新型儲(chǔ)油Spar油水置換工藝試驗(yàn)研究

張益公， 齊曉亮， 王　晉， 高　巍， 李　卓

(1.哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱150001； 2.北京高泰深海技術(shù)有限公司，北京100011)

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新型儲(chǔ)油Spar油水置換工藝試驗(yàn)研究

張益公1，2， 齊曉亮2， 王晉2， 高巍2， 李卓2

(1.哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱150001； 2.北京高泰深海技術(shù)有限公司，北京100011)

摘要：新型鉆井儲(chǔ)油Spar平臺(tái)的儲(chǔ)油卸油功能的實(shí)現(xiàn)是該平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)之一。該平臺(tái)的儲(chǔ)油和卸油功能依靠水與油的自然密度差，通過(guò)油水置換實(shí)現(xiàn)。為了驗(yàn)證該工藝的可行性，進(jìn)行了1:83縮尺比的模型試驗(yàn)，試驗(yàn)包括儲(chǔ)油系統(tǒng)油水置換過(guò)程模擬和平臺(tái)運(yùn)動(dòng)油水界面晃蕩模擬兩部分。油水置換模型試驗(yàn)對(duì)儲(chǔ)油卸油過(guò)程中排出的水樣進(jìn)行多次檢驗(yàn)，水樣含油量低于50 mg/L。油密度越高，排出水樣含油量越大，油水置換循環(huán)次數(shù)越多，水樣含油量越大。模型試驗(yàn)驗(yàn)證了新型鉆井儲(chǔ)油Spar油水置換工藝這一關(guān)鍵技術(shù)的可行性，使新型鉆井儲(chǔ)油Spar平臺(tái)的應(yīng)用前景更明朗。

關(guān)鍵詞：油水置換工藝；Spar鉆井儲(chǔ)油平臺(tái)；模型試驗(yàn)

0引言

目前海洋油氣開采逐漸走向深海區(qū)域，新型的油氣生產(chǎn)平臺(tái)技術(shù)不斷涌現(xiàn)。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，Spar平臺(tái)作為繼張力腿平臺(tái)之后的新一代主力深海生產(chǎn)平臺(tái)，從1997年投產(chǎn)的第一座經(jīng)典式單柱型Spar平臺(tái)(第一代)到2002年投產(chǎn)的第一座桁架式Spar平臺(tái)(第二代)，再到2004年投產(chǎn)的第一座多柱型Spar平臺(tái)(第三代)，已經(jīng)成為最重要深海浮式平臺(tái)類型之一[1-4], 被廣泛應(yīng)用于世界各深海區(qū)域的油氣田開發(fā)中。Spar平臺(tái)與現(xiàn)有的深水生產(chǎn)平臺(tái)相比，具備完整的深水鉆完井能力、干樹生產(chǎn)作業(yè)能力，因而適用于深水中小型乃至邊際油田的開發(fā)。其深吃水的主體內(nèi)部有巨大的空間可以用來(lái)存儲(chǔ)生產(chǎn)出的原油，大大節(jié)省了深水油田開發(fā)的總成本。深吃水Spar平臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)部立管等油井設(shè)施提供了良好的保護(hù)，Spar平臺(tái)具有無(wú)條件穩(wěn)性，安全可靠，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)優(yōu)越且對(duì)水深變化不敏感，非常適合在深水和超深水海域使用[5]。其系泊系統(tǒng)成本也較其它深水生產(chǎn)平臺(tái)低，便于安裝并可以重復(fù)使用。

圖1　SDPSO示意圖

隨著水深的不斷增加和離岸線越來(lái)越遠(yuǎn)，油氣田開發(fā)的總成本也大幅增加，對(duì)深水浮式生產(chǎn)平臺(tái)技術(shù)“鉆-采-儲(chǔ)-運(yùn)”綜合能力和安全可靠性的要求也不斷提高。美國(guó)油氣工業(yè)界研究組織DEEPSTAR[6，7]2003年～2005年期間對(duì)墨西哥灣深水油氣田開發(fā)項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)研究分析的結(jié)果表明，對(duì)于一個(gè)特定的深水油氣田開發(fā)總成本而言，平臺(tái)的船體部分和上部組塊部分占總成本比重相對(duì)較小，而鉆井部分的成本則高達(dá)40%,此外，水下系統(tǒng)、立管系統(tǒng)和油氣外輸海底管線所占成本比重也大大提高。由此可知，最佳的深水浮式平臺(tái)概念應(yīng)該是能夠有效地降低鉆井、完井和修井部分的成本以及水下系統(tǒng)、立管系統(tǒng)和油氣外輸海底管線的成本，而不一定是平臺(tái)本身的最低成本。國(guó)際能源行業(yè)希望開發(fā)出一種具有安全可靠性高、綜合功能強(qiáng)大、技術(shù)性能優(yōu)越的新型深水浮式平臺(tái)，它能夠具備完整的深水鉆井能力、干樹生產(chǎn)作業(yè)能力以及儲(chǔ)油卸油能力，即“鉆-采-儲(chǔ)-運(yùn)”于一體。 該文提出了一種新型的深水立柱式Spar鉆井生產(chǎn)儲(chǔ)卸油平臺(tái)(Spar Drilling Production Storage Offloading, SDPSO)概念，該平臺(tái)能夠極大地提高深水工程技術(shù)解決方案的靈活度和降低深水油田開發(fā)的總成本。 同時(shí)，SDPSO平臺(tái)具有可移動(dòng)性和綜合鉆井生產(chǎn)儲(chǔ)卸油能力，也能夠使南海一些深水邊際油田具有更好的商業(yè)開采價(jià)值，并可以成為早期生產(chǎn)系統(tǒng)的選擇方案。

SDPSO的儲(chǔ)油卸油功能依據(jù)“油水置換”原理實(shí)現(xiàn)。針對(duì)該原理，趙雅芝等[5]進(jìn)行了水下儲(chǔ)油模型試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，油水交換過(guò)程中油水界面不存在乳化，操作過(guò)程不影響油的含水量和水的含油量，油水置換排出的海水可以達(dá)標(biāo)排放。由于SDPSO為浮式結(jié)構(gòu)物，實(shí)際情況下會(huì)不停運(yùn)動(dòng)，對(duì)于油水置換工藝的實(shí)現(xiàn)和平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)油水界面影響需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。因而該文針對(duì)SDPSO平臺(tái)的儲(chǔ)油卸油關(guān)鍵技術(shù)—油水置換工藝進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究。

1SDPSO平臺(tái)基本特點(diǎn)

SDPSO平臺(tái)具備儲(chǔ)油卸油功能，該平臺(tái)的儲(chǔ)油艙位于Spar中段。一般平臺(tái)采用干式儲(chǔ)油，即在平臺(tái)內(nèi)有專門的儲(chǔ)油艙，該艙僅用于儲(chǔ)油。SDPSO的儲(chǔ)油方式稱之為“濕式儲(chǔ)油”，其儲(chǔ)油艙位于Spar中段，原油儲(chǔ)存在該艙，原油的儲(chǔ)存和排出通過(guò)“油水置換”實(shí)現(xiàn)。

儲(chǔ)油艙內(nèi)的水和油由于自身物理特性的差異實(shí)現(xiàn)自然分界，上層為油、下層為水。當(dāng)需要儲(chǔ)油時(shí)，將位于下層的水排出，油水界面下降，從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)油功能；當(dāng)需要卸油時(shí)，將水注入下層，將位于上層的原油抽出，從而實(shí)現(xiàn)卸油功能，這就是“油水置換”的基本原理，圖1為SDPSO示意圖。

由于SDPSO吃水為198.1 m，借助內(nèi)外壓力差輔以泵即能實(shí)現(xiàn)油水置換功能。大量液體交換產(chǎn)生的重心變化可由調(diào)整平臺(tái)的壓載艙來(lái)抵消，從而保證平臺(tái)重心基本不變。

針對(duì)SDPSO的特點(diǎn)進(jìn)行油水置換工藝模型試驗(yàn)，一方面考察油水置換方法的可行性與排出水的含油量情況；另一方面考察平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)油水界面的影響。該文的模型試驗(yàn)主要為油水置換時(shí)觀察排出水含油量。

2模型試驗(yàn)介紹

2.1試驗(yàn)方式

建立與實(shí)物相似比為1∶83的儲(chǔ)油艙和管道系統(tǒng)模型，模擬油水置換實(shí)際流程, 即“進(jìn)油排水過(guò)程”和“進(jìn)水排油過(guò)程”，觀察記錄油水界面升降情況，測(cè)量置換出的水中含油量與置換出的油中含水量。

2.2試驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑閳A柱形儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐模型高2.0 m，外徑0.4 m，容積約為0.203 m3。

模型采用厚度20 mm、密度1.19×103kg/m3的有機(jī)玻璃材料澆注而成。試驗(yàn)中，采用密度為1×103kg/m3的自來(lái)水，采用以下規(guī)格的2種油：

(1) 1號(hào)主軸油密度為0.83×103kg/m3；

(2) 2號(hào)主軸油和齒輪油的混合油，密度為0.91×103kg/m3。

油水隔離器采用低壓(高密度)聚乙烯材料制作，其密度介于水和油之間，隔離器直徑略小于儲(chǔ)罐內(nèi)徑，為358 mm。油水置換試驗(yàn)系統(tǒng)主要由儲(chǔ)罐、儲(chǔ)油池、儲(chǔ)水池、上水槽、下水槽、泵以及管路系統(tǒng)組成。

平臺(tái)運(yùn)動(dòng)油水界面晃蕩試驗(yàn)在上海交通大學(xué)船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的“三自由度液艙晃蕩模擬裝置”上進(jìn)行，該裝置包括運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)橫搖、縱搖和升沉三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)模擬，允許可安裝液艙容器模型的最大幾何尺度為：1.1 m×1.1 m×1.1 m。允許最大試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦B同液艙內(nèi)部流體的重量(有效載重)為1.5 t。在最大有效載重下，該裝置橫搖的最大幅值為±30°，縱搖最大幅值為±20°，升沉的最大幅值為±200 mm。該裝置的使用頻率為0～1.5 Hz，并能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或三個(gè)自由度的耦合運(yùn)動(dòng)。

2.3試驗(yàn)流程及工況

圖2是油水置換模擬裝置的原理圖。

圖2　油水置換模型試驗(yàn)裝置原理圖

油水置換模擬的試驗(yàn)流程：

(1) 打開閥2，關(guān)閉閥1、3、4和5。打開泵1，將儲(chǔ)水池中的清水充入儲(chǔ)罐至最高水位線。

(2) 打開出水閥1和進(jìn)油泵2，進(jìn)行排水進(jìn)油過(guò)程。直至油水界面到最低水位線，停止排水進(jìn)油過(guò)程。

(3) 打開出油閥3、閥2和進(jìn)水泵1，進(jìn)行排油進(jìn)水過(guò)程，直至油水界面達(dá)到最高水位線，完成一次循環(huán)。

(4) 重復(fù)步驟2和3，進(jìn)行3次循環(huán)。

(5) 3次循環(huán)后，將儲(chǔ)罐內(nèi)的水排入儲(chǔ)水池，儲(chǔ)水池內(nèi)取樣點(diǎn)1位置取1 L水樣。將儲(chǔ)水池內(nèi)的水通過(guò)進(jìn)水泵1往上打入上水槽至50 L水位。靜置1 h，打開閥6，在取樣點(diǎn)2位置取1 L水樣；將上水槽內(nèi)的水通過(guò)垂直水管流入下面的下水槽，下水槽內(nèi)取1 L水樣。

(6) 清空儲(chǔ)水池，換清水。

(7) 重復(fù)步驟1～6，進(jìn)行6次進(jìn)油排油循環(huán)試驗(yàn)，并在3個(gè)位置取水樣。

(8) 重復(fù)步驟1～6，進(jìn)行9次進(jìn)油排油循環(huán)試驗(yàn)，并在3個(gè)位置取水樣。

分別對(duì)有、無(wú)油水隔離器，油1和油2兩種油進(jìn)行試驗(yàn)，共取得36個(gè)水樣， 對(duì)其含油量進(jìn)行測(cè)試。油水置換試驗(yàn)具體工況見表1。

表1　油水置換試驗(yàn)工況表

3模型試驗(yàn)

3.1油水置換試驗(yàn)

進(jìn)行36個(gè)工況的油水置換試驗(yàn)，進(jìn)油排油過(guò)程中，油水無(wú)混合現(xiàn)象，油水界面平緩。試驗(yàn)過(guò)程中，進(jìn)水油速度約為15 L /min。油水置換試驗(yàn)水樣含油量見表2。

表2　油水置換試驗(yàn)水樣含油量

由表2可以看出，各個(gè)水樣中的濃度均滿足海洋石油開發(fā)工業(yè)含油污水排放標(biāo)準(zhǔn) (GB 4914-85)對(duì)于海洋石油開發(fā)工業(yè)含油污水的二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，即濃度低于50 mg/L，油1、油2水樣含油量比較圖如圖3所示。圖3中橫坐標(biāo)工況下，第一個(gè)數(shù)字代表循環(huán)次數(shù)，第二個(gè)數(shù)字代表取樣點(diǎn)位置，第三個(gè)字母代表有無(wú)油水隔離器，n表示沒(méi)有隔離器，y表示有隔離器，31n表示無(wú)油水隔離器3次循環(huán)取樣點(diǎn)1位置處水樣。

圖3　油1和油2水樣含油量比較圖

油1油水置換試驗(yàn)含油量如圖4所示，相同循環(huán)次數(shù)和取樣點(diǎn)位置，油1工況下的含油量都小于油2工況。

圖4　油1油水置換試驗(yàn)含油量

圖5為油2油水置換含油量，圖6為油1不同循環(huán)一次數(shù)工況含油量比較。由圖5、圖6可以看出，相同循環(huán)次數(shù)下，取樣點(diǎn)2和3位置的水樣含油量小于取樣點(diǎn)1位置的水樣，即經(jīng)過(guò)設(shè)置上水槽和下水槽，水中的油從儲(chǔ)水池到上水槽以及上水槽到下水槽的過(guò)程中會(huì)自動(dòng)和水分離，水中的含油量會(huì)降低。

圖5　油2油水置換試驗(yàn)含油量

圖6　油1不同循環(huán)次數(shù)工況含油量比較

圖7為油2不同循環(huán)次數(shù)工況含油量比較，由圖6、圖7可以看出，循環(huán)次數(shù)越多，含油量也會(huì)越大。圖8為有無(wú)油水隔離器工況含油量比較，由圖8可以看出，油水隔離器對(duì)于含油量濃度的影響沒(méi)有規(guī)律性。

圖7　油2不同循環(huán)次數(shù)工況含油量比較

圖8　有無(wú)油水隔離器工況含油量比較

4結(jié)論

該試驗(yàn)對(duì)儲(chǔ)油系統(tǒng)進(jìn)行了油水置換模擬以及平臺(tái)運(yùn)動(dòng)油水界面晃蕩模擬，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，可以得到以下結(jié)論：

(1) 油水置換試驗(yàn)中，各個(gè)工況水樣中的濃度均滿足海洋石油開發(fā)工業(yè)含油污水排放標(biāo)準(zhǔn) (GB 4914-85)對(duì)于海洋石油開發(fā)工業(yè)含油污水的二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，即濃度低于50 mg/L。該儲(chǔ)油系統(tǒng)可以應(yīng)用于實(shí)際海洋石油開發(fā)中，并且不會(huì)對(duì)海水環(huán)境造成污染。

(2) 經(jīng)過(guò)油水置換過(guò)程后，相比油1(主軸油)的工況，采用油2(主軸油和齒輪油的混合油)的工況水樣中含油濃度更大。

(3) 經(jīng)過(guò)相同油水置換循環(huán)次數(shù)后，取樣點(diǎn)2和取樣點(diǎn)3位置的水樣含油量小于取樣點(diǎn)1位置的水樣，表明經(jīng)過(guò)設(shè)置上水槽和下水槽，能降低水中的含油濃度。

(4) 油水置換過(guò)程中，循環(huán)次數(shù)越多，含油濃度也會(huì)越大。

(5) 在現(xiàn)實(shí)中，平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)會(huì)影響油水置換工藝中油水界面，其原理及影響程度將在下一階段試驗(yàn)中進(jìn)行觀察。

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收稿日期：2015-03-24

作者簡(jiǎn)介：張益公(1975-)，男，高級(jí)工程師。

文章編號(hào)：1001-4500(2016)03-0050-06

中圖分類號(hào):TE38

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Model Test of Oil Water Exchange for SDPSO

ZHANG Yi-gong1,2, QI Xiao-liang2, WANG Jin2, GAO Wei2, LI Zhuo2

(1.Harbin Engineering University, Harbin 150001, China;2.COTEC Offshore Engineering Solutions， Beijing 100011， China)

Abstract：For a new concept deep-water Spar Drilling Production Storage Offloading (SDPSO) platform, how to achieve the underwater oil storage is the key technology for it. The storing crude oil containing seawater in an underwater oil tank was studied by using oil/water exchange technology. In order to verify the feasibility of the process, a 1:83 model scale test was performed, including static and dynamic simulations. During a number of water samples in oil storage and offloading tests, it is indicated that the oil content in the seawater produced in the oil/water change process was within the discharge limit of standard(lower than 50mg/L), even with the high density oil and the higher oil/water replacements cycles. Through the static and dynamic simulations, there is no emulsion layer was appeared at the interface of oil and water during all the process. In conclusion, the present model test makes it possible to apply the new type of oil/water change technology of SDPSO, which makes the application prospects of the new type of SDPSO more evident.

Keywords：oil-water exchange; SDPSO; model test