于邦廷，劉維濱，秦小剛，王文祥，陳宏舉

（中海油研究總院有限責(zé)任公司， 北京 100028）

渤海某潛山凝析氣田儲層物性差、地露壓差小、凝析油含量高，采用常規(guī)的衰竭開發(fā)容易導(dǎo)致反凝析現(xiàn)象，出現(xiàn)凝析油采收率降低的風(fēng)險。為避免反凝析，提出循環(huán)注氣開發(fā)模式，將采出的部分天然氣增壓后再回注地層以維持氣藏壓力。與衰竭開發(fā)模式相比，循環(huán)注氣可大幅提高凝析油采收率，使氣田的經(jīng)濟效益明顯提升。實現(xiàn)循環(huán)注氣開發(fā)的主要難點在于需要配置超高壓注氣壓縮機，所需的壓縮機出口壓力達(dá)到50MPa，這對壓縮機的選用與安全設(shè)計提出了非常高的要求。目前國內(nèi)海上氣田常規(guī)的外輸和增壓壓縮機的出口壓力均在25MPa以內(nèi)[1-3]，高壓注氣的安全風(fēng)險和技術(shù)風(fēng)險較高，合理選擇高壓注氣壓縮機并對其輔助系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計是實現(xiàn)該類型氣田注氣開發(fā)的關(guān)鍵。

針對該凝析氣田循環(huán)注氣開發(fā)的特點和難點，從滿足油藏實施要求出發(fā)，進(jìn)行注氣壓縮機的選型設(shè)計，對壓縮機驅(qū)動方式、壓縮機類型、冷卻方式、振動分析等重點方面進(jìn)行適應(yīng)性分析和研究，為該氣田的高效開發(fā)提供安全可靠的技術(shù)方案。同時也為本區(qū)域后續(xù)注氣開發(fā)進(jìn)行試驗性的設(shè)計，為未來整個氣田的開發(fā)提供技術(shù)支持。

1 海上平臺高壓注氣壓縮機應(yīng)用現(xiàn)狀

國內(nèi)較早實施注氣開發(fā)的氣田有牙哈氣田、吐哈氣田及大港油田等陸上油氣田，注氣壓力范圍約30～52MPa[4-6]。牙哈凝析氣田是采用循環(huán)注氣開采的整裝凝析氣田，其設(shè)計注氣壓力高達(dá)52MPa[4]，實際注氣壓力小于50MPa。經(jīng)過多年的運行探索，陸上油田已掌握了一套循環(huán)注氣開發(fā)的成熟模式，在油藏研究、地面工程設(shè)計等方面均取得了較好的成效。相較于陸上的較多業(yè)績，目前國內(nèi)海上只有南海某W油田實施過伴生氣的回注，其設(shè)計注氣壓力25MPa，采用1臺燃驅(qū)往復(fù)式壓縮機進(jìn)行天然氣注氣[7-9]。該海上油田的注氣氣源主要來自于油田伴生氣，不屬于凝析氣田循環(huán)注氣開發(fā)。海上油氣田在循環(huán)注氣開發(fā)經(jīng)驗上還十分欠缺，尤其在高壓注氣系統(tǒng)安全設(shè)計、配管設(shè)計、振動整體管理與防護、高壓泄放以及低溫防護等方面均面臨著較大挑戰(zhàn)。

渤海某氣田屬于深藏潛山高含凝析氣藏，根據(jù)油藏數(shù)值模擬結(jié)論，循環(huán)注氣壓力達(dá)到50MPa，對注氣壓縮機技術(shù)要求高，屬于國內(nèi)海上氣田首次進(jìn)行潛山凝析氣田的超高壓注氣開發(fā)。結(jié)合本項目工程設(shè)計的成果，重點分析壓縮機選用的相關(guān)技術(shù)要求與特點，并對在壓縮機設(shè)計過程中遇到的難點進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2 海上凝析氣田高壓注氣壓縮機的選用

2.1 注氣壓縮機設(shè)計基礎(chǔ)

渤海某凝析氣田試驗區(qū)開發(fā)采用循環(huán)注氣開發(fā)模式，注氣氣源來自于脫水后的干氣。根據(jù)油藏實施要求，采用季節(jié)性間歇注氣，每年4～10月實施注氣，注氣總量為80×104Sm3/d，壓縮機入口壓力范圍為6～7.5MPa，注氣井口最大注入壓力要求為50MPa。隨著氣田生產(chǎn)年份增加，需求的注氣壓力也將隨之降低，最小的注氣壓力約為30MPa。

表1 注氣壓縮機工藝參數(shù)

2.2 壓縮機型式的選擇

海上油氣田常用的壓縮機有離心式壓縮機和往復(fù)式壓縮機兩種，離心壓縮機常用于大氣量增壓外輸，一般單臺排氣量在200×104Sm3/d以上，單級壓比通?？刂圃?左右。往復(fù)式機組單機排量相對離心壓縮機要小，通常單機排量均在100×104Sm3/d以內(nèi)。兩種類型的壓縮機根據(jù)適應(yīng)的流量和壓力范圍而被用于不同的流程。渤海某凝析氣田注氣總量為80×104Sm3/d，注氣壓縮機入口壓力最低為6MPa，出口壓力高達(dá)50MPa，壓縮機入口實際體積流量小，已經(jīng)超出了離心式壓縮機的適應(yīng)范圍。所以本氣田注氣開發(fā)宜選用往復(fù)式壓縮機，根據(jù)現(xiàn)有成熟機型的能力，建議采用兩臺機組，單臺注氣能力為40×104Sm3/d。

2.3 驅(qū)動方式的選擇

往復(fù)式壓縮機的驅(qū)動可采用電機驅(qū)動或者天然氣發(fā)動機驅(qū)動。由于該凝析氣田新建平臺上無新建電站，依托周邊現(xiàn)有油田電網(wǎng)供電，受制于電網(wǎng)余量的限制，注氣壓縮機只能選用天然氣發(fā)動機驅(qū)動。該驅(qū)動方式的優(yōu)點是配套簡單，不需要在平臺單獨設(shè)置電站，投資費用低。缺點是機組運行中的噪音大、振動明顯，操作維護工作量大。

2.4 冷卻器選擇

注氣壓縮機的冷卻器主要分兩類，一類是壓縮機級間工藝氣冷卻器，一類是機組滑油、缸套水冷卻器。其中壓縮機級間工藝氣冷卻器由于設(shè)計壓力高、換熱負(fù)荷大，陸上項目通常選用氣-空冷卻器。壓縮機橇內(nèi)滑油、缸套水的冷卻一般采用水-空冷卻器?，F(xiàn)場機組的布置可分為壓縮機主橇、氣空冷器橇、水空冷器橇和機組控制盤。氣空冷器的尺寸較大，適用于陸地空間寬裕的場合，不適宜在海上平臺應(yīng)用。單個氣空冷器橇的尺寸接近于壓縮機橇的尺寸，且在布置時還需要考慮現(xiàn)場連接管線的布置要求，實際占用面積更大，不利于在海上平臺應(yīng)用，因此建議采用適用于海上平臺特點的水冷器。

由于50MPa設(shè)計壓力高，已經(jīng)超出了GB/T 151的適用范圍，常規(guī)的管殼式換熱器將無法使用。板式換熱器的最高設(shè)計壓力都在20MPa以內(nèi)，也無法適用該壓力要求。印刷板式換熱器（PCHE）能夠承受50MPa的設(shè)計壓力，并且已經(jīng)有用于60MPa的業(yè)績。該類型的換熱器換熱效率高，換熱器尺寸小，并且能夠集成在壓縮機橇內(nèi)，非常適用于海上平臺。水冷器材質(zhì)選用需要考慮腐蝕和材質(zhì)承壓能力，對于50MPa的設(shè)計壓力，無法使用海水直接冷卻，需要采用淡水作為閉式循環(huán)冷卻介質(zhì)，如圖1所示。平臺采用閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)提供冷卻介質(zhì)。

圖1 平臺閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

3 壓縮機設(shè)計的關(guān)鍵問題

3.1 高壓氣體泄放低溫效應(yīng)的影響

壓縮機橇內(nèi)高壓氣體的緊急或正常泄放需要通過高壓火炬系統(tǒng)，通過BDV或PSV將泄放的高壓氣體節(jié)流后引至火炬燃燒。由于氣體節(jié)流的初始壓力較高，需要將高壓氣體從10000psi節(jié)流至150LB。根據(jù)API 521中的相關(guān)要求進(jìn)行模擬，節(jié)流后的低溫效應(yīng)顯著，注氣壓縮機三級高壓管線泄放的最低溫度約-98℃。即使將不同壓力氣體的泄放溫度混合后考慮，其終溫仍達(dá)到-45℃，相應(yīng)管線和壓力容器以及閥門材質(zhì)需要選用奧氏體不銹鋼?；鹁婀芫€和火炬頭在材質(zhì)選擇上同樣也需要考慮低溫材質(zhì)。

由于注氣組分中含有CO2，因此需要計算低溫工況下CO2結(jié)冰的風(fēng)險。高壓氣體節(jié)流泄放的終溫與泄放的起始溫度關(guān)系密切，初始溫度越高泄放的終溫也越高，有利于避免氣體中CO2結(jié)冰凍堵。以注氣管匯上BDV-1202和RO-1202為例，其壓力泄放的設(shè)定值為52500kPaG，泄放終壓為1280kPaG，在HYSYS模擬計算中分別考慮了初始泄放溫度為30℃、37℃和38℃三種情況，相應(yīng)泄放過程的溫度變化見圖2所示。對于三種不同泄放初始溫度的工況，氣體中CO2結(jié)冰溫度基本一致，節(jié)流后氣體最低溫度出現(xiàn)在BDV閥開后的25s。當(dāng)泄放初始溫度為30℃時，節(jié)流降壓后的氣體最低溫度約-96.8℃。泄放初始溫度為37℃時，節(jié)流后的最低溫度約-92.1℃，泄放初始溫度為38℃時，節(jié)流后的最低溫度約-91.5℃。由于在25s時CO2結(jié)冰溫度約為-96.9℃，因此氣體的泄放初始溫度必須在30℃以上，同時鑒于溫度監(jiān)測與安全管理的要求，建議注氣壓縮機在停機時就進(jìn)行高壓氣體泄放，避免氣體冷卻后泄放導(dǎo)致的低溫效應(yīng)的不良后果。

圖2 高壓氣體在不同初始溫度泄放的溫度變化過程

3.2 高壓低溫壓力容器的影響

由于泄放導(dǎo)致的低溫效應(yīng)，使得壓縮機橇內(nèi)的滌氣罐的最低設(shè)計溫度較低，需要選用低溫材質(zhì)。同時由于壓縮機橇內(nèi)滌氣罐的設(shè)計壓力較高，超出了GB/T 150的適用范圍，壓力容器的設(shè)計需要采用分析設(shè)計，并采用低溫材質(zhì)的鍛造加工工藝。壓力容器的設(shè)計和加工技術(shù)要求高，應(yīng)選擇具有設(shè)計和建造經(jīng)驗的制造廠進(jìn)行建造。應(yīng)重點關(guān)注高壓低溫壓力容器的設(shè)計和建造問題，嚴(yán)格遵守國內(nèi)和國際上的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計、檢驗和測試。

表2 注氣壓縮機入口滌氣罐設(shè)計參數(shù)

3.3 壓縮機振動分析

往復(fù)式高壓注氣壓縮機振動大，由于其間歇式吸排氣的特點會激發(fā)管道內(nèi)流體呈現(xiàn)脈動狀態(tài)[10-12]，導(dǎo)致高壓流體在管道內(nèi)壓力、溫度、密度等參數(shù)隨時間周期性變化，從而產(chǎn)生氣流脈動。當(dāng)脈動的流體遇到彎頭、閥門或者變徑管段時將會產(chǎn)生周期性變化的激振力。當(dāng)管道和流體組成體系的固有頻率與壓縮機機組的激發(fā)頻率接近時會產(chǎn)生共振。因此優(yōu)化工藝管線配置，進(jìn)行壓縮機的脈動分析，對于避免共振和減小氣流脈動效應(yīng)十分有必要。

在壓縮機組成橇設(shè)計時，應(yīng)要求廠家嚴(yán)格按照API 618中的相關(guān)方法進(jìn)行機組的氣流脈動分析，并對機組的氣流脈動和振動進(jìn)行控制，提出優(yōu)化和建議措施。如根據(jù)脈動分析優(yōu)化各級氣缸進(jìn)出口緩沖罐的尺寸、設(shè)置限流孔板，對機組管線的支撐進(jìn)行改進(jìn)。另外結(jié)合海上平臺的特點，對機組甲板布置位置、平臺甲板結(jié)構(gòu)設(shè)計需提前考慮機組振動的影響，組塊結(jié)構(gòu)和支撐梁的設(shè)計需要考慮動設(shè)備運轉(zhuǎn)引起的高頻動載荷的影響，采用有限元仿真分析方法并結(jié)合壓縮機運行模式進(jìn)行研究。為了增加壓縮機支撐結(jié)構(gòu)的剛度，在壓縮機橇塊下方增加了支撐梁的布置，加固壓縮機底座結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，有利于減緩振動的傳遞、降低振動幅值。

圖3 壓縮機橇塊底部支撐架構(gòu)設(shè)計

3.4 機組潤滑油的選擇

根據(jù)海上平臺往復(fù)式壓縮機運維經(jīng)驗判斷，由于注氣壓縮機的排出壓力高，三級高壓氣缸需用的潤滑油黏度大、流動性差，某氣田所在渤海區(qū)域冬季最低環(huán)境溫度-16℃，環(huán)境溫度較低。在機組低溫運行或者啟動時潤滑油容易出現(xiàn)斷流或潤滑不充分的問題，從而導(dǎo)致活塞抱軸，嚴(yán)重威脅機組的運行安全。因此壓縮機在設(shè)計時需要選用合適的潤滑油并對滑油系統(tǒng)進(jìn)行保溫或加熱設(shè)計。

4 結(jié)論

海上平臺首次采用50MPa級別的高壓注氣壓縮機進(jìn)行注氣開發(fā)，工程設(shè)計應(yīng)充分重視安全性，避免單純追求高出口壓力、大排量，壓縮機應(yīng)盡量選用廠家的標(biāo)準(zhǔn)系列產(chǎn)品。關(guān)注高壓氣體節(jié)流泄放產(chǎn)生的低溫效應(yīng)，合理選用限流孔板的尺寸，重點解決高壓低溫壓力容器的設(shè)計和建造問題，嚴(yán)格遵守國內(nèi)和國際上的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計、檢驗和測試。應(yīng)重視壓縮機組的降噪、減振管理，采用合理的減振措施，如布置在平臺主結(jié)構(gòu)梁上，加強底橇設(shè)計。做好機組氣流脈動和管道振動的預(yù)防研究，并對高壓管道的脈動分析進(jìn)行充分研究。

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