海上油气田低压气回收增压技术方案的研究

徐海波，王文祥，洪毅，张琳，安维峥，杨白冰

（1.中海油研究总院，北京100027；2.中国特种设备检测研究院，北京110029）

海上油气田低压气回收增压技术方案的研究

徐海波1，王文祥1，洪毅1，张琳1，安维峥1，杨白冰2

（1.中海油研究总院，北京100027；2.中国特种设备检测研究院，北京110029）

分析了海上油田和海上气田开发中原油和天然气工艺处理系统特点，提出了可分别适用于海上气田和海上油田低压力、小流量伴生气的回收工艺方法；并根据南海某气田低压气回收利用的要求分析了可适用于低压气回收、增压的设备配置方案；同时结合近期油田、气田低压气方案设计案例简要分析了低压气回收装置的经济效益；最后总结了可适用于海上油田和海上气田低压气回收系统增压方案和设备配置要求。

低压伴生气；增压回收；压缩机选择；节能减排；海上油气田

1　引言

在海洋石油工业开发中，随着海上油、气田开发的不断深入，无论是海上油田还是海上气田普通油气开发工艺流程已经不能满足油、气田对低压力、小流量伴生气的开发要求，导致较多的伴生天然气通过放空系统直接燃烧处理，没有进行回收利用，造成了能源的浪费。为解决该问题，本文以分析海上油、气田开发工艺流程的特点，设计了相应的低压气回收方法，实现了低压力、小流量伴生气的回收，实现了节能减排的要求。

2　常规工艺处理方案

针对海上油田和海上气田的特点需要设计不同的工艺处理方案来实现油、气田的开发和生产。通常海上油、气田开发的主要工艺流程分为3个步骤：一级分离器系统（高压）；二级分离器系统（中、低压）；三级分离器系统（低压）。对于原油处理工艺：一级分离系统主要分离开液相和气相；二级分离系统主要分离油和水，同时有少量气相析出；三级分离系统主要把液相中的水分离出来，达到合格原油的要求。对于天然气处理工艺：一级处理系统主要是分离压力较高的气相和液相，此时分离出的气相可以直接进入天然气处理系统，然后通过干气压缩机增压后外输；二级处理系统主要分离出压力较低的气相和液相，此时分离出气相需要先经过湿气压缩机增压后才能进入天然气处理系统或者进入燃料系统供海上平台自耗气直接使用；三级处理系统主要分离出凝析油中的低压伴生气，分离出的气相直接放空处理，分离出的液相直接外输。

2.1海上油田常规工艺处理流程

通常海上油田原油处理工艺流程需要配置以下系统：一级油、气、水处理分离系统；二级油、气、水分离系统；三级电脱水分离系统。此类油田主要以开发原油为主，油田中的天然气或伴生气产生相对较少，通常在一级分离器中就可以把大部分的天然气分离出来，通过燃料气压缩机增压就可以供给油田正常生产时自耗气使用；对于二级分离器中分离的伴生气由于气量少、压力低，则进入放空系统，由火炬燃烧处理掉。如图1所示为某海上油田常规工艺处理流程示意图。

图1　海上油田常规工艺处理流程示意图

在海上油田的开发中，主要以电潜泵的人工举升方式进行原油的开采，原油工艺处理流程的各级分离器的压力，需要根据各油田油藏特点与后续原油工艺流程来设定。经初步统计，各级处理设施操作压力见表1所示。

2.2海上气田常规工艺处理流程

通常海上气田的天然气处理工艺流程需要配置以下系统：高压分离器、低压分离器、凝析油缓冲罐、湿气压缩机、三甘醇脱水系统、干气压缩机等。此类气田主要以开发天然气为主，通常在气田开发初期，井口来物流的压力较高，经过高压分离器后，气相物流进入三甘醇脱水系统，然后再通过干气压缩机增压后进行外输；液相以及少量气相经过高压分离器后再进入低压分离器，经过低压分离器后的气相一部分直接供给燃料气系统使用，另一部分通过湿气压缩机增压达到三甘醇脱水系统压力的要求，经三甘醇脱水系统后再通过干气压缩机增压后进行外输；经过低压分离器的液相进入凝析油缓冲罐，经过凝析油缓冲罐分离出的气相由于压力较低、气量较少，进入放空系统由火炬燃烧处理掉，经过凝析油缓冲罐的液相通过外输泵输送到相应油处理中心进行处理。由于此类气田通常采用自喷式开采方式，在气田开发的后期，当井口来的物流达不到平台湿气压缩机入口压力的要求时，气田开发周期结束。如图2所示为海上气田常规工艺处理流程示意图。

表1　海上油田原油处理流程中各级处理设施操作压力统计

图2　海上气田常规工艺处理流程示意图

在海上气田的开发中，主要以自喷的方式进行开发，天然气工艺处理流程的各级分离器压力需要根据各气田气藏特点来设定，经初步统计，各级操作压力见表2所示。

表2　海上气田天然气处理流程中各级操作压力统计

3　低压气回收工艺分析

通过上述工艺流程方案可以看出，海上油、气田低压气主要来源是二级、三级工艺处理系统，即：原油处理系统中的二级分离器和天然气处理系统中的凝析油缓冲罐。为了实现对海上油、气田低压伴生气的回收和利用，需要配置相应的增压设备，根据系统流程的要求，对于海上油田和海上气田新工艺流程方案如图3、图4所示。

图3　海上油田新增低压气回收工艺流程示意图

图4　海上气田新增低压气回收工艺流程示意图

如上图3所示，在海上油田主工艺流程的二级分离器后配置了相应的增加处理设施（冷却器、涤气罐和压缩机），使低压伴生气通过增压后达到燃料系统的压力要求，减少低压气体的放空量，实现节能减排。

如上图4所示，在海上气田主工艺流程的凝析油缓冲罐后配置了相应的增压处理设施，一方面可以回收、增压缓冲罐内析出的低压伴生气，减少低压气的放空量，实现节能减排；同时在气田开发的后期，当井口压力低于湿气压缩机入口压力要求时，低压气井口气可以先进入凝析油缓冲罐，然后由低压增压系统增压后进入湿气压缩机，以延长气田的开发周期。

4　增压设备的分析

由前面的分析可以看出，海上油田和海上气田低压气压力通常在130～250 kPa（A），在新工艺方案中配置的增压设备需要满足低压力的要求。下面根据某气田低压气的要求来进行压缩机的选型方案分析。

4.1压缩机工况要求

在南海某气田中，按照气田新增低压气回收工艺流程的要求，需要在凝析油缓冲罐后设置增压压缩机。根据测算，凝析油缓冲罐中析出的伴生气量最大约3097 Sm3/h，最小气量为447 Sm3/h，气体压力为180 kPa（A），需要增压到1800 kPa（A）。压缩机需要满足的实际运行工况如表3所示。

表3　低压气压缩机需要满足的实际运行工况

通过表3可以看出，低压气压缩机选型工况的特点要求：入口压力较低；气量较小，气量变化较大；出口压力不高，压缩比较大。

4.2压缩机类型选择

目前海上油气田中常用天然气增压压缩机的类型主要有：往复式压缩机、离心式压缩机、螺杆式压缩机，各压缩机的特点简要描述如表4所示。

由表4信息可以得出，离心式压缩机适用于气量较大、压力适中的工况；往复式压缩机可以满足低压气压缩机工况的要求，相对于螺杆式压缩机，往复式压缩机易损件较多，操作维护较为复杂，因此推荐采用螺杆式压缩机。

表4　各类压缩机特点统计

4.3螺杆压缩机分析

螺杆压缩机按照螺杆数量可以分为单螺杆压缩机和双螺杆压缩机；按照运行方式可以分为无油螺杆压缩机和喷油螺杆压缩机。结合海上伴生气增压的特点，采用双螺杆压缩机适应性更好，接下来对无油双螺杆压缩机和喷油双螺杆压缩机进行研究分析。

（1）无油双螺杆压缩机

该型螺杆压缩机阴、阳螺杆之间不直接接触，相互之间存在一定的间隙，需要通过同步齿轮来传递动力，阴、阳螺杆需要高速旋转达到密封气体，实现提高气体的压力。

图5　无油双螺杆压缩机结构示意图

如图5所示无油双螺杆压缩机的壳体采用双层壁结构，其间通入冷却水对机体进行冷却，压缩机工作腔室内不加入任何外部介质，由于受到排气温度的限制，无油双螺杆压缩机的单级压比一般为3～4。

（2）喷油双螺杆压缩机

该型压缩机采用一对高精度阴、阳螺杆相互啮合在一个单壳体的腔室里，阴、阳螺杆两端分别采用轴承支撑。压缩机在运行过程中需要在压缩机腔室中喷入特定润滑油，形成油膜，起密封、冷却和润滑的作用。

（3）无油与喷油螺杆压缩机对比

根据无油和喷油双螺杆压缩机的结构，其各自优缺点对比分析如表5所示。

表5　无油与喷油螺杆压缩机对比

4.4低压气增压压缩机工艺流程

根据无油和喷油螺杆压缩机的特点，在对低压气回收压缩机进行设计时分别需要配置不同的工艺方案和相应的辅机设施。

伴生气中含有一定量的重烃和水分，在增压后冷却会形成液态，所以需要根据无油和喷油螺杆压缩机的特点，设计不同的低压气回收压缩机工艺方案和相应的辅机设施。各压缩机工艺流程设计如图7、8所示。

图7　无油双螺杆压缩机工艺流程示意图

图8　喷油双螺杆压缩机工艺流程

通过图7可以看出，低压储罐的伴生气体可以直接进入无油双螺杆压缩机进行增压，经过两级增压后，伴生气体经过气液分离器，分离出析出的液相（重烃、水）进入排放系统，增压后的气相进入后续主工艺系统。压缩机的流量通常采用变频器来调节。

通过图8可以看出，低压的伴生气需要先脱出重烃后才进入螺杆压缩机，同时需要在压缩过程中喷入冷却润滑油，压缩后的油气混合物通过后置的高效油气分离器进行分离，液相冷却后进入润滑油箱进行循环使用，气相进入后续主工艺系统。该螺杆压缩机可以配置气量调节滑阀（10%～100%）和压力调节滑阀来实现不同流量的调节。

通过上述分析可以看出，无油双螺杆压缩机和喷油双螺杆压缩机均可以满足于低压气回收工艺的要求，但各自有相应的优缺点：无油双螺杆压缩机单级压比相对较低，需要采用变频器进行流量调节，但是压缩介质不会与润滑油接触，压缩过程不会对伴生气产生污染；喷油双螺杆压缩机需要提前分离出伴生气中的重烃，压缩过程可能会对润滑油或伴生气产生影响，但是可以实现较高单级压缩比，且不需要再配置流量调节装置。

5　经济性分析

经过对近期海上油、气田中低压气回收装置的设计，产生的效益统计如下：

在渤海某油田的中心处理平台上，设置了一套油田低压气回收装置，对二级分离器后的伴生气进行回收和再利用：该装置采用无油双螺杆压缩机进行增压，最大可以回收约300 Sm3/h低压伴生气，年回收总气量约2.5×106m3，回收气可以发电约6.25×106kW·h/a，减少二氧化碳排放约6231 t。

在南海某气田的中心处理平台上，设置了一套气田低压天然气回收增压装置，对凝析油缓冲罐后的天然气进行回收和再利用：该装置采用无油双螺杆压缩机进行增压，最大可以回收约3097 Sm3/h低压天然气，年回收总量约2×107m3，回收气可以发电约5×107kW·h/a，减少二氧化碳排放约49850 t。

6　结语

通过上述分析可以看出，在海洋石油开发过程中无论是油田还是气田都会产生一定量的低压伴生气，对这部分伴生气的增压回收和利用，需要根据油、气田的特点分别配置相应的工艺设施，以最大限度的利用低压力、小流量伴生天然气；同时还需要根据伴生气组份的选择相应的增压设备，用以满足低压伴生气的增压要求。主要结论如下：

（1）海上油田的低压气回收增压系统推荐在二级分离器后设置低压气回收装置；海上气田的低压气回收系统推荐在三级处理设施（凝析油缓冲罐）后设置低压气回收增压装置；

（2）低压气回收增压装置主要包括：洗涤器、入口冷却器、增压压缩机、后冷却器等设备，其中增压压缩机推荐采用双螺杆压缩机，而选用喷油双螺杆压缩机还是无油双螺杆压缩机，需要根据回收伴生气参数的特点来确定。

［1］周国良.压缩机维修手册［M］.北京：化学工业出版社，2010.

［2］郝点，魏统胜，胡丹梅，等.压缩机手册［M］.北京：中国石化出版社，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，工程师，2008年毕业于中国石油大学，现从事海洋工程机械设备选型设计工作。E-mail:xuhb4@cnooc.com.cn.

2014-12-16