深海油氣增壓系統發展現狀與展望

劉 鵬，王旺球，陳剛強，王大鵬,2

（1.中船重工第七一三研究所，鄭州 450000；2.哈爾濱工程大學，哈爾濱 150001）

0 引言

深海洋底資源豐富，將成為人類未來的重要能源基地[1]。目前世界深海油氣探明儲量已探明儲量達500×10 bbl油氣當量，占海洋油氣資源的65%以上[2]。雖然深海蘊藏資源豐富，但由于深海高壓、低溫、難以維護的惡劣環境，其開發面臨巨大的挑戰。對于深水開采，傳統開采平臺的造價會隨水深的增加而急劇增長，以至增加到在經濟上不可行[3]。為了降低深海油氣的開發成本，各國紛紛將目光轉向性價比更高、更為先進的水下生產系統。

在國內，中海油和加拿大赫斯基能源公司協作開發南海超千米水深的荔灣3-1氣田，于2014年投入深海天然氣生產[4]。在國外，海工研制與建設能力全球領先的美國和挪威等歐美發達國家早在上世紀80年代已經實施深海氣田的開采[5]。深海油氣的開采起初依靠海底井口高壓克服重力和摩擦阻力，使油氣經過遠距離回輸管道登海上油氣處理平臺。但隨著深海油氣的開采，海底井口壓力逐年降低，油氣采收率下降造成井口提前廢棄。以荔灣3-1深海氣田為例，深水海管登平臺壓力在開采的第4年（2018年）就由7.6 MPaA降為2.6 MPaA[6]，極大降低了油田采收率。為了解決此問題，挪威 Kjell Olav Stinessen從1985年提出了海底油氣增壓系統想法并引起了廣泛關注，其極其可觀的預期收益使多個知名海工公司、研究機構、相關供應商投入到海底油氣增壓系統相關工程上來[7]。

截止目前，已有多個深海油氣增壓項目落地或在研，這些項目多數集中在挪威北海的大型深海氣田，本文總結了當前3個主要的深海油氣增壓項目，并依托2015年建成的?sgard深海油氣增壓項目對該技術進行詳細介紹。

1 國外主要深海油氣增壓項目

目前國外主要的3個深海油氣增壓項目主要集中在挪威北海，分別為 ?sgard、Ormen Lange和Gullfaks深海油氣增壓項目。其中?sgard和Ormen Lange深海油氣增壓項目利用先氣液分離再進行海底增壓的技術，Gullfaks深海油氣項目采用更先進的多相泵進行海底增壓技術，即在海底增壓前不進行氣液分離。深海油氣增壓項目耗資巨大，但效果和收益非常可觀。以?sgard深海油氣增壓項目為例，挪威國家石油公司共投入資金190億挪威克朗（約合22.74億美元），從2005年開始研究，技術可行性論證到投入使用共耗時10年。已經建成的增壓系統可對52個海底井口進行增壓服務，受益于該油氣增壓系統的兩大海底油氣開采場Midgard和Mikkel，油氣產率分別由67%和59%提高至87%和84%，使?sgard油田延壽至少15年。至2032年，總增產量預計達2.78億桶當量原油，按目前（2017年12月）國際原油價格57.74美元/桶計算，總價值約160.52億美元，圖1為?sgard深海氣田增壓系統增產示意圖。

?sgard目前已投入使用，Ormen Lange和Gullfaks深海壓縮系統目前尚處于研制階段。全球主要深海油氣增壓系統設計參數如表1所示。

表1 全球主要深海油氣增壓系統工程設計參數

Ormen Lange項目和?sgard項目增壓原理相同，但前者設計增壓值更大，油氣回輸距離為 120 km的超遠距離輸送，設計流量也為后者的 2.4倍。Gullfaks深海壓縮系統設計參數較Ormen Lange和?sgard項目低，但是采用了海底多相流增壓，簡化了系統結構，將壓縮系統的體積降低了4倍～5倍。由于大功率深海電機的研制瓶頸，3個項目均采用2個并列的壓縮單元進行增壓，以達到需求的增壓至和日流量。?sgard項目由于沒有前車之鑒，在陸上額外配置1臺備用壓縮機，縮小系統工程出現風險的概率，目前該項目已成為深海油氣增壓的典范工程[8]。

2 ?sgard 深海油氣增壓系統工程

2.1 系統工程組成及工作原理

?sgard深海壓縮系統已于2015年9月正式投入使用，是世界上第一個全尺寸深海油氣壓縮系統工程，項目研制經驗具有重要的借鑒意義。?sgard深海油氣壓縮系統工程主要包括5大部分：1）深海油氣壓縮系統；2）海上作業補給船?sgard A；3）半浮式海上油氣處理平臺 ?sgard B；4）液化氣運輸存儲船Asgard C；5）遠距離回接海底管道。圖2為系統工程組成示意圖。

深海油氣經過Asgard油田Midgard和Mikkel兩個采油場采出后，經過海底管道傳輸至管匯系統，管匯系統根據2個并列壓縮單元的工作狀態將原始油氣進行分配。壓縮系統將管匯系統輸入的油氣進行增壓，通過海底管道將油氣回輸至 45 km外的Asgard B半浮式油氣處理平臺作進一步處理，最終由液化氣運輸存儲船 Asgard C輸送至陸上油氣處理終端。

圖2 挪威Asgard深海遠距離回接系統示意圖

2.2 增壓系統組成及工作原理

增壓系統是 ?sgard深海油氣增壓系統工程的核心。該系統采用模塊化設計，下部為支撐底座，所有模塊安裝在一個74 m×44 m×24 m（長×寬×高）的鋼結構保護框架內，系統利用大型吸力錨在海床上的定位。增壓系統內部主要由入口冷卻器、分離器、液態泵、濕氣壓縮機、出口冷卻器和油氣混合裝置共6個部分組成，主要組成部分如圖3所示。

圖3 增壓系統內部主要組成圖

在油氣進入每個壓縮單元之前，油氣先要經過冷卻器進行冷卻。冷卻后根據液體和氣體密度不同，油氣進入分離器進行離心分離，之后氣體進入運行功率為11.5 MW的油氣壓縮機進行增壓，液體進入運行功率為500 kW（第一單元）或者350 kW（第二單元）的液態增壓泵進行增壓。增壓后氣體通過管道流入輸出冷卻器進行降溫以保護生產線，并在匯流裝置內與液態油匯合后進入管匯站，通過遠距離傳輸海底管道輸送至45 km外的半浮式油氣處理平臺進行處理。壓縮機和液態泵輸出管路后必須接管至輸入冷卻器前端，并配備控制閥門，以防止輸入油氣流量降低造成輸出高壓油氣回流，導致壓縮機和液體泵的喘振造成嚴重事故。單個壓縮單元工作原理如圖4所示。

圖4 單個壓縮單元工作原理圖

2.3 關鍵技術

2.3.1 MAN RB 45型號11.5 MW深海電機技術

壓縮系統總承包商 Aker Solution公司采用MAN RB45型號全密封無極調速深海濕氣壓縮機，功率最大11.5 MW，轉子可達9 175 r/min。采用6級壓縮[9]。深海環境下可靠工作20年～30年。濕氣壓縮機包括大功率電機和壓縮機兩部分，共用同一個轉子，無聯軸器，使轉子姿態控制降低為7個空間自由度，采用主動磁懸浮軸承進行控制。濕氣壓縮機采用工藝氣進行冷卻，盡管之前工藝氣已和液體進行分離，但并不完全，冷卻氣須進入過濾器進行除污，保證壓縮系統內部長時間正常運轉。壓縮機采用特殊的流道設計，電機端壓力分配大于壓縮機端壓力分配，經過濾的干凈工藝氣，流經電機將雜質吹入壓縮機端，部分工藝氣作為冷卻氣經過濾器由電機尾端充入，防止電機內部材料被濕氣腐蝕，避免帶電離子與電機磁場相互作用，MAN RB45深海電機工作原理如圖5所示，結構模型如圖6所示。

圖5 MAN RB45油氣壓縮機冷卻與氣體補償原理圖

圖6 MAN RB45深海油氣壓縮機模型

2.3.2 高精度超高速主動磁懸浮軸承技術

高精度超高速主動磁懸浮軸承功率5 kw，可通過調節7個自由度來控制轉子姿態，高頻傳感器監測頻率15 000 Hz，控制器反饋信號頻率4 000 Hz，磁路系統經過優化使渦流效應得以最小化。軸承高負載能力最高達30 kN（徑向）和80 kN（推力）。軸承材料不含有色金屬，增加材質對油氣腐蝕的不敏感性，運行過程中可用化學試劑進行洗滌（如乙二醇）。軸承材質加工采用真空壓力浸漬（VPI）技術，可用于惡劣環境（例如酸性氣體環境）。

高精度超高速主動磁懸浮軸承系統的閉環控制原理如圖7所示。轉子運行過程中，傳感器實時監測轉子位置，并將位置信息變為數字信號提交至控制器，控制器經過計算將反饋信號提交至功放，將放大后的控制電流導入執行線圈，對轉子位置進行矯正。此外，該軸承系統還配備有狀態監測系統，可對轉子和軸承的振動、動平衡及溫度進行實時監測，磁懸浮軸承的主控制柜不在水下。

圖7 7 SKF S2M超高速主動磁懸浮軸承控制原理圖

3 展望

?sgard深海油氣壓縮系統工程將之前陸上的深海油氣轉運與處理移至海底，是名副其實的海底油氣工廠。但海底增壓系統工程的建設在全球范圍內剛剛拉開序幕，仍存在大量改進與突破的空間。當前深海油氣的壓縮正朝著輕量化、多相流增壓、更深海域方向發展。

3.1 輕量化

輕量化是指在實現核心功能的情況下進行系統減重，去掉冗余構件以減小模塊體積，或將2個模塊合為一體以縮減模塊數量，最終目的是提高系統部署的靈活性。輕量化可減少設計工作量，降低安裝成本和運營成本，提高設備可靠性，以更低的代價進行深海油氣增壓。

3.2 多相流增壓

多相流增壓是指增壓系統利用多相流壓縮機直接壓縮從采油樹輸入的原始油氣，無需經過分離器進行分離，使結構大幅簡化，多相流工作原理如圖8所示。目前挪威 Aker Solution海工公司和美國OneSubsea已經開展多相流增壓相關工作，后者已研制出可用于深海油氣壓縮的多相流壓縮機，用于中短距離（15 km）的油氣增壓回輸，在遠距離油氣增壓回輸領域尚未涉及，后期仍有大量技術改進與突破的空間。

圖8 多相流增壓原理圖

3.3 更深海域

目前挪威北海的三大深海增壓項目平均工作深度在900 m水深以內，而1 000 m以下水深有大量油氣資源需要開發，比如我國荔灣3-1氣田，采油樹多在水下1 500 m水深工作，這就迫使深海增壓技術向更深的海域發展，使更多的深海油氣資源在可開采范圍內。

4 結論

隨著世界海洋經濟的快速發展，國家之間的海洋經濟競爭呈現白熱化趨勢。領先的海洋工程研制和作業技術是世界海洋開發競爭中取得主動權的重要技術支撐，雖然我國近年來科技發展迅速，但很多海洋工程領域的重大共性技術與國外先進水平還有不小差距，比如大功率深海電機技術，超高速磁懸浮軸承技術等。學習和借鑒國外海洋工程先進典范項目的成功經驗并結合我國實際國情進行吸收，是我國發展海洋工程尤其是深海工程技術的一條快速通道，在學習借鑒過程中，同時提高自身造血功能，培養海工技術人才，積淀核心技術，才能不斷增強我國海洋工程技術發展的后勁，在海洋經濟尤其是深海經濟對抗中保持優勢。