水下儲(chǔ)油系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)施方案研究

才忠杰

摘? 要：隨著全球石油能源市場(chǎng)波動(dòng)不定，加之我國(guó)陸地石油生產(chǎn)量逐年減少，我國(guó)在海洋石油生產(chǎn)的投入不斷增加。海上石油的儲(chǔ)存是海上鉆井平臺(tái)產(chǎn)出石油的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是對(duì)石油生產(chǎn)質(zhì)量和防止海洋環(huán)境受到污染的重要保障。文章論述了水下儲(chǔ)油系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)施方案的研究，為我國(guó)海上石油生產(chǎn)開(kāi)發(fā)過(guò)程中油量?jī)?chǔ)存提供參考。

關(guān)鍵詞：水下儲(chǔ)油;油水置換;海上儲(chǔ)油系統(tǒng);方案研究

中圖分類(lèi)號(hào)：TE95 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）10-0086-02

Abstract： With the fluctuation of the global oil and energy market and the decrease of China's land oil production year by year， China's investment in offshore oil production is increasing. The storage of offshore oil is not only a key link of oil production by offshore drilling platforms， but also an important guarantee for the quality of oil production and prevention of pollution to the marine environment. This paper discusses the design and implementation scheme of underwater oil storage system， which provides a reference for oil storage in the process of offshore oil production and development in China.

Keywords： underwater oil storage; oil-water replacement; offshore oil storage system; scheme study

1 概述

目前，隨著新能源技術(shù)成熟度不高并持續(xù)發(fā)展，汽車(chē)、傳統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備對(duì)石油資源的依賴程度仍然較高。雖然我國(guó)地大物博，但是陸地石油資源日漸枯竭，于是我國(guó)將能源開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)移到了海上。我國(guó)擁有全世界排名第四長(zhǎng)度的海岸線，約1.8萬(wàn)公里，加之擁有近300萬(wàn)平方公里的海洋國(guó)土資源，其海上油氣資源十分豐富。我國(guó)已經(jīng)在南海、東海等海域搭建了一定數(shù)量的石油鉆井平臺(tái)，而石油在海上的儲(chǔ)存與陸地相比，差異較大、難度較高，因此，海上石油生產(chǎn)中水下儲(chǔ)油技術(shù)十分關(guān)鍵。

2 水下儲(chǔ)油系統(tǒng)的組成和系統(tǒng)方案

2.1 水下儲(chǔ)油系統(tǒng)的組成

如圖1所示，一般情況下的水下儲(chǔ)油系統(tǒng)包含：海底井口、鉆井生產(chǎn)平臺(tái)、水下儲(chǔ)油裝置、水下油泵撬塊、單片系泊裝置和負(fù)責(zé)運(yùn)輸?shù)拇┧筻]輪。通過(guò)海底井口生產(chǎn)出來(lái)的石油原油直接或經(jīng)加熱將原油處理后，直接在水下的儲(chǔ)油裝置中進(jìn)行儲(chǔ)存，再通過(guò)小型浮式單點(diǎn)系泊裝置將原油輸送到海面，最終由負(fù)責(zé)運(yùn)輸?shù)拇┧筻]輪，將原油轉(zhuǎn)運(yùn)至陸地進(jìn)行后期石油產(chǎn)品的加工。

2.2 水下儲(chǔ)油系統(tǒng)方案

國(guó)際上常用的水下儲(chǔ)油裝置從外形劃分，可分為圓柱體儲(chǔ)油裝置、立方體儲(chǔ)油裝置和長(zhǎng)方體儲(chǔ)油裝置，這三種外形儲(chǔ)油裝置具有在海底較易固定的特點(diǎn)，并且穩(wěn)固性強(qiáng)。在深水作業(yè)海域中一般水下儲(chǔ)油設(shè)備最大深度不超過(guò)三十五米，從海底壓力、油罐滑移能力、油罐抗傾穩(wěn)定性、傾覆力矩及用鋼量等方面考慮，水下儲(chǔ)油罐多采用圓柱體形式。

如圖2所示為圓柱形儲(chǔ)油罐，其裝置主要包括：（1）鋼制儲(chǔ)罐，采用H36船用板，厚度18mm;（2）柔性儲(chǔ)油袋（油水隔層），采用橡膠+尼龍簾子布;（3）進(jìn)水口，來(lái)至平臺(tái)的海水接口;（4）出水口，海水出口接平臺(tái)緩沖柜和海水監(jiān)測(cè)處理系統(tǒng);（5）注油管路，即原油主入口，兼做熱油進(jìn)口;（6）出油管路，冷油出口接平臺(tái);（7）污油水抽吸管;（8）充氣管路。

2.3 兩個(gè)圓柱體鋼制儲(chǔ)油罐設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)實(shí)際海上水下儲(chǔ)油項(xiàng)目需求，制作2個(gè)鋼制儲(chǔ)油罐裝置，以滿足海上石油鉆井平臺(tái)5000立方米石油儲(chǔ)量的需求。每個(gè)儲(chǔ)油罐設(shè)計(jì)儲(chǔ)量約為2800立方米，儲(chǔ)油罐形式采用包含底面的單殼鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)。圓柱形儲(chǔ)油裝置直徑約20米，儲(chǔ)油罐高度約10米，采用筒體外板厚度為18mm的H36鋼材尺寸，其屈服強(qiáng)度不低于355MPa。每個(gè)儲(chǔ)油罐的空罐質(zhì)量約為360噸。為了防止儲(chǔ)油罐鋼制結(jié)構(gòu)在海水中長(zhǎng)期浸泡發(fā)生結(jié)構(gòu)性腐蝕，故在儲(chǔ)油罐內(nèi)外壁安裝犧牲陽(yáng)極，以增強(qiáng)儲(chǔ)油罐的抗腐蝕性。其儲(chǔ)油袋采用柔性儲(chǔ)油袋，采用柔軟水密性強(qiáng)、耐熱、耐油并且具有極強(qiáng)耐腐蝕性材料作為儲(chǔ)油袋材料。

2.4 儲(chǔ)油裝置的海上安裝

儲(chǔ)油裝置設(shè)計(jì)完畢后，一般采用七步法將其在海面上向海平面之下沉降安裝。第一步：在陸地區(qū)域?qū)?chǔ)油裝置建造安裝完畢，隨后用拖拽船（半潛駁運(yùn)或拖輪）將儲(chǔ)油裝置運(yùn)送至鉆井平臺(tái)指定地點(diǎn)，準(zhǔn)備下沉安裝。第二步：用半潛駁將儲(chǔ)油罐連接在吊纜上，進(jìn)行半潛駁下沉;第三步：將儲(chǔ)油裝置下沉至海中一部分后，儲(chǔ)油裝置進(jìn)入自動(dòng)漂浮狀態(tài)，此時(shí)半潛駁船可以撤離;第四步：向儲(chǔ)油裝置內(nèi)部的空氣艙內(nèi)注入海水，使儲(chǔ)油裝置緩慢下沉;第五步：隨著海水在儲(chǔ)油裝置的空氣艙內(nèi)逐漸增多，使其重力大于浮力時(shí)，儲(chǔ)油裝置上層的吊纜隨即拉緊，再通過(guò)浮吊裝置將儲(chǔ)油裝置下沉至預(yù)定的位置。第六步：當(dāng)儲(chǔ)油裝置在海水底部放置平穩(wěn)后，根據(jù)海水深度不同，可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行底部水泥加固固定操作，然后進(jìn)行管線的連接，隨即進(jìn)行生產(chǎn);第七步：當(dāng)作業(yè)完畢后，若儲(chǔ)油裝置需要進(jìn)行移動(dòng)至另一海域底部進(jìn)行操作時(shí)，先解除儲(chǔ)油裝置在海底部分的加固裝置，然后吊起儲(chǔ)油裝置并安放于轉(zhuǎn)移船舶中，排空內(nèi)部海水至儲(chǔ)油裝置處于漂浮狀態(tài)，隨后運(yùn)行至需要海域再按以上步驟進(jìn)行固定。該設(shè)計(jì)方法可以使儲(chǔ)油裝置反復(fù)利用，節(jié)省了資源和項(xiàng)目開(kāi)支，符合可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能減排的理念。

3 油水置換法儲(chǔ)油的原理及油水置換水下儲(chǔ)油的工作模式

3.1 油水置換法儲(chǔ)油的原理

油水不相溶且油的密度低于水;儲(chǔ)油時(shí)，原油以較低的速度從艙頂注入初始時(shí)充滿海水的儲(chǔ)油艙，油會(huì)浮在水的上面，相同體積的海水則從油艙底部被慢慢排出艙外，同時(shí)，油和水在艙內(nèi)會(huì)自發(fā)地形成一個(gè)油水界面;卸油時(shí)，從艙頂以較高的速度抽取原油，由于儲(chǔ)油艙底部的海水與外界海水連通，海水受靜水壓力的作用從艙底進(jìn)入儲(chǔ)油艙并填充原油空間。在進(jìn)油排水和進(jìn)水排油的儲(chǔ)卸油過(guò)程中，油水界面上下移動(dòng)，不斷調(diào)整艙內(nèi)原油和海水的相對(duì)體積，使儲(chǔ)油艙始終保持充滿液體狀態(tài)。

根據(jù)水下儲(chǔ)油艙內(nèi)原油和海水是否直接接觸，可以把油水置換進(jìn)一步分為油水直接接觸置換和油水隔離置換這兩類(lèi)，后者對(duì)隔離材料的要求極為嚴(yán)格，而且長(zhǎng)期的儲(chǔ)卸油操作產(chǎn)生的油水界面凝油乳化層和艙壁凝油層也可能會(huì)導(dǎo)致隔離層失效，因此，油水隔離置換模式從未被石油公司采用。

3.2 原油加熱及保溫系統(tǒng)

來(lái)至海底井口的原油或經(jīng)過(guò)上部平臺(tái)處理過(guò)的原油，利用上部平臺(tái)的原油換熱系統(tǒng)，將加溫后（約70攝氏度）的原油，通過(guò)管線注入水下儲(chǔ)油裝置的柔性儲(chǔ)油袋中或利用水下的加壓泵注入儲(chǔ)油袋。同時(shí)儲(chǔ)油袋中冷卻的原油回至上部平臺(tái)重新加熱，進(jìn)行換熱循環(huán)，保持儲(chǔ)油袋中油溫在60攝氏度。

3.3 原油注入過(guò)程

原油經(jīng)加熱后泵入柔性儲(chǔ)油袋中，儲(chǔ)油袋開(kāi)始膨脹;與此同時(shí)儲(chǔ)油罐內(nèi)部的海水則被膨脹的儲(chǔ)油袋，從油罐底部經(jīng)過(guò)管線，擠入上部平臺(tái)的海水緩沖柜中，通過(guò)外排海水監(jiān)測(cè)處理系統(tǒng)對(duì)收集的海水進(jìn)行含油量的檢測(cè)，判斷柔性儲(chǔ)油袋是否存在泄漏情況;海水檢驗(yàn)合格即可外排。

3.4 卸油過(guò)程

從油罐頂部抽取原油，可利用設(shè)置在儲(chǔ)油裝置附近的水下油泵撬塊抽油，儲(chǔ)油袋開(kāi)始收縮;同時(shí)打開(kāi)儲(chǔ)油罐底部的通海閥，海水受靜水壓力進(jìn)入油罐底部并填充原油空間;儲(chǔ)油罐內(nèi)始終保持充滿液體狀態(tài);原油通過(guò)水下油泵撬塊，加壓經(jīng)小型單點(diǎn)系泊裝置輸出至海面，再由穿梭油輪實(shí)現(xiàn)原油的轉(zhuǎn)運(yùn)。

3.5 儲(chǔ)油裝置充氣和排污系統(tǒng)

利用上部平臺(tái)的壓縮空氣系統(tǒng)，對(duì)柔性儲(chǔ)油袋充氣，從油罐頂部的油污水接口抽出沉淀在儲(chǔ)油袋底部的油渣、凝油脂及可能的泥沙和水等。

3.6 水下儲(chǔ)油裝置及相關(guān)配套設(shè)備/系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

水下儲(chǔ)油裝置及相關(guān)配套設(shè)備/系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)主要包括：計(jì)算鋼質(zhì)罐體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;設(shè)計(jì)柔性儲(chǔ)油袋;計(jì)算儲(chǔ)油裝置的傾覆力矩、抗滑系數(shù)、抗傾系數(shù)、滑移力以及抗傾穩(wěn)性;根據(jù)當(dāng)?shù)睾４驳刭|(zhì)情況分析儲(chǔ)油裝置入泥情況;計(jì)算確定水泥壓載物大小;水下油泵撬塊和海底閥門(mén)的遠(yuǎn)程遙控。

3.7 水下儲(chǔ)油裝置防掏空技術(shù)

由于仿生水草的柔性黏滯阻尼作用，使海水流速得到降低，減緩了水流對(duì)海床的沖刷。同時(shí)由于流速的降低和仿生水草的阻礙，使水流中攜帶的泥沙在重力作用下不斷的沉積在仿生水草安裝基墊上，逐漸形成一個(gè)海底沙洲，從而抑制了海物質(zhì)對(duì)海床的沖刷和掏空。

勝利油田在地處黃河口灘海交界的埕島油田海底管線懸空治理，就是采用了仿生水草防沖刷技術(shù)，解決了海底管道及構(gòu)基物懸空、掏空等問(wèn)題。據(jù)檢測(cè)其淤積深度達(dá)20-50cm，實(shí)現(xiàn)了埕島油田海底管道懸空治理難題。

4 結(jié)束語(yǔ)

水下儲(chǔ)油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，填補(bǔ)了我國(guó)海上石油鉆井生產(chǎn)平臺(tái)的技術(shù)空白，豐富了我國(guó)海上石油生產(chǎn)、儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，為今后我國(guó)進(jìn)行大規(guī)模海上鉆油平臺(tái)發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。隨著新能源時(shí)代的到來(lái)，油氣能源的地位依然不會(huì)降低，未來(lái)，我國(guó)石油、天然氣能源開(kāi)采將向300萬(wàn)平方公里的領(lǐng)海區(qū)域邁進(jìn)。

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