雙螺桿多相泵在油氣開采領域的優勢及國內外應用現狀

內容摘要：油氣混輸泵是用于油氣開采領域輸送包含原油，水，氣，甚至包含少量沙子等混合物的特殊泵，是一種給未處理過的，從油井中開采出的混合產品加壓的機械裝置。和傳統采油方法相比，油氣混輸泵采用先輸送后分離的生產方式，有非常多的優勢；為生產企業節省了初期的大量硬件投資費用，生產過程中設備運營維護保養費用；運行過程中，系統是智能控制系統，為客戶節省很多運營團隊費用；使用多相泵技術，老油田實現增產增效，延遲開采周期；使得邊際油田，氣候條件，地理條件苛刻的油田采油成為可能。多相泵技術和傳統液體泵比較遇到的問題和挑戰，國內外廠家的解決方案及各種優勢比較；我國自主研發的產品和國外先進制造商的差距。

關鍵詞：雙螺桿多相泵；多相泵技術；油氣混輸泵；原油開采；油氣混輸

一、雙螺桿油氣混輸泵的概念介紹

上個世紀八十年代初，隨著原油漲價，能源緊張，各種特殊油田的開采需求不斷增加；隨著邊際油田、沙漠油田特別是海上油田的開發，以多相泵這一新型增壓設備為核心的多相輸送技術成為研究及推廣應用的熱點。海外發達國家對這項新技術的開發研制十分重視，采取科研機構、石油公司、設備公司三方合作的方式，著手從事與之相關的研究工作。三十多年來，國內外對此開展了多個項目的研發工作，研制出了十多種不同類型的多相泵。目前經過廣泛現場試驗并成功應用于工業生產的混輸泵，主要是旋轉動力式多相泵中的螺旋軸流式多相泵和容積式雙螺桿多相泵兩種類型（[i]）。雙螺桿多相泵是雙螺桿泵中最為復雜的，最為高端的應用技術；多相泵是特殊用于油氣開采領域輸送包含原油，水，氣，甚至包含少量沙子等混合物的特殊泵，是一種為未處理過的，從油井中開采出的混合產品加壓的一種機械裝置。

二、基于油氣混輸技術原油開采工藝介紹

傳統工藝采油方式，原油從油井開采出來后，需要靠近油井位置或在附近建立分離站，將其中的水，氣及沙子分離處理；再將原油通過普通液體泵及輸油管道輸送到油庫存儲或輸送到煉油廠處理；水一般是會被注回地下或就地排放；氣可以通過壓縮機送回地下；通過火炬就地燃燒掉或通過壓縮機及專門的油氣管道輸送到油氣站回收處理。由于常規的泵，只適合輸送液體；壓縮機也只適合輸送氣體；它們無法實現氣液混合輸送；因此常規原油開采過程沒有其他選擇，需要在油井附件建立分離器或在中心油田建立分離站；需要附加的生產設備如壓縮機，管道，閥門等等生產裝置；如果氣體回收，需要投入附加設備，會增加企業生產運營及維護成本；如果成本太高，氣體回收對生產企業利潤沒有直接貢獻，不夠經濟的話，氣體會被直接用火炬燃燒掉，這將造成能源損失和環境污染，不是最好的選擇，但卻是目前大多數油田都在采用的生產方式。（參考圖一，傳統采油工藝）

圖一

采用多相泵技術的油氣開采，可以省去在井口或油田附近建立分離站，用一臺或幾臺混輸泵實現混合輸送。多相泵可以輸送未經處理的油氣混合物；多相泵可以先輸送開采出來的混合產品，輸送到方便處理的地方，再進行分離處理；這樣可以將分離裝置安裝在城市郊區或安全的地方，方便生產及容易解決生產人員交通，生活補給等等；為企業生產經營大大地節省了生產運營費用。而生產作業人員，在辦公室內就可以操作和控制遠在幾十公里甚至幾百公里外的多相泵系統，讓其獨立生產作業，取代油井附件的分離站，整套生產運營設備設施及生產團隊。使用多相泵技術可以為企業減少初期投資，減少日常生產作業的運營成本和設備維護成本，增加效益！（參考圖2.采油油氣混輸泵的采油工藝）

圖二

三、多相泵技術在油氣生產中的特殊應用及優勢介紹

1.多相泵在老油井即產量下降的油井中的應用

油井隨著開采時間增長，油藏中的油壓會降低，管線老化，會出現管路堵塞或腐蝕等現象，需要通過增加井口的背壓（也叫井口回壓）才可以將開采出來的產品沿著輸油管線輸送到集輸站或中轉站；這會增加采油設備的負荷，縮減采油設備使用壽命；通過安裝使用多相混輸泵，將油井開采出來的產品增壓輸送到集輸站，可以降低油井背壓，減少采油設備的負荷，提高產量，增加效益，延長油井的開采周期，增產增效。

2.多相泵在無法預測儲量的油田中的應用

無法預測的儲量的油藏，如果使用傳統的開采工藝，需要大量的生產設備投資，需要大量的基礎建設，一般認為投資大，投資周期長，投資收益無法保證，投資回報率無法預測而被放棄開采。應用多相泵技術，可以大大降低生產設備的初期投入，減少建設工期，減少生產人員；投入生產之后，可以輕而易舉的掌握儲量；而只需投入常規成本的一小部分，就可以實現開采作業，可以生產；這樣有可能給生產企業帶來超預期的回報；為無法預測儲量的油田開采成為可能。

3.多相泵在海上鉆井平臺海底采油中的應用

多相泵解決方案適合全面開發蘊藏的油氣資源；適用于海上平臺，海底油氣開采和各種常規應用。未經處理的介質無論是濕氣還是重油，都能在任何工況下可靠的輸送，另外采出的天然氣不需要通過點燃火炬消耗，能投入到更有效益的應用；節能環保，并且為企業增加效益。

4.多相泵在嚴苛的生產環境中的應用

在嚴苛的生產環境中，如熱帶沙漠，熱帶雨林；極度嚴寒的地方，如極地油田，西伯利亞，冰島等地采油；在極端惡劣環境下，如海底勘探油田，采油；在以上提到的極端嚴苛的自然環境中，采用傳統的開采工藝和流程，要么生產成本及運營成本極高，嚴重影響生產企業的利潤而影響開采的積極性或無法用傳統開采工藝生產；但使用多相泵混合輸送技術，采用先輸送后分離的理念，可以將油井中開采出來的產品通過通一根管線輸送到易于生產的地方再處理，大大降低企業的生產成本；使得這些油藏開采利用成為可能。

四、雙螺桿多相泵技術國內外發展現狀

1.油氣混輸泵需要解決的問題和挑戰

油氣混輸泵和常規液體泵及壓縮機比較，需要解決以下幾個關鍵問題：

（1）應對復雜工況選擇合適的材料組合

油氣混輸泵需要輸送的是油井中開采出來的未經處理的輸送介質；其除了包含常規的原油，水，天然氣外；還含有礦物質，石蠟，水合物及可能含有各種腐蝕性或有毒有害物資，如硫化氫，各種溶解性的酸、堿、鹽等等；還可能含有固體顆粒，如沙子，管道中的鐵屑，焊渣等；組份相當復雜，各個應用工況需要處理輸送的介質可能相差特別大。因此要求設備供應商針對現場中的實際生產工況，生產需求，需要解決泵體內各種關鍵零部件的選材問題；以便解決磨蝕，腐蝕等問題；因此要求其除了合理設計外形結構，精確的尺寸加工裝配精度之外，還需要輔以表面硬化處理，防腐處理等措施以便適應復雜嚴苛的運行工況。

（2）解決復雜工況下機械密封及沖洗系統的可靠性和耐用性問題

通過近三十年的經驗積累，機械密封在應對復雜的油氣混輸工況中，選型，選材及結構設計等已經取得了相當豐富的經驗。國外的螺桿泵及機械密封制造商的產品可以滿足大部分實際生產需求；國內的泵和機械密封的制造商還需要繼續努力，加大研發投入，以便制造出適合于高要求，嚴苛工況下的產品。

在工況不是特別苛刻的應用場合，如含氣比不是特別高（ＧＶＦ低于８０％），其他條件如腐蝕，磨蝕等要求不是特別高，為了節約生產及使用成本，一般會采用單端面集裝式機械密封，通用的材質組合是碳化硅動環對石墨靜環，這種組合有極好的自潤滑性能，抗干運轉能力強；輔助沖洗系統采用泵體自帶的或外置的無壓類ＡＰＩ５２的沖洗方案就可以滿足使用要求。

在高含氣比的工況（ＧＶＦ大于８０％）下，高負載即壓差高，高溫，磨蝕，腐蝕要求高等嚴苛的工況下，機械密封需要選用結構復雜的造價高的針對該工況特殊設計的工程機封（有ＥＳ標識，Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｅａｌｓ）；一般是雙端面集裝式機械密封，選材需要考慮耐磨，耐腐蝕，耐高溫等工況；結構上需要采用耐高壓的平衡型結構；沖洗方案采用的也是復雜的ＡＰＩ５４／ＡＰＩ５３方案(如下圖所示原理圖)；沖洗系統需要控制沖洗介質的溫度，壓力，流量等相關參數以保證機械密封穩定工作。

圖表3多相泵機械密封沖洗系統APIPlan 53 + Plan 54示意圖

（3）油氣混輸泵需要解決氣體壓縮產生大量熱的問題

油氣混輸泵和普通液體泵比較，還需要解決一個問題是由于輸送介質中有不同程度的氣體含量，其比例通常是不穩定的，ＧＶＦ從０到１００％這個區間都有可能出現。混輸泵需要解決氣體壓縮過程中，產生大量的熱量，如何散熱的問題。如果這些熱量集中在泵體內或某個區域中無法有效散熱，會造成泵體部件持續受熱造成過熱變形，損壞等；甚至出現轉子和定子即泵體，襯套間接觸而抱死或卡死的故障；過熱容易造成密封件的損壞，出現泄漏或造成泵無法正常工作。所有熱量被有效帶走或散發出去是多相泵必須考慮和面對的問題。

（4）油氣混輸泵需要解決在高含氣比工況下氣液分離及泵體補液問題

在泵送過程中，由于轉子和定子之間是間隙配合，無接觸，因此要求該配合間隙需要有液態的輸送介質填充以達到高壓腔和低壓腔隔離，以便多相泵能建立自吸能力達到泵送目的。在含氣比高（９７％以上）或出現段塞流時，泵體內達到純氣體工況的時候，要求多相泵系統有自動氣液分離，自動補液的能力以解決生產作業過程中出現的問題；常規液體泵沒有液體循環補液裝置，在純氣工況下是無法泵送物資的。

（5）針對復雜工況如何實現對各種工況，各種狀態的控制實現智能應用

多相混輸智能增壓解決方案中，除了解決處理以上提到的問題之外，針對各種工況，匹配了各種檢測，監控，分析和執行機構以達到智能應用的目的。系統運行中，通過智能變頻控制，針對泵入口端管路的壓力來調節泵的轉速，適應生產需要，調節產量。還配備具有就地顯示和遠程傳輸功能的相關儀器儀表，如溫度表，壓力表，溫度床感器，壓力傳感器，震動傳感器等，以便測量泵，電機，進出口管路及過濾器等相關組件，部件的運行狀態；系統內還配備電動，氣動或液壓驅動的自動執行機構，如球閥等裝置；還有其他控制部件如單向閥，截止閥，安全閥，調壓閥，限壓閥等控制和執行裝置，以便在必要時，如出現緊急工況，意外情況，過載等時候可以通過控制系統給出指令，自動執行；確保多相泵系統在意外情況下，可以自我保護；確保進出口管路和泵系統可以通過球閥自動關閉隔離開，不會受到高壓端回流（水錘效應）的影響而損壞；保證系統安全穩定運行。見如下視圖為油氣混輸泵智能控制系統人機交互界面：

圖表4 油氣混輸泵智能控制系統人機交互界面

2.國外雙螺桿混輸泵發展現狀

國外雙螺桿多相泵針對以上提到的問題，主要有兩種不同的解決方案：第一種解決方案設計理念是采用分體式轉子帶襯套結構；采用加大泵體，偏心結構，實現泵體內氣液分離且液體可以在泵體內自循環補液；實現高含氣比工況下穩定運行。第二種解決方案設計理念是轉子采用整體結構設計，泵體采用模塊化設計，氣液分離采用外分離裝置，液體循環通過外分離器和泵體入口端連通實現液體自循環以達到高含氣比工況穩定運行。下圖是鮑諾曼公司2007年在印度投入使用的典型的油氣混輸泵系統應用案例。

圖表 5多相泵典型應用案例

（1）轉子分體式結構，配合內置氣液分離系統和內置循環補液系統解決方案

第一種解決方案以德國ＩＴＴ鮑諾曼公司為主要代表，其設計理念是針對不同工況，可以選擇最適合該工況的材質組合；分體式設計的轉子，在長期使用過程中，出現磨損，需要維修的時候，只需要更換螺旋套即可，軸可以繼續使用；為客戶長期使用節省大修費用。但由于是分體式設計，軸的承壓變形能力相對弱些，定子，轉子間需要更大的配合間隙以保證其運行過程中不接觸；這樣勢必加大高低壓腔之間的回流即內漏增加，影響到泵的容積率及運行的效率。

此外，采用內分離腔室及內置循環補液解決方案，使得整個成撬更加緊湊，結構簡單，減小整個撬裝的外形尺寸和重量。針對安裝位置緊張，需要控制總體尺寸和重量的場合，比如海上鉆井平臺，海底采油等工況更為適合。目前ＩＴＴ鮑諾曼的雙螺桿多相混輸泵在世界范圍內，安裝了近千臺套系統；包括海底多相泵已經研發到第四代；是混輸泵技術領域中當之無愧的領引者，下圖所示。

圖表 6內置氣液分離和循環補液系統示意圖

（2）轉子整體式結構，配合外置氣液分離系統和外置循環補液系統的解決方案

第二種解決方案主要是以德國萊斯特瑞茲（雷士）公司為主要代表，其設計理念是轉子通過整體式鍛造材料一次加工成型，轉子整體的抗壓強度高；在輸送過程中，承受液壓載荷造成的變形小；可以縮小定子和轉子間的配合間隙，提高泵送的容積效率，提高泵的整體效率。但是因為整體結構，其螺旋套，軸針對不同輸送介質可以選擇的材料組合就很少，整體加工量大，造價高；還有在長期使用過程中，出現磨損情況以后，需要維修的時候，整個轉子需要更換，不可重復使用，經濟性能差些。

外置氣液分離系統及外置循環補液系統使得整個成撬尺寸，重量增加，結構不夠緊湊。在陸地油田中，安裝尺寸和重量不受限制的場合可以選用此種結構。雷士多相泵系統解決方案世界范圍內的應用業績也非常可觀，大約有幾百臺套應用案例，在數量上，其是僅次于鮑諾曼的世界范圍內的第二大多相泵系統集成制造商。

圖表 7 外置氣液分離及循環補液系統示意圖

3.國內多相泵制造應用現狀

隨著多相泵技術在世界范圍內油氣開采輸送領域中越來越多的成功應用，國內主要油氣生產企業如中石油，中石化，中海油等企業，各大院校，設計院，專業機構及泵的生產制造企業對該領域也非常重視，不斷投入人力，物力，投入研發經費，加大該領域的研發和成果轉化，增加實際應用案例。

國外發達國家八十年代初提出該理念，開始得到各個企業的響應；其中最著名的是法國和瑞典兩個國家相關企業主導研發的海神計劃混輸泵（海神系列油氣混輸泵）；八十年代后期投入到實際的生產應用中，積累了大量的實際應用經驗。我們國家開始引進雙螺桿多相泵是在二十世紀九十年代中后期，從德國鮑諾曼和雷氏引進了幾臺套常規的油氣混輸泵。其主要應用于大慶油田，勝利油田中；使用工況，壓力，流量，含氣比等都沒有太嚴苛的要求；也沒有采用智能監控和自動執行的控制系統。基于此技術國內企業自行研發的多相泵系統，一般也是針對相對比較簡單的工況有比較多的成功應用案例。

國內主要螺桿泵生產企業如天津工業泵，瑞德螺桿泵等企業在常規陸地上油田的油氣開采領域中已經有不少成功的應用案例。針對相對簡單的應用場合，應用工況，國內的解決方案和國外的解決方案相比較，更加經濟，性價比高，服務好，反應快等；得到國內客戶的青睞。

但是，在一些極端工況，面對嚴苛的要求，復雜地理和氣化環境及特殊領域中的應用，國內生產企業和國外一流的生產企業還是有不少差距，如下問題需要解決：

如在高含氣比的工況，如何保證整個系統的穩定運行？

如何有效解決氣液分離，自循環補液，解決過熱及泵效問題？

如何準確模擬和理論計算客戶工況下的排量，軸功率，效率等相關的性能曲線，提高準確性？這些還需要更多的經驗積累，總結；還需要通過更多的應用案例分析來總結提高準確性。

目前國內企業還無法真正模擬測試多相混輸泵的全性能試驗，出廠前的全性能試驗測試方法，操作規程，控制流程，試驗測試，測量，檢測裝置等等還需要進一步提升。

如何在特殊的嚴苛的應用工況中的選材，選型以保證整體方案的可靠性？

機械密封及沖洗系統應對極端工況的解決方案和措施還有待提高，包括配套供應商相關的制造研發能力的配套整體提升，直接影響整體解決方案的質量；

在整個解決方案中，針對復雜工況的監測，執行，控制裝置，監控點；人機交互軟件及控制系統的可靠性，安全性；智能應用控制等整體解決方案還有待提升。

針對復雜嚴苛的應用要求，我國的整體方案，從配套廠家如機械密封及沖洗系統廠家提供可靠的解決方案；軸承，齒輪包括其他標準件的廠家提供極端工況下，適合重載，高溫等工況的可靠耐用的產品；泵體，軸，螺旋套等關鍵部件材料供應商能否提供可靠的材料；工件表面防腐，表面硬化處理的供應商是否有配套的可靠的處理工藝和解決方案；螺桿泵制造企業需要可靠的合理及優化的設計方案和設計能力；機加工能力，裝配制造，質量控制及完整的性能試驗能力；整個系統集成，實現智能控制的能力；需要相關設計院，科研機構，大專院校等提供理論支持；需要施工單位，最終用戶方配合，據有經過培訓的能力可靠的人員合理施工，安裝調試；負責日常操作運行，正確使用相關系統；必要時和廠家可以進行有效的反饋溝通，可以一起解決和改進實際運行中出現過的問題等等；多相泵技術在我國油氣行業和領域中的推廣應用需要以上提到的各方的積極參與和支持才可以實現真正的整體提升；在未來幾年內，希望我國自主研發的整體解決方案可以和國際上一流制造商的產品同臺競爭，并且可以通過提高可靠性，安全性及高性價比等方面優于他們的解決方案。

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