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【本周專題:深水】多級泵回接技術緩解低油價深水開發之痛(三)

多級泵回接技術緩解低油價深水開發之痛(三)

海底增壓是一種新興的深水回接開發系統,也是現存最有效、最經濟、最可持續的深水油藏開發手段。然而,現存的回接技術還很不成熟,還需要特殊的安裝方案和新技術來補充,相較于海底增壓系統處于明顯劣勢。

來自 | World oil
編譯 | 張德凱

在油價處于高位時,為了優化深水油氣開采,開發商對多種方案進行了對比,包括水驅、氣驅及其他EOR/IOR方案。在這些方案展現出提高采收率潛力的同時,也伴隨著高成本、高技術風險等問題,這些問題在高油價時期并沒有引起足夠的注意。隨著油價下跌,開發商逐漸意識到不同開發方案對最終受益的影響,對比之后發現回接方案是唯一能夠滿足當今市場狀況的開發方式。

液壓防護替代系統

ESP型海床泵輸系統

ESP能夠平衡機械密封內外壓差,無需液壓防護系統,也就避免了頂端設備及液壓管線的使用,這是ESP相對于常規設備的一大優勢,可顯著降低相關成本。但深水ESP泵、馬達發生故障的幾率較大,通常運行壽命只有2~3年,遠遠低于常規的海床泵系統。深水ESP最常見的故障之一是馬達、保護器水浸,造成馬達、動力電纜電力故障,無法正常運轉。近日,有研究顯示,ESP技術取得了一定進展,通過使用壓力密封技術,其深水應用壽命有望延長。

EagleBurgmann公司推出了壓力增強器/蓄壓器—ESPro,可以保持ESP馬達內部保持30psi的正壓,防止井下液體進入馬達,ESP的密封性更強。ESPro的內部防護油可以持續工作多年,所以也無需使用液壓防護系統,無需相應的頂端設備。傳統的ESP系統的橡膠膠囊、金屬波紋管、單向閥以及冗余機械軸承密封壓力平衡技術有望被ESPro技術取代。

多級泵回接技術緩解低油價深水開發之痛(三)

圖3.POWERJump系統,采用氣體處理葉輪,880系列馬達,產率15000~30000bpd

Aker和貝克休斯聯合推出了一款新型ESP系統—POWERJump。該系統采用高氣體處理能力的葉輪以及880系列馬達,液體產量15000~30000bpd。POWERJump是單井、雙井回接作業的絕佳選擇,其設備結構都經過優化,安裝更加簡便,安裝成本和前期成本更低(圖3)。此外,POWERJump的密封結構也得到了改善,已經通過TRL4認證,該系統有望在2017年上半年投入商業應用。

封閉馬達系統

通常來說,封閉馬達只在極端苛刻條件的ESP應用中出現,以保持ESP系統的運行穩定性。在此類應用中,ESP的運行壽命甚至達到30年。Petrobras公司安裝了世界上第一套封閉馬達/泵(CMP)系統,將其用于深水油氣開發中,采用了多相TSP泵。

Petrobras還安裝了頂端CMP設備,封閉馬達可以完美的保持馬達不被各種液體污染,定子、轉子以及機械密封都能夠長時間的保持良好狀態(圖4)。CMP不需要機械軸密封,避免了轉子泵的軸封裝置、防護油系統使用,可以大幅降低MPTB作業成本。但同時,由于產液要高速流過馬達,馬達的軸承也需要產液潤滑,所以馬達的冷卻及潤滑故障發生幾率也會有所增加。

多級泵回接技術緩解低油價深水開發之痛(三)

圖4.高穩定性的封閉馬達實例

針對此問題,本文作者建立了一個新的聯合研究課題,主要考察多相泵的軸承潤滑性能,量化故障發生幾率,并制定相關解決方案。目前,CMP的工作壓力載荷已達到5000psi,由于馬達內是密封狀態,其內部只有一個大氣壓的壓力,其余的產液壓力都要由防護罩平衡。將CMP壓力載荷提升至10000~15000psi的研究已經展開,該設計采用壓力補償技術,有望在1~2年內投入應用。同時,CMP既可以采用撬體式配置,也能采用常規ESP垂直布置的方式應用。

速率控制

在海床舉升操作中,泵速的控制通常由安裝在海平面的變速控制器VFD完成。此外,在泵啟動階段,還需使用循環量控制泵速,但總的來說VFD是主要的變速裝置。VFD的安裝需要耗費大量的工程和時間成本,其體積和重量還會對生產設施(FPSO等)造成額外的負擔,目前主要存在兩種替代方案。

VFD性能優異,在回接作業中能發揮巨大作用。以往來說,只有功率高于6MW的水下壓縮器才能使用VFD;而現在低壓VFD已經問世,可在1~4MW范圍內工作,可用于MPTB作業。

還有一些將VFD置于密閉殼體中的設計,將其與所處環境隔離,但根據以往的應用經驗,VFD的穩定性可能會降低,這是該方案的主要限制因素。據估計,在未來兩年內,將會有至少兩種此類產品投入商業應用,當然這還要取決于VFD廠家、水下密閉設備設計以及深水開發商的合作情況。

扭矩轉換器(TC)

液壓速度控制器也是一種VFD替代方案,但目前還沒有在深水作業中廣泛應用。TC是一種馬達和泵之間的液壓離合器,通過導流葉片將馬達的動能以一定比例傳送至泵,目前已經有TC與TSPs、轉子動力泵聯合使用的實例。由于TC位于馬達和泵之間,這就避免了VFD的使用。相比于VFD,TC除了可以在水下完成泵速控制,還具有一些非常明顯的優勢,如TC允許馬達在空載及額定載荷兩倍的狀態下啟動。

此外,TC還能保持馬達在恒定速率下轉動,吸收泵吸入口GVF變化引起的振動,系統工作性能更穩定。在回接作業中,只需一根壓力或電力管線即可控制泵速,TC為馬達提供的軟啟動模式也是眾多開發商追求的目標之一,所以有TC即可避免使用地面軟啟動設備,降低成本。

結論

MPTB是一種新興、低成本的深水開發方案,與常規裸管回接等技術相比,MPTB能夠顯著提高深水油藏產量和最終采收率。MPTB還大大降低了海床舉升設備的成本和復雜程度,包括簡化頂端設備和深水設備的要求、配置,可整體降低成本30~50%。

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