水下增压泵在水下生产系统中的应用

侯莉,付剑波,石磊,赵瑞云,何鑫

（海洋石油工程股份有限公司，天津塘沽，300451）

1 概述

随着经济的不断发展，世界各国对油气资源的需求越来越大。水下生产系统以其技术优势、可观的经济效益得到广泛的关注和应用。使用水下生产技术可以避免建造昂贵的海上平台，从而节省大量投资。水下生产系统适用于边际油田和深水油气田开发。

水下生产系统通常依靠自身压力进行开采。而对于某些少数水下生产系统，需要借助注水/注气或采用水下增压泵以保持系统压力。开发某些水下生产系统，其存在水深较深、重稠油、油藏储量小、储量不明或低采收率、流体低压/极高压、流动保障要求、回接距离远、一期增压泵成熟使用等情况，可考虑采用放置在海床上的水下增压泵进行开发。

采用水下增压泵进行油气开发，可有效增加采收率，促进生产，简化上部平台等基础设施。如下图所示：

图1 利用水下增压泵增加采收率示意图

2 水下增压泵在水下生产系统中的应用

某油田水下生产系统包括3口水下采油树，水深约500米，油气产出物回接至某上部海上平台。采用水下生产系统开发方案，采用水下增压泵举升的采油方式，可实现油田的高速高效开发，提高采收率。某油田地质油藏特征表明，砂岩油藏物性好、产能高、地层能量充沛，利用地层能量将流体举升至海底，再利用增压泵进行开采。

2.1 水下增压泵总体要求：

水下增压泵系统包括集成在水下管汇上的水下增压泵模块、布置在上部平台上的增压泵的相关动力和控制设备，包括MCS,EPU,VFD,HPU，BPU(隔离液单元)等。以及脐带缆中与增压泵相关的组成部分，增压泵操作、安装、回收专用工具等。

水下增压泵模块集成在水下管汇上，水下增压泵模块设计为可回收形式，可提升至水面上进行维修，并使用ROV进行连接和解脱。水下增压泵应设计适应水深。根据某油田现在油藏配产和操作条件，增压泵输送过程中不会出现气体，水下增压泵采用单相泵。单相泵能够适应的GVF（gas volume fraction）范围为0～10%。

在水下增压泵维护方面，应了解增压泵的水下维护空间、安装维修工具等需求，将在设计中予以体现。

2.2 水下增压泵模块设计：

某油田增压泵模块的尺寸约为4mX3.5mX6m，重量约为50吨。水下整个增压泵模块包括泵体、马达箱、泵工艺管线接口、控制接口/隔离液接口/HIGH VOLTAGE接口的ROV操作面板的模块结构。

水下增压泵采用立式泵，泵轴和马达竖直安装，马达箱位于泵体上方。马达配置上部组块上的VFD，以满足水下增压泵设计年限内的各种工况。

水下增压泵的工艺进出口管线接口位于泵体正下方，增压泵进出口管线采用水下垂直连接器与管汇上管线接口进行快速精准连接，同时方便提升水下增压泵时与管汇上管线解脱。

水下增压泵ROV操作面板全部设置同一面上，以方便ROV水下连接及操作。操作面板包括控制电飞线、液压飞线（包括液压/化学药剂）、隔离液飞线、HIGH VOLTAGE飞线等接口。

水下增压泵ROV操作面板一侧的管汇保护罩为敞开式设计，而其它3面均可设计为用保护罩进行保护，以最大限度地保护管汇内部设施和泵体。增压泵设置ROV操作抓手，ROV操作面板应方便ROV连接及操作，应位于1.5米泥线以上，并且需要考虑ROV操作空间。

水下增压泵顶部设有吊耳，由于水下增压泵维修时需要提升，应在泵体上方的管汇保护罩上设置顶部开门，实现泵体提升及保护泵体的作用。水下增压泵模块设置导向杆。

2.3 水下增压泵性能要求：

水下增压泵在一定水深扬程范围内日趋成熟。某油田水下生产系统管汇上地水下增压泵采用API 610多级单相离心泵，配有变频装置。泵轴功率在各工况下保持在75%以上，泵气NPSH小于允许NPSH至少1m。泵曲线稳定。若初期生产时存在明显的流量较少时，水下增压泵还要有流量回流的功能要求。

图2 水下增压泵示意图

图3 水下增压泵工艺管线进出口示意图

水下增压泵的转速、流量、扬程、级数等参数按照油田的流体压力、温度、流量、油气组分进行确定。

某油田水下增压泵电机电压为6.6KV ，马达配置上部平台组块上的VFD，以满足水下增压泵设计年限内的各种工况。水下增压泵控制系统与水下生产系统集成在一起，与水下管汇共用同一个SCM。

水下增压泵使用隔离液系统的主要作用为，保护马达避免进入海水或生产流体；为增压泵提供冷却液；为轴承和机械密封提供洁净的润滑液。隔离液管线采用双相不锈钢或更好的材料。系统中需要布置滤器，隔离液清洁等级按照SAE AS 4059 class 6B-F或更高。隔离液系统需布置蓄能器，其工作压力、供给/回流流量、冷却增压泵用量需经过计算满足使用要求。隔离液系统可在上部平台远程监控。隔离液的选择需要对环境友好、高效技术成熟的产品。

2.4 水下增压泵的材料、密封、防腐及标识：

水下增压泵是水下生产系统的重要设备，材料选择应与内部油气介质相适应，材料选择要求较高。某油田水下增压泵泵体选用超级双相不锈钢，叶轮、壳体耐磨环、轴承、轴套选用超级双相不锈钢带碳化钨涂层，泵轴选用inconel625。

水下增压泵密封采用机械密封，与环境的密封采用金属密封。

水下增压泵模块应进行水下防腐设计，设计防腐涂层和布置阳极，并保证所有组成部件的电连续性。防腐设计应满足20年自保护。

水下增压泵要有明显的标识，字高及颜色满足ISO13628-8的要求。标识要在设计年限内保持清晰可见并考虑潜在的海生物影响。

2.5 水下增压泵振动要求：

水下增压泵是垂直悬挂泵，其振动由厂家考虑，以满足泵和电机的振动要求。增压泵的平衡设计通过单独的叶轮平衡、相对叶轮布置或采用平衡活塞。在水下增压泵的工厂测试期间，在轴承箱或附近的压力套管上测量，对于整个工作范围内的垂直悬挂泵，按照API610要求其泵振动速度不得超过5.0mm/s，按照API541要求马达振动速度不得超过2.8mm/s，使用加速计对增压泵进行振动监测。同时，建议在增压泵底部支撑上设置缓冲装置，也可减少泵的振动对水下管汇的影响，以保护水下管汇上的设备设施。

2.6 水下增压泵的备用方式：

水下增压系统重要性高，水下增压泵需要配置为一用一备。需要考虑合理的备用原则，某油田对四种备用方式进行比选：

方式4不设初始备用，模块故障后，新购模块投用初始投资 高 较高 无 无初始采购周期 约20个月 备用模块延后备用方式 方式1备用水下增压模块整体方式2备用水下增压模块核心部件方式3不设初始备用，模块故障后回收、维修、再投用约20个月 约20个月 约20个月第一套模块故障后，水下增压模块再投用耗时 0.5个月 3～7个月 19个月 22个月以往项目情况 多 极少 无 无

综合以上条件进行比选，某油田推荐使用备用水下增压模块整体的备用方式。

2.7水下增压泵的安装：

水下增压泵通常体积较大，重量较重。若与管汇一起安装，则整体重量非常重，可选择安装船舶的资源受限。因此，某油田水下增压泵单独安装下放。水下增压泵应设计安装工具框架，及导向装置。

3 结语

本文通过水下增压泵在某项目中的应用，阐明了水下增压泵的用途，总结了水下增压泵的总体要求、水下增压泵模块在水下管汇上的布置、水下增压泵的技术要求、水下增压泵的材料、密封、防腐及标识、水下增压泵的振动要求、水下增压泵的备用方式、水下增压泵的安装等方面的技术要求，对需要用水下增压泵的水下生产系统的提供了设计思路。