生产水缓冲罐覆盖气消耗问题研究与解决

彭彬 向晶晶

（中海油能源发展采油服务公司曹妃甸FPSO作业公司 天津 300451）

曹妃甸油田群投产于2004年7月，目前由一艘15万t级FPSO和六座井口平台组成，油田群采用滚动式开发。伴随着平台的投产，油田群总产液量和总产水量逐年攀升，而国家下达的生产水外排控制指标却逐年下降，这就不得不考虑将油田生产水注水量逐年提高，故作为油田群注水系统的主力-FPSO生产水注水系统就成了整个油田注水板块中的重中之重。

在FPSO注水工艺流程中，有一个关键环节就是注水缓冲罐，由于FPSO并未安装天然气净化和增压系统，而是选择覆盖气为高纯度氮气，随着生产水注水量的逐年攀升，覆盖气消耗量也逐之攀升，迫使油田在原有一台处理量150Nm3/h、氮气纯度为99.9%的制氮机的基础上，先后租用了液氮装置和购买安装了另一台相同参数的制氮机，由于大量溶解气的存在，造成注水缓冲罐液位调节反频繁气蚀穿孔损坏，也存在缩短下游注水泵寿命的风险。

1 FPSO上注水缓冲罐基本介绍和面临问题

FPSO上注水缓冲罐是水处理和注水系统工艺中的一个重要枢纽，既承接上游处理合格的生产水，进行稳定缓冲，又通过顶部用作覆盖的氮气来提高缓冲罐的操作压力（10bar），从而为下游注水泵提供稳定的流量和入口压力。

1.1 FPSO注水缓冲罐技术参数

设备名称：注水(生产水)缓冲罐

制造单位：渤海石油结构厂

设计压力：17.3Bar 操作压力：10Bar

设计温度：100℃ 操作温度：70℃

处理介质：生产水 罐体直径：3m，长15m

罐体容积：113m3处理能力：2120 m3/h

1.2 油田操作面临的问题

随着注水缓冲罐的处理量从最初的300 m3/h达到2120 m3/h，对氮气的消耗量也从90m3/h达到230m3/h，FPSO上的两台制氮机已经逐渐不能满足注水缓冲罐需求，主要表现为：

1.2.1 制氮机的超限疲劳运行

由于氮气消耗量需求的攀升，使得两台制氮机只能长时间大负荷同时在线，没有备用机，无法做一些常规性维保，经常出现延时保养的现象，从而设备故障率大大提高。

1.2.2 氮气氧含量上升，注水水质含氧难以保证

为了满足注水缓冲罐的覆盖氮气需求，两台制氮机不得不通过降低一定的氮气纯度来换取足够的产气量，使得氮气纯度一度由99.9%降低到98.9%。这使得注水缓冲罐中的注水氧气含量由20ppb上升到60ppb，大大增加了注水管线的腐蚀率，缩短了注水管线的使用寿命。

1.2.3 增加化学药剂使用成本

为了降低注水中的氧气含量，保护注水管线，迫使在注水流程中注入了大量的脱氧剂，浓度达15ppm，合计每天消耗大约0.76m3，大大增加了操作成本。

1.2.4 注水缓冲罐液位调节阀门气蚀问题

由于大量溶解气的存在，使得注水缓冲罐调节阀阀芯气蚀穿孔，影响正常使用，增加更换维修的操作成本。

2 氮气消耗量过大的原因排查及分析

2.1 注水缓冲罐对氮气消耗量过大的现象确认

为了确认FPSO上其他系统对氮气消耗量没有很大影响，操作人员进行了一系列试验，包括停止向其他氮气消耗用户（如原油分油机、热介质膨胀罐、污油处理设备等）供气，关闭注水缓冲罐覆盖气管线出口阀门，注意到氮气消耗量没有明显减少，最终确认制氮机生产出的氮气绝大部门被消耗在注水缓冲罐内。

2.2 氮气消耗量过大的原因排查及分析

仔细研究整个流程，排除氮气外漏的情况外，覆盖氮气消耗量过大的可能只剩下一种，那就是覆盖氮气被注水带入了下流流程，而且带走的方式只可能有两种—氮气被溶解带走或者氮气混合进水中被带走，那到底是哪一种呢?

首先了解一下氮气的溶解度，根据研究表明，在标准情况下氮气的气体密度是1.25g/L，难溶于水，在常温常压下，1体积水中大约只溶解0.02体积的氮气（如图2-1所示）。那么在注水缓冲罐的操作压力为10Bar，操作温度为78℃，流量为2120 m3/h的情况下，理论计算出溶解于生产水的氮气量仅为42.4m3/h，而FPSO上现存的两台制氮机的制氮能力绝对大大超出了这个数值，所以用这种方式来解释氮气量消耗过大是行不通的。

接下来就剩下另一种可能性—气被水混合带走；从流程设计上看，生产水和覆盖氮气都是从注水缓冲罐的顶部进入罐内的。分析以后发现，生产水由注水缓冲罐的顶部通过18寸的管口直接喷射到罐内，撞击水面会造成液面散射震荡，并与覆盖氮气充分接触，如图2-2所示。这些散射的水会将氮气迅速带入水中，并在氮气上浮前，将其从缓冲罐出口带走，这是造成氮气消耗量过大的主要原因。

图2 -1 氮气溶解度

图2 -2 注水缓冲罐（改造前）

3 改造方案论证和实施

根据以上的分析，可以看出造成氮气消耗量大的根本原因是氮气与生产水充分接触及罐内气液界面不稳定所造成的。维持罐内气液界面的稳定、避免水与氮气反复频繁的接触，理论上应该可以大大降低氮气在水中的溶解及被水带走的消耗量。接下来就是考虑如何对流程进行适当的改造了，经过现场实际调研和讨论分析，如果把生产水入口的管口延伸至注水缓冲罐的正常操作液面以下，就可实现上述目的，从而大大降低氮气的消耗量。流程基本改造如图3-1，3-2所示

图3 -1 注水缓冲罐（改造图纸）

图3 -2 注水缓冲罐(改造后)

拆除18寸的进口管线并重新预制新的16寸的延伸管到缓冲罐正常操作液面以下的位置，同时设计改造需要考虑的几个因素，第一，由于管径的变化，从18寸管线降低为16寸管线，会造成管流体速度的增加，也会增加一定的背压，造成上游注水增压泵的出口压力举升。第二，由于延伸管进入到罐体的中部，需要考虑流体对罐底部冲刷影响。

根据目前的生产状况及各个生产水流程的运转状况，计算改造如下：

进水管管线工作流量：32万桶/d（0.589m3/s）；

进水管管线中介质 ：78℃生产水，其动力粘度μ为0.351×10-3N·s/m2，其运动粘度 ν 为 0.351×10-6m2/s；进水管管线介质压强：1Bar；缓冲罐内压强：10Bar；

缓冲罐改造前后进水管线情况如表3-1所示

表3 -1 注水缓冲罐改造前后进水管线数据

图3 -3 注水缓冲罐截面

新预制的管线插入液面以下时，与原管线出口处（液面以上）的压力比较，如图3-3所示截面为罐顶上任意截面，2-2截面为原进水管出口截面（高于液面），3-3截面为新的进水管出口，设1-1截面为基准面，设截面管内压强为P1，流速为 V1，2-2截面的压力为P2，流速为 V2，相对基准面高度为-h1，3-3截面管内压强为 P3，流速为 V3，相对基准面高度为-(h1+h2)。

分析：

1）原管出口在2-2截面处时（液体液面以上），出口处压力有管内流体压力P2，和罐内压力1MPa，根据实际流体伯努力方程，有

由于在这一段内管的截面积未变，根据流体流动的连续性原理，有V1=V2

所以，有

2）新管线深入液面以下时（即截面3-3处），出口处的压力有管内流体压力P3，罐内压力1MPa和管内液体压力h2，根据实际流体伯努力方程，有

因为由于在这一段内管的截面积未变，根据流体流动的连续性原理，有V1=V3，

所以有 p3=p1+ρgh1-ρg×1

那么：通过 1）、2）项分析，P2=P3，即旧管的出口压力与新管的出口压力相等，所以，管子的出口位置对泵的出口压力不产生影响。

3）新管与旧管截面积减小造成的局部压力损失Δpj

式中ζ——局部阻力系数，本管线由18寸变为16寸采用异径管变径，可视为普通缩小型

ρ——介质密度，ρ=1000kg/m3；

故

局部压力损失为1454.5Pa。

4）由新管截面积比原管截面积减小和长度增加而产生的沿程压力损失差Δpy1

原管线在这一段（灌顶到罐内）的沿程损失为Δpy1，则式中v1——流速m3/s；

d1——原管内径0.429m；

λ1——沿程阻力系数，液体在金属管道中宜取，而78℃水的运动粘度为0.351×10-6m2/s

l1——原管长度0.5m（假设）；

ρ——介质密度，水的密度为1000kg/m3

5）新管线在这一段（灌顶到罐内）的沿程损失为Δpy2，则

式中v2——流速m3/s；

d2——新管内径0.380 m；

λ2——沿程阻力系数，由

知

l2——新管长度1.0m；

ρ——介质密度，水的密度为1000kg/m3

即由于新管段截面积比原管段截面积减小和长度增加而产生的沿程阻力损失增大数值为0.327Pa。

6）采用新管比旧管增加的压力损失为

Δp=Δpj+Δpy=1454.5Pa+0.327Pa=1454.827Pa

7）关于生产水出管后对罐壁冲击的计算

生产水的流速为v=5.19m/s，生产水密度为ρ=1000kg/m3，生产水出离管口后，其速度水头全部转换为压力水头，由能量方程

可见，由速度水头产生的压力远远小于罐内介质压力1MPa，所以，在生产水出离管口后，其速度水头所产生的压力（也即冲击力）将瞬间被环境压力所抵消，不会对罐壁产生冲击。

那么：由于管线更换造成了介质在管线中的压力损失为0.001454827MPa，由此将导致泵的出口压力升高，从而造成泵的流量损失，但此压力损失很小，对于上游注水增压泵的影响应该不会太大，从改造后到目前泵的运转参数和整个系统运行的状态来看，此压力的增加不会对上游注水增压泵正常运转产生太大的影响。

在后来的计划关断时间里，根据以上的分析和计算结果，并设计进行了现场的管线安装。如图3-4注水缓冲罐顶部进口管线和图3-5注水缓冲罐顶部进口管线延伸至罐内管线（改造后）所示：

图3 -4 注水缓冲罐顶部

图3 -5 注水缓冲罐进口管线内部改造延伸管线

4 效益和影响分析

通过改造，成功的解决的注水缓冲罐氮气异常消耗的问题。

1）注水缓冲罐覆盖氮气的消耗率大大降低，由原来的300 m3/h降低到80 m3/h，由原来的两台氮气运行，到目前仅仅使用1台氮气机变能保障整个FPSO所有用户的氮气消耗。

2）提高了氮气的纯度和注水品质，使得含氧量由60ppb降低到20ppb。

3）节省了脱氧剂的消耗量，节省了化学药剂的成本，由原来每天消耗0.76 m3减少到0.25 m3。

4）减小了制氮机的运行时间，降低了故障率，有了一台制氮机作为备用，保证了注水系统的上线率。

5）有效的保护了注水缓冲罐液位调节阀，至2014年液位调节未出现气蚀穿孔现象，节约了更换调节阀的费用。

6）消除注水泵（12级离心泵）因气蚀问题而缩短寿命的风险。

7）对于上游注水增压泵的压力举升的影响微乎其微。

[1]天津石化设计院.生产水缓冲罐设计资料[M].2004.

[2]汪楠,徐春碧,梁平,等.工程流体力学[M].重庆科技学院印制,2001.

[3]张钧,余克让,等.海上采油工程手册（上 /下）[M].北京：石油工业出版社,2001.