目前，全球深水油氣資源領(lǐng)域已成為國際著名油氣公司爭(zhēng)相開拓的新領(lǐng)域。尤其是2018年以來，南美洲北海岸和北美墨西哥灣等海域相繼在深水獲得多處重大油氣勘探突破，因而更使深水油氣勘探開發(fā)成為全球油氣行業(yè)聚焦的“熱點(diǎn)”。從2019年來看，全球油氣新探明儲(chǔ)量創(chuàng)2015年以來的新高，油氣當(dāng)量超過一億桶的油氣田就有26個(gè)，其中超過一半的重大發(fā)現(xiàn)來自于深水。
中國油氣勘探開發(fā)要向深水區(qū)挺近
從我國來看，油氣勘探開發(fā)向深水發(fā)展的必要性與重要性，筆者認(rèn)為可以概括為“三個(gè)需要”。
油氣戰(zhàn)略接替資源的需要。油氣資源直接關(guān)系到國家的能源供給和經(jīng)濟(jì)安全，我國迫切需要發(fā)現(xiàn)油氣戰(zhàn)略接替資源，但相當(dāng)困難。然而，我國南海蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源。整個(gè)南海盆地群石油地質(zhì)資源量約230億至300億噸，天然氣總地質(zhì)資源量約16萬億立方米，占我國油氣總資源量的三分之一，其中70%蘊(yùn)藏于153.7萬平方公里的深海，尚未得到有效開發(fā)。因此，開辟新的戰(zhàn)略接替領(lǐng)域，南海深水油氣資源開發(fā)已成為我國的必然選擇。
充分利用國外資源的需要。目前，全球深水油氣資源勘探開發(fā)蓬勃發(fā)展，方興未艾，為我國提供了難得的利用國外資源機(jī)遇。據(jù)悉，部分油氣資源國已放寬了深水油氣資源對(duì)外合作的財(cái)稅條款，并增加了對(duì)國際石油公司的招投標(biāo)活動(dòng)，這就為我國利用國外資源，創(chuàng)造了有利條件。例如中海油參股加拿大尼克森公司25%的圭亞那的深水區(qū)塊，已連續(xù)獲得重大發(fā)現(xiàn)，不僅在儲(chǔ)量和產(chǎn)量兩個(gè)方面，我國的權(quán)益均有保障，而且還可以有機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)、積累和借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。
提高科學(xué)技術(shù)水平的需要。深水海洋環(huán)境復(fù)雜，油氣勘探開發(fā)所需的技術(shù)與裝備，較之淺水、近海及陸上均要求高、難度大，因而，通過深水油氣勘探開發(fā)必然會(huì)驅(qū)動(dòng)相關(guān)科學(xué)技術(shù)水平的提高，以我國南海深水油氣田勘探開發(fā)為例，從2008年開始，國家立項(xiàng)“海洋深水油氣田開發(fā)工程技術(shù)”，組織攻關(guān)開展科研。十多年來，已經(jīng)研制出了全球領(lǐng)先的世界上最新第六代半潛式鉆井平臺(tái)“981” 等先進(jìn)浮式裝備，建成了以“海洋石油981”和“海洋石油201”鋪管船等組成的“五型六船”深水作業(yè)船隊(duì)，并自主研制成水下工程關(guān)鍵設(shè)備近二十套，與此同時(shí)，開發(fā)出了幾十種理論模型、設(shè)計(jì)方法及其專用軟件和標(biāo)準(zhǔn)指南，還建立了深水工程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及試驗(yàn)系統(tǒng)十?dāng)?shù)套，從而實(shí)現(xiàn)了我國海洋油氣工程技術(shù)與裝備從300m水深到1500m的跨赿式發(fā)展，大大提高了我國深水海洋工程的科技水平。
深水油氣田開發(fā)離不開水下生產(chǎn)系統(tǒng)的應(yīng)用，盡管目前國內(nèi)外深水油氣田的開發(fā)模式因地制宜，已采用的有多種模式，諸如水下生產(chǎn)系統(tǒng)＋半潛式生產(chǎn)平臺(tái)＋浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置、水下生產(chǎn)系統(tǒng)＋淺水生產(chǎn)平臺(tái)＋陸上天然氣處理終端、水下生產(chǎn)系統(tǒng)＋FPSO等，但也是水下生產(chǎn)系統(tǒng)。因此，水下生產(chǎn)系統(tǒng)可以說是深水油氣田開發(fā)的必備生產(chǎn)設(shè)施，我國要發(fā)展深水油氣田開發(fā)，必須要掌握水下生產(chǎn)系統(tǒng)的核心技術(shù)，能夠自主設(shè)計(jì)制造其關(guān)鍵裝備。但是，目前中國與世界先進(jìn)水平仍有較大差距。
中國急需研發(fā)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)裝備
氣液處理設(shè)施的水下化。目前深水油氣田開發(fā)采用的水下生產(chǎn)系統(tǒng)如圖1所示，一般其組成為：水下井口、水下采油樹、管匯系統(tǒng)、化學(xué)藥劑注入系統(tǒng)、生產(chǎn)控制與監(jiān)視系統(tǒng)、臍帶纜、海底管道、立管等，見圖1所示。
當(dāng)今常規(guī)的設(shè)計(jì)方案均將液氣處理設(shè)施，包括油氣水分離裝置、輸液增壓泵裝置、輸氣堉壓的壓縮機(jī)裝置等安裝在水面設(shè)施上。但目前新的發(fā)展趨勢(shì)是將其水下化，即將它們移入到水下，由水下分離器、水下增壓泵、水下壓縮機(jī)等組成水下油氣水處理系統(tǒng)及海底增壓系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)油氣水的水下處理及外輸。水下油氣水處理系統(tǒng)將極大節(jié)省水面上設(shè)施的空間，降低對(duì)其載荷的要求，同時(shí)也將有利于提高油氣田的采收率，延長油氣田壽命。國外，目前巴西國家石油公司(Petrobras)已經(jīng)在兩個(gè)水下生產(chǎn)系統(tǒng)采用了水下增壓系統(tǒng)來提高油氣傳輸?shù)膲毫?，還在Marlim油田裝設(shè)了水下油水分離及再注系統(tǒng)。另外，法國道道爾(Total)公司也在Pazflor油田采用了水下氣液分離和增壓技術(shù)，而菏蘭殼牌(Shell)公司則在Perdido油田采用了水下氣液分離技術(shù)。
圖2、圖3、圖4分別為水下增壓泵、水下壓縮機(jī)、水下氣液分離器，圖5為巴西Petrobras公司的水下油水分離及再注系統(tǒng)。
我國南海深水已建成的流花11-1油田、荔灣3-1油田和2020年新建的流花16-2油田群及2021年新建的陵水深水一號(hào)氣田，雖然都應(yīng)用了水下生產(chǎn)系統(tǒng)，但尚未實(shí)現(xiàn)氣液處理設(shè)施的水下化，因此，我國應(yīng)及早開展水下增壓泵、壓縮機(jī)、氣液分離器等高質(zhì)量裝備的研制。
海底控制系統(tǒng)的全電化。傳統(tǒng)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)的海底控制系統(tǒng)均采用電液復(fù)合式控制方式，但當(dāng)今的發(fā)展趨勢(shì)是轉(zhuǎn)向全電式控制方式。電液復(fù)合式控制需要從水面上提供液壓液作為動(dòng)力源，因而會(huì)帶來液壓液的排海對(duì)環(huán)境造成的污染，同時(shí)液壓系統(tǒng)可能帶來的任何泄漏，都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重故障，并造成對(duì)海洋環(huán)境的污染，顯見，缺點(diǎn)甚多。全電控制系統(tǒng)傳輸?shù)氖请娦盘?hào)，控制距離更遠(yuǎn)，響應(yīng)時(shí)間更短，且無污染環(huán)境問題，還省去了控制系統(tǒng)中的液壓組件所需的費(fèi)用，減小了傳輸液壓液管線的臍帶纜的直徑，極大地降低了臍帶纜的費(fèi)用。當(dāng)然，如果同時(shí)采用液壓系統(tǒng)作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的備份控制，采用冗余設(shè)計(jì)，也可進(jìn)一步提高整個(gè)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的可靠性。
目前，全球挪威率先推行水下生產(chǎn)系統(tǒng)的海底控制系統(tǒng)的全電化，圖6為他們研發(fā)的世界上第一座全電控制的水下采油樹， 2008年已安裝于挪威北海的K5F油田投產(chǎn)，到目前為止，運(yùn)行良好。我國在這方面尚屬空白，因此，高質(zhì)量研制水下生產(chǎn)系統(tǒng)，需要考慮采用全電式海底控制系統(tǒng)，并潛心研發(fā)相關(guān)的電器元件。
供電配電設(shè)備的海底化。將原來位于水面平臺(tái)上的供電配電設(shè)備安裝在海底，這是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的另一項(xiàng)新的發(fā)展趨勢(shì)。由于大型水下氣液處理裝置所需功率常達(dá)幾十兆瓦，傳統(tǒng)的低壓供電技術(shù)與設(shè)備已無法滿足用電需求。因此，水下高壓交直流供電所需要的關(guān)鍵電氣設(shè)備包括水下變壓器、水下開關(guān)等都將成為未來的研發(fā)“熱點(diǎn)”。以水下高壓斷路器(自動(dòng)開關(guān))為例，國外挪威已經(jīng)將其研發(fā)出的產(chǎn)品應(yīng)用于位于北海海域 ,離岸100km平均水深885m的Ormen Lange大氣田(天然氣儲(chǔ)量約3000億方)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)的水下壓縮機(jī)的供電系統(tǒng)中。
近年來，挪威又開始了海底配電系統(tǒng)的研發(fā)，他們自2017年開始研究，目前正在海上進(jìn)行測(cè)試。他們的創(chuàng)新理念是實(shí)施模塊化，即將用于中壓配電、電源轉(zhuǎn)換、自動(dòng)化輔助電源等設(shè)備，都安裝在一個(gè)水下密閉罩中，形成一個(gè)海底模塊化的配電系統(tǒng)，直接驅(qū)動(dòng)海底的泵、壓縮機(jī)以及其它工藝設(shè)備。這樣即可省去傳統(tǒng)的自水上平臺(tái)為每臺(tái)設(shè)備單獨(dú)配備的電纜，而且配電系統(tǒng)距離供電設(shè)備也近，可以節(jié)約大量投資。目前研發(fā)的海底配電系統(tǒng)可以提供高達(dá)100兆瓦(MW)的電力，并可在600公里范圍內(nèi)供電，它可用于超深水3000米水深，并確保工作30年無需維修。正由于這些條件的極其苛刻，可靠性的要求也非常嚴(yán)格，因而該配電系統(tǒng)中包括海底控制系統(tǒng)、不同電壓配電系統(tǒng)、海底不同電壓開關(guān)設(shè)備以及海底不同電壓變速驅(qū)動(dòng)器等組件，均需重新設(shè)計(jì)、研制，再加上海上全尺寸的測(cè)試，包括溫度、振動(dòng)、壓力測(cè)試及加速壽命測(cè)試等，既要嚴(yán)格按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，又要保證數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，困難大，費(fèi)時(shí)多，故研發(fā)成功尚需時(shí)日，預(yù)計(jì)2023年在國外可投入使用。圖7為挪威Aker公司近年研制的用于Ormen Lange氣田深水水下供電設(shè)備斷路器，圖8為該公司正在研發(fā)的模塊化配電系統(tǒng)。我國目前尚屬空白，需要自主研制這些高質(zhì)量水下供電配電電器。
水下通信系統(tǒng)的最優(yōu)化。這里所說的最優(yōu)化指的是要與時(shí)俱進(jìn)，跟上現(xiàn)代的步伐，采用當(dāng)今最先進(jìn)的技術(shù)與裝備。首先，由于現(xiàn)代通信要求系統(tǒng)的各個(gè)接口要實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化， 這樣才有利于第三方設(shè)備的接入，使得整個(gè)通信系統(tǒng)的可擴(kuò)展性大大增強(qiáng)。因此，對(duì)于水下生產(chǎn)系統(tǒng)來說，其通信接口包括水下主控站 （MCS）與分散式控制系統(tǒng)（DCS）的通信接口、 水下各種監(jiān)測(cè)儀表的通信接口、水下控制系統(tǒng)的水面上設(shè)備與水下設(shè)備的通信接口等，都要實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，以滿足現(xiàn)代通信的要求。
其次，由于現(xiàn)代通信要求帶寬大，而光纖通信帶寬大，已逐漸取代電力載波，成為當(dāng)今主要信號(hào)傳輸方式。而水下生產(chǎn)系統(tǒng)目前應(yīng)用的各種監(jiān)測(cè)和檢測(cè)儀表以及井底儀表赿來赿多，且對(duì)信息傳輸?shù)囊蟛粩嘣黾樱偌由嫌蜌馓锷a(chǎn)優(yōu)化也要求它將水下各種數(shù)據(jù)盡快傳到水面上來，因此，采用光纖通信，擴(kuò)大通信帶寬，應(yīng)用以太網(wǎng)，已成為當(dāng)今水下生產(chǎn)系統(tǒng)通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)?？傊?，這些現(xiàn)代通信的最優(yōu)化要求，我國的深水水下生產(chǎn)系統(tǒng)的通信系統(tǒng)均應(yīng)滿足。
綜合上述，我國需要大力發(fā)展深水油氣田的勘探開發(fā)，而水下生產(chǎn)系統(tǒng)以其高適應(yīng)性、高經(jīng)濟(jì)性成為深水油氣田開發(fā)模式中必不可缺的組成部分，因此，高質(zhì)量研制水下生產(chǎn)系統(tǒng)己成為我國開發(fā)深水油氣田的一項(xiàng)重要任務(wù)。
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