未來深水水下油氣田開發(fā)模式
——超遠程全潛式深水水下油氣田開發(fā)水下系統(tǒng)探索

孫　維，王金娟

(1.中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東 珠海 519000；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

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未來深水水下油氣田開發(fā)模式
——超遠程全潛式深水水下油氣田開發(fā)水下系統(tǒng)探索

孫維1，王金娟2

(1.中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東 珠海 519000；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

摘要：中國南海氣候惡劣，海洋環(huán)境復雜，每年的臺風季節(jié)，不斷有臺風從南海經過，而非臺風季節(jié)則有強烈的東南季風橫行。隨著南海的逐漸開發(fā)，深水油氣田距離陸地將越來越遠，海上油氣田的生產和外輸作業(yè)受天氣影響極大，如何開發(fā)一種新型的深海油氣田模式使得油氣田能夠高效地進行生產，成為影響南海深水油氣田開發(fā)的關鍵。介紹了一種新型的深水油氣田開發(fā)模式，該油氣田開發(fā)模式目前還沒有被明確提出，但是圍繞著該開發(fā)模式的設備，各國已經投入研制，相信不久的將來，該開發(fā)模式將成為深水油氣田的主要開發(fā)模式。

關鍵詞：深水油氣田；開發(fā)模式；超遠程全潛式

1深水油氣田的主要挑戰(zhàn)

深水油氣田的主要挑戰(zhàn)來自自然環(huán)境，海上的風浪對工程施工過程中的船舶有著重要的影響，一般7級風以上時，海上固定平臺的吊機就應停止作業(yè)，而大型吊裝船舶對風浪的要求則更為嚴格。中國南海每年9月至次年3月為季風季節(jié)，海上風浪較大，適合作業(yè)的天氣較少，而3～9月間是臺風多發(fā)季節(jié)，為避免臺風影響，保障海上人員的作業(yè)安全，有時海上作業(yè)會被中斷，全體人員避臺，整年中適合作業(yè)時間屈指可數(shù)。如何將風浪的影響縮減到最小是深水油氣田開發(fā)的主要挑戰(zhàn)之一。

除了海面上的風浪之外，海洋的潛流和內波也會對深水油氣田的開發(fā)產生重要的影響。潛流是表層流之下，流向、流速與表層流不同的海流，是海洋中的暗河；內波是在深層，當海水因溫度、鹽度的變化出現(xiàn)密度分層后，經大氣壓力變化、地震影響以及船舶運動等外力擾動而引發(fā)的海水的劇烈波動。由于海洋內部的潛流和內波難以預測，所以往往對海上作業(yè)船舶和生產設施有突發(fā)性的影響，尤其是水下機器人(如ROV)的控制受這2種海流影響最大。敷設好的海管和海纜也會因為潛流和內波的推送而逐漸改變位置[1]。

隨著水深的增加，除預測海水中的潛流和內波更加困難外，水深造成的外壓也相應增大。當壓力不平衡時，高靜水壓可能導致執(zhí)行零件強行連接或分離，從而造成設備故障。高靜水壓力還會對密封件、軟管造成影響，且高壓可能被圈閉在設備的內部，對設備回收后的維修工作造成影響。隨著水深的增加，尤其是在水深>350 m時，水下機器人完全取代了潛水員完成水下所有的工作，所有施工流程、配套設備都應針對水下機器人的性能進行設計。而在工程上面，深水油氣田開發(fā)成本較高，國際上曾經將80美元/桶作為衡量深水油氣田是否有開采價值的基準，而相應的陸地油田的成本僅有20美元/桶，可見深水油氣田開發(fā)成本之高。

在水下油氣田中，井口類設施的成本，隨著油田井口個數(shù)的增加呈線性增長。而臍帶纜和海管的成本則隨著水下油氣田到上部組塊或陸地終端距離的增加而增加。在水下油氣田開發(fā)過程中，臍帶纜和海管的長度通常受到流動性安全的制約，這種制約也常常決定了深水油氣田的開發(fā)模式多為“水下生產系統(tǒng)+浮式平臺”的模式，浮式平臺又往往受到天氣和海洋環(huán)境的影響。例如，2006年5月17日，臺風“珍珠”到達南海東部海域之后，突然直角轉彎，臺風中心直襲流花11-1油田，其中心風力之強超過了可承受百年一遇臺風襲擊的設計抗臺能力。臺風過后，發(fā)現(xiàn)在該油田作業(yè)的“南海勝利”號FPSO有7根錨鏈被臺風刮斷，3根軟管斷裂，油艙破裂，流花11-1油田因此被迫停產。由此可見，浮式生產設施的生產受天氣影響極大。

2新型深水油氣田開發(fā)模式——超遠程全潛式深水水下油氣田開發(fā)

針對深海油氣田開發(fā)遇到的諸多問題能否有一個較好的全面解決方案，筆者根據國內外資料上的信息總結出了一種新型深水油氣田開發(fā)模式——超遠程全潛式深水水下油氣田開發(fā)。其主要特點是油田所有設施均放入水下，置于海床上。從根本上避免了生產作業(yè)中海面風浪的影響，最大程度上削減了潛流和內波的影響[2]。超遠程全潛式深水水下油氣田的組成模塊如圖1所示。

圖1　超遠程全潛式深水水下油氣田的組成模塊示意圖

該模式與已有的深水水下油氣田開發(fā)模式的不同之處在于：1)油氣田的生產介質在海底進行首次處理加工，外輸介質油氣含量比重增加，提高了油氣田整體的采收率，提高了經濟效益；2)內部水處理模塊將油氣田生產介質內的地下水進行循環(huán)利用，減少了從其他終端向油氣田運送回注用水的成本；3)將液壓動力站和非循環(huán)使用的化學藥劑注入系統(tǒng)整體移至水下，節(jié)省了將這2類液體進行遠距離高壓傳輸?shù)膭恿统杀荆?)水下配電站和控制站獨立于其他設施，為整個油氣田提供了電力和通信服務，同時也為日后深水水下油氣田全面電氣化提供了基礎，預留了必要的接口；5)設置中繼泵站和中繼信號站，這2種中繼站的使用，將會大大提高整個油氣田的流動安全性，大幅提高深水水下油氣田的回接距離，為未來中國南海的遠海油氣田開發(fā)打下了基礎；6)設置水下維修站，以水下設置的ROV、AUV進行水下管道的巡視和簡單維修，同時考慮在中繼站增加相應由ROV等機器人操作的清管設備，以便進一步提高深水水下油氣田的流動安全保障。

3新型深水油氣田開發(fā)模式的可行性

上述深水水下油氣田的開發(fā)模式并非憑空想象，所列的各類模塊中，水下井口模塊、水下分離模塊和水下增壓模塊已經在世界上有成功的商業(yè)應用案例，水下水處理模塊、水下配電模塊和水下維修站已經進行研究，尚未廣泛進行商業(yè)應用，而水下化學藥劑站、水下中繼泵站和水下信號中繼站則是根據中國南海的獨特情景提出的新構想。下述對各個模塊進行簡單介紹。

3.1已經商業(yè)化應用的水下設施

水下井口模塊主要功能是控制油井，對產出液進行分配，主要由水下采油樹和水下管匯組成，是水下油氣開發(fā)系統(tǒng)的基礎。水下采油樹從20世紀50年代開始應用于生產，經過幾十年的發(fā)展，該技術已經相當成熟。目前，使用的水下采油樹每棵采油樹上都集成1個控制模塊，通過電液飛線向采油樹傳輸信號，并利用液壓系統(tǒng)對采油樹上的閥門進行控制。該模塊有集中和分散2種形式。集中式的水下井口模塊(見圖2)是由幾棵采油樹和1套管匯共同使用1個基盤，油井一般為叢式井。井口與管匯之間的跨接管及飛線長度相對較短，易于保護，甚至可以在陸地預安裝后，下放到水中[3]。分散式的水下井口模塊，各個水下采油樹之間距離較遠，不共用基盤?？缃庸芎碗娨猴w線相對較長，但由于不是叢式井，鉆井費用相對較低。

圖2　集中式水下井口模塊

3.1.2水下分離模塊

圖3　Tordis油田使用的水下分離器

世界上第1個投入使用的水下分離模塊是2001年Troll C油田的SUBSIS項目。由于Troll C使用的是常規(guī)重力式分離技術，該技術在水深增加后將遇到極大的挑戰(zhàn)。2007年10月，由FMC為Tordis油田制作的水下分離器(見圖3)、海底增壓和注入系統(tǒng)(SSIBS)開始安裝，該系統(tǒng)堪稱水下生產系統(tǒng)發(fā)展史上的里程碑。該分離器系統(tǒng)是旋流器與重力分離器結合的產物。

3.1.3水下增壓和外輸模塊

水下增壓模塊在已有的應用中往往與水下分離器整合在一起形成1個模塊，本文為了清晰表示兩者的功能，故劃分成2個模塊。水下增壓模塊主要是為生產介質提供動力，以提高其流動安全性，便于外輸給浮式平臺或陸地終端。隨著油氣田規(guī)模的增大，水下增壓和外輸模塊會逐漸分開，即各個分離器通過自身的增壓模塊將生產介質匯總到1個外輸模塊，進行再一次的增壓并進行外輸，這也就是水下中繼泵站的雛形。目前，水下油田中尚未出現(xiàn)水下中繼泵站，相信在不遠的將來，隨著深水油氣田逐漸遠離陸地，中繼泵站也會被提出來。

3.2尚未商業(yè)化但已進行研究的系統(tǒng)

3.2.1水處理及注入模塊

水處理模塊主要處理2種水：油氣田開采出的地下水和海水。這2種水最終都將回注到油氣田中，以提高采收率，保護地殼環(huán)境。其中，開采出的地下水由分離模塊提供給注入模塊，而不足的水量則由經過處理的海水補充。

3.2.2水下維修站

誰都不得不偶爾說謊，但如果習以為常，總是忍不住傳播一些錯誤的信息，并且沉浸其中，那就有可能是一種病，在心理學上，這被稱為病理性說謊。心理學家說，病理性說謊源于神經線路上的缺陷。對于嚴重的患者來說，他們根本沒有意識到自己在說謊，也根本不在乎事實，關鍵在于他們想掌控別人。

圖4　水下維修站總體示意圖

水下維修站主要用于水下管道和設備的巡視和簡單操作，水下維修站(見圖4)主要配備AUV和ROV 2種機器人。ROV或AUV安置在靠近水下設施的基盤上，通過臍帶纜，由陸地(或浮體平臺)控制室，對ROV或AUV進行操作。根據油氣田情況的不同，可以選擇ROV與AUV混配，也可以單獨只配備AUV，但是AUV除不能進行操作外，其巡視距離，較ROV要小很多，一般只用來進行落物查找，管道巡視。由于AUV主要使用電力驅動，所以其整體控制系統(tǒng)較ROV配置的操作系統(tǒng)簡單，更節(jié)省費用。如果整體水下油氣田全部電氣化，除非有全電控的ROV問世，否則AUV是目前最佳的選擇。

3.2.3水下變配電站

圖5　　　　在特隆赫姆進行淺水測試　　　的水下變壓器

水下變配電站是為深水水下油氣田全面電氣化而設置。目前，由于長距離傳輸?shù)膲航祮栴}，水下油氣田距離浮式平臺或陸地都不能太遠，這就嚴重限制了深水水下油氣田的發(fā)展。目前，西門子公司正在研制水下電網，高壓達到100 kV，輸送距離>200 km，目前在特隆赫姆進行淺水測試的水下變壓器如圖5所示。

3.3尚未開始研究的水下系統(tǒng)

3.3.1水下工作站

水下工作站主要是為水下油氣田提供液壓動力和化學藥劑。在現(xiàn)有水下油氣田中，液壓動力的提供者——HPU一般都放置在浮式平臺或終端上，水下工作站則是將HPU移入水下，液壓油由工作站內的液壓油罐提供，液壓系統(tǒng)在整個油氣田內閉式循環(huán)，重復利用，以便減少液壓油添加的次數(shù)。隨著深水水下油氣田的全面電氣化，水下液壓工作站將會被逐漸取代。

化學藥劑同樣由增壓泵向整個系統(tǒng)注入，非循環(huán)使用的化學藥劑將由儲液罐提供。循環(huán)使用的化學藥劑將通過工作站內的再生撬循環(huán)利用。

3.3.2水下信號中繼站

水下信號中繼站不僅有中繼作用還有信號校正作用，通過信號纜和光纖傳輸?shù)男盘?，在信號中繼站進行信號增強或信號校正。隨著超遠距離回接的深水水下油氣田的開發(fā)，水下信號中繼站將會進入人們的視野。

4結語

通過上述分析可以看出，雖然目前超遠程全潛式深水水下油氣田開發(fā)模式還沒有被明確提出，但是相關的工作和模塊已經在逐漸展開，不久以后超遠程(>200 km)與陸地終端連接的深水油氣田將會出現(xiàn)，這為遠離中國大陸的中國南海深水油氣田開發(fā)提供了技術上的可能性，同時也有助于更好地利用南海島嶼資源。

參考文獻

[1] 閆正和,羅東紅,許慶華. 南海東部海域油田開發(fā)模式的創(chuàng)新與應用實踐[J]. 中國海上油氣, 2014，18(3):156-160.

[2] 宋琳,楊樹耕,劉寶瓏. 水下油氣生產系統(tǒng)技術及基礎設備發(fā)展與研究[J]. 海洋開發(fā)與管理， 2013，22(6):143-147.

[3] 王瑩瑩,段夢蘭,馮瑋,等. 西非深水油氣田典型開發(fā)模式分析[J]. 石油礦場機械, 2010，17(11):100-104.

責任編輯鄭練

Underwater Future Deepwater Oil and Gas Field Development Model——Full-submersible Deepwater Ultra-long Underwater Oil and Gas Field Development Underwater Systems

SUN Wei1, WANG Jinjuan2

(1.CNOOC Deepwater Development Limited, Zhuhai 519000, China;2.Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China)

Abstract：The South China Sea has bad weather, and the marine environment is complex. In the annual typhoon season, there have been lots of typhoon from the South China Sea, and in the season with no typhon, there are strong southeast monsoon rampant. With the gradual development of the South China Sea, deep-water oil and gas fields will be farther away from the land, offshore oil, gas production and transport operations affected by the weather outside is great, so how to develop a new type of deep-sea oil and gas fields mode which allows oil and gas production be performed efficiently is a big, it problen affects the key deepwater South China Sea oil and gas field development. Introduce a new deep-water oil and gas field development model, this oil and gas field development model has not yet been clearly put forward, but this development model around the equipment has been put into the development of each country, this development model will be the main deep-water development model in the future.

Key words:deep-water oil and gas field, development model, ultra-long full-submersible

收稿日期：2015-06-23

作者簡介：孫維(1975-)，男，工程師，主要從事水下生產系統(tǒng)中設備的設計、制造、測試和安裝等方面的研究。

中圖分類號：TE 53

文獻標志碼:A