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(中海油研究總院，北京 100027)

0 引 言

海上油氣田開采出的天然氣可通過管線輸送到陸上或用作平臺燃料，有時也用于氣舉、注氣等。天然氣在開采后需進(jìn)行壓縮，達(dá)到可用壓力。天然氣壓縮機(jī)在油氣田中主要有3個用途：低壓氣的回收、天然氣處理中間過程的增壓和外輸氣的輸送。海上平臺往復(fù)式壓縮機(jī)，最主要的應(yīng)用工況為透平電站燃料氣增壓和中小型氣田的干/濕氣增壓處理和外輸。

燃料氣壓縮機(jī)的運行工況相對簡單，主要用于將海上平臺一級分離器(或其他來源)的伴生氣增壓至燃?xì)馔钙诫娬救剂闲枰膲毫?。燃料氣壓縮機(jī)的入口壓力由一級分離器的壓力確定，一般為150～300 kPaG，出口壓力由不同燃?xì)馔钙綑C(jī)型的供氣壓力確定。海上油田一般伴生氣產(chǎn)量隨著油田的開采會有較大變化。因此，在燃料氣壓縮機(jī)的運行周期內(nèi)，氣量的變化幅度較大。為了盡可能利用伴生氣、節(jié)能減排，壓縮機(jī)的配置要考慮適應(yīng)不同年份伴生氣量增壓的要求。當(dāng)伴生氣產(chǎn)量小于壓縮機(jī)的最小工作氣量時，富余的伴生氣進(jìn)入火炬系統(tǒng)放空處理。

海上中小型氣田干/濕氣壓縮機(jī)的配置必須與平臺的工藝處理流程相匹配，工況相對復(fù)雜。根據(jù)用戶的氣質(zhì)要求不同，海上平臺的主要天然氣處理工藝包括油氣分離、天然氣脫水、天然氣烴露點控制等。井口的物流首先進(jìn)入生產(chǎn)分離器進(jìn)行氣液分離，分出的液相進(jìn)入油處理流程。分出的天然氣經(jīng)脫水、烴露點控制處理后，通過干氣壓縮機(jī)增壓外輸。生產(chǎn)后期氣井的井口壓力下降，為了維持天然氣處理系統(tǒng)的操作壓力，必須啟用濕氣壓縮機(jī)對濕天然氣進(jìn)行增壓。天然氣處理系統(tǒng)的壓力體系，壓縮機(jī)配置和預(yù)留原則，必須根據(jù)各氣田井口壓力的變化情況以及外輸壓力的要求確定，無法一概而論。中小型氣田的基本特點為氣田產(chǎn)量規(guī)模較小，氣井壓力后期下降較快，在同一平臺的不同井之間的壓力差別也較大，因此對壓縮機(jī)工藝方案的確定，尤其是干/濕壓縮機(jī)的配置方案帶來了一定的難度。本文以油田A和氣田B為例，對海上往復(fù)式壓縮機(jī)應(yīng)用配置方案進(jìn)行研究。

1 海上油田燃料氣壓縮機(jī)配置方案

海上油田伴生氣回收用于平臺燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)的燃料氣采用往復(fù)式壓縮機(jī)組。其典型工藝流程如圖1所示。以油田A為例，中心處理平臺的生產(chǎn)井產(chǎn)物經(jīng)過一級分離器三相分離后分出的天然氣進(jìn)入燃料氣系統(tǒng)，經(jīng)過壓縮機(jī)增壓后，用于透平發(fā)電機(jī)的燃料氣，透平發(fā)電機(jī)燃料氣需求不足的部分由其他平臺新建海底天然氣管線進(jìn)行補充。燃料氣壓縮機(jī)工況相對簡單，平臺一級分離器氣相出口壓力約300 kPaA，利用燃料氣壓縮機(jī)增壓至4 150 kPaA，燃料氣壓縮機(jī)設(shè)置三級壓縮，處理能力為36×104Sm3/d。

圖1 海上油田燃料氣壓縮機(jī)典型工藝流程

2 中小型氣田干/濕氣壓縮機(jī)配置方案

海上中小型氣田典型的工藝流程如圖2所示，井口物流經(jīng)生產(chǎn)分離器和氣液分離器，分離出的凝析油和水進(jìn)入油處理系統(tǒng)，分離出的天然氣經(jīng)過天然氣脫水和烴露點控制系統(tǒng)處理后增壓外輸。

圖2 海上中小型氣田典型工藝流程

2.1 濕氣壓縮機(jī)壓力體系設(shè)定

圖3 逐年井口壓力變化曲線

以氣田B為例，井口壓力逐年的變化趨勢如圖3所示。可以看到其中一口井的生產(chǎn)年限較短，且壓力較高。有3口井的井口壓力下降趨勢較緩，呈逐年遞減的趨勢。剩下的大部分井，在前3年井口壓力較高，第4年開始井口壓力大幅下降。各井口之間的壓力范圍相差較大。在較多年份存在高壓井和低壓井同時存在的情況。為了盡量利用井口壓力，一方面可以節(jié)省能耗，另一方面可以避免高壓井口過度節(jié)流產(chǎn)生低溫水合物的風(fēng)險，考慮井口設(shè)置不同等級的壓力體系，適應(yīng)井口逐年變化的情況。根據(jù)氣田井口壓力的變化特點，低壓系統(tǒng)的操作壓力設(shè)定為1.8 MPaA。對低壓系統(tǒng)的天然氣需要考慮設(shè)置濕氣壓縮機(jī)增壓，參考一級濕氣壓縮機(jī)的增壓能力，中壓系統(tǒng)操作壓力設(shè)定為5.2 MPaA。為了應(yīng)對氣井前3年井口壓力較高、第4年部分井口突然出現(xiàn)壓力大幅下降的情況，考慮盡可能利用前3年井口壓力，設(shè)定高壓系統(tǒng)操作壓力為9.2 MPaA。由于井口壓力體系存在3個等級，因此考慮濕氣壓縮機(jī)兩級、干氣壓縮機(jī)一級(方案A)和濕氣壓縮機(jī)一級、干氣壓縮機(jī)兩級(方案B)2個方案進(jìn)行天然氣處理，工藝流程如圖4和圖5所示。

圖4 方案A天然氣處理流程圖(兩級濕氣壓縮機(jī)、一級干氣壓縮機(jī))

圖5 方案B天然氣處理流程圖(一級濕氣壓縮機(jī)、兩級干氣壓縮機(jī))

方案A將各井口劃分為高、中、低3個獨立的壓力系列。前3年各井口壓力較高，可以進(jìn)入高壓分離器(9.2 MPaA)處理，從第4年開始井口壓力大幅下降，須啟用濕氣壓縮機(jī)。井口壓力低于5.2 MPaA的氣井進(jìn)入低壓分離器處理，井口壓力為5.2～9.2 MPaA的氣井進(jìn)入中壓分離器，井口壓力仍然高于9.2 MPaA的氣井進(jìn)入高壓分離器處理。中壓分離器分離出的天然氣須考慮級間進(jìn)氣的方式，進(jìn)入二級濕氣壓縮機(jī)進(jìn)行增壓。由于僅有較少的氣井可以維持高壓，絕大部分的天然氣都需要進(jìn)入濕氣壓縮機(jī)進(jìn)行增壓處理。方案A的濕氣壓縮機(jī)典型時間下的參數(shù)見表1。壓縮機(jī)的最大排量為187萬m3/d，為了適應(yīng)生產(chǎn)后期低產(chǎn)量的要求，須設(shè)置3臺濕氣壓縮機(jī)(2用1備)。另外在生產(chǎn)的第4年，濕氣壓縮機(jī)的級間進(jìn)氣量為133萬m3/d，是一級進(jìn)口氣量的2倍以上，這給濕氣壓縮機(jī)的選型和操作都帶來了很大的困難。

表1 方案A濕氣壓縮機(jī)典型時間下的參數(shù)

方案B將工藝流程簡化為高壓和低壓2個系列。同樣，為了兼顧最低壓力井的增壓要求，低壓系統(tǒng)的壓力體系設(shè)定為1.8 MPaA，對低壓系統(tǒng)的天然氣須考慮設(shè)濕氣壓縮機(jī)增壓至高壓系統(tǒng)，參考一級濕氣壓縮機(jī)的增壓能力，高壓系統(tǒng)設(shè)定為5.2 MPaA。由于在生產(chǎn)第4年有的井才會出現(xiàn)壓力低于5.2 MPaA的情況，因此濕氣壓縮機(jī)可以在投產(chǎn)后第4年再啟用。在氣田生產(chǎn)的前3年，各井口壓力都較高，如果直接節(jié)流至5.2 MPaA，出現(xiàn)低溫水合物的風(fēng)險較大。因此，前3年設(shè)定高壓系統(tǒng)的操作壓力為9.2 MPaA。前3年所有氣井都可以利用井口壓力進(jìn)入高壓系統(tǒng)(9.2 MPaA)。生產(chǎn)第4年集中進(jìn)行壓力調(diào)整，將高壓系統(tǒng)降壓至5.2 MPaA，并啟用濕氣壓縮機(jī)將低壓系統(tǒng)(1.8 MPaA)的天然氣增壓至高壓系統(tǒng)。方案B工藝系統(tǒng)設(shè)備較少，僅設(shè)高壓分離器和低壓分離器2個罐體就可以適應(yīng)全周期內(nèi)的氣井生產(chǎn)需求。另外，方案B集中在濕氣壓縮機(jī)啟用年進(jìn)行壓力調(diào)整，可減少現(xiàn)場工作量。方案B濕氣壓縮機(jī)典型時間下的參數(shù)見表2，可以看到：由于考慮了高壓系統(tǒng)分2個階段調(diào)整操作壓力，更多的氣井可以直接進(jìn)入高壓系統(tǒng)，不需要進(jìn)入濕氣壓縮機(jī)增壓；濕氣壓縮機(jī)的最大排量為132萬m3/d，比方案A降低30%，經(jīng)過優(yōu)化，濕氣壓縮機(jī)可以減少為2臺(1用1備)。

圖6 干氣壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力逐年變化曲線

表2 方案B濕氣壓縮機(jī)典型時間下的參數(shù)

2.2 干氣壓縮機(jī)壓力體系設(shè)定

針對方案A和方案B，考慮天然氣脫水處理、烴露點控制系統(tǒng)壓降后，烴露點控制系統(tǒng)的出口壓力及天然氣外輸?shù)膲毫σ笕鐖D6所示。為滿足平臺的外輸需求，根據(jù)下游用戶的背壓，壓縮機(jī)需要滿足3個外輸工況：工況1為低背壓工況，工況2為中背壓工況，工況3為高背壓工況。

對于方案A，干氣壓縮機(jī)的入口壓力常年穩(wěn)定在5.4 MPaA，經(jīng)過一級增壓可以滿足工況2、工況3的外輸壓力要求，生產(chǎn)后期針對工況1還須適當(dāng)節(jié)流后外輸。對于方案B：前3年烴露點控制系統(tǒng)出口壓力維持在5.4 MPaA，經(jīng)過一級干氣壓縮機(jī)增壓，即可達(dá)到外輸壓力需求；從第4年開始，烴露點控制系統(tǒng)出口壓力降低至2.2 MPaA，須兩級干氣壓縮機(jī)增壓，以達(dá)到外輸壓力要求；設(shè)置兩級干氣壓縮機(jī)，前3年第1級壓縮機(jī)僅通過不做功，僅第2級壓縮機(jī)工作即可滿足增壓要求，從第3年開始，必須兩級壓縮。方案A和方案B所有外輸天然氣都需要經(jīng)過干氣壓縮機(jī)增壓，因此2個方案的干氣壓縮機(jī)最大排量都為178萬m3/d，為了適應(yīng)生產(chǎn)后期低排量時的增壓要求，干氣壓縮機(jī)都需要設(shè)置3臺(2用1備)。

2.3 2種方案的對比

方案A和方案B的對比見表3，可以看到：方案B在生產(chǎn)分離器臺數(shù)和濕氣壓縮機(jī)臺數(shù)上都具有優(yōu)勢，設(shè)備較少，因此方案B的設(shè)備投資較低。方案A濕氣壓縮機(jī)級間進(jìn)氣量較大，選型比較困難。由于方案B必須在投產(chǎn)第4年調(diào)整高壓系統(tǒng)的操作壓力，可以考慮與濕氣壓縮機(jī)啟用和干氣壓縮機(jī)的調(diào)整工作同時進(jìn)行，以減少現(xiàn)場的調(diào)整工作量。

表3 方案A和方案B的對比

3 結(jié) 論

本文對海上往復(fù)式壓縮機(jī)應(yīng)用工況和配置方案進(jìn)行研究。分別以油田A和氣田B為例，針對海上油田燃料氣壓縮機(jī)配置方案和中小型氣田干/濕氣壓縮機(jī)配置方案開展研究。針對中小型氣田干/濕氣壓縮機(jī)配置開展2個方案的對比研究。研究發(fā)現(xiàn)：氣田的壓縮機(jī)配置須根據(jù)各井口壓力的變化情況以及外輸壓力的要求確定，需要具體分析。根據(jù)氣田B的研究結(jié)論，一級濕氣壓縮和兩級干氣壓縮的配置方案在生產(chǎn)分離器臺數(shù)和濕氣壓縮機(jī)臺數(shù)上都具有優(yōu)勢，設(shè)備較少，且沒有級間進(jìn)氣的要求，選型方便，在設(shè)備投資和操作可靠性上較優(yōu)。

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