新型水下儲(chǔ)油技術(shù)

譚 越，王春升，陳國(guó)龍

（中海油研究總院，北京 100027）

0 引言

對(duì)于開(kāi)發(fā)我國(guó)的海上邊際油田來(lái)說(shuō)，可移動(dòng)生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)是一種較適宜的工程設(shè)施[1-3]。其經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在集生產(chǎn)、儲(chǔ)油、外輸于一體，海上安裝費(fèi)和搬遷費(fèi)低，重復(fù)利用率高。因此，邊際油田以及開(kāi)采周期短的油田都可以選用此種型式平臺(tái)。

對(duì)于水深較淺的海域，可移動(dòng)生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)采用水上或水下儲(chǔ)油均可，但對(duì)于南海海域100m左右的水深，應(yīng)用甲板儲(chǔ)油艙或儲(chǔ)油罐的方式有很大的局限性，因?yàn)榧装鍍?chǔ)油量一般較小，否則會(huì)導(dǎo)致樁腿、升降裝置能力和甲板面積的增加，失去經(jīng)濟(jì)性。因此，一般認(rèn)為水下儲(chǔ)油是較適宜的方式[4]。本研究針對(duì)南海100m左右水深邊際油田的開(kāi)發(fā)，結(jié)合了應(yīng)用于淺海的沉墊座底式平臺(tái)和深水鉆井船采用的桁架式樁腿，提出了一種新型可移動(dòng)生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)，如圖1所示。

水下儲(chǔ)油的設(shè)想在上世紀(jì)30年代就已提出，至1967年第一次得到工程應(yīng)用，截至目前，已在國(guó)外主要的海洋石油開(kāi)發(fā)如墨西哥灣、北海、波斯灣等海域得到了應(yīng)用[5]。水下儲(chǔ)油根據(jù)形式劃分，有油水置換、油水隔離置換、油氣置換、油水等流量代換等幾種，其中以油水置換方式最為普遍[6]。

圖1 可移動(dòng)生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)示意圖

1 技術(shù)難點(diǎn)及現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)水下儲(chǔ)油技術(shù)的研究起步較早，在1972年華北海洋石油勘探指揮部（渤海石油公司）成立了水下儲(chǔ)油研究小組，1986年南海西部公司在研究開(kāi)發(fā)邊際油田時(shí)提出來(lái)改造鉆井船沉墊貯油，即將平臺(tái)沉墊中的壓載艙改為貯油艙[7]。在之后的十年，這種研究一直在持續(xù)，之后對(duì)水下儲(chǔ)油技術(shù)的研究進(jìn)展略顯緩慢。這種情況直到2006年，隨著油價(jià)的提高，同時(shí)借鑒國(guó)外的技術(shù)[8]，相關(guān)的研究再次開(kāi)展，各種新的概念也開(kāi)始提出，如表1所示。

我國(guó)在水下儲(chǔ)油工藝方面做了大量的研究工作，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，為發(fā)展水下儲(chǔ)油技術(shù)奠定了良好的基礎(chǔ)，但走向工程應(yīng)用卻進(jìn)展緩慢。制約因素主要包括以下幾點(diǎn)[1]：1）油品性質(zhì)；2）乳化及污染；3）維溫系統(tǒng)；4）維護(hù)檢修。

表1 國(guó)內(nèi)水下儲(chǔ)油技術(shù)研究情況

2 新型水下儲(chǔ)油方案

關(guān)于上述水下儲(chǔ)油存在的技術(shù)問(wèn)題，一些研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)給出了定性的結(jié)論或解決方案，如通過(guò)試驗(yàn)分析并論證了采用沉墊儲(chǔ)油[10]及高凝原油油水置換[9]的可行性；使用精度高的油水界面儀，防止含油污水排海等。

在國(guó)家863計(jì)劃支持下，有關(guān)單位進(jìn)行了水下儲(chǔ)油防污染及保溫關(guān)鍵技術(shù)的研究，提出了油水隔離柔性儲(chǔ)油方法。在儲(chǔ)油罐內(nèi)增加柔性防污染保溫內(nèi)膽，由保溫材料制作，使海水與罐內(nèi)原油隔離，同時(shí)起到對(duì)原油保溫的作用[12]。此項(xiàng)技術(shù)具有一定優(yōu)勢(shì)，但由于油水隔離保溫內(nèi)膽長(zhǎng)期與原油和海水接觸，受到原油和海水的腐蝕，要求柔性內(nèi)膽制造材料除具備水密、耐溫、耐油等特性外，還應(yīng)具備必要的強(qiáng)度、韌性和耐蝕性。較單純的油水置換，柔性內(nèi)膽會(huì)增加平臺(tái)的投資，其更換及維護(hù)也存在一定的問(wèn)題。

在對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)進(jìn)行深入比較和研究的基礎(chǔ)上，本研究提出了新型了水下儲(chǔ)油方案，基本上解決了制約該技術(shù)工程應(yīng)用的技術(shù)問(wèn)題，保留了油水置換低投資的主要優(yōu)點(diǎn)，管線設(shè)備維護(hù)方便，又避免了環(huán)境污染。

2.1 方案基本配置

水下儲(chǔ)油沉墊設(shè)置儲(chǔ)油艙、置換海水過(guò)度艙（以下簡(jiǎn)稱過(guò)渡艙，對(duì)于油質(zhì)好的油田，該艙可以取消或作為儲(chǔ)油艙）、海水進(jìn)/排艙三個(gè)艙室；艙室間采用管道連接并設(shè)置常開(kāi)閥門，海水進(jìn)/排艙通過(guò)管道直接與海洋連通；儲(chǔ)油艙配置油水界面報(bào)警傳感器，過(guò)渡艙和海水進(jìn)/排艙配置油份檢測(cè)儀；配置水面原油泵塔和原油深潛泵用于原油卸載或循環(huán)加熱，及原油進(jìn)/出共用管線；配置水面油水泵塔和浸油水深潛泵用于抽出海水進(jìn)/排艙中油水混合物；原油加熱器和相關(guān)循環(huán)管線等，如圖2所示。

圖2 方案基本配置和流程

2.2 原油存儲(chǔ)工作流程

平臺(tái)裝置固定好后的儲(chǔ)油艙、過(guò)渡艙、海水進(jìn)/排艙中以及原油泵塔水下部分和水面下管道中都注滿海水，與海洋形成一個(gè)大連通器。上部平臺(tái)原油生產(chǎn)系統(tǒng)將簡(jiǎn)單處理后的原油注入到安裝在管線保護(hù)架或其它固定裝置上的水面原油泵塔中，泵塔為桶形容器，隨著泵塔中液面的升高，原油在重力作用下通過(guò)管道進(jìn)入水下平臺(tái)的儲(chǔ)油艙頂部，儲(chǔ)油艙內(nèi)海水從艙底部通過(guò)儲(chǔ)油艙和過(guò)渡艙間的連接管道進(jìn)入過(guò)渡艙的頂部。同樣，過(guò)渡艙內(nèi)的海水進(jìn)入海水進(jìn)/排艙中，最后海水進(jìn)/排艙內(nèi)的海水，從艙的底部進(jìn)入進(jìn)/排海管道從艙頂艙管道出口進(jìn)入海洋。

由于原油密度小于海水密度，原油漂浮在海水上面，隨著原油不斷注入，儲(chǔ)油艙內(nèi)逐漸形成油水界面，并隨著注入量的不斷增加，油水界面不斷下移并逐漸相對(duì)穩(wěn)定，海水源源不斷的通過(guò)過(guò)渡艙，并從海水進(jìn)/排艙入海。儲(chǔ)油艙設(shè)計(jì)艙容時(shí)預(yù)留一定的海水保有量，并在儲(chǔ)油艙內(nèi)設(shè)有低位和低低位油水界面?zhèn)鞲衅鳎?dāng)傳感器反饋信號(hào)，則上部生產(chǎn)平臺(tái)原油注入泵關(guān)停，即停止向原油泵塔注油，此時(shí)儲(chǔ)油艙達(dá)到最大儲(chǔ)油量即注滿，底部為海水。

此方案能夠保證原油不進(jìn)入過(guò)渡艙，并盡量避免和減少油水混合液從艙底部經(jīng)連通管道進(jìn)入過(guò)渡艙，該設(shè)計(jì)是第一道保護(hù)；過(guò)渡艙的艙容略大于一次性外輸?shù)脑土浚梢员ＷC將通常儲(chǔ)油作業(yè)置換出的海水存儲(chǔ)在過(guò)渡艙中，這樣即使有少量油水混合液進(jìn)入過(guò)渡艙，也僅會(huì)存儲(chǔ)在過(guò)渡艙內(nèi)，并且油份逐漸分離，上升到艙的頂部，基本杜絕油水混合液通過(guò)艙底部經(jīng)連通管道進(jìn)入海水進(jìn)/排艙的頂部。在過(guò)渡艙的頂部和底部配置油份傳感器用于監(jiān)控艙內(nèi)油份含量，這是第二道屏障；海水進(jìn)/排艙內(nèi)配置海洋連通管道，使海水沿管道從艙底部向上流動(dòng)，并從艙的頂部排入海洋。艙頂部安裝有油份檢測(cè)傳感器，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦檢測(cè)進(jìn)/排艙內(nèi)即將排出的海水油份超標(biāo)（如大于 15ppm），上部生產(chǎn)平臺(tái)即停止注油，并且安裝在管線保護(hù)架或其它固定裝置上的水面油水泵塔中的深潛泵將自動(dòng)啟動(dòng)，受污染海水被抽至上部生產(chǎn)平臺(tái)的污油水艙儲(chǔ)存和/或處理，直至油份達(dá)標(biāo)后泵停止工作，為第三道保護(hù)屏障，可以完全保證受污染海水不進(jìn)入海洋。

以上整個(gè)過(guò)程為原油注入置換存儲(chǔ)艙內(nèi)海水，各艙室間的壓力和外界一直保持相對(duì)平衡，并確保海水的清潔排放。需要注意的是，泵等設(shè)備均置于水面或水面以上，避免了水下維修維護(hù)的問(wèn)題。

2.3 水下儲(chǔ)油維溫方案

維溫方案有盤管加熱和循環(huán)加熱兩種，設(shè)備均布置于平臺(tái)甲板上。一方面可以減少原油輸送和存儲(chǔ)過(guò)程中蠟結(jié)晶體的析出和清除管壁上粘結(jié)的蠟結(jié)晶體。另一方面在儲(chǔ)油過(guò)程中可以降低原油的粘度，加快原油和水的物理分離速度，盡快形成穩(wěn)定的油水界面；同樣在原油卸載作業(yè)過(guò)程中降低外輸原油的粘度并促進(jìn)油水分離，有利于提高卸載原油的精度和提高卸載作業(yè)效率。

對(duì)于油質(zhì)較好、作業(yè)區(qū)域較溫和的油田，可考慮采用加熱器的方式在原油儲(chǔ)存、外輸過(guò)程中定期對(duì)原油的管道進(jìn)行循環(huán)加熱。在上部平臺(tái)配置加熱器，在水下原油儲(chǔ)油艙設(shè)置循環(huán)加熱管線，加熱管線布置在原油進(jìn)/出管線的下方略低位置。

對(duì)于油質(zhì)含蠟較多的油田開(kāi)發(fā)或作業(yè)區(qū)域較寒冷的地帶，考慮到運(yùn)行成本，采用蒸汽伴熱方式，上部平臺(tái)配置蒸汽鍋爐提供伴熱蒸汽，輸送管道配置蒸汽伴熱管線，儲(chǔ)存艙內(nèi)設(shè)置加熱盤管。鍋爐大小根據(jù)具體油質(zhì)和作業(yè)要求進(jìn)行選型配置。

3 結(jié)束語(yǔ)

水下儲(chǔ)油技術(shù)在國(guó)外具有30多年的使用經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)在水下儲(chǔ)油工藝方面做了大量的研究工作，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，為發(fā)展水下儲(chǔ)油技術(shù)奠定了良好的基礎(chǔ)，但工程應(yīng)用進(jìn)展緩慢，主要受制于一些防污染要求、設(shè)備維護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)。本文提出的一種新型水下儲(chǔ)油方案通過(guò)艙室的設(shè)置，保留了油水置換低投資的主要優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)艙室設(shè)置和監(jiān)測(cè)儀器避免了環(huán)境污染。各種設(shè)備布置在水面以上，維護(hù)方便，基本解決了制約該技術(shù)工程應(yīng)用的技術(shù)問(wèn)題。

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