单螺杆泵在海洋天然气水合物流化采输中的模拟实验.pdf

钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY2023 年 5 月May 2023基金项目:北京石油机械厂研发项目“DLB4800-1 天然气水合物地面模拟输送装置研制”(编号:2016 新 08)。作者简介:陈晓军(1979-),硕士,高级工程师,2005 年毕业于大庆石油学院安全技术及工程专业,现从事完井及采油设备的设计工作。地址:(102206)北京市昌平区能源南街 9 号北京石油机械有限公司,电话:[phone],E-mail:chenxj7 开采工艺单螺杆泵在海洋天然气水合物流化采输中的模拟实验陈晓军,王兴燕,李兴杰,王瑞霄北京石油机械有限公司摘 要:天然气水合物固体流化开采是海洋浅层非成岩水合物合理开发的关键技术之一,天然气水合物固体流化输送装置是输送水合物的核心装备,输送装置的合理选用、结构设计和性能测试是保障水合物安全输送的关键。文章针对可燃冰固态流化输送技术要求,设计了一种以单螺杆泵作为主体的模拟输送装置,并对其输送性能进行了模拟实验。实验结果表明,在室温且泵吸入口压力超过 10 MPa 条件下,该模拟输送装置可实现可燃冰的固态流化输送;关键部件的设计结构、材质和表面处理工艺均可满足可燃冰固态流化输送的工艺要求。该实验研究为海洋可燃冰的固态流化开采工艺及采输装备的研制提供有益的技术参考,具有良好的推广应用前景。关键词:天然气水合物;可燃冰;固态流化开采;单螺杆泵;模拟实验DOI:10.3969/J.ISSN.1006-768X.2023.03.11引用格式:陈晓军,王兴燕,李兴杰,等.单螺杆泵在海洋天然气水合物流化采输中的模拟实验J.钻采工艺,2023,46(3):66-71CHEN Xiaojun,WANG Xingyan,LI Xingjie,et al.Simulation Experiment of PC Pump During Production Through Fluid-ization Exploitation and Transportation of Marine Gas HydratesJ.Drilling and Production Technology,2023,46(3):66-71Simulation Experiment of PC Pump During Production Through Fluidization Exploitation and Transportation of Marine Gas HydratesCHEN Xiaojun,WANG Xingyan,LI Xingjie,WANG RuixiaoBeijing Petroleum Machinery Co.,Ltd.,CPET,CNPC,Beijing 102200,ChinaAbstract:Solid fluidization exploitation of natural gas hydrates is one of the key technologies for the rational de-velopment of shallow non-diagenetic hydrates in the ocean.The solid fluidization transportation device of natural gas hydrates is the core equipment for transporting hydrates.The reasonable selection,structural design and per-formance testing of the transportation device are key to ensure the safe transportation of hydrates.In this paper,according to the technical requirements of solid fluidization transportation of combustible ice,a simulation trans-portation device with a PC pump as the main body was designed,and its transportation performance was simula-ted.The experimental results show that the simulated conveying device can achieve solid-state fluidization trans-portation of combustible ice under the conditions of room temperature and pump suction pressure exceeding 10 MPa;the design structure,material and surface treatment process of key components can meet the process re-quirements of solid fluidization transportation of combustible ice,providing beneficial technical references for the development of solid fluidization exploitation technology and equipment for marine combustible ice,and has good prospects for promotion and application.Key words:natural gas hydrate;combustible ice;solid state fluidization exploitation;PC pump;simulated ex-periment66第 46 卷 第 3 期Vol.46 No.3钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY 0 引言天然气水合物(以下简称可燃冰)是以甲烷为主的烃类气体与水形成的冰状晶体,水分子通过氢键构成笼形多面体,笼中包含天然气分子1-4。可燃冰在特定的高压低温条件下形成并稳定存在,主要赋存于大陆边缘海底与永久冻土带沉积物中,具有分布广泛、矿藏规模大、清洁、埋藏浅等特点,是地球上尚未开发的最大已知能源库,具有极其重要的潜在经济价值,我国蕴藏着大量的这种矿产5。可燃冰在开采时如果压力降低或温度升高,会发生相变。如何开发利用已经成为世界各国关注的焦点。目前,可燃冰开采方法主要分为分解开采和固态流化开采6。分解开采法包括注热法、注化学抑制剂法和降压法7-11,主要目的是改变可燃冰稳定存在的环境,使其分解产生可流动的气体和水,再加以开采。注热法需要提供大量的热量来源,经济性较差。注化学抑制剂法有可能对海洋地层和水环境造成污染。降压法通过降低储层压力使可燃冰自然分解进行开采,具有较高的经济性和环境友好性。固态流化开采法是在开采时维持可燃冰的高压低温条件,保留可燃冰的基本固态特征,直接将可燃冰碎块随水一起开采至地面再进行分离储运。该方法具有开采工艺简单和环保的优点,缺点是储层内的固相流动性差,开采时需要配套相应的可燃冰挖掘、破碎和收集设备。海洋可燃冰固态流化开采的流体中含有固、液、气三相多种成分,其中固相包含可燃冰和砂。为实现可燃冰混合物顺利采输,采用何种方式作为主力开采设备成为关键。2017 年 5 月,中国海洋石油集团有限公司在南海北部荔湾 3 站位成功实施了全球首次海洋浅层非成岩天然气水合物固态流化试采作业。采掘过程中使用喷嘴射流的方法破碎井眼周围水合物矿体实现水合物流化开采。但射流开采存在采掘效率低、漏失严重、泵输能耗高等问题,亟需在水合物流化开采一体化钻采技术和装备方面获得突破12。1 可燃冰模拟采输技术分析1.1 机械开采装置优选理论上,机采的效率要高于射流开采。现有的机采泵包括电潜泵、抽油泵和单螺杆泵三种。电潜泵由金属制成的离心泵叶轮旋转进行泵送,由于气体的存在易形成叶轮的气蚀,同时由于流道的曲折,输送介质中固体含量较多的情况下会导致卡泵。抽油泵利用柱塞和凡尔的配合作用实现抽吸,由于气体的存在会导致气锁,致使地面不出液。单螺杆泵的运动部件少,没有阀件和复杂的流道,介质可以连续吸入和排出,不易砂卡,也不易产生气锁13,因此适用于输送可燃冰混合物。虽然单螺杆泵的工作特性使其具有开采可燃冰混合物的潜质,但至今为止,海洋可燃冰的开发仍未大规模进行,相应的配套工艺仍未成熟,采用单螺杆泵进行可燃冰的试采也未有机会进行应用验证。为模拟采用单螺杆泵对可燃冰混合物进行流化开采的过程,设计了一种地面模拟输送装置,验证单螺杆泵及配套技术对可燃冰进行固态流化输送的可行性。1.2 实验模拟环境为在地面模拟单螺杆泵对可燃冰混合物的输送有效性,单螺杆泵输送扬程可以不超过 100 m,以能验证单螺杆泵定转子结构和工艺措施是否适当即可。地面进行可燃冰混合物输送实验,前提要保证可燃冰在输送过程中的固态相态基本不变。根据海洋天然气水合物的平衡相图(图 1)可知,随着压力降低、温度升高,可燃冰会逐渐分解出甲烷气体14。图 1 海洋天然气水合物平衡相图14在模拟开采 1 000 m 深处的可燃冰混合物工况中,可燃冰所处的环境压力约为 10 MPa,则地面模拟输送的泵入口压力应大于 10 MPa。在此压力条件下,15 以下的环境温度下,可燃冰基本能保持固态。1.3 泵体材质选择由于海水环境中含有大量的氯离子,常规材料对海水耐受性差,故需优选耐盐腐蚀性好、强度高的材质作为泵体的过流部件。双相不锈钢材质具有强度高、耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀的特性,适宜作为海水环境下的泵体材料。钛合金材质对于海水腐蚀也有很好的耐受性。经综合考虑,选择双相不锈钢76 钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY2023 年 5 月May 2023作为泵体主材。1.4 单螺杆泵适用性分析单螺杆泵相比于其他类型的泵更适宜输送含固、液、气和砂的混合介质。根据行业标准 SY/T55492002单螺杆抽油泵,为保证单螺杆泵的使用寿命,所输送介质中含砂或其他固体体积比不宜超过2.5%,且固相粒径尺寸不大于 0.25 倍转子的偏心距。按此要求,结合现有单螺杆泵的偏心距通常为 8 mm的实际,单螺杆泵所能输送的水合物固相尺寸最大仅为 2 mm。这就要求水合物开采时被破碎得很小,不仅会导致水合物开采效率大大降低,并且可能会使大量甲烷气体溢出。将可燃冰固体与砂等固体对比分析,认为固相为砂或类似的较硬固体情况下,如果此类固相粒径较大或体积占比较大,在混合液中将很难以悬浮状态随流体一同输送,很快会在泵中沉积,导致卡泵。而可燃冰固体具有密度较小,硬度较低的特点,在混合输送过程中易于形成悬浮状态。在输送可燃冰时,可以适当增大可燃冰粒径和可燃冰固相的体积比。同时应保证混合物中的液相体积比不小于 10%,以免螺杆泵因缺少流体润滑和散热而烧毁定子橡胶。1.5 实验安全分析可燃冰分解出的甲烷气体泄漏到环境中达到爆炸极限会导致爆炸,因此需要对地面模拟系统的密封处进行甲烷气体的泄漏监控,同时模拟输送装置的驱动和传动系统需选用防爆电器和配件,避免设备运行中产生火花。2 结构设计2.1 可燃冰模拟输送装置基于上述分析,设计了可燃冰模拟输送装置,主体结构如图 2 所示,主要参数如表 1 所示。该装置由防爆减速电机、防爆联轴器、传动空心轴、盘根密封组件、挠轴、单螺杆泵等组成,配备甲烷检测仪和变频控制柜。图 2 可燃冰模拟输送装置结构示意图表 1 可燃冰模拟输送装置主要参数参数数值型号DLB4800-1额定密封压力/MPa10额定扬程/MPa1最大密封压力/MPa16转排量/(mLr-1)4 800额定转速/(rmin-1)300最大流量/(m3h-1)86工作温度/-1060电机功率/kW45进出口法兰规格WN80-160RF 防爆减速电机通过防爆联轴器与传动空心轴连接。挠轴左端插入传动空心轴内孔,并与传动空心轴左端密封连接,挠轴右端与螺杆泵转子头部螺纹连接。通过挠轴把电机动力传递到螺杆泵转子。传动空心轴安装在轴承座内,传动空心轴右端外圆与轴承座密封舱室之间安装有盘根密封组件。盘根密封内衬帘布提高强度,且密封材料内添加石墨以提高自润滑性,以减少转动时的摩擦阻力。通过吸口三通将轴承座右端和螺杆泵定子入口端连接,形成可燃冰混合物吸入腔室,单螺杆泵右端则与出口管路连接。该输送装置所有过流部件均采用双相不锈钢材质,提高抗氯离子腐蚀能力。2.2 单螺杆泵单螺杆泵由定子和转子组成,为保证螺杆泵及驱动杆柱的平稳运行,偏心不宜过大,结合可燃冰固相合理的破碎尺寸最低 10 mm,将单螺杆泵偏心距适当放大为 12.7 mm,转子螺距 450 mm,定子导程为 900 mm,定子管直径 216 mm。单螺杆泵主要尺寸见图 3。为了保证单螺杆泵输送的平稳性,可燃冰混合物应混合均匀,且所有固相体积不应超过总溶液体积的30%,否则可能导致输送载荷不稳定,而出现设备异常震动。为了避免定子橡胶磨损使泵的容积效率降低,优86第 46 卷 第 3 期Vol.46 No.3钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY 选高弹性、低磨耗、耐盐水的丁腈橡胶配方。同时由于输送介质的复杂性,对螺杆泵定子、转子间的过盈配合尺寸进行了优化,使全转速范围内螺杆泵的漏失量足以对转定子进行润滑。图 3 单螺杆泵主要尺寸示意图含砂的介质会对常规盘根密封产生较严重的磨损,导致甲烷气体泄漏。为了避免泄漏量达到爆炸极限,在盘根密封组件附近安装了甲烷检测仪,实时监测环境中甲烷浓度,当达到爆炸极限 40%时,甲烷检测仪内的触点动作,控制变频柜操作面板的声光报警器闪烁并发出蜂鸣指示,提示操作者采取适当措施进行应对。通过采取以上措施,有效提高了单螺杆泵的使用寿命和试验装置的安全性。3 模拟实验由于单螺杆泵容积效率可随着转速的增加而大幅提高,同时海洋可燃冰储层温度较低,使得单螺杆泵工作时处于较低温度状态。因此,在性能试验过程中,针对实际工况制定评价指标,以验证模拟装置关键功能的可靠性。3.1 单螺杆泵性能试验为保证可燃冰流化开采模拟输送装置高效运行,同时具有足够的泵间泄漏量以润滑泵体,制定试验要求为:室温 20,以清水为试验介质,进出口额定压差 1 MPa 的条件下,最低转速 100 r/min 时单螺杆泵的容积效率高于 70%,最高转速 300 r/min 时单螺杆泵的容积效率低于 90%。图 4 单螺杆泵台架试验通过对单螺杆泵泵体进行台架试验,分别测得100、200 和 300 r/min 转速下的容积效率曲线如图 5所示。在试验条件下,100 r/min 转速时,容积效率为71.9%;200 r/min 时,容 积 效 率 增 加 至 83.9%;300 r/min 时,容积效率增加至 87.6%,符合设计要求。图 5 单螺杆泵容积效率曲线3.2 泵吸入口的密封及耐压测试为满足模拟装置入口高压需要,泵吸入口处的结构强度需能承受额定 10 MPa 动压和最高 16 MPa 静压。进行室内试验,将吸入口三通左端和轴承座连接起来,右端用盲法兰封堵,上端吸入法兰处连接带打压口的试压法兰。在传动空心轴静止时,加静压 19.2 MPa,稳压 15 min,各处未发现渗漏。在转速 100 r/min 条件下,加动压 12 MPa,稳压 15 min,密封盒未发生渗漏。3.3 整机跑合及耐压试验部件试验通过后对整机进行了整机跑合与加载试验。试验时,泵入口法兰连接进液软管,出口法兰处连接节流阀、压力表及流量计等。在泵最大压差1.2 MPa 下,分别以 100、200 和 300 r/min 转速各运转 30 min,确认装置各处结构无干涉,各密封处无渗漏,转子、挠轴及轴承座满足额定压差下的工作要求。通过以上室内试验,验证了可燃冰模拟输送装置的容积效率、最高压力下部件结构的强度和密封性能,以及整套装置在入口常压下的工作性能,已具备了可燃冰混合物输送试验条件。3.4 可燃冰混合物的输送实验将可燃冰模拟输送装置接入可燃冰制备、混合、输送流程进行测试15。为模拟 1 000 m 深海工况,循环系统增压至 10 MPa 起泵循环。循环管路内径 76.2 mm,泵排量 86 m3/h 时,流速约 5 m/s。试验初期,介质为模拟海水,混入了粒径 2.3 mm 的石英砂(图 6),体积比大于 5%,输送装置震动明显,大粒径的石英砂不能均匀混合。96 钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY2023 年 5 月May 2023将介质中石英砂粒径降低至1 mm(图7),体积比不变。经单次连续运转试验 4 h,累计运行超 100 h,输送装置运转未见明显异常,实现了含砂海水的平稳输送。拆检输送装置,可见盘根密封组件安装法兰内部有石英砂黏附(图 8),转子表面有砂粒划痕和压坑(图 9),定子端部无密封处存在划痕和蚀坑(图 10)。而采用双相不锈钢的过流部件表面没有出现明显腐蚀痕迹。图 6 混合物中粒径 2.3 mm 的石英砂图 7 混合物中粒径 1 mm 的石英砂图 8 法兰表面石英砂黏附图 9 转子电镀表面的划痕和压坑图 10 定子壳体表面的划痕和蚀坑根据模拟井况的钻井液排量、钻井液密度、产气量等工程参数,通过数值仿真得到水合物临界分解位置为 670 m,通过调节试验装置的管路循环压力模拟了 640670 m 的管流上返过程,试验中模拟输送装置运行平稳,管路中可观测到多相流现象,成功记录了每隔 10 m 的温度、压力、各相含量和各相流速等试验数据16。由实验结果可见,在泵最大排量 86 m3/h、流体流速约 5 m/s 的条件下,单螺杆泵模拟输送装置实现了对粒径 1 mm 石英砂颗粒与海水可燃冰混合物的机械泵送,并成功完成了对可燃冰混合物的上返过程的模拟。拆检可见海水和砂的混合物对泵体过流部件的表面有明显的磨蚀作用。因此在设计时,转子表面镀铬层可以适当加厚,与海水接触的过流部位可以通过采用涂层硬化防腐技术等,来延长泵体的使用寿命。4 结论(1)单螺杆泵输送海洋可燃冰混合物时,过流部件可以采用双相不锈钢材质或具有同等防护能力的表面处理技术,以延长机采设备在含砂海水中的使用寿命。(2)模拟输送实验过程中,混合液中的砂粒径2.3 mm,体积比为 5%时,在泵的最大排量下仍不能实现混合物的平稳输送。因此建议在流化开采工艺管柱的泵吸入口端应尽量设置有砂浆沉降分离装置,以减少含砂对机采泵的损害。(3)单螺杆泵的结构使其具有多相混输的能力,经试验证明可以用于输送可燃冰混合物,有望成为海洋浅层非成岩天然气水合物开采的关键技术。参 考 文 献1张磊.置换减压法开发天然气水合物工艺及数值模拟J.钻采工艺,2021,44(6):74-77.ZHANG Lei.Process and numerical simulation of gas hy-drate development by displacement and decompression meth-odJ.Drilling&Production Technology,2021,44(6):07第 46 卷 第 3 期Vol.46 No.3钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY 74-77.2付强,王国荣,周守为,等.海洋天然气水合物开采技术与装备发展研究J.中国工程科学,2020,22(6):32-39.FU Qiang,WANG Guorong,ZHOU Shouwei,et al.Devel-opment of 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