射流器在海上油田的应用及未来发展

乔胜勇，张海兵，胡忠良

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司 天津 300452)

0 引 言

射流器基于文丘里效应，文丘里效应(也称文氏效应)以其发现者，意大利物理学家文丘里(Giovanni Battista Venturi)命名。射流器的工作原理是加速高压气流(动力)通过喷嘴将压力能量转化为速度。在速度最高的喷嘴尖端周围会形成一个低压区，这通常被称为射流器的吸入室。如果该区域的压力低于与射流器侧入口或“吸入支管”相连的吸入流体的压力，则吸入流体将被吸入射流器的主体。然后，两股流体流过射流器的扩散器部分，在该部分由于几何形状的分散，速度降低，压力恢复。重要的是，低压吸入流经历压力增加/压缩，而动力流看到压力下降，这是因为它的一些能量已被用于对吸入流“做功”。因此，产生的排放压力介于动力压力和吸入压力之间[1]。射流器广泛应用于石油和天然气行业，可以被有效地用于气体压缩、流体混合和液体泵送任务。射流器在海上油田也有部分设备使用，如惰气系统的用以除尘的文丘里洗涤器、低压气回收系统的射流装置、泵仓的射流泵、部分污水系统加药用的加药泵等。

1 文丘里射流器在海上油田的应用介绍

1.1 气体射流器——用高压气体带低压气体

目前部分海上油气田的设施用射流器回收生产系统中的低压伴生气，一般是将来自压缩机的高压气体用于驱动射流器，再与来自低压分离器的低压气体在射流器混合，使得低压分离器气体压力提升，见图1。射流器出口压力在设计条件下达到第二级压缩机的入口压力，从而完全取消需要昂贵费用的机械式的一级压缩机。类似的技术也可以应用于吸入气体压力低于压缩机最小入口压力。射流器可以作为增压压缩机以确保达到吸入压力。射流器可以用来取代现有的机械压缩机，由于无需维护，这种方法整体投入较低且几乎没有运营成本，回收后的低压伴生气可以作为耗气设备的燃料或者直接通过官网外输销售，同时减少火炬排放、大气污染，天然气得到回收再利用，有利于社会民生。

图1 射流回收流程 Fig.1 Jet recovery process

其特点有：静设备，无活动部件；无需专人操作和后期维护，喷嘴寿命可达数年，节省大量操作维护费用；回收压缩机回流高压气能量，节能降耗环保[1]；浪费能源再利用；性能参数易于变更，以适应不断变化的工艺条件；结构坚固；易于安装，工作量小，易于控制；重量轻，占地面积小，更加适用于老平台改造；投资少(约为压缩机项目的1/3～1/4)，回报周期短；改造工程量小，主要是管线改造及控制回路优化变更，施工安全风险降低，而且对平台消防安全设计没有影响[2]；经济效益优于同类型的压缩机增压技术。

1.2 液体射流器——用高压液体带灰尘或低压气体

海上FPSO为降低货油舱内的氧气含量并保持仓内正压状态，船上设有惰气系统，惰气可以驱走货油舱内原有的空气，使舱内气体含氧量降低到符合要求，从而保护货油舱及周围压载水仓。惰气通常由惰气系统的燃烧装置燃烧柴油或对其他设备的燃烧尾气进行二次燃烧来获得，此部分气体含有一定的烟尘，在进入货油舱之前需要进行除尘处理。海上惰气系统一般使用文丘里洗涤器进行除尘处理，见图2。惰气系统使用的文丘里洗涤器主要由文丘里管(有收缩管、喉管和扩散管3部分)和旋风分离器组成。含烟尘气体进入收缩管，流速沿管逐渐增大；水或其他液体由喉管处喷入，被高速气流撞击而雾化，气体中的尘粒与液滴接触而被润湿；进入扩大管后流速逐渐减小，尘粒互相黏合，使其颗粒增大易于除去；最后进入旋风分离器，由于离心力的作用，水与润湿的尘粒被抛至分离器的内壁上并向下流出器外，净制后的气体则由分离器的中央管排出。文丘里洗涤器的优点是结构简单，除尘效率高[3]。

图2 文丘里除尘 Fig.2 Venturi dust removal

其特点有：结构简单紧凑，体积小，占地少，价格低；既可用于高温烟气降温，高温、高湿和易燃气体的净化，也可以净化含有微米和亚微米粉尘及易于被洗涤液吸收的有毒有害气体，如二氧化硫、氯化氢、硫酸等。

1.3 用高压液体带低压液体

部分FPSO透平发电机在艏倾严重时轴承润滑油回流不顺，利用高速滑油经过射流器结构在喷嘴附近形成低压区，引导轴承腔室滑油回流到油箱。

1.4 其他

海上某些自动加药装置使用射流器使得药剂与水充分混合雾化后注入配药管道。

2 射流回收低压气通常的控制方式

低压气或火炬气的流速发生变化，如果不加以控制，这部分气体的吸入压力也会发生变化，这种情况需要采取多种控制策略进行解决。

通常由低压气入口的压力控制高压气，如有需要则在中压气出口增加回流来调节低压气的入口压力，见图3。

图3 射流器控制简图 Fig.3 Jet control diagram

图3为某海上油田使用射流器对平台的五路低压气进行回收的示意图，通过安装在低压气入口总管上的PIT压力变送器控制射流器高压气控制器的开度，从而达到稳定回收低压气的目的。

3 成功应用案例

上文提到的方案已经成功应用在多个海上油田，回收效果良好，工作稳定。

应用项目一：将某海上油田的一处二级分离器50kPaG低压气成功增压至200kPaG，送达下游压缩机入口，经压缩机压缩后供油田燃气透平使用来增加发电量。此应用不仅为油田带来了一定经济收入，也在节能减排上取得了突破，平台原二级分离器处的放空阀门基本关闭。

应用项目二：将某海上油田设施5处二级分离器60kPaG的低压气成功增压至200kPaG，送至下游压缩机入口，该平台原4处二级分离器及1处原油缓冲罐的放空阀门基本关闭。

需要注意的是，在冬季运行时经过射流器的气体在降温降压后的稳定运行问题，低温高压气与高温低压气混合后温度不能达到射流器的稳定运行温度，一般高压气应选用温度较高的接入点，以免因冬季降温、降压后影响使用效果。

4 未来应用前景

4.1 高压气体回收火炬放空气

海上生产设施根据工艺要求和各现场现有设施的可用性可采用多种方式配置射流器以回收火炬气，见图4。但需要确定以下几点：最大火炬气流量以确定射流器最大可回收量；经过射流器增压后的火炬气要进入生产流程的接入点，将决定射流器必须达到的排放压力。由于工艺的季节性变化，可能影响到火炬的气流量，这些都需要考虑，并确保采用适当、有效的控制策略。控制策略对于海上油田火炬气回收项目来说至关重要，因为它涉及火炬系统的安全性，故需要在危险与可操作性分析的基础上进行深入研究， 并评估其带来的其他影响。

图4 高压气回收火炬气流程示意 Fig.4 Schematic diagram of high pressure gas recovery flare gas process

此种方式的优点：用压缩机的回流气降低低压分离器压力，提高天然气、石油、凝析油的产量；用压缩机的回流气进行火炬气回收；用压缩机的回流气取代低压压缩机并提高产量、消除瓶颈；较其他形式压缩机回收来说，大幅降低了初始投入成本及后期维护成本，提高了效益。

需要注意的是射流装置回收火炬气的采用最好在油田设计初期就予以确定，这样在各种设备及安装装置的设计选择上不至于后期调整，避免带来额外的工程量及不必要的费用支出。

4.2 高压液体增压低压气

在海上油气设施中，采出水、注入水、海水等高压液体可用于驱动射流器。如果现有液体流可用，但压力低于射流器所需的压力，则可通过添加增压泵来提升压力以驱动射流器。高压液体通常返回到流程，见图5。未来具备条件的海上设施可以考虑采取这个方式进行低压气体的增压处理。

图5 高压液体增压低压气体流程示意 Fig.5 Schematic diagram of high pressure liquid pressurizing low pressure gas

潜在的应用场景：高压水回收火炬气；高压水用于多项井提高产量；高压气用于回注二氧化碳，提升储层压力，提高采收率。

4.3 高压气井带动低压气井

来自高压气井的气体可将低压气井中的气体增压到下游工艺条件需要的压力，见图6。

图6 高压气井增产流程示意 Fig.6 Schematic diagram of stimulation process of high pressure gas well

优点是安装了射流器后可以最大限度地提高产量；施工时间短；射流器不需要维护，也不会产生排放；降低下游系统的压力，从而降低项目风险；通过安装射流器甚至可以重新启动已经关停的老井。

5 结 语

射流装置为海上油气田低压天然气回收再利用提供了一条压缩机增压技术之外的新途径，同时，该技术还可应用于低效天然气井增产和利用射流器回收低压气及废热水、二氧化碳回注等，这些都是响应国家节能减排号召的有效技术措施，不仅经济效益显著，同时会带来一定社会效益。未来随着我国大型海上油气田的发现及勘探开发，射流器将有可能在某些具备条件的海上油气田成为第一级压缩机，并提供比第一级压缩机更低的进口压力处理能力，应用空间广泛。因此，在油气田开发阶段有针对性地对射流器增压进行工艺流程设计是必要并有意义的。■