水下生產系統(tǒng)在我國南海深水油氣田開發(fā)的應用與挑戰(zhàn)

劉太元，霍成索，李清平，萬 祥，李文英

（1.中海油研究總院，北京100027；2.中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東珠海519000；3.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳518067）

1 前言

隨著全球經濟的發(fā)展，對于能源的需求不斷增加，特別是化石能源，全球的消費增長遠遠超過生產增長，2013年全球石油消費日增長達到140萬桶，與此同時石油價格卻一直保持在較高的位置運行[1]。強大的經濟利益刺激各大國際石油公司和國家石油公司在油氣勘探的力度不斷加大，除傳統(tǒng)的陸地和淺水海域的勘探外，深水油氣田的勘探開發(fā)和建設顯得尤為突出。

深水油氣田勘探在全球油氣勘探中比重的增加一方面是由于全球陸地和淺海經過長期的勘探開發(fā)，重大油氣發(fā)現的數量已越來越少，規(guī)模也越來越??；另外一方面由于早期的技術和裝備限制的原因，深水區(qū)域勘探程度非常低，當石油勘探技術和裝備石油勘探技術的進步使得深水勘探的門檻不斷降低時，油氣公司自然加大對深水海域的勘探力度。

作為深水油氣田開發(fā)的主要模式之一，水下生產系統(tǒng)得到廣泛應用[2，3]。水下生產系統(tǒng)既可是單一的水下衛(wèi)星井通過海底管線回接到固定平臺或岸上設施，也可以是安裝在水下基盤或圍繞在中心管匯周圍的多口水下井口，通過水下處理和集輸設施將井流傳輸到固定平臺，浮式結構，甚至直接到陸上終端[4]。與傳統(tǒng)的生產系統(tǒng)相比，水下生產系統(tǒng)安裝在海底，大大降低了平臺的載荷與面積，同時對于海況環(huán)境不敏感，可以適應不同的水深。水下生產系統(tǒng)的高效性、經濟性及技術成熟度已經被各大石油公司所接受，同時水下生產系統(tǒng)在提高油氣田采收率方面的突出特點也是其被選為深水氣田開發(fā)方案的主要原因之一。

2 水下生產系統(tǒng)的現狀及發(fā)展趨勢

根據油氣田開發(fā)的要求不同，水下生產系統(tǒng)的各組成部分略有不同，傳統(tǒng)意義上的水下生產系統(tǒng)包括水下井口、水下采油樹、管匯系統(tǒng)、水下處理設施（包括分離裝置、泵、壓縮機及相關的電力動力分配系統(tǒng)）、生產控制與監(jiān)視系統(tǒng)、化學藥劑注入系統(tǒng)、臍帶纜、海底管道、立管及水下采油樹干涉系統(tǒng)，各系統(tǒng)的主要定義與功能，讀者可參閱文獻[5～8] ，這里不再贅述。典型的水下衛(wèi)星井回接到平臺的水下生產系統(tǒng)結構如圖1所示。需要注意的是，上面提到某些系統(tǒng)并未在圖1中出現，同時為了便于理解，圖1中給出了水下生產系統(tǒng)的上部接口，如平臺的生產處理系統(tǒng)及海上作業(yè)施工船舶等。

圖1 典型水下生產系統(tǒng)結構示意圖Fig.1 Typical elements in a subsea production system

從20世紀50年代第一口水下井口投入生產到現在，水下生產系統(tǒng)技術得到快速發(fā)展，技術已經相當成熟。截至2014年3月，從回接距離上看，世界上在建或已經投產的油氣田中，氣田回接距離最長的是STATOIL公司作業(yè)的Snohvit氣田，回接距離為143 km?；亟泳嚯x最長的油田為Shell公司的Penguin A-E油田，回接距離為69.8 km。而從水深的角度看，目前世界上最深的油氣田為Shell公司的Tobago油田，Tobago油田作業(yè)Perdido油田的一部分，其最深水深已達到2934 m。Chevon公司位于澳大利亞的Gorgon項目的回接距離將達到188 km，而Woodsides公司的CO2水下再注項目的回接距離更是將達到280 km[9]。

國際石油公司和國家石油公司對深水勘探力度的不斷加大，使得更深海域的油氣資源不斷得到發(fā)現，同時新發(fā)現的油氣資源的離岸距離也在不斷增加。這使得水下生產系統(tǒng)安裝位置處在海域的水深不斷加深，流動安全所面臨的挑戰(zhàn)不斷增加。與此同時水下生產系統(tǒng)所服務的油藏復雜性也不斷增加，高溫高壓油藏給水下設備的密封可靠性及材料特性提出了更高的要求。極地區(qū)域的豐富油氣資源正在吸引著油公司的注意力，油氣勘探逐漸擴展到極地海域，極地海域的特殊環(huán)境對水下生產系統(tǒng)提出了新的要求。水下生產系統(tǒng)在海洋油氣田開發(fā)中的應用呈現出以下的發(fā)展趨勢。

1）水下生產及處理系統(tǒng)的應用將不斷增加。常規(guī)的安裝在上部設施的油氣處理設施將逐漸走入水下，水下分離器、水下增壓泵、水下壓縮機等水下油氣處理設施的應用將不斷增加，從而實現油氣的水下處理及外輸。水下油氣處理系統(tǒng)將極大節(jié)省上部設施的空間，降低對載荷要求，同時也將有利于提高整個油氣田的采收率，延長油氣田壽命。目前Petrobras的Cascade和Chinook項目已經采用水下增壓系統(tǒng)來提高油氣傳輸的壓力，Total的Paz-flor油田采用了水下氣液分離和增壓技術，而Shell公司的Perdido油田也采用了垂直的電潛泵（ESP）和水下氣液分離，圖2為由Petrobras運營的Marlim油田的水下油水分離及再注系統(tǒng)?？梢灶A見在不遠的將來會有越來越多的水下生產處理設施安裝并投入運營[10]。

圖2 Marlim項目水下油水分離及再注系統(tǒng)（由FMC提供）Fig.2 Subsea separation system with produced water rejection for marlim project(courtesy by FMC technologies)

2）電液復合控制方式向全電式控制方式發(fā)展。全電控制采用電氣信號對水下生產系統(tǒng)進行控制，消除了開式液壓控制系統(tǒng)帶來的液壓液的排海對環(huán)境造成的影響，同時取消了液壓系統(tǒng)可能帶來的任何泄露問題，如果同時采用液壓系統(tǒng)作為水下生產系統(tǒng)的備份控制，還將極大地提高整個水下生產控制系統(tǒng)可靠性。圖3為世界上第一棵全電控制采油樹，該采油樹于2008安裝于K5F油田，到目前為止，運行良好[11]。

圖3 全電控制采油樹（由OneSubsea提供）Fig.3 All electric subsea tree(courtesy by OneSubsea)

3）水下生產系統(tǒng)供電向水下高壓交直流供電方向發(fā)展，原來位于平臺的大型供電設備開始出現在水下安裝應用。大型水下處理設施的功率可以達到幾十兆瓦，傳統(tǒng)的低壓供電技術無法滿足如此大負荷的用電需求。如圖4所示，Ormen Lange氣田已經將水下高壓斷路器部署到其氣田的水下生產系統(tǒng)中，用于向水下壓縮機的供電系統(tǒng)。水下高壓交直流供電所需要的關鍵電氣設備包括水下變壓器、水下開關等都將成為未來的研發(fā)熱點[12]。

圖4 Ormen Lange水下斷路器（由Aker Solutions提供）Fig.4 Ormen Lange pilot subsea circuit breaker(courtesy of Aker Solutions)

海洋油氣生產的特點對水下生產系統(tǒng)的可靠性提出了很高的要求，作為水下生產系統(tǒng)的重要組成部分，水下生產系統(tǒng)的控制方式從最簡單的直接液壓控制開始，經歷了先導式液壓控制，順序式液壓控制等多個發(fā)展階段，目前應用最廣的水下控制方式為電液復合控制。電液復合控制的控制距離可達150 km甚至更遠。隨著海洋油氣勘探逐漸向深水邁進，水下控制系統(tǒng)也呈現出新的發(fā)展趨勢，主要表現為以下4個方面。

1）通訊接口的標準化，包括水下主控站（MCS）與分散式控制系統(tǒng)（DCS）的通訊接口，水下各種監(jiān)測儀表的通訊接口，水下控制系統(tǒng)上部設備與水下設備的通訊接口等。通訊接口的標準化有利于第三方設備的接入，使得整個水下生產控制系統(tǒng)的可擴展性大大增強。

2）通訊帶寬要求越來越大，光纖逐漸取代電力載波成為主要的信號傳輸方式。隨著水下生產系統(tǒng)各種監(jiān)測及檢測儀表及井底各種儀表應用的增加，對于傳輸的要求不斷增加，同時油氣田生產的優(yōu)化也要求水下生產系統(tǒng)的各種數據能夠盡可能快地傳遞到上部設備，供生產管理及優(yōu)化使用[13]。

3）控制方式由電液復合轉向全電式控制。采用電液復合式控制方式，仍然需要從上部設備提供液壓液作為動力源。水下全電控制系統(tǒng)傳輸的是電信號，控制距離更遠，響應時間更短，環(huán)境友好，省去了控制系統(tǒng)中的液壓組件，在降低臍帶纜直徑的同時，也將極大地降低臍帶纜的費用。

4）工業(yè)以太網將成為了水下控制系統(tǒng)傳輸的主要協議。標準化工業(yè)以太網的應用將取代各水下控制系統(tǒng)供貨商的通訊協議互不兼容的問題，將極大地增強水下控制系統(tǒng)的靈活性和可擴展性。

3 水下生產系統(tǒng)在我國海洋油氣田開發(fā)中的應用與挑戰(zhàn)

海洋石油是我國石油勘探開發(fā)的重要組成部分，南中國海蘊藏有豐富的油氣資源，是我國油氣資源戰(zhàn)略選區(qū)之一。隨著勘探開發(fā)技術進步和工作量的增加，未來天然氣儲量將會快速增長[14]。

如前所述，水下生產系統(tǒng)靈活性強，可適應不同形式的浮式平臺，可回接到固定平臺，甚至可直接回接至岸上終端。基于水下生產系統(tǒng)的油氣田開發(fā)方案必將成為我國南海深水油田開發(fā)的主要模式之一[15～17]。經過多年的合作開發(fā)，我國采用水下生產系統(tǒng)相繼開發(fā)了多個油氣田，包括LH11-1，YC13-4，HZ32-5，LW3-1和 PY35-2/1等多個油氣田，并均取得了成功，LW3-1氣田的順利投產更是邁出了走向深水的堅實的一步，對中國海洋加快深水油氣資源開發(fā)并邁向國際深海市場具有重要的推動作用。

上述油氣田除了LW3-1氣田的水深在1500 m左右，其他油氣田的水深均處于300 m左右的水深，總體上講我國對于深水油氣田的開發(fā)起步較晚，具有自主知識產權的海洋資源開發(fā)技術仍較薄弱，技術層面總體落后先進海洋國家15～20年，特別是開發(fā)深水油氣田的水下生產系統(tǒng)相關技術，仍由少數國家所壟斷。如何快速突破水下生產系統(tǒng)的相關技術，建立擁有自主知識產權的水下生產系統(tǒng)，縮小與國外先進國家的差距將成為一項重要課題[18]。

與其他海域相比，我國南海特別的自然環(huán)境對于該區(qū)域的深水油氣田開發(fā)提出新的挑戰(zhàn)。首先南中國海是世界上臺風最頻繁的區(qū)域之一，夏季臺風頻發(fā)，加之冬季季風的影響，給海上設施和作業(yè)帶來巨大的風險，南海特有的內孤立波對海上油氣勘探開發(fā)所帶來的影響也受到越來越大的重視[19]。其次南海海域地質條件復雜，沙坡沙脊的移動速度可達每年300 m左右，會給水下生產系統(tǒng)的設施完整性造成直接的影響[20]，同時隨著逐步走向深水，油氣藏的離岸距離越來越遠，復雜的油氣傳輸所帶來的流動安全保障及遠距離的水下生產控制技術都是以前開發(fā)淺水油氣田所未遇到的，缺少相關的經驗。

4 結語

隨著我國經濟飛速發(fā)展，能源需求越來越多，能源供需矛盾愈來愈突出。為了緩解我國的能源供需矛盾，同時也為了維護我國的海洋主權和權益，海洋石油開發(fā)向深海進軍，大力開發(fā)我國南海深水油氣資源已經成為必然的趨勢。

水下生產系統(tǒng)在全球深水油氣田勘探開發(fā)中的廣泛應用已經證明了其技術的成熟度，但是新的技術仍然在快速發(fā)展，新的技術和概念不斷涌現。南海深水油氣資源的開發(fā)不但給我們提出了巨大的挑戰(zhàn)，同時也帶給我們巨大的機遇。為了推進南海深水油氣田的開發(fā)，加大水下生產系統(tǒng)方面的關鍵技術研究，打破國外技術壟斷，為南海大開發(fā)奠定堅實的基礎。

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