孟 迪
(中海油能源發(fā)展采油服務公司,天津 300457)
隨著科學技術的不斷進步,陸地資源的日趨減少,開發(fā)海洋油氣越來越具有重要的意義。目前世界上已發(fā)現的海底石油儲量約為2 500億t,為陸地石油儲量的2倍。海洋油氣產量已占油氣總產量的30%以上,并不斷穩(wěn)定地增長[1]。
我國在近海海域蘊藏著豐富的石油天然氣資源,海上油田己經成為我國石油開發(fā)的重要組成部分。渤海灣是一個勘探前景非常樂觀的海域,中國第二次資源評價結果認為,整個渤海灣盆地的石油地質儲量為300億t[2]。渤海的油氣資源主要是由邊際油田組成,其所處的海洋環(huán)境十分復雜和惡劣,承受著風、海浪、海流、潮汐、地震等載荷的威脅。
在石油消耗量日益增加而石油儲藏量日趨減少的今天,如何經濟地開發(fā)邊際油田,已經成為石油工業(yè)的熱門話題。而怎樣選擇一個最優(yōu)的邊際油田開發(fā)方案,則是一個急需解決的課題[3]。
目前中海油邊際油氣田開發(fā)的模式主要有兩種:
(1)“三一”開發(fā)模式。即對距離已開發(fā)油田20 km以內的邊際油氣田,利用一座平臺 (或水下井口)、一條海底管道、一條海底電纜將其生產的油氣送入該已開發(fā)油田的開發(fā)模式,該模式的研究取得了突破性進展,并已在渤海和北部灣海域成功實施。
BZ34-3/5油田是渤海海域的小邊際油田,針對該邊際油田 “現有油田附近含油構造”特點采用了 “三一”開發(fā)模式和兩腿三樁輕型平臺,自投產以來日產原油超過300 m3,這標志著該海上小邊際油田建成并成功投產,達到了預期的目的,并取得了較好的經濟效益[4]。
(2)“蜜蜂式”開發(fā)模式。即對于距離已開發(fā)油田20 km以外的,無法依托已開發(fā)油田的較小的、孤立的小型邊際油氣田,采用可移動式的集生產、動力、儲油、外輸、生活為一體的小型生產裝置進行開發(fā)的模式。像蜜蜂一樣,采完一個小油田,可以移動到另一個小油田采油,該裝置的投資可在多個油田開發(fā)中回收。該模式的研究已經取得了初步成果:2009年11月6日,我國首座 “蜜蜂式”開發(fā)模式裝置——海洋石油161正式完工,該項技術的突破,使中海油開發(fā)邊際油田的技術又往前邁了一大步。
“可搬遷人工島”具有鉆、采、儲、運等多種功能,可同時取代淺水的固定平臺和FPSO,并可克服固定平臺和FPSO抗冰性能差或不能抗冰的缺點,可多次搬遷重復使用,具有投資低、操作費低、撤除費低、安全環(huán)保、方便生產操作等諸多優(yōu)點??砂徇w人工島包括上部設施、島體和基礎三個部分,如圖1所示。人工島全部在船塢內完成建造、安裝和調試,漂浮出塢,濕拖至油田現場,“自安裝”至海床上。儲油量大于1萬m3,上部設施質量6 000~8 000 t,可在水深10~20 m的范圍內搬遷,搬遷時無需浮吊之類專門的工程船舶。島體和基礎可承受50年一遇的環(huán)境荷載和操作荷載。采用 “密閉氣壓連通式壓載海水和原油等質量流率置換流程”配以組合式儲油罐取代油水直接接觸置換流程,采用 “小水下重量基礎、依靠入泥抗滑固定構件固定”取代重力式基礎。
圖1 可搬遷人工島示意
可搬遷人工島總體開發(fā)方案為:兩側各設一個系纜平臺,并在人工島島體上設置一靠船件,穿梭油輪可直接??咳斯u,艏艉通過系泊纜系泊在系纜平臺上,系纜平臺為鋼筋混凝土結構、吸力錨基礎。見圖2。
圖2 系纜平臺示意
可搬遷人工島采用 “密閉氣壓連通式壓載海水和原油等質量流率置換流程”,克服了濕式儲油和傳統(tǒng)干式儲油的缺點,具有零污染、零排放、方便原油加熱、可儲存溶于水的液體、作業(yè)過程中操作重量不變、重心的水平面投影位置不變等優(yōu)點,是整個設計的巧妙處之一。
海水壓載艙和原油艙頂部通過管道和控制閥門連通并預充0.25 MPa(G)壓力的氮氣,形成同一個壓力系統(tǒng)。上部模塊處理合格的原油,通過原油裝載泵進艙,海水卸載泵同步外排壓載海水。原油的儲存時間為5~7 d。原油儲存溫度為55~60℃,為維持原油儲存溫度,在罐外設有原油加熱循環(huán)泵和原油循環(huán)加熱器。原油加熱循環(huán)泵共設2臺,一用一備。原油經原油外輸泵和原油計量橇計量后輸至穿梭油輪,海水壓載泵同步注入壓載海水。艙底污油經原油排污泵排至污油艙。
可搬遷人工島島體結構設計是本項目的核心內容,島體主要功能是儲油功能,與通常的FPSO設計理念有所不同。FPSO為浮式柔性結構,漂浮于水面,任何時候重力和浮力是平衡的,同時FPSO具有風向效應,可以保證浮體受環(huán)境荷載最小。而人工島為固定結構,島體直接承受環(huán)境荷載作用,同時儲油的體積也在不斷變化,因此,給設計帶來一定的難度。
人工島主體結構為7個鋼制立式圓筒形內壓儲罐,罐體直徑16 m、高20 m、壁厚18 mm,罐內中部由一個下拱形封頭將罐容上下一分為二,上部為海水壓載艙,下部為儲油艙,中拱封頭中心有一根通氣管直達上拱封頭中心,使得上下兩艙頂部的氣相空間連通。
7個單個組合罐通過6塊直立圓弧連接板、24塊直立連接平板和上中下3塊水平平板封頭焊接成為一個整體組合罐,底部平板封頭為與海床的接觸面,鋼板厚度均為18 mm。人工島鋼罐體的水平截面幾何圖形參數如下:6個周邊單罐 (直徑16 m)的圓心位于一個邊長為17.5 m的正六邊形的6個角;中心單罐的圓心位于正六邊形的中心;圓弧連接板位于兩個周邊罐之間,圓弧半徑8 m,圓弧與兩邊相連接的圓共同內切于直徑50 m的圓;24塊直立連接板位于它所連接的單罐的圓心連線兩側并與之平行,板寬度1.4 m,直立和弧形連接板長度等于21.6 m。由此,上中下3片平板封頭、6塊直立圓弧連接板、24塊直立連接平板和7個單罐之間形成2×12個密閉的空間,周邊的2×6個作為污水沉降艙和固定壓載水艙 (內部應根據所連接的2個組合罐抗外部水靜壓屈曲的要求,設置加勁構件),中心組合罐周圍的2×6個為空艙,可安裝泵、管道和儲油艙、海水壓載艙的人孔。罐內與液體和氣體接觸的罐壁全部采用防腐涂層。
鋼制組合罐的周邊立壁、上下頂外壁,均覆蓋0.5 m厚的鋼筋混凝土層,其作用一是配重,二是提供外壁防碰撞和抗屈曲保護層,三是防泄漏,四是防腐。立壁采用滑模澆筑,罐頂可不用模板。如果原油需要保溫加熱,緊貼鋼罐壁可采用一層耐熱和隔熱混凝土材料。
根據可搬遷人工島基礎設計要求:承載力滿足要求;可自安裝;可搬遷,本研究項目最終選取了吸力錨的結構形式,但我們將其進行了創(chuàng)新,設計成了基盤組合式基礎。該基礎包括6個吸力錨,其上部由6塊T形截面的弧形梁式裙板和數個加勁構件連接。吸力錨直徑12 m,高12.5 m,其水平截面圓的圓心均布于直徑51 m的圓周上。T形截面的弧形裙板的頂部平面環(huán)板的徑向寬度等于吸力錨直徑12 m,垂直弧形裙板高6 m,圓弧半徑為25.5 m。頂部平面環(huán)板可防海底沖刷。
(1)與采用海管輸油、陸上儲存、碼頭外運的方式相比,可搬遷人工島省去了海底管道和陸上終端碼頭,原油直接在海上生產、儲存和外輸。
(2)與海上固定平臺或兼有儲存功能的生產平臺相比,可搬遷人工島具有生產功能完備、存儲量大、外輸靈活方便、抗冰等優(yōu)點,且建造周期短、費用低,可實現重復搬遷。
(3)與FPSO相比,可搬遷人工島成本低、建造周期短、建造技術要求低、通用性好。
面對渤海海域邊際油田開發(fā)的難題和挑戰(zhàn),需要創(chuàng)新思維,不走前人和外國人的老路,探索一種具有鉆、采、儲、運等綜合功能,適用于渤海環(huán)境條件,可抗冰,安全可靠和環(huán)保,可搬遷和重復使用的低造價和低操作費的新型設施和工程開發(fā)模式,以取代現有的設施,將具有十分重大的意義。我們自主創(chuàng)新的可搬遷人工島正是完全符合上述要求的新型設施,相應配套的工程開發(fā)模式則借鑒了JZ9-3的成功經驗,采用海上固定式靠船設施系泊穿梭油輪,實現了原油的外輸。本研究項目如若成功實現,不僅解決了中海油多年來力求解決但至今沒有解決的難題,也為世界淺水油田的工程開發(fā)開創(chuàng)了新模式,開發(fā)效果和經濟效益將十分顯著。
[1]肖熙.海洋領域高技術發(fā)展與展望[J].中國海洋平臺,1998,12(2):20-22.
[2]陳惠民.加快技術創(chuàng)新,促進我國海洋工程開發(fā)[J].中國海洋平臺,1999,14(3):4-8.
[3]張志強,孟昭瑛.邊際油田輕型平臺及其選型的層次分析方法[J].石油工程建設,1998,(6):6-10.
[4]唐明軍,朱學海,紀樹立,等.BZ34-3/5小邊際油田的開發(fā)模式和電潛泵采油技術的應用[J].海洋石油,2008,(2):82-87.