深水油氣開發(fā)的海底工廠

■ 馬巍巍 朱啟龍

勘探開發(fā)

深水油氣開發(fā)的海底工廠

■ 馬巍巍 朱啟龍

從2014年下半年開始，國際油價的斷崖式下跌給全球石油工業(yè)帶來了沉重的打擊，除了出售油氣資產(chǎn)、削減投資、裁員降薪等措施外，各大石油公司也不約而同地采取了以科技創(chuàng)新推進(jìn)公司降本增效的相關(guān)舉措。就開發(fā)成本較高的深海油氣資源而言，追求更經(jīng)濟(jì)高效的新技術(shù)成為跨越開發(fā)屏障的必由之路，“海底工廠”這一新生事物也在此時應(yīng)運而生。

初識“海底工廠”

挪威國家石油公司是“海底工廠”這一新概念的提出者，也是海洋油氣開發(fā)海底化的先驅(qū)，其進(jìn)行的項目涵蓋了海底開發(fā)的所有主要類型。

“海底工廠”是利用水下設(shè)備對從地層產(chǎn)出的流體在海底進(jìn)行分離處理，以提高油氣最終采收率，減少海面生產(chǎn)處理設(shè)施的投入，減少對環(huán)境產(chǎn)生的影響，從而實現(xiàn)海洋油氣經(jīng)濟(jì)高效開發(fā)。它是一個集油氣水三相分離技術(shù)、水下增壓技術(shù)、處理后的原油存儲海底以及產(chǎn)出處理后進(jìn)行回注于一體的“水下油氣處理廠”。從某種意義上講，“海底工廠”可以看做是傳統(tǒng)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)的技術(shù)升級版。

相較于傳統(tǒng)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)，“海底工廠”有4項關(guān)鍵技術(shù)的突破，分別是海底增壓系統(tǒng)、海底氣體壓縮系統(tǒng)、海底分離與產(chǎn)出水回注系統(tǒng)、海底輸配電系統(tǒng)。海底增壓系統(tǒng)是海底工廠的核心，可將海底采出來的油氣舉升至海上平臺；海底氣體壓縮系統(tǒng)是實現(xiàn)挖潛剩余油氣資源、提高氣藏最終采收率的關(guān)鍵；海底分離系統(tǒng)可在海底實現(xiàn)油、氣、水的分離；海底輸配電系統(tǒng)的高可靠性對于未來海底工廠的成功應(yīng)用具有非常關(guān)鍵的作用。

“海底工廠”的分類

“海底工廠”將成為深水、北極和離海岸線更遠(yuǎn)的油氣田開發(fā)的有效手段。為了能夠適用于多種類型的海上油氣田，挪威國家石油公司2013年將海底工廠分為3類：褐色油田海底工廠，綠色油田海底工廠和面向市場的海底工廠。

褐色油田海底工廠旨在提高老油田的采收率、維持或提高產(chǎn)量，海底增壓與壓縮是最為關(guān)鍵的技術(shù)。

綠色油田海底工廠旨在實現(xiàn)海洋油氣開發(fā)向更遠(yuǎn)、更深和更冷領(lǐng)域拓展。要做到這一點，需消除油氣從海底到處理工廠的瓶頸，通過流動保障技術(shù)實現(xiàn)油氣長距離輸送。此外，綠色油田工廠中的新技術(shù)還包含海底分離、天然氣處理與增壓、高黏度泵送及冷油傳輸?shù)忍幚砑夹g(shù)。

面向市場的以需求為導(dǎo)向的油氣處理和輸送海底工廠，在符合市場規(guī)范的情況下，根據(jù)不同開發(fā)對象對模塊進(jìn)行靈活組合，以滿足不同類型油氣田開發(fā)需求。面向市場的海底工廠可以應(yīng)用于北極油氣開發(fā)和利用現(xiàn)有氣體輸送系統(tǒng)的油田開發(fā)，2020年之后將可能成為現(xiàn)實。

“海底工廠”的應(yīng)用前景

我國南海油氣資源極其豐富，石油地質(zhì)儲量約在230～300億噸之間，70%蘊藏于深海，但深水區(qū)域特殊的自然環(huán)境和復(fù)雜的油氣儲藏條件決定了深水油氣勘探開發(fā)具有高投入、高回報、高技術(shù)、高風(fēng)險的特點。

“海底工廠”可節(jié)約更多的能源，從而提高能源效率。由于它對于水深的要求不敏感，且不受海面惡劣風(fēng)浪環(huán)境的影響，其安全性高，適用范圍廣，是深水和惡劣環(huán)境下油氣田開發(fā)技術(shù)的一個重大突破，在未來極地冰區(qū)的海洋油氣開發(fā)中也有廣闊的應(yīng)用前景，將成為北極等惡劣環(huán)境、深水衛(wèi)星油田開發(fā)的有效手段。

“海底工廠”或?qū)槲覈钏蜌馓锝?jīng)濟(jì)高效開發(fā)提供一個不錯的選擇，但它的成功應(yīng)用需要石油公司與設(shè)備制造廠商的共同合作。目前，國外在這方面已經(jīng)取得了一些階段性成果，而我國在這方面才剛剛起步，石油企業(yè)應(yīng)通過加強國際交流與合作，學(xué)習(xí)借鑒國外的成熟經(jīng)驗，加快該領(lǐng)域的研究步伐。

繞不開的四大關(guān)鍵

“海底工廠”涉及4項關(guān)鍵技術(shù)，分別是海底增壓系統(tǒng)、海底氣體壓縮系統(tǒng)、海底分離與產(chǎn)出水回注系統(tǒng)、海底輸配電系統(tǒng)。目前，這4項技術(shù)已有不同程度的發(fā)展。

——海底增壓系統(tǒng)。按照流體特性，海底增壓系統(tǒng)可分為增壓泵和壓縮機。水下增壓泵是較為成熟的水下生產(chǎn)工藝設(shè)備。目前，水下增壓泵最深的安裝紀(jì)錄是英國石油公司在墨西哥灣的king油田，水深約1670米。通過應(yīng)用水下增壓泵，預(yù)計該油田產(chǎn)量可提高20%，采收率可提高7%，油田的經(jīng)濟(jì)壽命可延長5年。世界上第一臺水下濕氣壓縮機用于挪威的Ormenlange氣田，將井口產(chǎn)出氣體直接輸送至120公里以外的陸上終端。

——海底氣體壓縮系統(tǒng)。挪威國家石油公司聯(lián)合眾多供應(yīng)商共同研發(fā)，歷時10年，花費了大約1100萬個工時，采用了超過40項新技術(shù)，終于在2015年建成了全球首個海底天然氣壓縮系統(tǒng)。該技術(shù)應(yīng)用于挪威海的一座氣田（水深約300米），打開了石油公司在遠(yuǎn)離海岸更深水域進(jìn)行油氣開發(fā)的新機會。與傳統(tǒng)平臺壓縮相比，該技術(shù)除了能提升回收能源的效率外，還能顯著降低能源消耗和二氧化碳的排放。

——海底分離與產(chǎn)出水回注系統(tǒng)。多家石油公司已成功應(yīng)用該技術(shù)，使一些采用常規(guī)生產(chǎn)系統(tǒng)無法開采的油藏變得經(jīng)濟(jì)可采。巴西國家石油公司在坎坡斯盆地Marlim油田900米水深部署了用于分離深水海底重質(zhì)油和水的分離系統(tǒng)，首先進(jìn)行氣液分離，再進(jìn)行油水分離，打破了浮式生產(chǎn)裝置處理能力有限的瓶頸。該系統(tǒng)采用水力旋流技術(shù)進(jìn)行油水分離，并將產(chǎn)出水回注油藏，保持油藏壓力。同時，在管狀分離器的出口端安裝砂液噴射系統(tǒng)，除去水中的砂粒，防止損壞注水系統(tǒng)，傷害儲層，產(chǎn)出砂與原油一起輸送至地面進(jìn)行處理。

——海底輸配電系統(tǒng)。安裝水下生產(chǎn)工藝設(shè)備需要較多的電力支持，因此必須采用高壓輸配電的方式，有水下電力分配設(shè)備的支持，包括水下的電力降壓變壓器、中壓開關(guān)柜以及變頻器。與水面上的同類設(shè)備不同，這些設(shè)備均要考慮水下的特殊環(huán)境，并滿足在水下進(jìn)行快速連接操作和無需維護(hù)的要求。挪威國家石油公司與瑞士ABB公司合作，開發(fā)適應(yīng)3000米水深、距離超過600公里的輸電、配電和電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，為大型海底泵和氣體壓縮機提供高達(dá)100兆瓦的電力供應(yīng)。海底輸配電系統(tǒng)采用單一的電源電纜供電，承受多種電力負(fù)載，相比現(xiàn)有的每個負(fù)載采用一根電纜，可大幅降低成本。該技術(shù)處于研發(fā)階段，尚未應(yīng)用。

海油水下技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)是二十世紀(jì)六十年代發(fā)展起來的，它利用水下完井技術(shù)結(jié)合固定式平臺、浮式生產(chǎn)平臺等設(shè)施組成不同的海上油田開發(fā)形式，可避免建造昂貴的海上采油平臺，節(jié)省大量建設(shè)投資，受災(zāi)害影響較小，可靠性強。

近年來，中國海油在水下生產(chǎn)系統(tǒng)研究方面，依托國家科技重大專項課題、國家863課題以及總公司綜合科研課題等形式，突破了多項水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)，具備了水下生產(chǎn)系統(tǒng)總體方案及概念設(shè)計能力，基本具備水下生產(chǎn)系統(tǒng)基本設(shè)計能力，開展了水下生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計和樣機研制，初步完成了水下生產(chǎn)系統(tǒng)通用設(shè)計體系文件編制，相關(guān)設(shè)計成果已經(jīng)在荔灣3-1氣田、流花4-1油田、文昌10-3氣田等多個油氣田開發(fā)中得到了應(yīng)用。

雖然中國海油已擁有50多套水下生產(chǎn)系統(tǒng)，但深水及超深水相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗還相對缺乏，電力系統(tǒng)設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)仍需進(jìn)一步攻克，水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)體系尚不完備，還需進(jìn)一步健全。