國內外混輸泵的發展與應用

＊嚴東寅 于曉 李焯超 倪瑋隆 魏心童 梁永圖*

（1.中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司 新疆 841000 2.中國石油大學（北京）北京 102249）

引言

目前油田現場采用的集輸方式多為油氣分輸，需要為氣相與液相單獨建設管道以滿足輸送需求，同時需要配備分離器進行氣液分離，配備泵和壓縮機以分別給氣相與液相加壓。該方法導致建設占地面積增大，工程造價較高。混輸泵作為混輸工藝的核心，可用于降低井口回壓，將氣液混合物使用同一管道進行輸送，達到簡化地面技術系統工藝流程、降低工程建設投資的目的，具有良好的經濟意義與巨大的使用潛力。目前國內外有著多種不同特點的不同類型的混輸泵，且在油田中也有了廣泛的應用。

1.混輸泵使用意義

(1)簡化工藝流程，降低工程造價

油氣分輸工藝需要較多的設備與較大的占地面積，投資較高。油氣混輸可將氣液混合物使用一根管道進行輸送，且混輸泵成本大約是傳統分離設備的70%[1]，可大大降低工程造價與簡化工藝流程。塔河油田采用混輸方式后，減少工程投資300萬元，占地面積僅為常規分輸計轉站的48%[2]。因此，混輸泵在油田中有著極大的應用潛力與使用價值。

(2)老油田及新油田開發的需要

東部老油田普遍進入高含水開發階段，這些老油田集中處理站內的處理能力多有富余。而老油田周邊發現的小型斷塊油田若采用就地處理，即新建處理站的方法會導致投資增加，因此需要使用多相混輸技術將這些斷塊油田采出物運送至已有處理站以減少投資。同時，部分戈壁、沙漠、海洋等均有新油田的發現，但油田所處位置環境惡劣，無成熟水電設施依托，新建設施投資較大，不適宜就地進行工程建設。因此需要在沙漠環境邊緣地區及近海陸地建設處理站，并通過混輸泵將采出物運送至處理站進行處理，以減少投資，增加效益[3]。

2.混輸泵種類及特點

油氣混輸工藝最先由西方國家于20世紀60年代開始進行研究，該工藝的核心為混輸泵[4]。混輸泵從結構形式來看大致有十多種不同類型的泵[5]，目前經過競爭淘汰后，可以投入工業生產的混輸泵型僅有旋轉動力式混輸泵和容積式混輸泵兩種[6]。前者主要包括螺旋軸流式混輸泵、離心泵等，后者主要包括螺桿泵、隔膜泵、線性活塞泵等[7-8]。而經過多年應用與現場試驗后，能夠投入油氣田現場應用的主要是螺旋軸流式混輸泵和螺桿式混輸泵兩種類型[9]。下面介紹這兩種常用的混輸泵型的原理及特點。

(1)螺桿式混輸泵

螺桿泵是容積式泵的一種，由泵內部幾個相互嚙合的螺桿間容積變化來輸送流體，在各大油田的應用都很廣泛，是油田混輸現場的主力增壓設備。根據相互嚙合同時工作的螺桿數目不同，常見的螺桿式混輸泵主要分為單螺桿混輸泵和雙螺桿混輸泵。

①單螺桿混輸泵

單螺桿混輸泵的傳輸部件主要由螺桿和軟質襯套組成[10]，還有皮帶輪、傳動軸與萬向軸等部分，如圖1所示。螺桿轉動時封閉腔沿軸向由吸入端向排出端方向運動，封閉腔在排出端消失，同時在吸入端形成新的封閉腔，封閉腔中的介質隨著它的運動由吸入端推擠到排出端。封閉腔不斷形成、運動、消失，引起容積的變化為介質加壓，起到泵送的作用[11]。

圖1 單螺桿油氣混輸泵Fig.1 Single screw pump

單螺桿混輸泵最大的優點是能輸送高固體含量的介質，其所能輸送的介質含固體量最高可達60%；單螺桿泵可輸送不同黏度的介質，介質黏度最高可達5×104mPa·s的介質；單螺桿混輸泵的流量與其轉速成正比，在低轉速低流量下可保持壓力的穩定，調節性能較好。

但單螺桿混輸泵也有一些局限與不足，其內部的定子多由含氟橡膠制成，該種定子不耐磨，當輸油壓力較高時容易造成機封失效漏油，故障率較高；若輸送介質的腐蝕性較高，易造成定子橡膠腐蝕；在輸送油氣兩相介質時有攪拌、有脈動；整機的使用壽命一般不超過半年，需經常更換易損件，維修費用較高。

②雙螺桿混輸泵

雙螺桿混輸泵核心部件是一對相互嚙合的螺桿轉子，是一種非密閉型的容積式泵[12]，如圖2所示。由于其非密閉式的特點，雙螺桿泵本身就可以輸送氣液兩相流體。它利用相互嚙合的主從螺桿來抽送流體，其主動螺桿由原動機驅動，并通過同步齒輪帶動從動螺桿。兩個螺桿相互不接觸，并且具有不同旋向的螺紋（若前者為右旋，則后者為左旋）[13]。主從動軸上相互嚙合的螺旋套和泵體或襯套間形成一個容積恒定的密封腔室，密封腔內的介質隨螺桿軸的轉動被送到泵體中間，最終送達泵的出口，從而實現泵輸送的目的。

圖2 雙螺桿油氣混輸泵Fig.2 Twin screw pump

雙螺桿混輸泵可用來輸送黏度范圍大的各種介質，還可氣液、固液混輸[14]。雙螺桿混輸泵具有強制輸氣（液）的特性，無論所輸送的介質的含氣率如何變化，都可被雙螺桿混輸泵強制從吸入端吸入壓縮單元，經過增壓后從排出端排出，泵的性能不會因吸入介質的含氣率的提高而大幅下降，因此它可以輸送含氣率較高的介質[15]；雙螺桿混輸泵在輸送時無攪拌、無脈動，占地面積小；介質含氣率在合理范圍內時，泵內泄漏液體較少，內泄漏率較低，容積效率較高[16]。

由于氣體具有可壓縮性，雙螺桿混輸泵在增壓過程中，若介質氣體含量較大，氣體在壓縮過程中會產生大量的熱。由于液相含量較小，氣體壓縮產生的這部分熱量不能及時被液相帶走，會導致混輸泵排出端的溫度明顯高于吸入端，前后溫差較大，嚴重時會使混輸泵內的雙螺桿部件產生變形，嚴重影響泵的壽命；由于混輸泵吸入端介質內部氣液兩相分布不均，在泵的入口管道內會產生強烈的段塞流，表現為氣液兩相交替進入泵內，泵出口壓力隨著吸入端介質的不同而發生變化。具體表現為：在氣相介質進入混輸泵時，泵的出口壓力會偏低，反之出口壓力偏高，導致不穩定工況的產生，造成混輸泵壽命的降低。若輸送介質含有固體雜質會導致橡膠定子磨損，降低定子使用壽命；由于螺桿大多使用碳鋼制成，若不涂裝防腐涂層或不做防腐蝕處理，會使得螺桿抗腐蝕性較差，在輸送腐蝕性介質時，會使螺桿受到腐蝕，降低使用壽命，進而導致泵使用壽命降低[16]。

(2)螺旋軸流式混輸泵

軸流式多相混輸泵主要由增壓單元（過流部件）、軸向力平衡裝置、冷卻系統、密封系統及軸承支撐結構等組成，如圖3所示。其工作原理為：被輸送的介質進入葉輪后，葉輪高速旋轉使得介質被加速，獲得動能。被加速的介質通過整流器時速度下降，動能轉化為壓能，介質每通過一個增壓單元便增加一部分能量，從而獲得增壓的效果。螺旋軸流式混輸泵與容積式泵的根本區別在于其壓力的增加是由能量的傳遞和轉化來實現的，而不是由單元體積的變化所引起，因此螺旋軸流式混輸泵更適用于大流量、高轉速、低含氣率的場景。

圖3 螺旋軸流式混輸泵Fig.3 Helico-axial multiphase pump

螺旋軸流式混輸泵體積小、質量輕、排量大、包角大、流道長。結構簡單緊湊，適用于深水推廣使用；葉片與導葉之間沒有內部密封，更加可靠靈活；其內部的開式流動系統能適應氣塞和液體段塞的影響，對固體顆粒不敏感；驅動方式靈活，可采用電機或水力透平等驅動；適用范圍廣，能處理較大的流量范圍[17]，且具有一定的抗干轉能力。

螺旋軸流式混輸泵能夠輸送介質的油氣比相比于雙螺桿混輸泵較低，若介質油氣比過高會使得泵的性能快速下降，影響泵送效果；吸入介質的黏度對螺旋軸流式混輸泵的性能影響較大；若吸入介質內含的固相顆粒較多，會導致嚴重的泵內組件磨損，降低泵的使用壽命；螺旋軸流式混輸泵能夠輸送多相流的流量有一個下限值。當介質流量低于此流量下限值時，泵吸入端介質的含氣率越大，泵的增壓能力越小，混輸能力下降[16]。

3.現場應用情況

由于油氣混輸可以將氣液兩相流體在同一根管道中輸送，不需要為氣液兩相單獨建設管道，簡化了流程，降低了投資成本，因此在國內外已有很多成功應用混輸泵對集輸流程進行改造或新區塊使用混輸流程的案例。下文將對螺桿式混輸泵與螺旋軸流式混輸泵在油田的現場應用情況進行簡單的介紹。

單螺桿的參數特點，即單螺桿泵對輸送介質的物性參數要求較低，針對一些含砂量較大的油井可以完成很好的油液舉升，因此單螺桿泵被廣泛應用于國內外油田的井下采油中，是井下采油中最主要的一種結構[18]，在含砂量較大的地面集輸工程中也有部分應用。尼日爾AGADI油田是AGADEM油田的一期補產項目，AGADI油田處于撒哈拉沙漠的深處，氣候干燥，沙塵暴頻發，環境條件惡劣。中國石油通過詳盡的方案設計后，得出使用分輸方案相比于混輸方案會出現：（1）設備較多，操作不便；（2）需要火炬防空系統，不利于無人值守；（3）廠區占地面積大；（4）投資費用相較于混輸方案高500萬美元這幾項缺點。因此從操作、維護、管理、投資等多方面綜合考慮下，中國石油決定在AGADI油田采用氣液混輸工藝。并根據該項目氣油比低、輸量適中且單螺桿泵可輸送含砂量較高的原油、維護簡便與價格低的特點，最終選用單螺桿泵作為該項目的增壓設備，并在2015年投產后平穩運行至今[19]，其流程如圖4所示。江漢油田周16站是江漢油田新周作業區在2007年開發的新站，該地區油井較為分散，初期采用油罐車將原油運送至集油站，輸送成本與損耗較高。后來設計采用了2臺CSY11型單螺桿式油氣混輸泵，在變頻器自動調節下將油氣混輸到周磯集油站，減少了油氣輸送損耗，提高了系統運行效率，具有良好的經濟和社會效益，且泵機組運行狀態良好，設備正常檢修周期超過8000h[20]。墾東12區塊1號海油陸采平臺為典型整裝海油陸采油田，勝利油田采用單螺桿泵作為海上油氣混輸系統的增壓設備，簡化了工藝流程，減少了管理難度，降低了建設成本[21]。長慶油田針對區塊內復雜、破碎、多變的地形，對部分地質條件較差的井組采用增壓點進行增壓輸送，以達到降低井口回壓，增加輸送距離的目的。增壓點內使用效率較高、增壓能力強、可露天設置的單螺桿泵作為增壓裝置，實現了油氣集輸過程中的低損耗，低污染，低負荷，高效率，流程簡單、緊湊，投資費用低[22]的目標，其工藝流程如圖5所示。

圖4 AGADI油田混輸泵站工藝流程Fig.4 Process flow of oil-gas multiphase pumps station in AGADI Oilfield

圖5 長慶油田增壓點/橇裝增壓集成裝置油氣混輸工藝流程Fig.5 Process flow of oil-gas mixed transportation of pressurization point/skid mounted pressurization integrated unit in Changqing Oilfield

雙螺桿泵與單螺桿泵相比，對含砂量較為敏感，但維修保養費用較低，且適用于含氣率較高、有段塞流的油田區塊[23]。大慶油田第九采油廠截止到2012年共投入了8臺雙螺桿式混輸泵對站點進行改造，雙螺桿泵代替了正常中轉站的油氣分離系統、摻水系統、油氣分輸系統，大大簡化了站內工藝流程，改造后的混輸流程與改造前相比，僅設備投資一項就節省了239萬元，具有良好的工程效益與經濟效益[24]。大港油田第七采油作業區采油四隊小七站與大站距離較遠，輸送管線管徑較細，使用雙螺桿混輸泵后生產效率上升，改變了過去井口回壓高導致摻不進水的情況，延長了油井的壽命，方便生產管理。經過小七站應用混輸泵的成功，大港采油一區聯一站、馬西19站、采油三區歧二站和采油八區相繼應用了雙螺桿混輸泵，均取得了良好的效果[25]。勝利油田坨二聯合站使用雙螺桿混輸泵后，與同排量JS離心泵對比運行效率提高3.1%，比五星級泵站指標提高1.1%，月耗電量與月總消耗均有較大幅度下降，經濟效益良好，取得了巨大的成功[26]，經改造后的流程如圖6所示。尕斯油田在使用雙螺桿混輸泵作為增壓設備后，年增效益1639.36萬元，取得了巨大的經濟效益[27]。孤東油田3號聯合站將原有的離心泵改為混輸泵后，輸油單耗降低了近50%、綜合節電率與泵機組效率均得到了不同程度的提升，年直接經濟效益達到10萬余元，取得了良好的經濟效益與環境效益[28]。Huwaila油田位于阿布扎比南部的沙漠地區，環境惡劣，所產原油黏度較低。將電潛泵用兩級串聯雙螺桿混輸泵代替后，經濟而有效的解決了遇到的技術難題[29]。

圖6 坨二站原油處理工藝流程Fig.6 Crude oil treatment process of Tuoer station

螺旋軸流式混輸泵是法國石油研究院（IFP）、挪威國家石油公司（Statoil）及法國道達爾（Total）石油公司三方聯合投資的“海神（Poseidon）”多相混輸技術研究項目研究開發的一種混輸泵，許多文獻稱之為“海神泵”，于1991年首次將工業用樣機P300在突尼斯的Sidi E Ytayem油田首次進行工業測試，證實該泵的優越性。該種泵型多用于海底油田或海上平臺。國外對此泵使用案例較多，并據此發展出了SMUBS、ELSMUBS、FDC、FSC和FMM[30]等水下多項混輸系統。1994年，挪威A/S Norske Shell公司在Draugen油田安裝了世界上第一臺海底混輸混輸泵，該泵為螺旋軸流式混輸泵，使得單井產量提高了5000桶，原油凈增產600m3/d，提高了40%[31]。2013年，巴西國家石油公司在坎波斯（PETROBRAS-Campo）盆地Barracuda油田進行了首臺高增壓螺旋軸流式混輸泵的現場測試[32]。我國石化行業采用螺旋軸流式混輸泵的案例較少。

4.混輸泵發展及展望

(1)國產化

我國對混輸泵的研究相比于國外起步較晚。在螺桿泵方面，法國工程師雷涅·摩伊諾于1930年首次制造出第一臺單螺桿泵；1931年，德國鮑曼（Bornemann）公司和瑞典公司分別生產出了雙螺桿泵和三螺桿泵[33]。而我國在20世紀60年代初期才由天津泵業機械集團有限公司（原天津市工業泵總廠）研制出國內首臺高壓小流量三螺桿泵，之后沈陽水泵股份有限公司（原沈陽水泵廠）于20世紀60年代中期開始生產雙螺桿泵和三螺桿泵。20世紀80年代后螺桿泵主要由天津泵業機械集團有限公司進行生產[34]。20世紀80年代中期我國油田才開始使用螺桿泵，如大慶油田在1986年從加拿大Griffin公司引進地面驅動螺桿泵應用于油田，并據此開發出了適合于大慶油田生產井工況的螺桿泵舉升工藝技術[35-37]。螺旋軸流式混輸泵始于20世紀80年代北歐發起的“海神計劃”，由法國石油研究院（IFP）、挪威國家石油公司（Statoil）及法國道達爾（Total）石油公司聯合投資設計制造，也被稱為“海神泵”，并于1994年進入了工業化階段。我國在20世紀90年代開始由清華大學、中國石油大學、蘭州理工大學、江蘇大學等一眾高校為代表，對螺旋軸流式混輸泵進行研究并取得了一些成果[38-43]。雖然我國已經涌現出了以天津市工業泵廠、黃山工業泵廠、上海水工機械廠、沈陽水泵廠、南京工業泵廠和蘭州工業泵廠為代表的優秀制泵的廠家，但在壓縮單元內部壓縮機理、各種因素對泵內流場影響、定子磨損、葉片優化等理論研究與制造方面我國目前還落后于國外的水平，國外泵廠家如鮑曼泵、雷士泵等在世界仍具有很高的地位，因此我國還需要在理論與設計方面進行深入的研究，盡量縮小與國外研究的差距，提高泵的國產化水平。

(2)智能化

隨著混輸泵在很多偏遠場合如沙漠油田、海底油田等地區的應用，傳統的操作、維護、監測及檢修方式逐漸暴露出了明顯的缺陷。傳統檢修方式多為人工定期巡檢，該方式費時費力且效率較低。若故障不能及時排除可能會導致嚴重的經濟損失。隨著機械故障診斷技術、自動控制技術、數據通信技術及各種智能算法的研究深入，很多學者都對泵的智能管控與智能化進行了研究并應用于現場[44-54]，以保障泵高效安全地運行，且取得了良好的效果。目前國家提出了“雙碳”策略，相關法律法規也越來越規范，智能化后的泵可根據實際需求量實時調節泵的轉速，避免不必要的能耗，但泵的智能化程度不高，目前尚在發展階段。因此之后的研究中可加強對泵智能化的探討，提高泵智能化的水平，將數據可視化，將系統智能化滿足現場與“雙碳”政策的需求。