海上油气田二氧化碳回注压缩机组选型研究.pdf

第1 期 一 2 3一 海上油气田二氧化碳回注压缩机组选型研究 侯广信，刘维滨，王文祥 中海油研 究总院 ， 北京 1 0 0 0 2 8 [ 摘要]本文阐述了国内某海上油田回注二氧化碳开发方案研究内容，分析了二氧化碳回注压缩机特性。基于海上平台二 氧化碳回注压缩机较陆地管道压缩机具有压比高、逐年流量变化大等差异，结合考虑海上平台对设备尺寸和重量限制，对 二氧化碳回注压缩机组选型开展了比选研究分析，对于所需压缩功率高且出口压力高的工况，回注压缩机宜采用多级离心 式压缩机。通过研究分析，旨 在为海上油气田二氧化碳 回注开发技术提供参考。 [ 关键词]海上油气田；平台；二氧化碳；回注压缩机 油 气 田开 发 过程 中 ，油 田伴 生 气和 气 田产 出天然气通常含有不同浓度 的二氧化碳 ，由于二 氧化碳的温室效应 以及对设备和 管线 的腐蚀等不 利影响 ，制约 了部分高二氧化碳含量油气 田的开 发 。 目前个别油气 田开 展 了二氧化碳地层埋存或 回注驱油等尝试 ，其 中北海S l e i p n e r 天然气 田己尝 试将二氧化碳 回注地下盐水层进 行封存 ，国内也 对二氧 化碳埋 存技术进 行 了研 究探索 ⋯[ 2 】 ， 由于 二氧化碳埋存对埋藏地质条件 的要求苛刻 ，限制 了该方法 的推广 。而采用二氧化碳进行 回注驱油 不仅有利于环境保护 ，同时有助于提高油 田采 收 率 ，在部分陆地油气 田开发中得到应用[ 3 】 【 钔 ，但因 海上油气 田平 台设备空 间有 限、重量受控、脱碳 成本较 高等 因素 限制 ， 目前 国内海上油气 田开发 中尚无应用 。二氧化碳 回注压缩机组作为关键设 备之 一，其选型设计直接影响到油气 田后期生产 的经济性和可靠性 ，另外 ，由于二氧化碳本身的 特性，其设计也不 同于普通天然气管道压缩机 [ 5 】 。 本文 以某海 上油 田回注二氧化碳开发方案研究为 例 ，对 二氧化碳 回注压缩机进行 了理论分析 ，结 合海上 油气 田平 台特点 ，对二氧化碳 回注压缩机 组选 型进行 了详细研 究，旨在为海上油气 田开发 二氧化碳 回注技术研究提供参考。 1 二氧化碳回注压缩机特性 1 ． 1二氧化碳特性 二氧 化 碳在 2 0 世 纪 初期 被广 泛 用作 天然 制 冷剂 引 ，二氧化碳为不燃气体 ，临界压力为7 ． 2 8 MP a ，临界 温度 为31 ． 1 ℃，三 相 点压 力为 0 ． 5 2 MP a ，温度为一 5 6 ． 6 ℃，0 ℃条件下饱和压力为3 ． 5 MP a ，二氧 化碳相 图如 图1 所示 。当压力低 于临 界点压力 ，温度小于露点温度 时，二氧化碳将处 于气相 ；当压力高于临界点压力 ，温度底于临界 点温度 ，二氧化碳将处于液相 。同时二氧化碳存 在超临界相 ，此时密度 较高。实际二氧化碳回注 过程 中回注气除二氧化碳外仍含有少量 甲烷、乙 烷 、丙烷等烃类 ，混合气体相 图较纯二氧化碳有 所变化 ，实 际设计 回注压缩机时需避免二氧化碳 的液化 。 图1 二氧化碳相图 1 ．2二氧化碳 回注压缩机 压 缩机 可分为 容积式压缩机和速度式压缩机 两 大类 ，其 中以离心式压缩机 、往复式压缩机 、 螺杆式压缩机较为常用，分别适用于不 同流量和 压 力工况 。以多级离心式压缩机为例 ，理论压缩 功率N可采用下式估算 一 兰 1 0 - - ⋯ 3 6 0 0l， 7 p k 1 作者简介侯广信 1 9 8 3 一，男，山东人，2 0 0 5 年中国石油大 学 华东毕业 ，硕士 ，高级工程 师。现从事海洋工程设计工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 一 2 4 一 ■ 论文广场 石 油 和 化 工 设 备 2 0 1 6 年 第1 9 卷 式 中，G。 为压缩机气体质量流量 ，k g ／ h ；H为 压缩机气体压头，J ／ k g ； r l 。 为压缩机多变效率。 式 1 中压缩机气体压头H由下式计算 一 Z R I I1 7q 一 1 m 1 l 一 ．． ． } i 一 一 l f2 一 i j 一 式 中，m为多变过程指数 ；z 为气体平均可压 缩系数 ；R为气体常数； e为名义压力比；T i 为进 气温度，K。 可根据压缩机气体流量、组分 、进气压力、 进 气 温度 、压 缩机 压 比 、压 缩机 出 口压 力等 参 数 ，估算压缩功率 。对于往复式压缩机通常适 用 于中小流量和 中高压力 ，由于海上平 台对重量和 尺寸的限制 ，单台压缩功率一般不超过3 5 0 0 k W； 对于螺杆式压缩机在低 中压和 中小流量范围内有 一 定应用，但是 出口压力一般不超过4 MP a ；对 于 大流量和高压力工况宜采用多级离心式压缩机 。驱 动机可采用燃气透平 、天然气发动机、电动机。 2二氧化碳回注压缩机选型研究 2 ． 1 设计参数 某海上油 田回注二氧化碳开发方案研究中，根 据油藏开发方案 ，油田生产后将伴生大量天然气， 伴生气 中平均二氧化碳含量高达6 5 ％，开发难度 大。考虑环境影响和经济效益 ，采用二氧化碳驱油 作为一个研究方案，该方案将开采 出来的油气水进 行三相分离，气相经脱碳后天然气增压外输至陆地 终端 ，二氧化碳经压缩机增压后回注。回注气组分 如表1 所示，其中二氧化碳含量高达9 6 ． 8 3 ％。 表l回注气摩尔组分 体积分数，％ 回注气逐年回注量和回注参数如表2 所示。 表2回注气逐年回注量和回注参数 年份 注气量／ 1 0 S m ／ d 入口温度／ ℃ 入口压力／ k P a A 出口压力／ k P a A l 3 0 4 0 1 0 O 2 2 5 0 0 2 8 0 4 0 1 0 0 2 2 5 0 0 3 2 3 5 4 0 l O 0 2 2 5 0 0 4 2 9 2 4 0 1 O 0 2 2 5 0 0 5 3 3 5 4 0 1 O O 2 2 5 0 0 6 3 91 40 1 0 O 2 25 00 7 4 2 5 4 0 l O O 2 2 5 0 0 8 4 5 4 4 0 1 0 O 2 2 5 0 0 9 4 7 5 4 0 1 O 0 2 2 5 0 0 1 O 497 40 1 0 O 2 25 00 1 l 5 0 0 4 0 1 O O 2 2 5 0 0 1 2 5 0 5 4 0 1 O O 2 2 5 0 0 1 3 5l O 40 1 0 O 2 25 00 1 4 51 5 40 l 0 O 2 25 00 1 5 50 8 40 1 O 0 2 25 00 1 6 5 25 40 l 0 0 2 25 00 2 ． 2 回注压缩机选型分析 根据表2 的 回注气 逐年 回注量和 回注参数 分 析 ，本项 目回注压缩机压比达2 2 5 ，远高于文献【 9 】 陆地管道压缩机站的压 比1 ． 4 ～ 1 ． 5 ；回注压缩机出口 压力达2 2 ． 5 MP a ，高于管道压缩机通常的出口压力 1 0 MP a 。海上平 台与陆地管道压缩机不同，逐年流 量变化差异较大，最小流量年时压缩功率仅为3 8 0 0 k W，而最大流量年时压缩功率达5 7 8 0 0 k W。同时由 于海上平 台结构设计和施工船舶资源能力的限制， 海上平台对设备的尺寸和重量有严格 的限制。设备 选型中在考虑设备初期投资和后期操作费的同时， 需考虑设备对平台面积和重量的影响。上述因素给 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第1 期 侯广信等 海上油气田二氧化碳回注压缩机组选型研究 一 2 5． 海上平台压缩机选型带来了困难和挑战。 由于本 项 目所 需压缩功率 高且 出 口压力 高， 结 合本文 1 ． 2 节分 析 ，适合 采用 多级离 心式压缩 机 。考虑尽可能采用等温压缩，离心压缩机分为 四段 ，每段之 间设置级间冷却器 。对于离心压缩 机驱动形式 ，可采用燃气透平驱动或采用 电动机 驱动 。由于该平 台所需电力 由平 台 自带 的燃气透 平发 电机组供 电，若采用电动机驱动 需考虑增大 该平 台电站能力 。基 于以上分析 ，需针对燃气透 平驱动压缩机方案和 电动机驱动压缩机方案进行 比选研究和分析。 2 - 3回注压缩机选型方案 比选 燃气透平驱动压缩机方案和 电动机驱动压缩 机方案进行比选如表3 所示，考虑压缩机不同分段 方式 ，分为一个驱动带动 两段压缩机和四段压缩 机两个方案。 表3燃气透平驱动方案和电动机驱动压缩机方案比选 项目 燃气透平驱动一拖二 燃气透平驱动一拖四 电动机驱动一拖二 电动机驱动双输出一拖四 单台压缩机功率／ k W 8 1 0 0 1 6 0 0 0 8 1 0 0 1 6 0 0 0 单 台压缩机撬重量／ t 1 2 0 t ／ 1 5 0 t 2 2 0 t 9 0 t ／ 1 2 0 t 1 7 5 t 变频器房间面积／ m 2 N A N A 1 6 0 m 2 1 0 0 变压器房间面积／ m 2 N A N A 1 6 5 m 1 3 5 m 2 变频器和变压器重量／ t N A N A 2 8 7 2 新增电站投资／ 万美元 N A N A 5 1 0 0 5 1 0 0 总投资／ 万美元 l 2 8 3 0 l 2 3 3 0 1 4 1 8 0 1 3 5 8 0 总面积／ m 2 1 7 4 0 1 4 4 2 1 8 9 8 1 7 8 6 总重量／ t 1 3 5 0 1 1 0 0 1 9 3 0 1 8 5 5 分别从压缩机 台数、尺寸 、重量和投资等方 面分析，从表3 可 以得知 ，采用 电动机驱动方案， 虽压缩机组投 资较采用燃气透平驱动低，但 由于 需增大平 台电站 能力 ，同时增加变频器和变压器 等配 电设 施 ，方案 总投 资较 高 ，尺 寸和 重量 较 大；在技术允许条件下 ，采用一个驱动带动多段 压缩机方案投资较低 ，占地面积及重量较少 。 3结论 本 文 以某海 上油 田回注二氧化碳开 发方案研 究为例，针对海上平台二氧化碳回注压缩机与陆 地管道压缩机 的差异进行了分析，考虑 回注压缩 机压 比高 、逐年流量变化大 、海上平台对设备尺 寸和重量 限制严格等因素，对二氧化碳 回注压缩 机组选型开展了比选研究和分析，得到结论 1 对 于所 需压缩 功率 高且 出 口压力 高 的工 况 ，回注压缩机适合采用 多级离心式压缩机 ；在 技术条件允许的情况下建 议采用一个驱动 带动 多 段压缩机方案 。 2 对于离心压缩机方案 比选 中，考虑海上平 台的特点，除需对压缩机组不 同驱动形式本身 的 特点分析外，需重点关注不同驱动形式对平台自 带电站、 占地面积和重量等方面的影响。 3 由于经脱碳装置处理后的二氧化碳气压力 低 ，而井 口回注压力要求高 ，导致 回注 压缩机压 比高 ，所需压 缩功率大 ，回注压缩机组造价高， 影响项 目经济 效益。在进一步优化提高回注压缩 机效率的 同时，需尽可 能降低 回注压力，或采用 不脱碳天然气进行 回注驱油。 ◆参考文献 [ 1 】郑晓鹏． 海上天然气田伴生C O2 的海上捕集及回注技术 [ A 】 ． 2 0 0 7 年度海洋工程学术会议论文集[ C ] ． 中国造船编辑 部 ，2 0 0 7 ，3 0 9 ． 3 1 4 ． [ 2 】 景风江，宋春华． 二氧化碳埋存技术在我国海上气田的应 用与思考[ J 】 ． 油气藏评价与开发，2 0 1 1 ，3 4 5 2 0 - 2 3 2 8 ． [ 3 】 魏然． 二氧化碳 回注技术用于 中原油 田气驱采油[ J ] ． 油气 田 地面工程 ，2 0 1 2 ，3 5 1 2 、 9 8 - 9 9 ． [ 4 ] J o h n 1 ． C a r r o l l ，S h o u x i Wa n g ，汤林． 酸气回注一酸气处理 的另一途径[ J 】 ． 天然气工业，2 0 0 9 ，2 9 1 o 9 6 ． 1 0 0 1 4 7 ． 1 4 8 ． [ 5 ] 卢鹏飞． 天然气管道离心式压缩机组一各种驱动机选择【 J 】 ． 天然气与石油 ，2 0 0 9 ，2 7 r 4 1 1 - 4 6 3 ． 【 6 】 D a v i d e Bo n a l u mi ， An t o n i o G i u f f r i d a ， Gi o v a n n i L o z z a ． A s t u d y o f C02 c a [ I t u r e i n a d v a n c e d I GC C s y s t e ms b y a mm o n i a s c rub b in g [ J ] ． E n e r g y P r o c e d i a , 2 0 1 4 ， 4 5 6 6 3 ． 6 7 0 ． 【 7 】 J u r g e n S u B ， H o r s t K m s e ． E ffic i e n c y o f l h e i n d i c a t e d p r o c e s s o f C O ． c 0 删玳s s o 璐 ．I n t ． J o u ma l o f R e f r i g e r a t i o n , 1 9 9 8 ， 2 1 3 1 9 4 - 2 0 1 ． [ 8 】Ma n H o e Ki ma ， J o s t e i n P e t t e r s e n b ， C l a r k w． B u l l a r d ． F u n d a me n t a l p r o c e s s a n d s y s t e m d e s i g n i s s u e s i n CO，v a p o r c o mp r e s s i o n s y s t e ms [ J ] ． P r o g r e s s i n E n e r g y a n d C o mb u s t i o n S c i e n c e ， 2 0 0 4 ， 3 0 1 1 9 1 7 4 ． [ 9 ] 唐善华，陈向新． 关于西气东输管道压缩机站的优化布置 及机组配置的探讨【 J ] ．石油工程建设，2 0 0 3 ，2 9 1 1 2 ． 1 4 3 - 4 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m