濕式靜態(tài)集束海纜在渤海油田的應(yīng)用

金 秋，戴國(guó)華，薄 昭，郝 銘，高 陽(yáng)

(中海石油(中國(guó))有限公司 天津分公司，天津 300459)

0 引 言

供電方案的設(shè)計(jì)是海上油氣田開(kāi)發(fā)工程建設(shè)項(xiàng)目前期工作的重要組成部分[1]，直接影響平臺(tái)規(guī)模，進(jìn)而對(duì)施工資源和工程投資造成影響。

渤中26-3油田共有3座平臺(tái)，分別為BZ26-2WHPA、BZ26-3WHPA和BZ26-3WHPB。渤中26-3油田擴(kuò)建項(xiàng)目擬新建2座平臺(tái)，分別為動(dòng)力處理平臺(tái)BZ26-3PAPD和井口生產(chǎn)平臺(tái)BZ26-3WHPC。BZ26-3PAPD與BZ26-3WHPA采用棧橋連接，BZ26-3WHPC距BZ26-3PAPD平臺(tái)約4.4 km。根據(jù)BZ26-3PAPD平臺(tái)為BZ26-3WHPC供電方式的不同，目前有常規(guī)單束海纜供電和集束海纜供電兩種方案。

本文對(duì)集束海纜進(jìn)行深入研究并對(duì)2種供電方案進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，最終確定渤中26-3油田采用濕式靜態(tài)集束海纜供電方案技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)最優(yōu)。

1 海纜概況

資料顯示國(guó)際海纜廠家(普睿司曼、JDR和耐克森等)將海底電纜按照結(jié)構(gòu)形式不同分為干式結(jié)構(gòu)、半干式/半濕式結(jié)構(gòu)和濕式結(jié)構(gòu)等3種。干式結(jié)構(gòu)海纜指帶金屬護(hù)套(一般為鉛護(hù)套)的海纜；半干式或半濕式結(jié)構(gòu)海纜指在金屬屏蔽層外有聚乙烯護(hù)套的海纜；濕式結(jié)構(gòu)海纜指在金屬屏蔽層外連聚乙烯護(hù)套都省去的海纜。2018年4月國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議發(fā)布TB722對(duì)海纜的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行重新定義，規(guī)定海纜只分為濕式海纜和干式海纜兩種結(jié)構(gòu)，之前的半干式和半濕式結(jié)構(gòu)通過(guò)相關(guān)測(cè)試都可歸結(jié)為這2種結(jié)構(gòu)[2]。

根據(jù)上述定義，目前海洋平臺(tái)使用的絕大部分海纜是帶鉛護(hù)套的干式海纜。浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置與平臺(tái)之間連接的動(dòng)態(tài)海纜使用少量濕式海纜?，F(xiàn)常用抗水樹(shù)交聯(lián)聚乙烯作為濕式結(jié)構(gòu)的絕緣材料。該材料在海纜25 a生命周期內(nèi)的可靠性是濕式結(jié)構(gòu)海纜應(yīng)用的關(guān)鍵。截至2020年底，國(guó)內(nèi)已有3家海纜廠家先后在第三方見(jiàn)證下通過(guò)為期2 a的以抗水樹(shù)交聯(lián)聚乙烯為絕緣材料的海纜的濕老化試驗(yàn)[3-5]。測(cè)試及推算表明抗水樹(shù)交聯(lián)聚乙烯絕緣能力滿足25 a海水使用環(huán)境要求。

根據(jù)構(gòu)成海纜線芯數(shù)量的多少，海纜又分為單束海纜和集束海纜。在海纜內(nèi)部，每3根線芯構(gòu)成1束，用來(lái)輸送一路三相交流電。海纜內(nèi)部只有1束線芯的稱之為單束海纜，這是最常見(jiàn)的海纜結(jié)構(gòu)形式，在通常情況下，所說(shuō)的海纜均為單束海纜。海纜內(nèi)部有多束線芯的稱為集束海纜，這種海纜主要用于油田水下井口及邊際油田簡(jiǎn)易平臺(tái)上。

1.1 單束海纜實(shí)例

單束海纜分為干式和濕式兩種。干式單束海纜推出時(shí)間早，技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，目前海上油田使用帶鉛護(hù)套的干式海纜占比九成以上。干式單束海纜又細(xì)分為分相鉛包和統(tǒng)包結(jié)構(gòu)[6-8]。分相鉛包指每一芯線絕緣層外(精確位置是半導(dǎo)電阻水帶外)都有1個(gè)鉛護(hù)套，共計(jì)3個(gè)鉛護(hù)套(見(jiàn)圖1)。統(tǒng)包結(jié)構(gòu)則是用1個(gè)鉛護(hù)套包裹3根芯線(見(jiàn)圖2)。干式海纜中95%以上為分相鉛包結(jié)構(gòu)。

圖1 典型的分相鉛包結(jié)構(gòu)海纜截面示例

圖2 典型的統(tǒng)包鉛套結(jié)構(gòu)海纜截面示例

渤海海域的綏中36-1油田、墾利3-2油田和渤中28-3/4油田等使用的均是分相鉛包的干式單束海纜。在中海油早期項(xiàng)目中使用過(guò)少量的統(tǒng)包結(jié)構(gòu)海纜。目前僅有潿洲11-4項(xiàng)目和春曉項(xiàng)目使用統(tǒng)包干式海纜。

濕式海纜生產(chǎn)制造技術(shù)長(zhǎng)期由國(guó)外公司掌握，費(fèi)用較高，國(guó)內(nèi)起步較晚，應(yīng)用較少，國(guó)內(nèi)海纜廠家大規(guī)模生產(chǎn)的前提條件是需要完成前文提到的為期2 a的濕老化測(cè)試。濕式單束海纜主要應(yīng)用在東海海域的上海平北黃巖一期和二期項(xiàng)目上，從2014年開(kāi)始累計(jì)使用約150 km的以聚乙烯護(hù)套+抗水樹(shù)交聯(lián)聚乙烯為絕緣材料的濕式單束海纜。截至2020年10月底，上述濕式單束海纜狀況良好。隨著國(guó)內(nèi)廠家逐步介入濕式海纜的生產(chǎn)，濕式海纜的價(jià)格快速下降，在與干式海纜的價(jià)格對(duì)比中也具有優(yōu)勢(shì)。

1.2 集束海纜實(shí)例

隨著油田開(kāi)發(fā)的需求及海纜制造工藝的進(jìn)步，在單束海纜的基礎(chǔ)上衍生出集束海纜，集束海纜也分為干式集束海纜和濕式集束海纜。濕式集束海纜主要應(yīng)用于深海的水下井口。在南海應(yīng)用如下：流花4-1油田于2012年使用3條14 km，6/10 kV，3×(3C×70 mm2)(3C表示3根線芯，70 mm2表示每根線芯的截面積為70 mm2，3×表示3束，即3束3C×70 mm2的纜芯)動(dòng)態(tài)集束海纜給8臺(tái)功率為265～620 kW的電潛泵供電；流花16-2油田于2019年使用3條23.1 km，6/10 kV，3×(3C×120 mm2)動(dòng)態(tài)集束海纜給8臺(tái)功率約500 kW的電潛泵供電。這6條集束海纜均使用聚乙烯護(hù)套+抗水樹(shù)交聯(lián)聚乙烯為絕緣材料的濕式海纜，且均為國(guó)外廠家生產(chǎn)。

干式集束海纜主要應(yīng)用于渤海邊際油田的簡(jiǎn)易平臺(tái)：BZ34-3WJ和BZ34-5WJ平臺(tái)于2006年分別使用4.5 km和3.0 km，3.6/6 kV，2×(3C×35 mm2)+1×(3C×10 mm2)的靜態(tài)集束海纜給2臺(tái)約100 kW電潛泵供電；JZ9-3WHPB平臺(tái)于2009年采用1條1.73 km，3.6/6 kV，5×(3C×25 mm2)的靜態(tài)集束海纜給4臺(tái)約100 kW電潛泵供電。這3條海纜均為分相鉛包結(jié)構(gòu)的干式集束海纜[9-12]，為國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)。

1.3 渤中26-3項(xiàng)目海纜選型

渤中26-3項(xiàng)目屬于渤海的邊際油田(一般指儲(chǔ)量小、效益差的小型油田)，可采用單束海纜供電，也可采用集束海纜供電。由于單束海纜和集束海纜在本質(zhì)并沒(méi)有差異，因此重點(diǎn)討論渤中26-3項(xiàng)目中集束海纜的選型，所得出的結(jié)論可推廣至單束海纜的選型。

渤中26-3項(xiàng)目擬使用的集束海纜有3種類型，分別是統(tǒng)包鉛套的干式集束海纜、分相鉛包的干式集束海纜和濕式集束海纜。對(duì)3種類型的集束海纜進(jìn)行分析對(duì)比。

由于早期生產(chǎn)成本及制造工藝的限制，中海油早期少數(shù)干式單束海纜采用統(tǒng)包鉛套防水結(jié)構(gòu)，目前尚無(wú)用于集束海纜的實(shí)例。這種海纜結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是縱向不防水，理論上一旦鉛套破損，水會(huì)沿著纜芯的縱向滲透至整條海纜中，存在無(wú)法維修的可能。但是，其最大的優(yōu)點(diǎn)是能大幅降低鉛的使用量，減小海纜的截面積、重量，降低成本。

分相鉛包結(jié)構(gòu)在靜態(tài)干式單束海纜中廣泛使用，在靜態(tài)干式集束海纜中也有少量應(yīng)用。這得益于鉛護(hù)套具備良好的防水和耐腐蝕性，大量的實(shí)踐證明這是最可靠的結(jié)構(gòu)。但是這種結(jié)構(gòu)有兩大弊端：一是鉛的用量特別大，對(duì)于常規(guī)干式單束海纜可能影響有限，但是對(duì)于集束海纜，例如7束21芯的海纜，則需要21個(gè)鉛護(hù)套；二是金屬鉛的疲勞性質(zhì)決定其無(wú)法應(yīng)用于動(dòng)態(tài)海纜中，動(dòng)態(tài)海纜會(huì)隨著海水不斷移動(dòng)，金屬護(hù)套在這個(gè)過(guò)程中較易疲勞開(kāi)裂。

聚乙烯護(hù)套+抗水樹(shù)交聯(lián)聚乙烯防水結(jié)構(gòu)的濕式集束海纜則彌補(bǔ)了干式集束海纜的上述缺點(diǎn)，在同等條件下具備更小的截面積、更輕的重量、更低的費(fèi)用和更好的動(dòng)態(tài)性能。唯一不足的是使用時(shí)間相對(duì)較短，理論上滿足使用要求，但是還需要經(jīng)過(guò)水下使用時(shí)間(海纜設(shè)計(jì)壽命一般不低于25 a)的進(jìn)一步驗(yàn)證。

渤中26-3油田擴(kuò)建項(xiàng)目所需集束海纜基本參數(shù)為3.3 kV，4.4 km，7×(3C×35 mm2)，實(shí)際采購(gòu)需求如下：長(zhǎng)度為4.8 km，電壓等級(jí)為3.6/6 kV，不允許中間有接頭。結(jié)合渤中26-3油田擴(kuò)建項(xiàng)目所需集束海纜基本參數(shù)，按照結(jié)構(gòu)形式對(duì)分相鉛包結(jié)構(gòu)、統(tǒng)包鉛套結(jié)構(gòu)和濕式結(jié)構(gòu)等3種集束海纜方案進(jìn)行對(duì)比研究。各方案優(yōu)缺點(diǎn)、船舶資源、應(yīng)用實(shí)例、后期維護(hù)和價(jià)格對(duì)比如表1所示。

表1 渤中26-3油田擴(kuò)建項(xiàng)目3種集束海纜方案對(duì)比

由表1可知，分相鉛包和統(tǒng)包鉛套兩種干式結(jié)構(gòu)方案均落后于濕式結(jié)構(gòu)方案。綜合分析南海動(dòng)態(tài)濕式集束海纜的使用情況、東海靜態(tài)濕式單束海纜的使用情況和以抗水樹(shù)交聯(lián)聚乙烯材料為絕緣層的濕式海纜的濕老化試驗(yàn)報(bào)告，可確定以抗水樹(shù)交聯(lián)聚乙烯材料為絕緣層的靜態(tài)濕式集束海纜及濕式單束海纜技術(shù)成熟，可在渤海油田進(jìn)行應(yīng)用。

2 方案對(duì)比

按照BZ26-3PAPD平臺(tái)為BZ26-3WHPC供電方式的不同，渤中26-3油田項(xiàng)目分為常規(guī)單束海纜供電方案(方案1)和集束海纜供電方案(方案2)。在2種方案技術(shù)都可行的情況下，從供電方案對(duì)整個(gè)項(xiàng)目方案經(jīng)濟(jì)性影響進(jìn)行對(duì)比研究。

2.1 常規(guī)單束海纜供電方案

BZ26-3WHPC平臺(tái)上不設(shè)主電站，其主電源引自新建BZ26-3PAPD平臺(tái)。通過(guò)1條4.4 km，10.5 kV，3×95 mm2復(fù)合海底電纜連接。

BZ26-3WHPC平臺(tái)上設(shè)置1臺(tái)10.5/0.4 kV，2 000 kVA變壓器為平臺(tái)上400 V低壓設(shè)備以及電潛泵供電。

BZ26-3WHPC平臺(tái)的中低壓配電盤、主變壓器、電潛泵變壓器、電潛泵變頻器等需放置在本平臺(tái)上。BZ26-3WHPC平臺(tái)需設(shè)置多個(gè)配套房間，包括主開(kāi)關(guān)間/電潛泵控制間、主變壓器間/電潛泵變壓器間、中控間、二氧化碳間、電池間。常規(guī)單束海纜供電示例如圖3所示。

圖3 常規(guī)單束海纜供電示例

2.2 集束海纜供電方案

常規(guī)單束海纜中只有1束3芯的纜芯集中給平臺(tái)上的所有設(shè)備供電。與其供電形式不同，集束海纜含有多束3芯的纜芯，每束3芯纜芯分別給每口井的電潛泵供電。

BZ26-3WHPC平臺(tái)設(shè)有6口生產(chǎn)井，采用一對(duì)一中壓變頻器供電。通過(guò)BZ26-3PAPD平臺(tái)400 V配電盤，經(jīng)中壓電潛泵變頻器一對(duì)一變頻后，經(jīng)過(guò)3.3 kV，4.4 km，7×(3C×35 mm2)集束海纜為BZ26-3WHPC平臺(tái)供電，其中6束3芯纜芯為6口生產(chǎn)井供電，1束3芯纜芯給除電潛泵外的設(shè)備供電。

采用集束海纜供電方案可最大限度利用BZ26-3PAPD平臺(tái)的能力，僅需在BZ26-3PAPD平臺(tái)上新增1個(gè)電氣間，用于布置電潛泵的中壓變頻器，這對(duì)平臺(tái)的影響非常有限。在BZ26-3WHPC平臺(tái)上則可取消暖通設(shè)備、大部分電氣儀控設(shè)備及配套房間，僅留下生產(chǎn)管匯、注水管匯、照明伴熱等少量設(shè)備，這將顯著減少平臺(tái)上部組塊的面積和重量。7束21芯集束海纜供電示例如圖4所示。

圖4 集束海纜供電示例

2.3 海纜供電方案選擇

針對(duì)BZ26-3WHPC平臺(tái)的2種供電方案(方案1為單束海纜供電方案，方案2為集束海纜供電方案)，從電氣房間、電氣設(shè)備、海纜費(fèi)用和后期維護(hù)等方面對(duì)2種方案進(jìn)行對(duì)比，具體如表2所示。

表2 不同海纜供電方案對(duì)比

由表2可知：方案1需要在BZ26-3PAPD平臺(tái)新增1臺(tái)2 000 kVA主變壓器，方案2需要在BZ26-3PAPD平臺(tái)新增1個(gè)中壓變頻器間，這2種方案對(duì)BZ26-3PAPD平臺(tái)的甲板面積、結(jié)構(gòu)、重量、施工資源、費(fèi)用的影響幾乎一致，可認(rèn)為在2種方案下BZ26-3PAPD的費(fèi)用相同。2種方案的差異主要體現(xiàn)在海纜費(fèi)用和BZ26-3WHPC平臺(tái)規(guī)模上。方案2的海纜費(fèi)用比方案1多1 150萬(wàn)元，但是，方案2僅25 a生命周期內(nèi)節(jié)約的電費(fèi)達(dá)3 500萬(wàn)元(電費(fèi)按照0.8元/(kW·h)計(jì)算，電負(fù)荷源自表2 PAPD+WHPC負(fù)荷)，因此方案2優(yōu)于方案1。方案2還有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)電氣儀控設(shè)備明顯減少，無(wú)暖通設(shè)備；(2)無(wú)房間，大幅減少上部組塊面積和重量，對(duì)施工船舶資源要求降低，大幅降低前期投資；(3)后期機(jī)械、電氣和儀表基本無(wú)運(yùn)維工作。因此，選擇方案2作為BZ26-3WHPC平臺(tái)的供電方案。

通過(guò)上述研究可知，BZ26-3WHPC平臺(tái)采用集束海纜供電方案優(yōu)于常規(guī)單束海纜供電方案，項(xiàng)目的投資收益率有較大提升。

3 結(jié) 論

基于渤海油田某工程實(shí)際項(xiàng)目，對(duì)海纜各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行具體研究并確定以抗水樹(shù)交聯(lián)聚乙烯材料為絕緣層靜態(tài)濕式集束海纜用于該項(xiàng)目技術(shù)可行，并且通過(guò)將該集束海纜供電方案與常規(guī)單束海纜供電方案進(jìn)行對(duì)比確定該項(xiàng)目使用集束海纜供電方案經(jīng)濟(jì)更優(yōu)。

采用集束海纜供電方案可優(yōu)化平臺(tái)規(guī)模，降低工程投資。本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)靜態(tài)濕式集束海纜在渤海油田的應(yīng)用，對(duì)渤海邊際油田的開(kāi)發(fā)有重要意義。