厂家直销38年专注工业泵研发制造

双螺杆多相泵在油气开采领域的优势及国内外应用现状

内容摘要：油气混输泵是用于油气开采领域输送包含原油，水，气，甚至包含少量沙子等混合物的特殊泵，是一种给未处理过的，从油井中开采出的混合产品加压的机械装置。和传统采油方法相比，油气混输泵采用先输送后分离的生产方式，有非常多的优势；为生产企业节省了初期的大量硬件投资费用，生产过程中设备运营维护保养费用；运行过程中，系统是智能控制系统，为客户节省很多运营团队费用；使用多相泵技术，老油田实现增产增效，延迟开采周期；使得边际油田，气候条件，地理条件苛刻的油田采油成为可能。多相泵技术和传统液体泵比较遇到的问题和挑战，国内外厂家的解决方案及各种优势比较；我国自主研发的产品和国外先进制造商的差距。

关键词：双螺杆多相泵；多相泵技术；油气混输泵；原油开采；油气混输

一、双螺杆油气混输泵的概念介绍

上个世纪八十年代初，随着原油涨价，能源紧张，各种特殊油田的开采需求不断增加；随着边际油田、沙漠油田特别是海上油田的开发，以多相泵这一新型增压设备为核心的多相输送技术成为研究及推广应用的热点。海外发达国家对这项新技术的开发研制十分重视，采取科研机构、石油公司、设备公司三方合作的方式，着手从事与之相关的研究工作。三十多年来，国内外对此开展了多个项目的研发工作，研制出了十多种不同类型的多相泵。目前经过广泛现场试验并成功应用于工业生产的混输泵，主要是旋转动力式多相泵中的螺旋轴流式多相泵和容积式双螺杆多相泵两种类型（[i]）。双螺杆多相泵是双螺杆泵中最为复杂的，最为高端的应用技术；多相泵是特殊用于油气开采领域输送包含原油，水，气，甚至包含少量沙子等混合物的特殊泵，是一种为未处理过的，从油井中开采出的混合产品加压的一种机械装置。

二、基于油气混输技术原油开采工艺介绍

传统工艺采油方式，原油从油井开采出来后，需要靠近油井位置或在附近建立分离站，将其中的水，气及沙子分离处理；再将原油通过普通液体泵及输油管道输送到油库存储或输送到炼油厂处理；水一般是会被注回地下或就地排放；气可以通过压缩机送回地下；通过火炬就地燃烧掉或通过压缩机及专门的油气管道输送到油气站回收处理。由于常规的泵，只适合输送液体；压缩机也只适合输送气体；它们无法实现气液混合输送；因此常规原油开采过程没有其他选择，需要在油井附件建立分离器或在中心油田建立分离站；需要附加的生产设备如压缩机，管道，阀门等等生产装置；如果气体回收，需要投入附加设备，会增加企业生产运营及维护成本；如果成本太高，气体回收对生产企业利润没有直接贡献，不够经济的话，气体会被直接用火炬燃烧掉，这将造成能源损失和环境污染，不是最好的选择，但却是目前大多数油田都在采用的生产方式。（参考图一，传统采油工艺）

图一

采用多相泵技术的油气开采，可以省去在井口或油田附近建立分离站，用一台或几台混输泵实现混合输送。多相泵可以输送未经处理的油气混合物；多相泵可以先输送开采出来的混合产品，输送到方便处理的地方，再进行分离处理；这样可以将分离装置安装在城市郊区或安全的地方，方便生产及容易解决生产人员交通，生活补给等等；为企业生产经营大大地节省了生产运营费用。而生产作业人员，在办公室内就可以操作和控制远在几十公里甚至几百公里外的多相泵系统，让其独立生产作业，取代油井附件的分离站，整套生产运营设备设施及生产团队。使用多相泵技术可以为企业减少初期投资，减少日常生产作业的运营成本和设备维护成本，增加效益！（参考图2.采油油气混输泵的采油工艺）

图二

三、多相泵技术在油气生产中的特殊应用及优势介绍

1.多相泵在老油井即产量下降的油井中的应用

油井随着开采时间增长，油藏中的油压会降低，管线老化，会出现管路堵塞或腐蚀等现象，需要通过增加井口的背压（也叫井口回压）才可以将开采出来的产品沿着输油管线输送到集输站或中转站；这会增加采油设备的负荷，缩减采油设备使用寿命；通过安装使用多相混输泵，将油井开采出来的产品增压输送到集输站，可以降低油井背压，减少采油设备的负荷，提高产量，增加效益，延长油井的开采周期，增产增效。

2.多相泵在无法预测储量的油田中的应用

无法预测的储量的油藏，如果使用传统的开采工艺，需要大量的生产设备投资，需要大量的基础建设，一般认为投资大，投资周期长，投资收益无法保证，投资回报率无法预测而被放弃开采。应用多相泵技术，可以大大降低生产设备的初期投入，减少建设工期，减少生产人员；投入生产之后，可以轻而易举的掌握储量；而只需投入常规成本的一小部分，就可以实现开采作业，可以生产；这样有可能给生产企业带来超预期的回报；为无法预测储量的油田开采成为可能。

3.多相泵在海上钻井平台海底采油中的应用

多相泵解决方案适合全面开发蕴藏的油气资源；适用于海上平台，海底油气开采和各种常规应用。未经处理的介质无论是湿气还是重油，都能在任何工况下可靠的输送，另外采出的天然气不需要通过点燃火炬消耗，能投入到更有效益的应用；节能环保，并且为企业增加效益。

4.多相泵在严苛的生产环境中的应用

在严苛的生产环境中，如热带沙漠，热带雨林；极度严寒的地方，如极地油田，西伯利亚，冰岛等地采油；在极端恶劣环境下，如海底勘探油田，采油；在以上提到的极端严苛的自然环境中，采用传统的开采工艺和流程，要么生产成本及运营成本极高，严重影响生产企业的利润而影响开采的积极性或无法用传统开采工艺生产；但使用多相泵混合输送技术，采用先输送后分离的理念，可以将油井中开采出来的产品通过通一根管线输送到易于生产的地方再处理，大大降低企业的生产成本；使得这些油藏开采利用成为可能。

四、双螺杆多相泵技术国内外发展现状

1.油气混输泵需要解决的问题和挑战

油气混输泵和常规液体泵及压缩机比较，需要解决以下几个关键问题：

（1）应对复杂工况选择合适的材料组合

油气混输泵需要输送的是油井中开采出来的未经处理的输送介质；其除了包含常规的原油，水，天然气外；还含有矿物质，石蜡，水合物及可能含有各种腐蚀性或有毒有害物资，如硫化氢，各种溶解性的酸、碱、盐等等；还可能含有固体颗粒，如沙子，管道中的铁屑，焊渣等；组份相当复杂，各个应用工况需要处理输送的介质可能相差特别大。因此要求设备供应商针对现场中的实际生产工况，生产需求，需要解决泵体内各种关键零部件的选材问题；以便解决磨蚀，腐蚀等问题；因此要求其除了合理设计外形结构，精确的尺寸加工装配精度之外，还需要辅以表面硬化处理，防腐处理等措施以便适应复杂严苛的运行工况。

（2）解决复杂工况下机械密封及冲洗系统的可靠性和耐用性问题

通过近三十年的经验积累，机械密封在应对复杂的油气混输工况中，选型，选材及结构设计等已经取得了相当丰富的经验。国外的螺杆泵及机械密封制造商的产品可以满足大部分实际生产需求；国内的泵和机械密封的制造商还需要继续努力，加大研发投入，以便制造出适合于高要求，严苛工况下的产品。

在工况不是特别苛刻的应用场合，如含气比不是特别高（ＧＶＦ低于８０％），其他条件如腐蚀，磨蚀等要求不是特别高，为了节约生产及使用成本，一般会采用单端面集装式机械密封，通用的材质组合是碳化硅动环对石墨静环，这种组合有极好的自润滑性能，抗干运转能力强；辅助冲洗系统采用泵体自带的或外置的无压类ＡＰＩ５２的冲洗方案就可以满足使用要求。

在高含气比的工况（ＧＶＦ大于８０％）下，高负载即压差高，高温，磨蚀，腐蚀要求高等严苛的工况下，机械密封需要选用结构复杂的造价高的针对该工况特殊设计的工程机封（有ＥＳ标识，Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｅａｌｓ）；一般是双端面集装式机械密封，选材需要考虑耐磨，耐腐蚀，耐高温等工况；结构上需要采用耐高压的平衡型结构；冲洗方案采用的也是复杂的ＡＰＩ５４／ＡＰＩ５３方案(如下图所示原理图)；冲洗系统需要控制冲洗介质的温度，压力，流量等相关参数以保证机械密封稳定工作。

图表3多相泵机械密封冲洗系统APIPlan 53 + Plan 54示意图

（3）油气混输泵需要解决气体压缩产生大量热的问题

油气混输泵和普通液体泵比较，还需要解决一个问题是由于输送介质中有不同程度的气体含量，其比例通常是不稳定的，ＧＶＦ从０到１００％这个区间都有可能出现。混输泵需要解决气体压缩过程中，产生大量的热量，如何散热的问题。如果这些热量集中在泵体内或某个区域中无法有效散热，会造成泵体部件持续受热造成过热变形，损坏等；甚至出现转子和定子即泵体，衬套间接触而抱死或卡死的故障；过热容易造成密封件的损坏，出现泄漏或造成泵无法正常工作。所有热量被有效带走或散发出去是多相泵必须考虑和面对的问题。

（4）油气混输泵需要解决在高含气比工况下气液分离及泵体补液问题

在泵送过程中，由于转子和定子之间是间隙配合，无接触，因此要求该配合间隙需要有液态的输送介质填充以达到高压腔和低压腔隔离，以便多相泵能建立自吸能力达到泵送目的。在含气比高（９７％以上）或出现段塞流时，泵体内达到纯气体工况的时候，要求多相泵系统有自动气液分离，自动补液的能力以解决生产作业过程中出现的问题；常规液体泵没有液体循环补液装置，在纯气工况下是无法泵送物资的。

（5）针对复杂工况如何实现对各种工况，各种状态的控制实现智能应用

多相混输智能增压解决方案中，除了解决处理以上提到的问题之外，针对各种工况，匹配了各种检测，监控，分析和执行机构以达到智能应用的目的。系统运行中，通过智能变频控制，针对泵入口端管路的压力来调节泵的转速，适应生产需要，调节产量。还配备具有就地显示和远程传输功能的相关仪器仪表，如温度表，压力表，温度床感器，压力传感器，震动传感器等，以便测量泵，电机，进出口管路及过滤器等相关组件，部件的运行状态；系统内还配备电动，气动或液压驱动的自动执行机构，如球阀等装置；还有其他控制部件如单向阀，截止阀，安全阀，调压阀，限压阀等控制和执行装置，以便在必要时，如出现紧急工况，意外情况，过载等时候可以通过控制系统给出指令，自动执行；确保多相泵系统在意外情况下，可以自我保护；确保进出口管路和泵系统可以通过球阀自动关闭隔离开，不会受到高压端回流（水锤效应）的影响而损坏；保证系统安全稳定运行。见如下视图为油气混输泵智能控制系统人机交互界面：

图表4 油气混输泵智能控制系统人机交互界面

2.国外双螺杆混输泵发展现状

国外双螺杆多相泵针对以上提到的问题，主要有两种不同的解决方案：第一种解决方案设计理念是采用分体式转子带衬套结构；采用加大泵体，偏心结构，实现泵体内气液分离且液体可以在泵体内自循环补液；实现高含气比工况下稳定运行。第二种解决方案设计理念是转子采用整体结构设计，泵体采用模块化设计，气液分离采用外分离装置，液体循环通过外分离器和泵体入口端连通实现液体自循环以达到高含气比工况稳定运行。下图是鲍诺曼公司2007年在印度投入使用的典型的油气混输泵系统应用案例。

图表 5多相泵典型应用案例

（1）转子分体式结构，配合内置气液分离系统和内置循环补液系统解决方案

第一种解决方案以德国ＩＴＴ鲍诺曼公司为主要代表，其设计理念是针对不同工况，可以选择最适合该工况的材质组合；分体式设计的转子，在长期使用过程中，出现磨损，需要维修的时候，只需要更换螺旋套即可，轴可以继续使用；为客户长期使用节省大修费用。但由于是分体式设计，轴的承压变形能力相对弱些，定子，转子间需要更大的配合间隙以保证其运行过程中不接触；这样势必加大高低压腔之间的回流即内漏增加，影响到泵的容积率及运行的效率。

此外，采用内分离腔室及内置循环补液解决方案，使得整个成撬更加紧凑，结构简单，减小整个撬装的外形尺寸和重量。针对安装位置紧张，需要控制总体尺寸和重量的场合，比如海上钻井平台，海底采油等工况更为适合。目前ＩＴＴ鲍诺曼的双螺杆多相混输泵在世界范围内，安装了近千台套系统；包括海底多相泵已经研发到第四代；是混输泵技术领域中当之无愧的领引者，下图所示。

图表 6内置气液分离和循环补液系统示意图

（2）转子整体式结构，配合外置气液分离系统和外置循环补液系统的解决方案

第二种解决方案主要是以德国莱斯特瑞兹（雷士）公司为主要代表，其设计理念是转子通过整体式锻造材料一次加工成型，转子整体的抗压强度高；在输送过程中，承受液压载荷造成的变形小；可以缩小定子和转子间的配合间隙，提高泵送的容积效率，提高泵的整体效率。但是因为整体结构，其螺旋套，轴针对不同输送介质可以选择的材料组合就很少，整体加工量大，造价高；还有在长期使用过程中，出现磨损情况以后，需要维修的时候，整个转子需要更换，不可重复使用，经济性能差些。

外置气液分离系统及外置循环补液系统使得整个成撬尺寸，重量增加，结构不够紧凑。在陆地油田中，安装尺寸和重量不受限制的场合可以选用此种结构。雷士多相泵系统解决方案世界范围内的应用业绩也非常可观，大约有几百台套应用案例，在数量上，其是仅次于鲍诺曼的世界范围内的第二大多相泵系统集成制造商。

图表 7 外置气液分离及循环补液系统示意图

3.国内多相泵制造应用现状

随着多相泵技术在世界范围内油气开采输送领域中越来越多的成功应用，国内主要油气生产企业如中石油，中石化，中海油等企业，各大院校，设计院，专业机构及泵的生产制造企业对该领域也非常重视，不断投入人力，物力，投入研发经费，加大该领域的研发和成果转化，增加实际应用案例。

国外发达国家八十年代初提出该理念，开始得到各个企业的响应；其中最著名的是法国和瑞典两个国家相关企业主导研发的海神计划混输泵（海神系列油气混输泵）；八十年代后期投入到实际的生产应用中，积累了大量的实际应用经验。我们国家开始引进双螺杆多相泵是在二十世纪九十年代中后期，从德国鲍诺曼和雷氏引进了几台套常规的油气混输泵。其主要应用于大庆油田，胜利油田中；使用工况，压力，流量，含气比等都没有太严苛的要求；也没有采用智能监控和自动执行的控制系统。基于此技术国内企业自行研发的多相泵系统，一般也是针对相对比较简单的工况有比较多的成功应用案例。

国内主要螺杆泵生产企业如天津工业泵，瑞德螺杆泵等企业在常规陆地上油田的油气开采领域中已经有不少成功的应用案例。针对相对简单的应用场合，应用工况，国内的解决方案和国外的解决方案相比较，更加经济，性价比高，服务好，反应快等；得到国内客户的青睐。

但是，在一些极端工况，面对严苛的要求，复杂地理和气化环境及特殊领域中的应用，国内生产企业和国外一流的生产企业还是有不少差距，如下问题需要解决：

如在高含气比的工况，如何保证整个系统的稳定运行？

如何有效解决气液分离，自循环补液，解决过热及泵效问题？

如何准确模拟和理论计算客户工况下的排量，轴功率，效率等相关的性能曲线，提高准确性？这些还需要更多的经验积累，总结；还需要通过更多的应用案例分析来总结提高准确性。

目前国内企业还无法真正模拟测试多相混输泵的全性能试验，出厂前的全性能试验测试方法，操作规程，控制流程，试验测试，测量，检测装置等等还需要进一步提升。

如何在特殊的严苛的应用工况中的选材，选型以保证整体方案的可靠性？

机械密封及冲洗系统应对极端工况的解决方案和措施还有待提高，包括配套供应商相关的制造研发能力的配套整体提升，直接影响整体解决方案的质量；

在整个解决方案中，针对复杂工况的监测，执行，控制装置，监控点；人机交互软件及控制系统的可靠性，安全性；智能应用控制等整体解决方案还有待提升。

针对复杂严苛的应用要求，我国的整体方案，从配套厂家如机械密封及冲洗系统厂家提供可靠的解决方案；轴承，齿轮包括其他标准件的厂家提供极端工况下，适合重载，高温等工况的可靠耐用的产品；泵体，轴，螺旋套等关键部件材料供应商能否提供可靠的材料；工件表面防腐，表面硬化处理的供应商是否有配套的可靠的处理工艺和解决方案；螺杆泵制造企业需要可靠的合理及优化的设计方案和设计能力；机加工能力，装配制造，质量控制及完整的性能试验能力；整个系统集成，实现智能控制的能力；需要相关设计院，科研机构，大专院校等提供理论支持；需要施工单位，最终用户方配合，据有经过培训的能力可靠的人员合理施工，安装调试；负责日常操作运行，正确使用相关系统；必要时和厂家可以进行有效的反馈沟通，可以一起解决和改进实际运行中出现过的问题等等；多相泵技术在我国油气行业和领域中的推广应用需要以上提到的各方的积极参与和支持才可以实现真正的整体提升；在未来几年内，希望我国自主研发的整体解决方案可以和国际上一流制造商的产品同台竞争，并且可以通过提高可靠性，安全性及高性价比等方面优于他们的解决方案。

远东泵业30多年来一直坚持为客户创造价值！

我们在努力了解您的需求，远东泵业提供给您的不仅仅是产品，还有流体输送解决方案。为你解决流体输送的难题，让你省心又省力！如果有任何关于流体输送泵的疑问，请立即拨打远东泵业咨询热线：020-82375311，我们会为您提供贴心的服务！

全国服务热线：020-82375311
联系电话：020-82375311
传真：020-82386622
联系QQ：2853715911
公司地址：广州市黄埔区黄埔东路621号