*嚴(yán)東寅 于曉 李焯超 倪瑋隆 魏心童 梁永圖*
(1.中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司 新疆 841000 2.中國石油大學(xué)(北京)北京 102249)
目前油田現(xiàn)場采用的集輸方式多為油氣分輸,需要為氣相與液相單獨建設(shè)管道以滿足輸送需求,同時需要配備分離器進(jìn)行氣液分離,配備泵和壓縮機(jī)以分別給氣相與液相加壓。該方法導(dǎo)致建設(shè)占地面積增大,工程造價較高。混輸泵作為混輸工藝的核心,可用于降低井口回壓,將氣液混合物使用同一管道進(jìn)行輸送,達(dá)到簡化地面技術(shù)系統(tǒng)工藝流程、降低工程建設(shè)投資的目的,具有良好的經(jīng)濟(jì)意義與巨大的使用潛力。目前國內(nèi)外有著多種不同特點的不同類型的混輸泵,且在油田中也有了廣泛的應(yīng)用。
油氣分輸工藝需要較多的設(shè)備與較大的占地面積,投資較高。油氣混輸可將氣液混合物使用一根管道進(jìn)行輸送,且混輸泵成本大約是傳統(tǒng)分離設(shè)備的70%[1],可大大降低工程造價與簡化工藝流程。塔河油田采用混輸方式后,減少工程投資300萬元,占地面積僅為常規(guī)分輸計轉(zhuǎn)站的48%[2]。因此,混輸泵在油田中有著極大的應(yīng)用潛力與使用價值。
東部老油田普遍進(jìn)入高含水開發(fā)階段,這些老油田集中處理站內(nèi)的處理能力多有富余。而老油田周邊發(fā)現(xiàn)的小型斷塊油田若采用就地處理,即新建處理站的方法會導(dǎo)致投資增加,因此需要使用多相混輸技術(shù)將這些斷塊油田采出物運送至已有處理站以減少投資。同時,部分戈壁、沙漠、海洋等均有新油田的發(fā)現(xiàn),但油田所處位置環(huán)境惡劣,無成熟水電設(shè)施依托,新建設(shè)施投資較大,不適宜就地進(jìn)行工程建設(shè)。因此需要在沙漠環(huán)境邊緣地區(qū)及近海陸地建設(shè)處理站,并通過混輸泵將采出物運送至處理站進(jìn)行處理,以減少投資,增加效益[3]。
油氣混輸工藝最先由西方國家于20世紀(jì)60年代開始進(jìn)行研究,該工藝的核心為混輸泵[4]?;燧敱脧慕Y(jié)構(gòu)形式來看大致有十多種不同類型的泵[5],目前經(jīng)過競爭淘汰后,可以投入工業(yè)生產(chǎn)的混輸泵型僅有旋轉(zhuǎn)動力式混輸泵和容積式混輸泵兩種[6]。前者主要包括螺旋軸流式混輸泵、離心泵等,后者主要包括螺桿泵、隔膜泵、線性活塞泵等[7-8]。而經(jīng)過多年應(yīng)用與現(xiàn)場試驗后,能夠投入油氣田現(xiàn)場應(yīng)用的主要是螺旋軸流式混輸泵和螺桿式混輸泵兩種類型[9]。下面介紹這兩種常用的混輸泵型的原理及特點。
螺桿泵是容積式泵的一種,由泵內(nèi)部幾個相互嚙合的螺桿間容積變化來輸送流體,在各大油田的應(yīng)用都很廣泛,是油田混輸現(xiàn)場的主力增壓設(shè)備。根據(jù)相互嚙合同時工作的螺桿數(shù)目不同,常見的螺桿式混輸泵主要分為單螺桿混輸泵和雙螺桿混輸泵。
①單螺桿混輸泵
單螺桿混輸泵的傳輸部件主要由螺桿和軟質(zhì)襯套組成[10],還有皮帶輪、傳動軸與萬向軸等部分,如圖1所示。螺桿轉(zhuǎn)動時封閉腔沿軸向由吸入端向排出端方向運動,封閉腔在排出端消失,同時在吸入端形成新的封閉腔,封閉腔中的介質(zhì)隨著它的運動由吸入端推擠到排出端。封閉腔不斷形成、運動、消失,引起容積的變化為介質(zhì)加壓,起到泵送的作用[11]。
圖1 單螺桿油氣混輸泵Fig.1 Single screw pump
單螺桿混輸泵最大的優(yōu)點是能輸送高固體含量的介質(zhì),其所能輸送的介質(zhì)含固體量最高可達(dá)60%;單螺桿泵可輸送不同黏度的介質(zhì),介質(zhì)黏度最高可達(dá)5×104mPa·s的介質(zhì);單螺桿混輸泵的流量與其轉(zhuǎn)速成正比,在低轉(zhuǎn)速低流量下可保持壓力的穩(wěn)定,調(diào)節(jié)性能較好。
但單螺桿混輸泵也有一些局限與不足,其內(nèi)部的定子多由含氟橡膠制成,該種定子不耐磨,當(dāng)輸油壓力較高時容易造成機(jī)封失效漏油,故障率較高;若輸送介質(zhì)的腐蝕性較高,易造成定子橡膠腐蝕;在輸送油氣兩相介質(zhì)時有攪拌、有脈動;整機(jī)的使用壽命一般不超過半年,需經(jīng)常更換易損件,維修費用較高。
②雙螺桿混輸泵
雙螺桿混輸泵核心部件是一對相互嚙合的螺桿轉(zhuǎn)子,是一種非密閉型的容積式泵[12],如圖2所示。由于其非密閉式的特點,雙螺桿泵本身就可以輸送氣液兩相流體。它利用相互嚙合的主從螺桿來抽送流體,其主動螺桿由原動機(jī)驅(qū)動,并通過同步齒輪帶動從動螺桿。兩個螺桿相互不接觸,并且具有不同旋向的螺紋(若前者為右旋,則后者為左旋)[13]。主從動軸上相互嚙合的螺旋套和泵體或襯套間形成一個容積恒定的密封腔室,密封腔內(nèi)的介質(zhì)隨螺桿軸的轉(zhuǎn)動被送到泵體中間,最終送達(dá)泵的出口,從而實現(xiàn)泵輸送的目的。
圖2 雙螺桿油氣混輸泵Fig.2 Twin screw pump
雙螺桿混輸泵可用來輸送黏度范圍大的各種介質(zhì),還可氣液、固液混輸[14]。雙螺桿混輸泵具有強(qiáng)制輸氣(液)的特性,無論所輸送的介質(zhì)的含氣率如何變化,都可被雙螺桿混輸泵強(qiáng)制從吸入端吸入壓縮單元,經(jīng)過增壓后從排出端排出,泵的性能不會因吸入介質(zhì)的含氣率的提高而大幅下降,因此它可以輸送含氣率較高的介質(zhì)[15];雙螺桿混輸泵在輸送時無攪拌、無脈動,占地面積??;介質(zhì)含氣率在合理范圍內(nèi)時,泵內(nèi)泄漏液體較少,內(nèi)泄漏率較低,容積效率較高[16]。
由于氣體具有可壓縮性,雙螺桿混輸泵在增壓過程中,若介質(zhì)氣體含量較大,氣體在壓縮過程中會產(chǎn)生大量的熱。由于液相含量較小,氣體壓縮產(chǎn)生的這部分熱量不能及時被液相帶走,會導(dǎo)致混輸泵排出端的溫度明顯高于吸入端,前后溫差較大,嚴(yán)重時會使混輸泵內(nèi)的雙螺桿部件產(chǎn)生變形,嚴(yán)重影響泵的壽命;由于混輸泵吸入端介質(zhì)內(nèi)部氣液兩相分布不均,在泵的入口管道內(nèi)會產(chǎn)生強(qiáng)烈的段塞流,表現(xiàn)為氣液兩相交替進(jìn)入泵內(nèi),泵出口壓力隨著吸入端介質(zhì)的不同而發(fā)生變化。具體表現(xiàn)為:在氣相介質(zhì)進(jìn)入混輸泵時,泵的出口壓力會偏低,反之出口壓力偏高,導(dǎo)致不穩(wěn)定工況的產(chǎn)生,造成混輸泵壽命的降低。若輸送介質(zhì)含有固體雜質(zhì)會導(dǎo)致橡膠定子磨損,降低定子使用壽命;由于螺桿大多使用碳鋼制成,若不涂裝防腐涂層或不做防腐蝕處理,會使得螺桿抗腐蝕性較差,在輸送腐蝕性介質(zhì)時,會使螺桿受到腐蝕,降低使用壽命,進(jìn)而導(dǎo)致泵使用壽命降低[16]。
軸流式多相混輸泵主要由增壓單元(過流部件)、軸向力平衡裝置、冷卻系統(tǒng)、密封系統(tǒng)及軸承支撐結(jié)構(gòu)等組成,如圖3所示。其工作原理為:被輸送的介質(zhì)進(jìn)入葉輪后,葉輪高速旋轉(zhuǎn)使得介質(zhì)被加速,獲得動能。被加速的介質(zhì)通過整流器時速度下降,動能轉(zhuǎn)化為壓能,介質(zhì)每通過一個增壓單元便增加一部分能量,從而獲得增壓的效果。螺旋軸流式混輸泵與容積式泵的根本區(qū)別在于其壓力的增加是由能量的傳遞和轉(zhuǎn)化來實現(xiàn)的,而不是由單元體積的變化所引起,因此螺旋軸流式混輸泵更適用于大流量、高轉(zhuǎn)速、低含氣率的場景。
圖3 螺旋軸流式混輸泵Fig.3 Helico-axial multiphase pump
螺旋軸流式混輸泵體積小、質(zhì)量輕、排量大、包角大、流道長。結(jié)構(gòu)簡單緊湊,適用于深水推廣使用;葉片與導(dǎo)葉之間沒有內(nèi)部密封,更加可靠靈活;其內(nèi)部的開式流動系統(tǒng)能適應(yīng)氣塞和液體段塞的影響,對固體顆粒不敏感;驅(qū)動方式靈活,可采用電機(jī)或水力透平等驅(qū)動;適用范圍廣,能處理較大的流量范圍[17],且具有一定的抗干轉(zhuǎn)能力。
螺旋軸流式混輸泵能夠輸送介質(zhì)的油氣比相比于雙螺桿混輸泵較低,若介質(zhì)油氣比過高會使得泵的性能快速下降,影響泵送效果;吸入介質(zhì)的黏度對螺旋軸流式混輸泵的性能影響較大;若吸入介質(zhì)內(nèi)含的固相顆粒較多,會導(dǎo)致嚴(yán)重的泵內(nèi)組件磨損,降低泵的使用壽命;螺旋軸流式混輸泵能夠輸送多相流的流量有一個下限值。當(dāng)介質(zhì)流量低于此流量下限值時,泵吸入端介質(zhì)的含氣率越大,泵的增壓能力越小,混輸能力下降[16]。
由于油氣混輸可以將氣液兩相流體在同一根管道中輸送,不需要為氣液兩相單獨建設(shè)管道,簡化了流程,降低了投資成本,因此在國內(nèi)外已有很多成功應(yīng)用混輸泵對集輸流程進(jìn)行改造或新區(qū)塊使用混輸流程的案例。下文將對螺桿式混輸泵與螺旋軸流式混輸泵在油田的現(xiàn)場應(yīng)用情況進(jìn)行簡單的介紹。
單螺桿的參數(shù)特點,即單螺桿泵對輸送介質(zhì)的物性參數(shù)要求較低,針對一些含砂量較大的油井可以完成很好的油液舉升,因此單螺桿泵被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外油田的井下采油中,是井下采油中最主要的一種結(jié)構(gòu)[18],在含砂量較大的地面集輸工程中也有部分應(yīng)用。尼日爾AGADI油田是AGADEM油田的一期補(bǔ)產(chǎn)項目,AGADI油田處于撒哈拉沙漠的深處,氣候干燥,沙塵暴頻發(fā),環(huán)境條件惡劣。中國石油通過詳盡的方案設(shè)計后,得出使用分輸方案相比于混輸方案會出現(xiàn):(1)設(shè)備較多,操作不便;(2)需要火炬防空系統(tǒng),不利于無人值守;(3)廠區(qū)占地面積大;(4)投資費用相較于混輸方案高500萬美元這幾項缺點。因此從操作、維護(hù)、管理、投資等多方面綜合考慮下,中國石油決定在AGADI油田采用氣液混輸工藝。并根據(jù)該項目氣油比低、輸量適中且單螺桿泵可輸送含砂量較高的原油、維護(hù)簡便與價格低的特點,最終選用單螺桿泵作為該項目的增壓設(shè)備,并在2015年投產(chǎn)后平穩(wěn)運行至今[19],其流程如圖4所示。江漢油田周16站是江漢油田新周作業(yè)區(qū)在2007年開發(fā)的新站,該地區(qū)油井較為分散,初期采用油罐車將原油運送至集油站,輸送成本與損耗較高。后來設(shè)計采用了2臺CSY11型單螺桿式油氣混輸泵,在變頻器自動調(diào)節(jié)下將油氣混輸?shù)街艽壖驼荆瑴p少了油氣輸送損耗,提高了系統(tǒng)運行效率,具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益,且泵機(jī)組運行狀態(tài)良好,設(shè)備正常檢修周期超過8000h[20]。墾東12區(qū)塊1號海油陸采平臺為典型整裝海油陸采油田,勝利油田采用單螺桿泵作為海上油氣混輸系統(tǒng)的增壓設(shè)備,簡化了工藝流程,減少了管理難度,降低了建設(shè)成本[21]。長慶油田針對區(qū)塊內(nèi)復(fù)雜、破碎、多變的地形,對部分地質(zhì)條件較差的井組采用增壓點進(jìn)行增壓輸送,以達(dá)到降低井口回壓,增加輸送距離的目的。增壓點內(nèi)使用效率較高、增壓能力強(qiáng)、可露天設(shè)置的單螺桿泵作為增壓裝置,實現(xiàn)了油氣集輸過程中的低損耗,低污染,低負(fù)荷,高效率,流程簡單、緊湊,投資費用低[22]的目標(biāo),其工藝流程如圖5所示。
圖4 AGADI油田混輸泵站工藝流程Fig.4 Process flow of oil-gas multiphase pumps station in AGADI Oilfield
圖5 長慶油田增壓點/橇裝增壓集成裝置油氣混輸工藝流程Fig.5 Process flow of oil-gas mixed transportation of pressurization point/skid mounted pressurization integrated unit in Changqing Oilfield
雙螺桿泵與單螺桿泵相比,對含砂量較為敏感,但維修保養(yǎng)費用較低,且適用于含氣率較高、有段塞流的油田區(qū)塊[23]。大慶油田第九采油廠截止到2012年共投入了8臺雙螺桿式混輸泵對站點進(jìn)行改造,雙螺桿泵代替了正常中轉(zhuǎn)站的油氣分離系統(tǒng)、摻水系統(tǒng)、油氣分輸系統(tǒng),大大簡化了站內(nèi)工藝流程,改造后的混輸流程與改造前相比,僅設(shè)備投資一項就節(jié)省了239萬元,具有良好的工程效益與經(jīng)濟(jì)效益[24]。大港油田第七采油作業(yè)區(qū)采油四隊小七站與大站距離較遠(yuǎn),輸送管線管徑較細(xì),使用雙螺桿混輸泵后生產(chǎn)效率上升,改變了過去井口回壓高導(dǎo)致?lián)讲贿M(jìn)水的情況,延長了油井的壽命,方便生產(chǎn)管理。經(jīng)過小七站應(yīng)用混輸泵的成功,大港采油一區(qū)聯(lián)一站、馬西19站、采油三區(qū)歧二站和采油八區(qū)相繼應(yīng)用了雙螺桿混輸泵,均取得了良好的效果[25]。勝利油田坨二聯(lián)合站使用雙螺桿混輸泵后,與同排量JS離心泵對比運行效率提高3.1%,比五星級泵站指標(biāo)提高1.1%,月耗電量與月總消耗均有較大幅度下降,經(jīng)濟(jì)效益良好,取得了巨大的成功[26],經(jīng)改造后的流程如圖6所示。尕斯油田在使用雙螺桿混輸泵作為增壓設(shè)備后,年增效益1639.36萬元,取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益[27]。孤東油田3號聯(lián)合站將原有的離心泵改為混輸泵后,輸油單耗降低了近50%、綜合節(jié)電率與泵機(jī)組效率均得到了不同程度的提升,年直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到10萬余元,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益[28]。Huwaila油田位于阿布扎比南部的沙漠地區(qū),環(huán)境惡劣,所產(chǎn)原油黏度較低。將電潛泵用兩級串聯(lián)雙螺桿混輸泵代替后,經(jīng)濟(jì)而有效的解決了遇到的技術(shù)難題[29]。
圖6 坨二站原油處理工藝流程Fig.6 Crude oil treatment process of Tuoer station
螺旋軸流式混輸泵是法國石油研究院(IFP)、挪威國家石油公司(Statoil)及法國道達(dá)爾(Total)石油公司三方聯(lián)合投資的“海神(Poseidon)”多相混輸技術(shù)研究項目研究開發(fā)的一種混輸泵,許多文獻(xiàn)稱之為“海神泵”,于1991年首次將工業(yè)用樣機(jī)P300在突尼斯的Sidi E Ytayem油田首次進(jìn)行工業(yè)測試,證實該泵的優(yōu)越性。該種泵型多用于海底油田或海上平臺。國外對此泵使用案例較多,并據(jù)此發(fā)展出了SMUBS、ELSMUBS、FDC、FSC和FMM[30]等水下多項混輸系統(tǒng)。1994年,挪威A/S Norske Shell公司在Draugen油田安裝了世界上第一臺海底混輸混輸泵,該泵為螺旋軸流式混輸泵,使得單井產(chǎn)量提高了5000桶,原油凈增產(chǎn)600m3/d,提高了40%[31]。2013年,巴西國家石油公司在坎波斯(PETROBRAS-Campo)盆地Barracuda油田進(jìn)行了首臺高增壓螺旋軸流式混輸泵的現(xiàn)場測試[32]。我國石化行業(yè)采用螺旋軸流式混輸泵的案例較少。
我國對混輸泵的研究相比于國外起步較晚。在螺桿泵方面,法國工程師雷涅·摩伊諾于1930年首次制造出第一臺單螺桿泵;1931年,德國鮑曼(Bornemann)公司和瑞典公司分別生產(chǎn)出了雙螺桿泵和三螺桿泵[33]。而我國在20世紀(jì)60年代初期才由天津泵業(yè)機(jī)械集團(tuán)有限公司(原天津市工業(yè)泵總廠)研制出國內(nèi)首臺高壓小流量三螺桿泵,之后沈陽水泵股份有限公司(原沈陽水泵廠)于20世紀(jì)60年代中期開始生產(chǎn)雙螺桿泵和三螺桿泵。20世紀(jì)80年代后螺桿泵主要由天津泵業(yè)機(jī)械集團(tuán)有限公司進(jìn)行生產(chǎn)[34]。20世紀(jì)80年代中期我國油田才開始使用螺桿泵,如大慶油田在1986年從加拿大Griffin公司引進(jìn)地面驅(qū)動螺桿泵應(yīng)用于油田,并據(jù)此開發(fā)出了適合于大慶油田生產(chǎn)井工況的螺桿泵舉升工藝技術(shù)[35-37]。螺旋軸流式混輸泵始于20世紀(jì)80年代北歐發(fā)起的“海神計劃”,由法國石油研究院(IFP)、挪威國家石油公司(Statoil)及法國道達(dá)爾(Total)石油公司聯(lián)合投資設(shè)計制造,也被稱為“海神泵”,并于1994年進(jìn)入了工業(yè)化階段。我國在20世紀(jì)90年代開始由清華大學(xué)、中國石油大學(xué)、蘭州理工大學(xué)、江蘇大學(xué)等一眾高校為代表,對螺旋軸流式混輸泵進(jìn)行研究并取得了一些成果[38-43]。雖然我國已經(jīng)涌現(xiàn)出了以天津市工業(yè)泵廠、黃山工業(yè)泵廠、上海水工機(jī)械廠、沈陽水泵廠、南京工業(yè)泵廠和蘭州工業(yè)泵廠為代表的優(yōu)秀制泵的廠家,但在壓縮單元內(nèi)部壓縮機(jī)理、各種因素對泵內(nèi)流場影響、定子磨損、葉片優(yōu)化等理論研究與制造方面我國目前還落后于國外的水平,國外泵廠家如鮑曼泵、雷士泵等在世界仍具有很高的地位,因此我國還需要在理論與設(shè)計方面進(jìn)行深入的研究,盡量縮小與國外研究的差距,提高泵的國產(chǎn)化水平。
隨著混輸泵在很多偏遠(yuǎn)場合如沙漠油田、海底油田等地區(qū)的應(yīng)用,傳統(tǒng)的操作、維護(hù)、監(jiān)測及檢修方式逐漸暴露出了明顯的缺陷。傳統(tǒng)檢修方式多為人工定期巡檢,該方式費時費力且效率較低。若故障不能及時排除可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。隨著機(jī)械故障診斷技術(shù)、自動控制技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)及各種智能算法的研究深入,很多學(xué)者都對泵的智能管控與智能化進(jìn)行了研究并應(yīng)用于現(xiàn)場[44-54],以保障泵高效安全地運行,且取得了良好的效果。目前國家提出了“雙碳”策略,相關(guān)法律法規(guī)也越來越規(guī)范,智能化后的泵可根據(jù)實際需求量實時調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速,避免不必要的能耗,但泵的智能化程度不高,目前尚在發(fā)展階段。因此之后的研究中可加強(qiáng)對泵智能化的探討,提高泵智能化的水平,將數(shù)據(jù)可視化,將系統(tǒng)智能化滿足現(xiàn)場與“雙碳”政策的需求。