在深海，打通七座珠峰

“這是迄今為止我國(guó)自主建設(shè)的地層溫壓最高、鉆井總井深最大、主要作業(yè)設(shè)施覆蓋海域面積最廣的深水氣田?！?/p>

據(jù)中國(guó)海油“深海一號(hào)”二期天然氣開(kāi)發(fā)項(xiàng)目經(jīng)理劉康介紹，作為深水邊際油田，“深海一號(hào)”二期與一期相比，面臨單井產(chǎn)量低、井流高溫高壓、凝析油析蠟點(diǎn)高于環(huán)境溫度以及依托設(shè)施距離遠(yuǎn)等多方面挑戰(zhàn)。

項(xiàng)目地層最高溫度達(dá)到140攝氏度；地層最高壓力超過(guò)69兆帕，相當(dāng)于家用高壓鍋的1000倍；設(shè)計(jì)總井深超60000米，接近7座珠穆朗瑪峰的高度；主要生產(chǎn)設(shè)施地理距離跨度超過(guò)170公里，超過(guò)北京到天津的直線距離……

2022年4月10日下午，在海南考察的習(xí)近平總書(shū)記連線中國(guó)海油“深海一號(hào)”作業(yè)平臺(tái)，強(qiáng)調(diào)要“把裝備制造牢牢抓在自己手里，努力用我們自己的裝備開(kāi)發(fā)油氣資源”?！吧詈Ｒ惶?hào)”二期天然氣開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的正式投產(chǎn)，不僅為實(shí)現(xiàn)深水油氣裝備高水平自主化提供了堅(jiān)實(shí)保障，更是對(duì)總書(shū)記殷殷囑托的最好回應(yīng)。

設(shè)計(jì)亞洲第一、世界第八深水單管長(zhǎng)輸方案

相比“深海一號(hào)”一期，二期項(xiàng)目面臨的自然條件更加復(fù)雜，水下工程作業(yè)量大幅增長(zhǎng)，整體作業(yè)難度顯著增加。

“深海一號(hào)”二期采用與“深海一號(hào)”相同的水下生產(chǎn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方式。不同的是，二期項(xiàng)目的回接處理設(shè)施距離115.5千米，是一期開(kāi)發(fā)回接距離的4.5倍，國(guó)際上比這個(gè)距離長(zhǎng)的深水油氣管道屈指可數(shù)。

面對(duì)極其復(fù)雜的技術(shù)挑戰(zhàn)，為了最大限度實(shí)現(xiàn)深海油氣資源高效經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)，中海油研究總院研究團(tuán)隊(duì)將國(guó)際上的深水傳統(tǒng)雙管輸送方案優(yōu)化為單管輸送。

這一技術(shù)創(chuàng)新伴隨著一系列亟須突破的流動(dòng)安全難題：管道內(nèi)高達(dá)6000立方米積液如何在固定平臺(tái)上處理？清管段塞處理過(guò)程中全生產(chǎn)系統(tǒng)的壓力溫度如何控制在安全范圍內(nèi)？怎樣實(shí)現(xiàn)全生命周期內(nèi)采收率最大化？

…………

對(duì)于接踵而至的單管長(zhǎng)輸技術(shù)難題，流動(dòng)安全負(fù)責(zé)人李鵬程提出了建議：“能否用二期開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的高壓特征化解單管輸送模式帶來(lái)的流動(dòng)安全技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)？”

隨即，流動(dòng)安全團(tuán)隊(duì)全員開(kāi)始廣泛調(diào)研國(guó)外大量深水油氣田開(kāi)發(fā)案例，充分識(shí)別分析二期開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中建設(shè)、調(diào)試、投產(chǎn)到生產(chǎn)過(guò)程全生命周期的各種操作工況的風(fēng)險(xiǎn)，并有針對(duì)性地開(kāi)展孿生仿真分析，形成完整的深水管線單管回接方案。其中，針對(duì)清管大段塞，采用“勒一下+各自歸位存儲(chǔ)”等措施，通過(guò)構(gòu)建精細(xì)的水下生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)海底管道溫度、壓力、流量的精準(zhǔn)調(diào)控；通過(guò)開(kāi)展“油藏-井筒-海管-平臺(tái)”一體化流動(dòng)安全保障分析，打破了國(guó)際上對(duì)于最小輸量理念的限制，有效助力累產(chǎn)提升。

經(jīng)過(guò)精密設(shè)計(jì)，項(xiàng)目研發(fā)團(tuán)隊(duì)拿出了一套回接距離亞洲第一、世界第八的深水管線單管回接方案：氣田的水下生產(chǎn)系統(tǒng)由同樣位于深水區(qū)的“深海一號(hào)”能源站進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，氣田所產(chǎn)的深水油氣則沿著超過(guò)115公里長(zhǎng)的海底管道由深及淺“拾級(jí)而上”，進(jìn)入位于淺水區(qū)的“四星連珠”海上平臺(tái)進(jìn)行處理加工，最終流向海南島和粵港澳大灣區(qū)的千家萬(wàn)戶。

這一技術(shù)方案，不僅為項(xiàng)目節(jié)省超11億元投資，還突破傳統(tǒng)深水雙管輸送模式，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新與經(jīng)濟(jì)效益雙贏。

攻克深水海管超長(zhǎng)、超大跨度世界級(jí)技術(shù)難題

海底管道是保障海洋油氣平穩(wěn)輸送的“生命線”。“深海一號(hào)”二期項(xiàng)目位處深水高壓氣田，并且所處區(qū)域最大水深近1000米，海管所處的海底陡坡段水深從200米急劇變化到800米，最大坡度超過(guò)25度，是國(guó)內(nèi)水深跨越幅度最大的海底管道，常規(guī)材質(zhì)的海管無(wú)法滿足生產(chǎn)需要。

針對(duì)這一情況，中海油研究總院在深水環(huán)境下首次應(yīng)用“114公里深水大口徑無(wú)縫鋼管+1.5公里深水雙金屬?gòu)?fù)合管”組合方案，搭建起連接“深海一號(hào)”二期工程油氣輸送“主動(dòng)脈”。

這也是海管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)專為“高溫高壓強(qiáng)腐蝕油氣流混輸”量身定制的海底管道。管道設(shè)計(jì)壓力可達(dá)38.8兆帕，可輸送120攝氏度高溫的油氣流；管道最大壁厚達(dá)38毫米，創(chuàng)造了我國(guó)海管壁厚新紀(jì)錄。

38.8兆帕極端的海管設(shè)計(jì)壓力，對(duì)于海管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)前所未有的挑戰(zhàn)。如果通過(guò)增加壁厚來(lái)保證管道結(jié)構(gòu)安全，會(huì)對(duì)本就復(fù)雜的海上焊接施工造成嚴(yán)重的影響。因此，找到強(qiáng)度安全與施工效率的平衡點(diǎn)，成為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須攻克的“硬骨頭”。

“按照常規(guī)方法設(shè)計(jì)的壁厚設(shè)計(jì)超過(guò)35毫米，接近廠家制造極限，不利于制造和安裝，能否考慮逐年參數(shù)變化進(jìn)一步優(yōu)化方案？”海管專家賈旭的一席話，給陷入困惑的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)照亮了前行的路。

在他的啟發(fā)下，海管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)成功實(shí)施了“時(shí)空壓分段精細(xì)化設(shè)計(jì)策略”，將長(zhǎng)達(dá)115.5千米管道的壁厚從原本的34.9毫米“瘦身”至平均31.9毫米。僅這項(xiàng)定制化設(shè)計(jì)，便為項(xiàng)目節(jié)省了高達(dá)5000萬(wàn)元的管材成本，并極大地降低了制造與安裝難度。

一道難題解決，但新挑戰(zhàn)隨之而來(lái)。二期項(xiàng)目海管路由存在近40處懸跨，最大懸跨陡坎達(dá)13米。這近4層樓的水深跨越幅度，給工程設(shè)計(jì)、船舶裝備能力及海上安裝技術(shù)等都帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

為了更精準(zhǔn)地規(guī)劃海管路徑，二期項(xiàng)目副經(jīng)理賈魯生帶領(lǐng)海管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)首次利用勘探設(shè)計(jì)一體化等技術(shù)，構(gòu)建起精細(xì)的三維海床模型，深入研究海底管道跨越陡坎邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題。

通過(guò)大量計(jì)算分析，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在部分管段設(shè)置VIV渦激振動(dòng)抑制裝置，延長(zhǎng)管道的疲勞壽命，確保管道在復(fù)雜地形長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。簡(jiǎn)而言之，就是給管道穿上了一層“防護(hù)鎧甲”。

二期項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還自主研發(fā)了國(guó)內(nèi)首套大管徑大壁厚海管全自動(dòng)焊接裝備工藝，實(shí)現(xiàn)10余項(xiàng)技術(shù)突破；首次成功應(yīng)用國(guó)內(nèi)深水大口徑厚壁無(wú)縫鋼管，創(chuàng)造了單日2.65千米的20英寸深水海管鋪設(shè)速度紀(jì)錄；解決了超長(zhǎng)超高懸跨等一系列世界級(jí)海底管道工程技術(shù)難題。

建成全球首套、千米級(jí)深水自動(dòng)發(fā)球管匯

作為海上油氣田的“主動(dòng)脈”，海底管線在保障海洋油氣平穩(wěn)輸送的過(guò)程中，有可能出現(xiàn)“血栓”阻塞或“斑塊”腐蝕等問(wèn)題。而發(fā)球管匯集海洋油氣“樞紐站”和 “血管疏通器”等功能為一體，能夠遠(yuǎn)程控制實(shí)施深水海管清管作業(yè)，是深水油氣田開(kāi)發(fā)的核心裝備之一。

雖然“深海一號(hào)”二期項(xiàng)目的外輸海管口徑大到足以容納一名成年人在其中爬行，但由于長(zhǎng)期在低溫高壓環(huán)境下運(yùn)行，依舊非常容易出現(xiàn)水合物和石蠟沉積的情況，進(jìn)而影響管道輸送效率和生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行安全。

為保證海管的安全暢通，必須定期開(kāi)展“通球”清管作業(yè)，清理海管在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的沉積物和積液，同時(shí)查看管線內(nèi)部情況。

然而，在千米深的海底完成清管球發(fā)球作業(yè)難度大，且動(dòng)用深水工程船施工作業(yè)費(fèi)用極高。對(duì)此，中國(guó)海油研究總院項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的模擬試驗(yàn)，完成了全球首個(gè)水下發(fā)球管匯總體設(shè)計(jì)方案和亞洲首套千米水深級(jí)水下自動(dòng)清管裝置基本設(shè)計(jì)方案。

按照設(shè)計(jì)方案，二期項(xiàng)目發(fā)球管匯搭載水下控制模塊、液壓控制閥門等關(guān)鍵控制和監(jiān)測(cè)設(shè)備，在發(fā)球裝置中預(yù)埋6枚清管球，可根據(jù)遠(yuǎn)程指令在海底“悄無(wú)聲息”地完成清管球發(fā)射入管和清管的全部操作。

這項(xiàng)技術(shù)不僅降低了海管清管對(duì)海上作業(yè)的依賴，清理效率提升50%，還減少了巨額投入，每年可節(jié)省操作費(fèi)約5000萬(wàn)元。

另外，二期項(xiàng)目高壓井如果采用常規(guī)全壓設(shè)計(jì)，將導(dǎo)致水下管匯及115.5千米長(zhǎng)輸管線的設(shè)計(jì)壓力和重量提高、安裝難度增大以及投資成本增加。

對(duì)此，項(xiàng)目水下技術(shù)團(tuán)隊(duì)提出利用深水高完整性壓力保護(hù)系統(tǒng)（HIPPS）建立首個(gè)水下降壓設(shè)計(jì)模式。

基于HIPPS對(duì)突發(fā)超壓工況的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別靈敏度和水下運(yùn)行安全性要求更高的特征，技術(shù)團(tuán)隊(duì)就深水HIPPS全生命周期工藝設(shè)計(jì)、加強(qiáng)段計(jì)算、總體布局設(shè)計(jì)和安全完整性等級(jí)（SIL）分析一體化設(shè)計(jì)開(kāi)展攻關(guān)工作，形成了國(guó)內(nèi)首套深水HIPPS設(shè)計(jì)技術(shù)體系，為高壓井降壓運(yùn)行、降低生產(chǎn)管匯重量和海管壁厚提供了安全保障，有效降低了項(xiàng)目投資。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還自主研發(fā)了28種焊接新工藝，形成了7項(xiàng)世界首創(chuàng)技術(shù)；攻克了深水智能控制、自動(dòng)發(fā)球等多項(xiàng)難題，系統(tǒng)掌握了深水發(fā)球管匯自主設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試和工程應(yīng)用成套關(guān)鍵技術(shù)；建成了全球首套千米級(jí)深水自動(dòng)發(fā)球管匯等關(guān)鍵設(shè)施，填補(bǔ)了多項(xiàng)國(guó)內(nèi)技術(shù)空白。

實(shí)現(xiàn)超深水油氣田自主、高效開(kāi)發(fā)新跨越

生產(chǎn)一線始終是科研工作的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。

中海油研究總院長(zhǎng)期致力于打造“前期研究-基本設(shè)計(jì)-產(chǎn)能建設(shè)技術(shù)支持-開(kāi)發(fā)項(xiàng)目后評(píng)估”的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)技術(shù)閉環(huán)，從2014年開(kāi)始，聯(lián)合“深海一號(hào)”百余家建設(shè)單位組建了5000余人的技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，聚焦多種技術(shù)難題，全面啟動(dòng)“深海一號(hào)”超深水大氣田開(kāi)發(fā)工程設(shè)計(jì)研究。

自2023年初二期項(xiàng)目開(kāi)工建設(shè)以來(lái)，中國(guó)海油研究總院派遣了多位技術(shù)專家和流動(dòng)安全專業(yè)技術(shù)人員深入一線，全程為現(xiàn)場(chǎng)決策及施工提供技術(shù)支持，有力保障了項(xiàng)目按期投產(chǎn)。

“從20米到千米深水，27年的攻堅(jiān)實(shí)踐，加上‘深海一號(hào)’項(xiàng)目中積累的寶貴經(jīng)驗(yàn)，我有足夠的信心為二期按期投產(chǎn)站好每一班崗”，“深海一號(hào)”的海上“巾幗指揮官”侯靜，再次肩負(fù)起二期項(xiàng)目的重?fù)?dān)，帶領(lǐng)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)每天活躍在建造施工現(xiàn)場(chǎng)。

今年9月初，是“深海一號(hào)”二期項(xiàng)目準(zhǔn)備投產(chǎn)的關(guān)鍵時(shí)期。然而，突如其來(lái)的第11號(hào)臺(tái)風(fēng)“摩羯”迫使海上施工人員緊急撤離，導(dǎo)致20英寸海管的排水干燥作業(yè)被迫中斷，后續(xù)工期本就緊張的海管預(yù)調(diào)試工作也不得不向后推遲。

在這爭(zhēng)分奪秒的關(guān)鍵時(shí)刻，海管工藝工程師朱振宇積極與現(xiàn)場(chǎng)操作人員溝通交流，迅速構(gòu)思論證一系列應(yīng)急措施。

“我們立即籌備平臺(tái)反充天然氣的應(yīng)急方案，這一舉措大幅縮短了現(xiàn)場(chǎng)充壓時(shí)間，為氣田按期投產(chǎn)爭(zhēng)取到了寶貴時(shí)間”，朱振宇回憶道。

為了保障水下設(shè)備設(shè)計(jì)、建造、安裝、調(diào)試總體進(jìn)度按照既定時(shí)間節(jié)點(diǎn)推進(jìn)，水下儀控資深工程師尹豐在詳細(xì)設(shè)計(jì)伊始便主動(dòng)請(qǐng)纓加入工程項(xiàng)目組，全程開(kāi)展技術(shù)支持工作，每天都“泡”在工程現(xiàn)場(chǎng)。

臺(tái)風(fēng)“摩羯”肆虐過(guò)后，尹豐帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)克服前置條件不足和工期緊張等雙重挑戰(zhàn)，連續(xù)奮戰(zhàn)40多個(gè)小時(shí)，高質(zhì)量地完成了二期項(xiàng)目所有通訊鏈路調(diào)試工作。

今年9月底，隨著二期項(xiàng)目全面投產(chǎn)，“深海一號(hào)”整體的天然氣年產(chǎn)量預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)到45億立方米以上，相當(dāng)于海南省2023年天然氣消耗總量的1.67倍。

隨著“深海一號(hào)”一期、二期等一批深水油氣田建成，我國(guó)水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)已完成了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從淺水到超深水、從全部依靠進(jìn)口到大范圍國(guó)產(chǎn)化的跨越，創(chuàng)新的開(kāi)發(fā)模式和技術(shù)成果也為未來(lái)深水油氣田的高效開(kāi)發(fā)奠定了更為堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

編輯/車玉龍 統(tǒng)籌/溫季煜