水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)概述及其發(fā)展現(xiàn)狀

劉 超 ，劉傳巖 ，劉 健 ，肖文生 ，胡忠前

1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東青島 266555

2.海洋物探及勘探設(shè)備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266555

3.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100027

第一次和第二次工業(yè)革命加速了世界能源消耗量的增長(zhǎng)，地球陸上油氣資源日益枯竭[1]。目前，各國(guó)雖然在新能源領(lǐng)域采取了一系列方案和措施以減少油氣資源的消耗，但油氣資源作為重要的能源礦產(chǎn)和戰(zhàn)略物資，仍占據(jù)能源消耗的“半壁江山”。海洋是生命的搖籃和資源的寶庫(kù)。近年來(lái)，隨著海洋油氣資源開采事業(yè)的迅猛發(fā)展，世界各國(guó)越發(fā)重視海上油氣田的勘探和開發(fā)，爭(zhēng)相建設(shè)海洋鉆井平臺(tái)，油氣資源開發(fā)向海洋方向的轉(zhuǎn)移已成為必然趨勢(shì)。水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)作為海洋油氣開發(fā)的主流模式，是指一系列安裝在海底并進(jìn)行石油和天然氣開采作業(yè)的設(shè)備總集，具有開采費(fèi)用低、油氣輸送量大、油氣輸送連續(xù)快捷、提升油氣開采效率等諸多優(yōu)點(diǎn)[2]，備受國(guó)內(nèi)外石油公司關(guān)注。

國(guó)內(nèi)油氣資源對(duì)外依存度不斷攀升，供需矛盾日趨突出，有必要加大我國(guó)油氣的勘探開發(fā)力度，提高海洋資源開發(fā)能力，確保國(guó)家經(jīng)濟(jì)政治穩(wěn)定。《面向2035年國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃》海洋油氣資源開發(fā)領(lǐng)域[3]，要求對(duì)海洋油氣資源勘探開發(fā)、油氣工程安全保障技術(shù)等方向開展專題攻關(guān)研究，結(jié)合“一帶一路”建設(shè)，積極推進(jìn)海洋工程裝備產(chǎn)能和制造合作，建設(shè)世界一流的“海洋強(qiáng)國(guó)”，從國(guó)家戰(zhàn)略層面全力推動(dòng)國(guó)產(chǎn)化水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展。

1 水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外自20世紀(jì)50年代開始進(jìn)行水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)研發(fā)工作，美國(guó)于1947年首次提出了“水下井口”概念[4]，之后水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)經(jīng)歷了由淺水→中深水→深水→超深水技術(shù)的發(fā)展過(guò)程。目前，水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)在國(guó)外海洋油氣田投產(chǎn)超過(guò)500個(gè)項(xiàng)目，發(fā)達(dá)國(guó)家如挪威、英國(guó)等已基本掌握了水深3 000 m以內(nèi)水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)[5]，并對(duì)水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了大量工程項(xiàng)目實(shí)踐，如墨西哥灣Canyon Express氣田水深達(dá)到2 300 m，海底管道總長(zhǎng)100 km，并實(shí)現(xiàn)了超遠(yuǎn)距離回接輸送。FilaretovVF等人[6]對(duì)水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)未來(lái)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)將不斷朝著深水和超深水方向發(fā)展。

1.2 國(guó)內(nèi)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的研究比較晚，1996年國(guó)內(nèi)首個(gè)成功開發(fā)的水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)項(xiàng)目在 流花11-1油田實(shí)現(xiàn)投產(chǎn)[7]。隨著我國(guó)海洋石油開發(fā)戰(zhàn)略目標(biāo)由渤海淺海區(qū)域轉(zhuǎn)向東海、南海區(qū)域，海洋石油裝備開始得到迅速發(fā)展，我國(guó)水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)相繼應(yīng)用于陸豐22-1、番禺35-2、番禺35-3等油田。2014年，國(guó)內(nèi)第一個(gè)超1 000 m的深水“荔灣3-1”氣田成功實(shí)現(xiàn)投產(chǎn)；2017年，設(shè)計(jì)完成的流花16-2/20-2/21-2油田群開發(fā)項(xiàng)目[8]，是國(guó)內(nèi)第一個(gè)自主開展基本設(shè)計(jì)的500 m級(jí)深水復(fù)雜油田水下生產(chǎn)系統(tǒng)油田群開發(fā)項(xiàng)目，于2020年正式投產(chǎn)；同年，國(guó)內(nèi)首個(gè)1 500 m級(jí)深水復(fù)雜氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)（陵水17-2氣田） 設(shè)計(jì)完成[9]，將于2021年正式投產(chǎn)。2021年5月我國(guó)自主研發(fā)的首套水下采油樹系統(tǒng)在渤海油田海底安裝測(cè)試成功，系統(tǒng)的可靠性、安全性和功能性全面得到了驗(yàn)證，這標(biāo)志著我國(guó)海洋石油工程核心裝備取得突破，計(jì)劃2021年下半年在渤海錦州31-1氣田正式應(yīng)用，開啟國(guó)產(chǎn)化水下采油樹應(yīng)用新局面?？傮w來(lái)說(shuō)，現(xiàn)階段我國(guó)雖然實(shí)現(xiàn)了部分水下油氣生產(chǎn)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，但現(xiàn)階段擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)生產(chǎn)設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化占比不高；水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)從生產(chǎn)、安裝到維修的作業(yè)設(shè)備、技術(shù)大部分仍依賴國(guó)外進(jìn)口，迄今為止還沒(méi)有一套完整的國(guó)產(chǎn)化水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)成功投產(chǎn)[10]，在系統(tǒng)深水定位、仿生技術(shù)和導(dǎo)航技術(shù)等方面還需要進(jìn)一步突破，在一定程度上影響了我國(guó)海洋油氣田的開發(fā)進(jìn)程。

近幾年，中國(guó)石油大學(xué)、上海交通大學(xué)等高校和國(guó)內(nèi)知名的石油機(jī)械有限公司對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了一系列理論研究，正逐步開展海洋石油關(guān)鍵設(shè)備的研制工作。王瑋[11]等人指出，近些年我國(guó)非常重視學(xué)習(xí)國(guó)外海洋油氣勘探開發(fā)新技術(shù)，并將其應(yīng)用到國(guó)內(nèi)水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)中。王建文[12]、陳家慶[13]、高原[14]、徐曉麗[15]等人對(duì)國(guó)內(nèi)外水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，并歸納出國(guó)內(nèi)外油氣田開發(fā)存在的部分共性問(wèn)題，這對(duì)國(guó)產(chǎn)化水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的實(shí)施具有一定的指導(dǎo)意義。張姝妍[16]、方華燦[17]等人闡述了國(guó)內(nèi)深水水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)我國(guó)深水油氣田勘探開發(fā)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

2 水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)概述

水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)作為油氣開發(fā)的主流模式，是指一系列安裝在海底并進(jìn)行采油作業(yè)的設(shè)備總集。參考《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》[18]《水下生產(chǎn)系統(tǒng)手冊(cè)》[19]《水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南》[20]，對(duì)水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行層次界定和劃分，典型水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）主要由水下控制系統(tǒng)、立管系統(tǒng)、海底管道系統(tǒng)、水下管匯系統(tǒng)、水下井口裝置及采油樹系統(tǒng)5大子系統(tǒng)組成。

圖1 典型水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)模型

在典型水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)模型中，紅色線條代表水下控制系統(tǒng)的線路網(wǎng)及化學(xué)試劑注入管線，黑色線條代表油、氣、水運(yùn)輸管線及注水管線，子系統(tǒng)之間通過(guò)終端接口進(jìn)行相互作用，將采出的油、氣、水多相流體從海底輸送到海上平臺(tái)進(jìn)行處理。

2.1 水下控制子系統(tǒng)

水下控制系統(tǒng)是水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分之一，主要由水面控制設(shè)備、水下控制設(shè)備和控制臍帶纜3大部分組成[18]，如圖2所示。

圖2 水下控制系統(tǒng)

2.1.1 主要作用及功能

（1）實(shí)現(xiàn)對(duì)水下生產(chǎn)設(shè)備如閥門、節(jié)流器等的遠(yuǎn)程操控。

（2）接受和傳送水上平臺(tái)和水下設(shè)備的數(shù)據(jù)。

（3）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海底井口下溫度、壓力及設(shè)備工作情況。

（4）進(jìn)行化學(xué)試劑的注入與分配。

（5）為水下設(shè)備提供電力/信號(hào)及其動(dòng)力源。

2.1.2 基本工作原理

（1） 信號(hào)傳遞：由海上平臺(tái)的主控站（MCS）發(fā)出控制信號(hào)，經(jīng)編碼后通過(guò)臍帶纜傳送到水下控制模塊，通過(guò)解碼后進(jìn)行執(zhí)行。

（2） 液壓傳遞：液壓液通過(guò)液體流動(dòng)單元（HPU）經(jīng)臍帶纜向下傳送到水下分配單元（SDU），SDU進(jìn)行分配后輸送到各個(gè)水下控制模塊（SCM），實(shí)現(xiàn)水下生產(chǎn)設(shè)備的液壓驅(qū)動(dòng)閥門遠(yuǎn)程控制操作。

（3）化學(xué)藥劑傳遞：從水下臍帶纜終端單元（SUTA）注入，傳送到SDU，然后根據(jù)需求向水下油井和管匯終端分配化學(xué)藥劑，并提供和排放用于壓力測(cè)試和流動(dòng)控制設(shè)備壓力平衡的流體。

2.2 水下立管子系統(tǒng)

水下立管系統(tǒng)是連接海洋平臺(tái)和海底管道或海床井口的管道系統(tǒng)[19]，如圖3所示。立管系統(tǒng)主要由立管單元、輔助配件、保護(hù)裝置和熱處理單元組成，通過(guò)立管基座與水下海底管線、管匯等裝備連接，通過(guò)連接器與水上生產(chǎn)平臺(tái)連接。在油田開發(fā)的不同階段可分為鉆井立管和生產(chǎn)立管，從本身特點(diǎn)又可分為剛懸鏈線立管（SCR）、頂部張緊立管（TTR）、柔性立管（FR）、混合立管（HR），目前國(guó)內(nèi)外HR和FR的應(yīng)用最廣泛，各立管的主要區(qū)別如下。

圖3 水下立管系統(tǒng)

（1）SCR為自由懸掛立管，通過(guò)升沉運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自償，對(duì)環(huán)境載荷敏感，適合深水油氣田開發(fā)。

（2）TTR一般用于張力腳平臺(tái)，適合淺水油氣田。

（3）FR具有較好的性能，適合全世界范圍內(nèi)的深水、淺水油氣田。

（4）HR適應(yīng)浮式結(jié)構(gòu)和剛性立管的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

2.3 海底管線子系統(tǒng)

海底管線系統(tǒng)是指全部或者部分懸置在海床上或埋設(shè)在海床下，用于水下生產(chǎn)設(shè)施連接和運(yùn)輸油、氣、水資源的海底鋼制管線，被稱為水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的“生命線”，如圖4所示。海底管線主要由管線單元、管道和熱處理單元組成，通過(guò)基座上接立管，經(jīng)終端連接器下連水下生產(chǎn)設(shè)施，用于輸送油、氣、水等混合物，完成海上油氣田內(nèi)部的注水和氣舉任務(wù)。

圖4 海底管線系統(tǒng)

2.4 水下管匯子系統(tǒng)

水下管匯（PLEM）是由油管頭和多個(gè)分支管道組成的集成系統(tǒng)，主要由管匯模塊和清管模塊兩大部分組成，如圖5所示。管匯類似于水下生產(chǎn)設(shè)備的能量中轉(zhuǎn)站，一方面周邊各井口產(chǎn)出的油氣匯集于此，另一方面通過(guò)處理將其經(jīng)海底管線輸出到水面，其主要作用及功能如下。

圖5 水下管匯系統(tǒng)

（1）優(yōu)化水下設(shè)施布局，減少管道使用。

（2）匯集和控制油井產(chǎn)出的產(chǎn)物，并將海水注入注水井中，保持地層壓力。

（3）向各油井輸氣，并向油井注入化學(xué)藥劑。

（4）為ROV提供一個(gè)支撐平臺(tái)，維持并保護(hù)閥門和管道運(yùn)轉(zhuǎn)等。

2.5 水下井口裝置及采油樹子系統(tǒng)

水下井口裝置及采油樹系統(tǒng)是最重要的油氣生產(chǎn)設(shè)備，其中水下井口裝置位于海床泥線位置，主要用以支撐并密封套管柱以及在鉆井過(guò)程中支撐防噴器[20]。水下井口裝置主要包括高壓井口頭、防腐帽、導(dǎo)向設(shè)施、密封總成、機(jī)械支撐裝置以及連接裝置等，井口裝置在油氣資源開采的不同時(shí)期會(huì)起到不同的作用。

（1）建井初期與平臺(tái)建立導(dǎo)向繩、導(dǎo)向臂等引導(dǎo)裝置。

（2）井口裝置支撐采油樹和防噴器（BOP），井內(nèi)套管通過(guò)井口頭與BOP形成一個(gè)整體。

（3）為采油樹系統(tǒng)提供定位和支持，并考慮采油樹和管匯的連接。

（4）懸掛套管及環(huán)空密封，承受多載荷力的作用。

水下采油樹可用于連接井口頭上各類閥門的組合體，對(duì)產(chǎn)出的油氣和井下液體進(jìn)行測(cè)試、操作、關(guān)斷和節(jié)流等。水下采油樹主要由采油樹本體模塊、節(jié)流模塊、油管懸掛器和流動(dòng)基座組成，一般按照油管布置方式分為水下臥式采油樹和水下立式采油樹。水下井口裝置及采油樹系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其功能如圖6所示。

圖6 水下井口裝置及采油樹系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能

3 國(guó)產(chǎn)化水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)展望

3.1 全電式水下控制系統(tǒng)

目前，水下控制系統(tǒng)大多數(shù)采用復(fù)合電液控制方式，在液壓動(dòng)力配送過(guò)程中會(huì)存在沿程溫度降低、液壓油黏度增加的問(wèn)題，從而造成壓力損失嚴(yán)重、動(dòng)力配送效率低、液壓管線堵塞，甚至產(chǎn)生管線爆裂、污染海水等不良影響[21-22]。全電式水下控制系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、能量轉(zhuǎn)換效率更高、維修和安裝更容易、可靠性更高、污染程度更小等優(yōu)點(diǎn)[23-24]，又可以最大程度避免復(fù)合電液控制存在的潛在威脅，已引起世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。全電式水下控制系統(tǒng)的發(fā)展空間很大，有望成為未來(lái)水下控制系統(tǒng)的主流模式。

3.2 基于多相泵的水下增壓技術(shù)

多相泵作為海底油氣處理工藝的典型設(shè)備之一，可以不通過(guò)分離設(shè)備對(duì)油氣等進(jìn)行增壓，將油氣運(yùn)輸?shù)胶Ｉ现付ǖ攸c(diǎn)。由于海底工藝處理技術(shù)復(fù)雜，每種多相泵都有其各自適應(yīng)的工作范圍和工作局限性，設(shè)計(jì)出一種適用于復(fù)雜海底工作環(huán)境的多相泵是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

3.3 深水水下生產(chǎn)設(shè)施防腐設(shè)計(jì)

隨著海洋油氣開發(fā)由淺水區(qū)向深水區(qū)方向轉(zhuǎn)移，對(duì)深水水下生產(chǎn)設(shè)施防腐設(shè)計(jì)提出了更高的要求。相較于淺水區(qū)的海底管道而言，深水區(qū)的海底管道材料種類繁多、結(jié)構(gòu)形式及裝配工藝錯(cuò)綜復(fù)雜，對(duì)防腐設(shè)計(jì)提出了更高的要求，即要綜合滿足耐腐蝕、耐老化、易安裝、易維修等特點(diǎn)。

3.4 水下生產(chǎn)系統(tǒng)極地示范應(yīng)用

據(jù)相關(guān)研究數(shù)據(jù)，海底油氣資源在極地地區(qū)存在巨大的發(fā)展?jié)摿?，超過(guò)一半的石油和天然氣資源分布在深度小于100 m的淺水中[25]。極地地區(qū)處于寒帶氣候，終年嚴(yán)寒，幾乎全年都被冰雪覆蓋；極地地區(qū)地層復(fù)雜，存在凍土層；極地地區(qū)的生態(tài)環(huán)境非常脆弱，這些都給極地地區(qū)的油氣開采工作帶來(lái)了很大的困難?？朔O地地區(qū)的環(huán)境壓力，探究極地地區(qū)的油氣開采工作是未來(lái)油氣開發(fā)的主要趨勢(shì)。

3.5 水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的智能化發(fā)展

海洋油氣開發(fā)由淺海向深海、由近海向遠(yuǎn)海轉(zhuǎn)移，智能化技術(shù)的快速發(fā)展帶動(dòng)了水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的技術(shù)提升，水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)向著數(shù)字化、操作智能化、功能多樣化、規(guī)模大型化發(fā)展已成為必然趨勢(shì)[26]。系統(tǒng)可以通過(guò)智能可視化方式來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行情況，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障的實(shí)時(shí)診斷，快速觸發(fā)故障警報(bào)并顯示故障原因。除此以外，水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)智能化可以對(duì)海底流動(dòng)的安全性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)管道泄漏或堵塞進(jìn)行提前預(yù)警，并可以降低水下通信和控制系統(tǒng)的成本預(yù)算。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）本文對(duì)國(guó)內(nèi)外水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研，講述了國(guó)內(nèi)外水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)總體技術(shù)研究發(fā)展水平。總體來(lái)說(shuō)，現(xiàn)階段我國(guó)雖然實(shí)現(xiàn)了部分水下油氣生產(chǎn)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，但大多設(shè)備處于半國(guó)產(chǎn)化或全進(jìn)口狀態(tài)，迄今為止還未成功投產(chǎn)一套完整的國(guó)產(chǎn)化水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)。

（2）對(duì)水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行基本概述，介紹各子系統(tǒng)基本組成、功能以及各子系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖和典型水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)模型。

（3）展望我國(guó)水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，預(yù)測(cè)出未來(lái)國(guó)產(chǎn)化水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展方向主要包括：全電水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)將成為未來(lái)主流模式、基于多相泵的水下增壓技術(shù)、深水水下生產(chǎn)設(shè)施的防腐蝕涂裝工藝設(shè)計(jì)、水下生產(chǎn)系統(tǒng)極地示范應(yīng)用、水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的智能化發(fā)展。