利用海上核電站實(shí)現(xiàn)稠油規(guī)模熱采方案研究

譚 越，周曉東，劉 聰，石 云，王國棟

中海油研究總院，北京100028

利用海上核電站實(shí)現(xiàn)稠油規(guī)模熱采方案研究

譚 越，周曉東，劉 聰，石 云，王國棟

中海油研究總院，北京100028

應(yīng)用核能開展海上稠油大規(guī)模熱采開發(fā)的方式具有良好的前景。對(duì)不同型式的核電平臺(tái)及熱水外輸方案進(jìn)行了比選，提出了一種新的稠油大規(guī)模熱采模式，該系統(tǒng)包括可移動(dòng)核電平臺(tái)、熱水生產(chǎn)系統(tǒng)、熱水外輸裝置、輸水管道。熱水外輸裝置為筒型基礎(chǔ)的立管平臺(tái)，通過棧橋連接核電平臺(tái)上的熱水生產(chǎn)系統(tǒng)，底部連接輸水管道，通過多根海底管道將大量熱水輸往不同稠油油田。此開發(fā)模式可以提供大量熱源，能夠滿足多個(gè)稠油油田同時(shí)熱采以及后期其他熱采油田接入的需求。

海上核電站；稠油；規(guī)模熱采；熱水外輸；立管平臺(tái)

渤海油田稠油儲(chǔ)量豐富，但分布范圍廣、類型復(fù)雜，重質(zhì)組分含量高、黏度大、流動(dòng)性差，導(dǎo)致開采難度大，主要依靠熱力采油方法進(jìn)行開采。目前海上稠油大規(guī)模開發(fā)的配套技術(shù)還不成熟，導(dǎo)致稠油油田開發(fā)經(jīng)濟(jì)效益較差?，F(xiàn)階段只是針對(duì)某個(gè)油田，在一個(gè)平臺(tái)上安裝有熱采設(shè)備，開采規(guī)模僅限于幾口井。因此研發(fā)一套可以提供大量熱源，能夠滿足多個(gè)稠油油田同時(shí)熱采的大規(guī)模開發(fā)模式十分必要，可降低工程投資，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 海上核電平臺(tái)用于稠油熱采方案

對(duì)于海上油田，為了滿足熱采注入水的溫度要求，不僅要對(duì)海水進(jìn)行淡化，還需要通過蒸汽將淡化水加熱。在陸上普遍采用的熱采技術(shù)，在海上無法大面積實(shí)施，主要問題是缺乏熱源供給。

如何為稠油油田提供經(jīng)濟(jì)的熱源，成為渤海灣稠油油田開發(fā)的制約因素，采用核能無疑是一項(xiàng)值得期待的方式。利用核能裝置的二回路抽氣換熱，可以解決稠油熱采需要大量熱能的問題，相對(duì)其他方案優(yōu)勢(shì)明顯[1]。

建設(shè)海上核電站以開展大規(guī)模的稠油熱采，既要確保熱采的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性，也要考慮核電設(shè)施與海洋工程各自特點(diǎn)，整個(gè)方案包括核設(shè)施、作為其載體的海上核電平臺(tái)、高溫?zé)崴纳a(chǎn)和外輸。

2 熱水外輸方案與核電平臺(tái)型式比選

2.1 熱水外輸方案比選

熱水驅(qū)方案對(duì)比見表1，可以看出，采用熱水驅(qū)時(shí)，所注熱水溫度最高可達(dá)200℃，且溫度越高，對(duì)應(yīng)的采收率提高幅度越大[2]；而采收率提高幅度越大，稠油油田開發(fā)越高效，也越經(jīng)濟(jì)。但目前有實(shí)際應(yīng)用的柔性軟管能夠輸送的介質(zhì)最高溫度僅130℃，輸送介質(zhì)溫度達(dá)到150℃的軟管還在研制過程中。鋼制管道既可以保證高溫度的熱水外輸，經(jīng)濟(jì)性上也具有優(yōu)勢(shì)，因此鋼制管道是現(xiàn)階段更優(yōu)的選擇。

表1 熱水驅(qū)方案對(duì)比

2.2 核電平臺(tái)型式比選

適用于渤海灣的海上核電平臺(tái)型式有多種，如人工島、導(dǎo)管架平臺(tái)、重力式平臺(tái)、浮式平臺(tái)、可移動(dòng)式平臺(tái)等。對(duì)于不同的載體型式，受運(yùn)營期間換料大修等工況的控制，有不同的熱水外輸方案。

2.2.1 單點(diǎn)系泊浮式平臺(tái)

單點(diǎn)系泊浮式平臺(tái)可用作海上核電站的載體，在渤海海域可參考海洋工程常用的FPSO形式[3]，定位方式通常采用塔架軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，該系統(tǒng)由系泊塔架、旋轉(zhuǎn)接頭、系泊機(jī)構(gòu)、FPSO支撐機(jī)構(gòu)四部分組成。

塔架軟剛臂單點(diǎn)系泊裝置適用于淺水海域，作業(yè)水深小于40 m；具有一定的抗冰能力，多年來的應(yīng)用證明該裝置可解決冰區(qū)海域的抗冰問題。因此被認(rèn)為是技術(shù)成熟、安全可靠的可解脫系泊裝置。

由于船體與系泊塔架存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此二者間的熱水外輸管道必須采用軟管，而目前業(yè)界單點(diǎn)液通道設(shè)計(jì)最高溫度為120℃，此兩個(gè)限制條件決定了熱水外輸溫度不能超過120℃。此外，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)屬于專利技術(shù)，被國際上幾家公司壟斷，應(yīng)用受限較大。

2.2.2 多點(diǎn)系泊浮式平臺(tái)

與單點(diǎn)系泊浮式平臺(tái)相比，多點(diǎn)系泊浮式平臺(tái)無法使船體具有風(fēng)標(biāo)效應(yīng)（在各種風(fēng)浪流作用下船體受力最?。?，且淺水海域應(yīng)用懸鏈線式系泊系統(tǒng)，存在一個(gè)相當(dāng)大的系泊纜輻射半徑，定位效率較差，還要考慮對(duì)過往航行船的影響。多點(diǎn)系泊浮式平臺(tái)專利技術(shù)較少，在國際上未被壟斷，且可以懸掛更多的管纜系統(tǒng)[3]。但多點(diǎn)系泊浮式平臺(tái)與單點(diǎn)浮式平臺(tái)一樣，所連接的熱水外輸立管也只能是柔性軟管，也無法實(shí)行高溫?zé)崴廨敗?/p>

2.2.3 固定式平臺(tái)

固定式平臺(tái)如導(dǎo)管架平臺(tái)在渤海應(yīng)用很多，技術(shù)上也非常成熟，采用固定式核電平臺(tái)應(yīng)是合理的選擇[4]，熱水外輸既可以采用鋼管，也可以采用軟管。但核設(shè)施在運(yùn)營期間，要進(jìn)行多次的換料和大修[5]，而在海上更換核燃料的難度較大，導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)極大增加。

2.2.4 可移動(dòng)式平臺(tái)配置立管平臺(tái)

可移動(dòng)式核電平臺(tái)在運(yùn)營期間可以多次返回陸上基地進(jìn)行維護(hù)，能夠克服固定式平臺(tái)在海上更換核燃料的難度和風(fēng)險(xiǎn)，但是每一次移位和就位都要進(jìn)行與海底管道的解脫和連接的水下作業(yè)，需要?jiǎng)訂T施工船舶和潛水員，時(shí)間長、費(fèi)用高。

配置立管平臺(tái)可解決上述問題[6]。平臺(tái)采用獨(dú)腿結(jié)構(gòu)、多筒基基礎(chǔ)，通過平臺(tái)上的搖臂式棧橋與產(chǎn)生高溫?zé)崴暮穗娖脚_(tái)連接，如圖1所示。在核電平臺(tái)移位時(shí)，立管平臺(tái)可原地不動(dòng)，也可與核電平臺(tái)一起遷移至其他場(chǎng)地作業(yè)。

2.3 方案比選

圖1 可移動(dòng)式核電平臺(tái)和立管平臺(tái)系統(tǒng)示意

根據(jù)各方案的情況，單點(diǎn)系泊浮式結(jié)構(gòu)的熱水外輸方案存在軟管段，且受單點(diǎn)液通道和國外技術(shù)壟斷的限制，因而不被推薦。多點(diǎn)系泊浮式方案無技術(shù)壟斷的問題，但只能采用軟管進(jìn)行熱水外輸，外輸溫度低導(dǎo)致熱采效率較差。固定式平臺(tái)雖然可以簡單方便地實(shí)現(xiàn)鋼管熱水外輸，卻不滿足核設(shè)施所要求的返回陸地大修和換料要求，可行性較低?？梢苿?dòng)核電平臺(tái)移位及復(fù)位簡單，保證了核反應(yīng)堆換料和大修的要求，通過立管平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)鋼管熱水外輸。綜上所述，推薦可移動(dòng)平臺(tái)核電載體配置立管平臺(tái)的熱水外輸方案。

3 海上核電平臺(tái)高溫?zé)崴廨敺桨?/h2>

本稠油熱采的規(guī)模開發(fā)模式，其系統(tǒng)包括核電平臺(tái)、熱水生產(chǎn)系統(tǒng)、熱水外輸裝置和輸水管道，見圖1。采用可移動(dòng)核電平臺(tái)作為熱水生產(chǎn)系統(tǒng)裝置的載體，熱水外輸裝置的主體位于核電平臺(tái)近旁的立管平臺(tái)，通過棧橋連接核電平臺(tái)上的熱水生產(chǎn)系統(tǒng)。

外輸立管平臺(tái)就位后，上部棧橋可繞甲板上的回轉(zhuǎn)支承旋轉(zhuǎn)，與核電平臺(tái)搭接。輸水管道由三部分組成：立管段（管段1），膨脹彎段（管段2）及棧橋內(nèi)部管段（管段3），見圖2。立管段與膨脹彎、膨脹彎與棧橋內(nèi)部管段，棧橋內(nèi)部管段和熱水生產(chǎn)平臺(tái)的管道之間皆用法蘭連接。

圖2 輸水管道立面

核電平臺(tái)因維護(hù)需要移位時(shí)，只需抬起棧橋；再就位時(shí)，將棧橋下放。如核電平臺(tái)在某地服役結(jié)束后，立管平臺(tái)可以隨之整體移走，也可原地棄置。

立管平臺(tái)可容納多根鋼質(zhì)立管，底部連接輸水管道，并可預(yù)留接口以滿足后期接入需求，如圖3所示。因此可將大量熱水輸往不同稠油油田，滿足多個(gè)稠油油田同時(shí)熱采的需求。

4 結(jié)束語

利用核能技術(shù)作為渤海灣稠油熱采廉價(jià)熱量的供給來源，研發(fā)一套可移動(dòng)、可重復(fù)利用、可方便與熱水源平臺(tái)連接的高溫?zé)崴廨斚到y(tǒng)，可以解決稠油熱采所需熱能成本與提高采收率的矛盾，將有望提高渤海灣油田的產(chǎn)量規(guī)模。該系統(tǒng)具有以下功能：

圖3 稠油規(guī)模熱采總體方案示意

（1）提供海上稠油大規(guī)模熱采所需的熱源。

（2）滿足多個(gè)稠油油田同時(shí)熱采。

（3）產(chǎn)生的熱水是核能的副產(chǎn)品，不消耗其他能源。

（4）熱水外輸裝置具有獨(dú)立性，可與多種熱水產(chǎn)生平臺(tái)連接。

（5）系統(tǒng)具有擴(kuò)展性，可滿足后期熱采油田接入需求。

[1]劉輝.海上核電廠[J].中國電力教育，2014，29（4）：93.

[2]中海油研究總院.海上核能利用關(guān)鍵技術(shù)研究專題報(bào)告——熱能利用技術(shù)研究報(bào)告[R].北京：中海油研究總院，2015．

[3]李華城，劉聰，勞業(yè)程，等.ACPR50S小型堆核電站海上平臺(tái)形式論證[J].廣東造船，2015（6）：33-36.

[4]何一平.淺談核電站及其在未來海上設(shè)施上的應(yīng)用[J].中國海上油氣（工程），1999，11（4）：21-23.

[5]HAF 103/01-1994，核電廠換料、修改和事故停堆管理[S].

[6]張賀.海底管線立管登平臺(tái)分析[J].中國造船，2013，54（S2）：83-87.

Scheme research on massive heavy oilthermalrecovery by utilizing offshore nuclear power plant

TAN Yue，ZHOU Xiaodong，LIU Cong，SHIYun，WANG Guodong

CNOOC Research Institute，Beijing 100028，China

Offshore nuclear power plant is utilized for massive heavy oil thermal recovery with good application prospect. Comparisons and evaluations of schemes of different nuclear power platforms with high temperature water export are made，and then a recommendation is obtained.The structures include the mobile nuclear power platform，high temperature water production system，water export device and pipeline.The water export device is a riser platform with bucket foundation，a trestle bridge connects it and the water production system on the nuclear power platform.At the foot of the riser platform，the water is transported to several oilfields through pipelines.This offshore oil field development mode can provide large heat source，and meet the requirements of thermalrecovery for severalheavy oilfields and other field tie-in at later stage.

offshore nuclear power plant； heavy oil；massive thermal recovery；high temperature water export； riser platform

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.01.013

譚 越（1978-），男，遼寧建平人，高級(jí)工程師，2007年畢業(yè)于上海交通大學(xué)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造專業(yè)，博士，主要從事邊際油田開發(fā)、船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研發(fā)工作。

2016-09-07；

2016-11-28

中海石油有限公司綜合科研項(xiàng)目“渤海海域油氣開發(fā)核能應(yīng)用技術(shù)預(yù)可行性研究”

Email：tanyue2@cnooc.com.cn