曾 偉 ，趙晟辰，孫豐雷

(1.廣州船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院,廣州510250；2.必維船級(jí)社（中國(guó)）有限公司,上海200011）

1 概述

“瑪麗卡”FPSO是由一艘308 300 DWT VLCC改裝而成,改裝完成后將用于巴西桑托斯盆地Lula Alto鹽下油氣田的開(kāi)發(fā)。該FPSO主要用作：原油的生產(chǎn)、儲(chǔ)存及外輸；生產(chǎn)污水處理；天然氣的生產(chǎn)、回注及外輸；CO2的回注及海水的注入等。其具有較強(qiáng)的油氣水處理能力：儲(chǔ)油能力達(dá)160萬(wàn)桶；原油處理能力為15萬(wàn)桶/天；天然氣產(chǎn)能為600萬(wàn)m3/d；生產(chǎn)污水處理能力為2.1萬(wàn)m3/d，注水能力為3.5萬(wàn)m3/d。

根據(jù)系統(tǒng)和功能的不同，油氣水生產(chǎn)處理系統(tǒng)被劃分成多個(gè)模塊布置的主甲板上。該FPSO采用多點(diǎn)系泊系統(tǒng)，生活樓布置在尾部，火炬塔布置在首部，共有23個(gè)上部模塊布置在兩者之間，其中左舷13個(gè)、右舷10個(gè)。左舷主要布置油氣水處理模塊、火炬及閉排系統(tǒng)模塊、管匯處理模塊等；右舷主要布置動(dòng)力模塊、化學(xué)注入模塊、天然氣壓縮模塊、CO2分離及壓縮模塊、原油外輸計(jì)量模塊等。

2 原油處理工藝流程

原油處理工藝流程是根據(jù)油田井流的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分析研究相關(guān)原油處理工藝并對(duì)其進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較，從而確定適宜的工藝流程。原油處理工藝流程，主要由原油匯集、處理、計(jì)量外輸三大系統(tǒng)組成。

2.1 原油匯集

為節(jié)約投資，一般在可以聯(lián)合開(kāi)發(fā)的海域只設(shè)計(jì)少量的FPSO，將周邊油田、采油平臺(tái)來(lái)液匯集后集中處理?！艾旣惪ā盕PSO用于開(kāi)采的Lula Alto油田，屬于深海區(qū)塊鹽下層油氣田，來(lái)自16口油井的井流經(jīng)由FPSO左舷舷側(cè)的立管平臺(tái)，進(jìn)入靠近左舷的4個(gè)管匯模塊匯集，然后進(jìn)入油處理模塊進(jìn)行處理。在這4個(gè)管匯模塊上，布置了16個(gè)清管器發(fā)射裝置和3個(gè)清管器接收裝置，用于進(jìn)行油田井口與FPSO上管匯模塊之間的海底管道清管作業(yè)，從而減少海底管道內(nèi)壁的腐蝕，提高管道的輸送效率和管道壽命。

2.2 原油處理

來(lái)自管匯模塊的井流混合物是典型的多組分系統(tǒng)，必須經(jīng)過(guò)油、氣、水等分離、處理和穩(wěn)定，才能滿(mǎn)足儲(chǔ)存、輸送或外銷(xiāo)的要求。為此，設(shè)置了一系列生產(chǎn)設(shè)備，其中分離器是最主要的設(shè)備，其他還包括換熱器、泵、脫水器、穩(wěn)定裝置等設(shè)備。

該FPSO原油處理采用三級(jí)分離：一級(jí)分離設(shè)備包括高壓三相分離器、原油換熱器、原油加熱器，來(lái)自管匯模塊的井液，壓力約20 bar、溫度20～40 ℃，進(jìn)入高壓三相分離器進(jìn)行油、氣、水三相分離，分離出來(lái)的氣體進(jìn)入燃料氣處理系統(tǒng)，水進(jìn)入生產(chǎn)水處理系統(tǒng)，分離出來(lái)的原油溫度為40 ℃，通過(guò)原油/合格原油換熱器和原油加熱器加熱到92 ℃后進(jìn)入二級(jí)分離；二級(jí)分離設(shè)備主要由IP閃蒸罐和預(yù)處理器組成，原油在IP閃蒸罐中脫除氣態(tài)輕烴，從而降低原油蒸汽壓，使原油在常溫常壓下儲(chǔ)存時(shí)減少蒸發(fā)損失，脫除的氣體進(jìn)入燃料氣處理系統(tǒng)。含水原油通過(guò)預(yù)處理器進(jìn)行油水分離，分離出來(lái)的水進(jìn)入生產(chǎn)水處理系統(tǒng)，處理后的原油壓力1.5 bar、溫度75 ℃進(jìn)行三級(jí)分離；三級(jí)分離主要由低壓脫氣器和電脫水器組成，低壓脫氣器脫除的氣體進(jìn)入燃料氣處理系統(tǒng)，含水原油則通過(guò)電脫水器進(jìn)行深度脫水，脫除的水去生產(chǎn)水處理系統(tǒng)，含水<0.5%的合格原油進(jìn)入原油/合格原油換熱器進(jìn)行冷卻，冷卻后的原油約55 ℃、壓力1.1 bar，進(jìn)入油艙儲(chǔ)存。原油在貨油儲(chǔ)存艙內(nèi)進(jìn)一步沉降分離油水，穩(wěn)定貨油參數(shù)，等待外輸。

2.3 原油外輸

原油外輸是將合格原油經(jīng)過(guò)計(jì)量后裝船外運(yùn)的過(guò)程。儲(chǔ)存在貨油艙內(nèi)的合格原油通過(guò)集中布置在泵艙的3臺(tái)外輸油泵增壓，計(jì)量裝置計(jì)量后經(jīng)過(guò)卸油站卸油至外輸油輪。該FPSO首尾各布置了一個(gè)卸油站，卸油站內(nèi)布置輸油裝置，外輸油輪通過(guò)系泊纜與FPSO串靠，合格原油經(jīng)過(guò)漂浮軟管輸送到外輸油輪上，漂浮軟管的回收和儲(chǔ)存是通過(guò)軟管絞車(chē)來(lái)完成的。

3 生產(chǎn)污水處理工藝流程

生產(chǎn)水處理是FPSO的一項(xiàng)主要功能，該系統(tǒng)主要是收集來(lái)自油氣水分離處理罐的污水，由總管匯集后經(jīng)過(guò)除油除氣得到排放要求的生產(chǎn)水。

“瑪麗卡”FPSO上生產(chǎn)污水處理系統(tǒng)和油處理系統(tǒng)一起布置在油處理模塊上，主要由生產(chǎn)水駁運(yùn)泵、生產(chǎn)水冷卻器、電脫水器用泵、水力旋流器、加氣浮選器和循環(huán)泵組成。井液在原油分離罐中初步處理，得到處理污水，該污水由對(duì)應(yīng)的污水泵輸送到污水匯集管匯集，利用生產(chǎn)水冷卻器冷卻后進(jìn)入水力旋流器，利用油水密度差進(jìn)行油水分離，分離出來(lái)的水則進(jìn)入加氣浮選器進(jìn)一步脫油處理，最后達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的污水排海，不合格的污水排到生產(chǎn)水艙，再次進(jìn)入生產(chǎn)水處理系統(tǒng)處理，直至合格后再排海。

4 天然氣處理工藝流程

天然氣處理是FPSO的另一項(xiàng)主要功能，主要是把分離罐中分離出來(lái)的天然氣進(jìn)行收集、分離凈化、增壓至可用水平后供各用戶(hù)使用。 “瑪麗卡”FPSO用于開(kāi)采伴生氣較多的油氣田，其天然氣經(jīng)處理后主要有以下幾種用途：（1）作為自身的燃料需求，主要是供作為電站、熱站、壓縮機(jī)動(dòng)力燃料使用；（2）用作油田的氣舉；（3）通過(guò)海底管線(xiàn)輸送的井口平臺(tái)使用；四、余下部分回注油田或作火炬放空和燃燒。

4.1 天然氣的回收

在原油處理過(guò)程中，原油在容器中要進(jìn)行加熱、緩沖、減壓、穩(wěn)壓，伴生有許多可燃?xì)鈴脑椭蟹蛛x出來(lái)，這些氣體被統(tǒng)一進(jìn)行收集利用。

該FPSO天然氣回收主要是依據(jù)原油三級(jí)分離罐中分離氣的分離壓力，對(duì)其進(jìn)行增壓匯集的過(guò)程。該處理流程的關(guān)鍵設(shè)備是天然氣壓縮機(jī)組，該壓縮機(jī)組為兩系列螺桿式壓縮機(jī)，共兩臺(tái)一用一備。高壓三相分離器分離出來(lái)的天然氣壓力為19 bar、溫度40 ℃，直接進(jìn)入天然氣匯集管中匯集；低壓脫氣器分離氣的壓力為1.5 bar，經(jīng)過(guò)兩系列壓縮機(jī)一級(jí)壓縮后與來(lái)自IP閃蒸罐的分離氣混合，壓力達(dá)到6.5 bar，再經(jīng)兩系列壓縮機(jī)二級(jí)壓縮處理壓力達(dá)到19.5 bar、溫度135 ℃，最后通過(guò)天然氣回收出口冷卻器冷卻至40 ℃、壓力降為19 bar后，在天然氣匯集管中與高壓分離器分離出的天然氣匯集，進(jìn)入天然氣的脫水處理。另外，原油三級(jí)分離罐中的分離氣也可以通過(guò)壓力控制閥流向高低壓火炬分液罐，到火炬燃燒放空。

4.2 天然氣脫水

天然氣中的水可能會(huì)在管線(xiàn)中形成水合物，從而引起管線(xiàn)堵塞和腐蝕，因此在天然氣生產(chǎn)過(guò)程中需要進(jìn)行脫水處理，使之達(dá)到規(guī)定的含水汽量指標(biāo)。天然氣脫水常用的方法有溶劑吸收法、固體吸附法、直接冷卻法和化學(xué)反應(yīng)法，“瑪麗卡”FPSO是采用分子篩脫水和冷劑制冷脫水聯(lián)合使用來(lái)脫水：分子篩脫水是利用多孔性的分子篩吸附劑處理含水氣體混合物，使其中水分吸附于分子篩表面上，從而達(dá)到分離的目的；冷劑制冷脫水是通過(guò)冷劑循環(huán)制冷來(lái)降低天然氣的溫度，使氣體中部分水蒸氣冷凝析出，從而達(dá)到分離的目的。

“瑪麗卡”FPSO天然氣脫水工藝流程如下：來(lái)自天然氣回收模塊的氣體，經(jīng)進(jìn)口洗滌器脫除小液滴，由壓縮機(jī)將氣體壓力提高到58.5bar，壓縮后的濕氣通過(guò)出口冷卻器和天然氣/脫水氣換熱器后進(jìn)入分子篩脫水處理流程，分子篩脫水后的干氣通過(guò)干氣冷卻器、制冷單元和低溫分離器進(jìn)一步脫除其中的凝析油和污水，最終的干氣通過(guò)天然氣/脫水氣換熱器后進(jìn)入CO2膜分離單元，進(jìn)行CO2分離操作。

天然氣脫水的關(guān)鍵是分子篩脫水工藝流程，主要由進(jìn)口分離器、進(jìn)口加熱器、分子篩脫水塔、粉塵過(guò)濾器、再生氣預(yù)加熱器、再生氣電加熱器、再生氣冷卻器、再生氣分離器等設(shè)備組成。分子篩脫水工藝采用四個(gè)脫水塔，其中兩塔用于吸附脫水，另外兩塔進(jìn)行吸附劑的再生和冷卻，四塔同時(shí)進(jìn)行，然后相互之間切換操作。脫水流程分為脫水吸附和再生循環(huán)兩部分，首先來(lái)自天然氣/脫水氣換熱器的濕氣經(jīng)過(guò)進(jìn)口分離器和進(jìn)口加熱器，除去攜帶的液滴并加熱后進(jìn)入兩個(gè)分子篩脫水塔進(jìn)行脫水吸附操作，脫除水后的干氣經(jīng)粉塵過(guò)濾器除去分子篩粉塵后和雜質(zhì)后分為兩部分：一部分進(jìn)入制冷脫水單元進(jìn)行深度脫水脫油；另一部分進(jìn)行分子篩的再生循環(huán)操作，再生循環(huán)包括分子篩的加熱再生和分子篩的冷卻。在加熱再生期間，再生氣通過(guò)再生氣預(yù)加熱器和電加熱器加熱到120 ℃ ～ 230℃后, 進(jìn)入分子篩脫水塔，進(jìn)行分子篩再生過(guò)程，分子篩脫水塔頂出來(lái)的再生氣經(jīng)過(guò)再生氣冷卻器冷卻后,進(jìn)入再生氣分離器分離出凝液, 之后再生氣返回到壓縮機(jī)入口。一旦分子篩床層被再生完全后, 再生氣將走再生氣加熱器旁通, 進(jìn)入分子篩脫水塔使床層冷卻下來(lái),當(dāng)冷吹氣流出口溫度低于40℃時(shí), 冷卻過(guò)程即可停止。

4.3 二氧化碳的脫除及注入

天然氣中的CO2可能會(huì)在管線(xiàn)中形成酸性氣體，從而引起管線(xiàn)和設(shè)備的腐蝕，同時(shí)也降低天然氣的熱值和輸氣管道的輸送能力，因此天然氣需要進(jìn)行CO2脫除處理。脫除的CO2可回注到油層以提高地層壓力，從而提高原油采收率。“瑪麗卡”FPSO的天然氣在進(jìn)行脫水處理后，通過(guò)天然氣/脫水氣換熱器加熱到24.5 ℃、壓力約為52.5 bar，然后進(jìn)入CO2膜分離單元進(jìn)行CO2分離操作，分離出的CO2氣經(jīng)CO2壓縮模塊后注入地層；分離出來(lái)的天然氣（脫碳?xì)猓毫?7 bar、溫度10 ℃，一部分通過(guò)燃料氣洗滌器脫除液滴后供用戶(hù)使用，主要是為電站、熱站、CO2壓縮機(jī)組提供動(dòng)力燃料及為其它設(shè)備提供輔助用氣，剩余部分進(jìn)入氣舉壓縮機(jī)進(jìn)一步壓縮。

該流程的關(guān)鍵是CO2膜脫除工藝和CO2壓縮工藝流程。CO2膜脫除工藝是以膜兩側(cè)氣體壓力差為驅(qū)動(dòng)力，使得CO2溶解并滲透過(guò)膜，從而使天然氣組分在膜原料側(cè)濃度降低，而在膜的另一側(cè)CO2達(dá)到富集，達(dá)到天然氣脫除CO2的目的。分離后的CO2滲透氣壓力為1.5 bar、溫度10℃，送到CO2壓縮機(jī)壓縮。選用了兩臺(tái)離心式四級(jí)壓縮機(jī)組，壓縮后的CO2壓力達(dá)到249 bar，壓縮后的CO2氣與天然氣回注氣一起經(jīng)注氣壓縮機(jī)加壓至449 bar，通過(guò)注入井向油田地層注氣，以維持油層壓力，提高原油采收率。

4.4 天然氣的氣舉和回注

在油氣田開(kāi)采中，液體(原油)較重，在上千米甚至幾千米的井筒中會(huì)造成比較大的壓力，使地層中的原油無(wú)法流到地面，為了解決該問(wèn)題，氣驅(qū)采油技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前應(yīng)用較多是天然氣氣舉采油，它是從地面將天然氣注入井筒與油層混合，利用高壓天然氣的膨脹使井筒中的混合液密度降低，將井內(nèi)的原油舉升到地面的一種采油方式。

另外，油田開(kāi)采中的天然氣，在滿(mǎn)足自身用氣需要后，可以采用天然氣回注技術(shù)，把剩余的伴生氣回注到地層保留起來(lái)，不僅提升了地層壓力，提高了原油采收率,而且還可以留待后期開(kāi)發(fā)利用。

“瑪麗卡”FPSO的天然氣在脫除CO2后，除了部分自身用氣需求外，其余的全部送到兩級(jí)氣舉壓縮機(jī)，將氣體壓力提高到249bar。經(jīng)氣舉壓縮機(jī)壓縮的的天然氣將分成三部分：一部分通過(guò)外輸管線(xiàn)輸送至井口平臺(tái)，作為平臺(tái)用氣；一部分通過(guò)氣舉管線(xiàn)進(jìn)入注入井中用于氣驅(qū)采油，其到達(dá)采油井井底后，成為石油氣的組成部分和原油一起被舉升到地面，再一次通過(guò)油氣水分離進(jìn)入天然氣處理流程；其余部分氣體經(jīng)注氣壓縮機(jī)加壓至449 bar，通過(guò)注入井向油田地層注氣，留待后期開(kāi)發(fā)利用。

5 結(jié)束語(yǔ)

上文簡(jiǎn)單介紹了“瑪麗卡”FPSO的主要生產(chǎn)工藝系統(tǒng)，該生產(chǎn)工藝系統(tǒng)還包括一些輔助生產(chǎn)工藝系統(tǒng)，如：火炬系統(tǒng)、開(kāi)排及閉排系統(tǒng)、化學(xué)藥劑注入系統(tǒng)、海水處理及注水系統(tǒng)等，限于篇幅本文就不再展開(kāi)。FPSO生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)，不僅是FPSO的核心技術(shù)，同時(shí)也是油田開(kāi)發(fā)的核心技術(shù)之一，希望本文的總結(jié)分析對(duì)后續(xù)FPSO的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)有一定促進(jìn)作用。

[1] 海洋石油工程設(shè)計(jì)指南[M] .北京：石油工業(yè)出版社，2007.

[2] 趙耕賢.浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船（FPSO）設(shè)計(jì)[J] .上海造船，2009.

[3] 秦向東，溫鐵軍，金美芳. 脫除與濃縮二氧化碳的膜分離技術(shù). 膜科學(xué)與技術(shù)[J].1998，18（6）.