郝亮 孟祥麗 李秀珍

近幾年，我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的蓬勃發(fā)展需要充足的能源保障，邁向深海已成為我國發(fā)展戰(zhàn)略，而作為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的海洋工程裝備制造業(yè)是重要組成部分。為此，本文深入探討國內(nèi)外水下生產(chǎn)系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。

1、國外水下生產(chǎn)系統(tǒng)現(xiàn)狀

自20世紀(jì)70年代初開始出現(xiàn)早期水下生產(chǎn)系統(tǒng)以來，截止2019年底，世界上已有超過110個(gè)工程項(xiàng)目投產(chǎn)，最大水深已達(dá)2600m，近幾年世界深海領(lǐng)域的投資不斷增長，深水水下生產(chǎn)系統(tǒng)的工程項(xiàng)目數(shù)量也迅速增長上升。

在市場規(guī)模方面，全球的海洋油氣工程市場從2010 年到 2016 年翻了一番，預(yù)計(jì)在2030 年海洋勘探費(fèi)用將達(dá)到1000億美金。而采用浮式設(shè)施或水下設(shè)施的解決方案占到了海洋工程開發(fā)的40%左右，并可能在2030年達(dá)到60%，水下市場在2012 年至 2030 年按照回接的數(shù)量來計(jì)算增加4倍。

從區(qū)域分布情況來看，北美墨西哥灣和挪威海域的深水開采活動(dòng)較為活躍。例如，2004年近海生產(chǎn)平臺(tái)的水深記錄是：干井口，墨西哥灣Dev i1s Tower Spar平臺(tái)，1 710 m;濕井口：墨西哥灣Na-Kika半潛式平臺(tái)，1920m。亞洲區(qū)域目前水深超過400m的水下生產(chǎn)系統(tǒng)項(xiàng)目僅有2個(gè)，1個(gè)是2003年開始動(dòng)工的澳大利亞Enfield油田，水深550m;另1個(gè)是美國墨菲（Murphy）石油公司于2005年開始動(dòng)工的馬來西亞Kikeh油田，水深1310 m，采用Spar生產(chǎn)平臺(tái)。

2、水下生產(chǎn)系統(tǒng)在我國海洋油氣田中的應(yīng)用情況

中國海域內(nèi)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)主要是中海油借助外國石油公司的資金和技術(shù)來完成的，下面重點(diǎn)介紹3個(gè)屬于常規(guī)水深范圍的工程項(xiàng)目：① 1994年和美國阿莫科石油公司及科麥奇石油公司合作開發(fā)的流花11-1油田，水深310 m，2003年以前中海油持股75%，2003年以后持股100%;② 1996年和挪威石油公司Statoil聯(lián)合開發(fā)的陸豐22-1油田，水深333 m，中海油持股15%;③ 1997年與雪佛龍德士古、埃尼公司聯(lián)合開發(fā)的惠州26-11N &32-5油田，水深120m，中海油持股51%。

2.1、流花11-1油田應(yīng)用情況

流花11-1油田1987年1月發(fā)現(xiàn)，1995年5月投產(chǎn)，采用全海式開發(fā)方案。整個(gè)工程設(shè)施包括5個(gè)部分：半潛式浮式生產(chǎn)系統(tǒng)、浮式生產(chǎn)、儲(chǔ)油裝置（FPSO）南海“勝利號(hào)”、到點(diǎn)系泊系統(tǒng)、海底輸油管線和水下井口系統(tǒng)。

所選用的水下井口系統(tǒng)包括水下臥式采油樹、中樞管匯、鋼制跨接管、液壓井控系統(tǒng)、電纜懸掛系統(tǒng)、水下控制系統(tǒng)、遙控作業(yè)機(jī)器人、濕式電接頭。水平井中的產(chǎn)出物經(jīng)各自采油樹的出油管線進(jìn)入永久導(dǎo)向生產(chǎn)底座下部的集輸管線內(nèi)，再通過剛性跨接管將各個(gè)獨(dú)立井口連接成封閉回路，油氣從各井口匯集到中樞管匯后，再通過鋼制長跨接管進(jìn)入海底輸油管道，進(jìn)一步輸往半潛式生產(chǎn)平臺(tái)，最后到浮式生產(chǎn)油輪上處理。

2.2、惠州26-1N及32-5油田應(yīng)用情況

惠州32-5油田是中國南海第一個(gè)采用水下衛(wèi)星和管線回接至現(xiàn)有固定平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)的油田，由三個(gè)臥式水下采油樹組成，每個(gè)采油樹都配有完井導(dǎo)向基座，通過專門的生產(chǎn)油管線進(jìn)行生產(chǎn)?；葜?6-1N油田由一個(gè)臥式水下采油樹組成，其完井導(dǎo)向基座上帶有沖洗回路。

2.3、陸豐22-1油田應(yīng)用情況

油田位于香港東南方約250km，平均水深333m，面積，1986年5月發(fā)現(xiàn)，1997年12月27日正式投產(chǎn)，高峰日產(chǎn)原油0.9×104陸豐22-1油田采用5口水平井，水平井段長達(dá)470～2060m，水平井井口和采油樹坐落在鉸鏈?zhǔn)浇M合底盤上，生產(chǎn)井的液流經(jīng)采油樹輸送到底盤上的生產(chǎn)管匯，再進(jìn)入2條8"柔性生產(chǎn)立管，柔性生產(chǎn)立管回接到浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置上。

陸豐22-1油田無生產(chǎn)平臺(tái)，其水下井口生產(chǎn)系統(tǒng)包括雙定位水下臥式采油樹、中心管匯、電液控制系統(tǒng)、多相增壓泵、電纜系統(tǒng)、鉸接式組合底盤系統(tǒng)、水下機(jī)器人及其工具、濕式電接頭等。兩個(gè)水下電-液控制模塊（SCM）被嵌入中心管匯用于控制采油樹，每個(gè)SCM可以控制3個(gè)采油樹。5口開發(fā)井中的原油從各自的采油樹匯集到中心管匯，然后由2條Φ177.8mm的海底生產(chǎn)管線直接輸往浮式生產(chǎn)輸油輪上。

3、海洋水下生產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

世界范圍內(nèi)海洋石油工程開發(fā)正在向全球化發(fā)展，并邁向更深的海域，隨著技術(shù)的成熟和進(jìn)步，水下生產(chǎn)系統(tǒng)面臨更多的發(fā)展機(jī)遇和應(yīng)用前景。目前，水下生產(chǎn)系統(tǒng)前沿技術(shù)包括以下幾個(gè)方面。

3.1、水下長距離流動(dòng)保障技術(shù)

水下流動(dòng)保障技術(shù)一直都是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，而隨著深水回接距離的增加，長距離流動(dòng)保障技術(shù)成為亟待解決的技術(shù)問題。水下工藝設(shè)備的開發(fā)為水下長距離流動(dòng)保障提供了一種解決方案，通過水下增壓、分離可以將流體進(jìn)行長距離輸送。另外，傳 統(tǒng) 的 流 動(dòng) 保 障 技 術(shù) 是 抑 制 水 合 物 的生成，隨著水深和距離的增加，水合物抑制成本將大幅度增加，而新型“冷流”或“水合流”流動(dòng)保障技術(shù)允許水合物部分生成，將生成的水合物作為固體進(jìn)行輸送。

3.2、水下電力輸送和全電控制技術(shù)

邊際油氣田的水下電力必須要通過高壓輸送實(shí)現(xiàn)，水下電力輸送包括水下變電站和水下直流輸送等方面。通過開發(fā)相關(guān)的水下電氣設(shè)備，可以克服目前200km以內(nèi)的電力輸送瓶頸。目前，水下生產(chǎn)系統(tǒng)中廣泛采用液壓流體和電氣控制的復(fù)合方式，即復(fù)合電液控制技術(shù)，而不依賴液壓流體的全電控制的概念在水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)中具有較大的吸引力。水下全電控制技術(shù)能夠提高整個(gè)水下系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)在開發(fā)成本和運(yùn)行成本方面也具有一定的優(yōu)勢，尤其是液壓控制流體的放空或者泄漏對環(huán)境保護(hù)存在風(fēng)險(xiǎn)，而全電控制技術(shù)能夠從根本上解決這個(gè)問題。

3.3、水下安裝技術(shù)

水深和水下生產(chǎn)設(shè)施質(zhì)量的增加對于水下安裝技術(shù) 提 出 了 更 大 的 挑 戰(zhàn)。當(dāng) 水 深 增 加 到2000～3500m范圍時(shí)，如果采用傳統(tǒng)的鋼絲繩進(jìn)行吊裝，則吊繩的質(zhì)量較大，吊裝操作不可行，因此采取輕質(zhì)的纖維繩成為深水水下安裝的一種解決方案，而與纖維繩配套的安裝船舶、下放和回收系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)、浮力塊、連接和配重、定位和通訊等相關(guān)技術(shù)問題則需要解決。

3.4、水下生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性及完整性管理技術(shù)

深水油氣開發(fā)屬于高風(fēng)險(xiǎn)和高技術(shù)領(lǐng)域，水下生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性及技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)管理已被國際同行高度重視，一致認(rèn)為從項(xiàng)目可行性研究到投產(chǎn)實(shí)施，都要進(jìn)行可靠性和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估并做出積極的對策，將項(xiàng)目實(shí)施的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。這一做法已經(jīng)得到了國際跨國深水油氣開發(fā)的業(yè)主和工程承包商的一致認(rèn)可。隨著越來越多的水下生產(chǎn)設(shè)施得到應(yīng)用，對于水下生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行全生命周期的完整性管理成為海洋工程行業(yè)的共識(shí)。

3.5、極地水下生產(chǎn)技術(shù)

極地范圍內(nèi)蘊(yùn)藏有豐富的油氣資源，俄羅斯和挪威等靠近北極圈國家的石油公司已經(jīng)拉開了開發(fā)極地能源的序幕。極地的環(huán)境非常惡劣，低溫和冰山對于傳統(tǒng)的水面設(shè)施是極大的威脅。而水下生產(chǎn)系統(tǒng)由于在水面以下，對于極地環(huán)境具備一定的抵抗能力，因此水下生產(chǎn)系統(tǒng)在極地海洋工程開發(fā)中具有非常大的競爭力。極地水下生產(chǎn)技術(shù)需要開發(fā)滿足寒冷氣候的材料，同時(shí)可以通過挖溝和監(jiān)控等措施避免冰山的影響。另外，低溫下的流動(dòng)保障也是其中較為關(guān)鍵的方面。由于極地的自然生態(tài)環(huán)境較為脆弱，一旦發(fā)生油氣泄漏則進(jìn)行處理的成本高昂，因此對于水下生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性要求更高。

4.結(jié)語

目前，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)和科研院所的研究重點(diǎn)集中在傳統(tǒng)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)品和技術(shù)上，在國家相關(guān)部門的指導(dǎo)和統(tǒng)一協(xié)調(diào)下，通過差異化發(fā)展，由石油公司、海洋工程公司和設(shè)備廠商共同協(xié)作，建立起水下生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)品由技術(shù)研發(fā)、樣機(jī)制造、海上試驗(yàn)到工程示范化應(yīng)用的開發(fā)流程，使我國水下生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)具備較好的應(yīng)用性，并激發(fā)企業(yè)的創(chuàng)新熱情。在此基礎(chǔ)上，開展水下生產(chǎn)系統(tǒng)工藝設(shè)備的研究，同時(shí)針對國際前沿水下生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行前瞻研究，縮短差距并實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，具有極為重要的意義。