩條304.8 mm SCR（鋼懸鏈?zhǔn)剑┝⒐苤苯虞斔偷桨霛撈脚_處理；來自西區(qū)的全部井流通過兩條254 mm海底管線以及兩條254 mm SCR 立管輸送到半潛平臺處理。處理后的合格天然氣經(jīng)增壓后通過一條95 km、管徑為457.2 mm 的海底管線接入崖城—香港海底管道，輸送至香港、高欄及南山終端銷售；處理后的合格凝析油直接進(jìn)入浮式平臺油艙儲存，定期由DP（動力定位）油輪外輸。

氣田計(jì)劃于2021 年投產(chǎn)，設(shè)備可分為三大部分：水下生產(chǎn)系統(tǒng)、船體、上部組塊。主要工藝流程為生產(chǎn)井流三相分離，分離出的天然氣經(jīng)過脫水、脫烴、干氣壓縮機(jī)增壓外輸至崖城—香港管線KP123處，然后輸送至香港，廣東和海南市場。氣田發(fā)電機(jī)有兩類：主發(fā)電機(jī)（透平）3臺，額定功率20 MW；應(yīng)急發(fā)電機(jī)2 臺，額定功率1 500 kW（供給船體1臺，供給上部組塊一臺）。平臺燃料氣來源有三個：干氣壓縮機(jī)后冷卻器來的自產(chǎn)干氣；來自凝析油穩(wěn)定系統(tǒng)的閃蒸氣；外輸457.2 mm 海底管線來的管網(wǎng)天然氣。

1 管網(wǎng)天然氣初期工藝設(shè)計(jì)

利用崖城—香港海管管網(wǎng)將天然氣輸送至陵水17-2 氣田，在投產(chǎn)前的工藝系統(tǒng)調(diào)試可以用作陵水17-2 氣田外輸457.2 mm 海底管線的氮?dú)庵脫Q、透平發(fā)電機(jī)的燃?xì)饽Ｊ秸{(diào)試、惰氣發(fā)生器的燃?xì)饽Ｊ秸{(diào)試、干氣壓縮機(jī)的進(jìn)氣調(diào)試等。

1.1 氮?dú)庵脫Q及管線吹掃

陵水外輸氣管線投產(chǎn)前，在KP123 三通處457.2 mm 海底管線側(cè)有球閥處于關(guān)閉狀態(tài)，457.2 mm 管道內(nèi)存在0.2 MPa 的氮?dú)獗３治⒄龎海摬糠值獨(dú)饪衫醚鲁?3-1 平臺至香港主管道內(nèi)的天然氣引流輸送至陵水17-2平臺（即與陵水17-2正常生產(chǎn)外輸時方向相反），將陵水17-2外輸管道內(nèi)的氮?dú)庵脫Q到陵水17-2半潛平臺放空[2]。氮?dú)庵脫Q過程分為以下兩個階段：①充壓階段，打開KP123管道出口水下三通457.2 mm閥門，利用崖城13-1平臺至香港主管道內(nèi)的9.4 MPa壓力下的天然氣，向457.2 mm 管道內(nèi)充壓至9.4 MPa；②放空階段，充壓完成后，打開陵水17-2 平臺端管道入口閥門，將管道內(nèi)氣體經(jīng)平臺管道排放至燃料氣滌氣罐，然后經(jīng)火炬放空頭點(diǎn)火放空。燃料氣罐進(jìn)出口均有壓力控制閥，可控制燃料氣滌氣罐內(nèi)壓力在

4.4 MPa。

同時，根據(jù)OLGA軟件模擬核算，當(dāng)控制放空流量為3 750 m3/h 時，457.2 mm 海底管線內(nèi)的0.2 MPa 氮?dú)庵脫Q合格的時間大約在放空開始后的第50 h，此時外輸457.2 mm 管道在陵水17-2 外輸海管入口處氣體組分中的天然氣比例基本達(dá)到管網(wǎng)天然氣組分中的比例；當(dāng)控制放空流量為17 700 m3/h 時，其外輸457.2 mm 管道在陵水17-2 外輸海管入口處氣體組分中的天然氣比例在放空的第12 h 后基本達(dá)到管網(wǎng)天然氣組分中的比例。而且，外輸管線內(nèi)因?yàn)槭┕さ葰埩粝聛淼暮Ｋ纫矔还芫W(wǎng)天然氣反向攜帶至平臺端，在此過程中平臺操作人員只需要對管網(wǎng)氣樣取樣、化驗(yàn)氣質(zhì)組分含水率情況即可，從而達(dá)到海管吹掃干燥的目的。

1.2 燃?xì)饽Ｊ秸{(diào)試及發(fā)電

陵水氣田的動設(shè)備中大多采用電驅(qū)動形式，其中2臺MEG（乙二醇）注入泵及3臺干氣壓縮機(jī)屬于電驅(qū)動中壓設(shè)備（10.5 kV），由于2 臺應(yīng)急發(fā)電機(jī)無法供給中壓電，因此在投產(chǎn)前的設(shè)備調(diào)試中將會用到透平發(fā)電機(jī)，以滿足設(shè)備調(diào)試的需要。3臺透平發(fā)電機(jī)可以在柴油和天然氣雙燃料模式下發(fā)電[3]。在燃油和燃?xì)饽Ｊ较?，單臺透平發(fā)電機(jī)在滿負(fù)荷下所消耗的柴油和天然氣量是不同的（表1）。從表1 可以看出，單臺透平發(fā)電機(jī)在輸出功率均為20 MW 的情況下，天然氣消耗量比柴油消耗量更低，而且從銷售市場來講，天然氣較柴油更便宜。因此，透平發(fā)電機(jī)燃?xì)饽Ｊ礁?jīng)濟(jì)，所以用天然氣進(jìn)行發(fā)電是最佳選擇[4]。

表1 單臺透平發(fā)電機(jī)燃?xì)饽Ｊ胶腿加湍Ｊ竭\(yùn)轉(zhuǎn)流量Tab.1 Gas mode and fuel mode operating flow rate of a single turbine generator

圖1 陵水17-2透平燃?xì)饽Ｊ秸{(diào)試工藝流程Fig.1 Turbine gas mode commissioning process of Lingshui 17-2

但是，在調(diào)試期間沒有開生產(chǎn)井，無法實(shí)現(xiàn)透平發(fā)電機(jī)等設(shè)備的燃?xì)饽Ｊ秸{(diào)試工作。因此，可結(jié)合外輸457.2 mm 海底管線氮?dú)庵脫Q的工藝流程，將崖城—香港海管內(nèi)的天然氣引流至陵水氣田平臺，供給透平發(fā)電機(jī)的調(diào)試、發(fā)電工作，也可以作為平臺惰氣發(fā)生器燃?xì)饽Ｊ秸{(diào)試的氣源（圖1）。

1.3 干氣壓縮機(jī)進(jìn)氣模式調(diào)試

陵水17-2平臺有3臺干氣電動壓縮機(jī)，用于將脫水脫烴后的天然氣增壓后外輸至崖城—香港海底管線。在投產(chǎn)前的壓縮機(jī)調(diào)試需要用透平發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的中壓電才能滿足啟動要求[5]，在干氣壓縮機(jī)進(jìn)氣模式調(diào)試時（不增壓工況）可使用的調(diào)試介質(zhì)可以是氮?dú)饣蛱烊粴?，但由于在調(diào)試期間沒有天然氣，而且若使用氮?dú)鈱?dǎo)致消耗氮?dú)饬考眲≡黾樱移脚_上氮?dú)獍l(fā)生器的造氮能力（150 m3/h）不足，無法在短時間內(nèi)滿足干氣壓縮機(jī)的調(diào)試要求。在這種情況下，充分利用管網(wǎng)將天然氣輸送至陵水氣田，將會大大節(jié)省調(diào)試時間，加快調(diào)試進(jìn)度[6]（圖2）；也可以實(shí)現(xiàn)利用管網(wǎng)天然氣進(jìn)行上部組塊的整體系統(tǒng)吹掃，以置換出系統(tǒng)里面的微正壓氮?dú)獾取?/p>

利用管網(wǎng)天然氣進(jìn)行外輸海管氮?dú)庵脫Q、透平調(diào)試、干氣壓縮機(jī)進(jìn)氣調(diào)試等是按照先后順序進(jìn)行，具體為：外輸海管氮?dú)庵脫Q—透平調(diào)試—干氣壓縮機(jī)進(jìn)氣調(diào)試—惰氣發(fā)生器調(diào)試。各設(shè)備用氣量如表2 所示。最大消耗氣量約為21.24×104m3，而崖城—香港海管每天的凈進(jìn)氣量約為28×104m3，且整條778 km的海管管存量約為2 700×104m3，足以滿足陵水氣田的各項(xiàng)調(diào)試工作。

因此，利用此管網(wǎng)設(shè)計(jì)工藝流程，可實(shí)現(xiàn)在不影響崖城—香港海底管線的主管網(wǎng)正常輸氣的情況下，將457.2 mm 海底管線內(nèi)的氮?dú)庵脫Q合格，并進(jìn)行透平調(diào)試、干氣壓縮機(jī)進(jìn)氣調(diào)試等，為氣田的全面投產(chǎn)做好準(zhǔn)備。

圖2 陵水17-2工藝系統(tǒng)吹掃及干氣壓縮機(jī)進(jìn)氣調(diào)試流程Fig.2 Purge and dry gas compressor intake commissioning process of Lingshui 17-2 process system

表2 陵水17-2氣田各設(shè)備調(diào)試用氣流量Tab.2 Gas flow rate for each equipment commissioning in Lingshui 17-2 Gas Field

2 管網(wǎng)天然氣的工藝設(shè)計(jì)

在平臺正常生產(chǎn)后，將管網(wǎng)天然氣反向輸送到平臺可作為平臺關(guān)停后的應(yīng)急復(fù)產(chǎn)的氣源。正常生產(chǎn)期間，平臺在觸發(fā)了二級及以上關(guān)停的狀態(tài)下，在恢復(fù)生產(chǎn)時，由于平臺設(shè)施的天然氣壓力已經(jīng)泄放，上部組塊的系統(tǒng)壓力降為零，導(dǎo)致水下生產(chǎn)系統(tǒng)的井流在登陸平臺處的閥門壓差過大，無法平衡[7]。此時，將外輸?shù)墓芫W(wǎng)天然氣輸送至平臺入口端，即可平衡閥門兩端壓力，有助于快速復(fù)產(chǎn)。當(dāng)透平發(fā)電機(jī)掉電時，系統(tǒng)發(fā)生生產(chǎn)關(guān)斷，由于發(fā)電機(jī)無法進(jìn)行燃?xì)饽Ｊ絾?、MEG 泵也就無法啟動導(dǎo)致生產(chǎn)井無法開井，而柴油模式啟動透平發(fā)電機(jī)極為不經(jīng)濟(jì)，此時便可以利用外輸?shù)墓芫W(wǎng)天然氣反輸流程，將透平發(fā)電機(jī)用燃?xì)鈫庸╇?，進(jìn)而恢復(fù)生產(chǎn)[8]。此方式更經(jīng)濟(jì)，也有利于快速復(fù)產(chǎn)，是陵水17-2 氣田正常生產(chǎn)后的一個常用復(fù)產(chǎn)措施，具有十分重要的意義。

3 回路管匯清管工藝設(shè)計(jì)

平臺水下生產(chǎn)系統(tǒng)的回路管匯是油、氣、水三相混輸管線，當(dāng)油水混合物管存量較大時，為防止管內(nèi)積液，需要進(jìn)行回路管匯通球作業(yè)[9]。為保證清管作業(yè)期間的安全，平臺一般會采取生產(chǎn)關(guān)停的非在線通球方式，因此，管網(wǎng)天然氣反輸工藝流程可以作為通球時的動力氣源，將清管球推入水下生產(chǎn)系統(tǒng)的回路管匯，以達(dá)到清管的目的。其簡要流程如下：

（1）水下生產(chǎn)井大氣量循環(huán)生產(chǎn)，以減少海管積液。

（2）平臺關(guān)停，透平發(fā)電機(jī)使用管網(wǎng)天然氣發(fā)電。

（3）降低上部組塊的段塞流捕集器和閉排罐等的液位，準(zhǔn)備接收清管中的段塞流。

（4）導(dǎo)通反輸氣進(jìn)入水下生產(chǎn)系統(tǒng)的流程，并用壓力控制閥控制壓力將清管球推入水下管線，同時需要通過清管球前后端壓差控制清管速度，達(dá)到上部組塊處理段塞流的及時性、有效性。從上述清管步驟可知，在深水半潛平臺水下回路管匯通球時，管網(wǎng)天然氣輸送回平臺可作為透平發(fā)電機(jī)的供應(yīng)氣源，同時也可作為清管球的動力氣源，使通球過程更安全高效[10]。

4 結(jié)束語

將管網(wǎng)天然氣輸送回陵水平臺，不僅能在氣田投產(chǎn)前的調(diào)試過程中大大節(jié)省透平發(fā)電機(jī)的柴油消耗，經(jīng)濟(jì)性更高，還有助于氣田干氣壓縮機(jī)的進(jìn)氣調(diào)試，縮短因選擇氮?dú)膺M(jìn)行壓縮機(jī)調(diào)試的時間。同時，管網(wǎng)天然氣還可以作為水下生產(chǎn)管匯清管的動力氣源、正常生產(chǎn)期間氣田關(guān)停后作為恢復(fù)生產(chǎn)的發(fā)電機(jī)唯一氣源，具有十分重要的作用。利用平臺外輸管線將管網(wǎng)天然氣反輸?shù)胶Ｑ笊钏_發(fā)平臺的方式，也可以為國內(nèi)外其他相似生產(chǎn)平臺在投產(chǎn)前后的調(diào)試及更經(jīng)濟(jì)高效的恢復(fù)生產(chǎn)提供一個參考，具有重要的借鑒意義。