東海邊際氣田開(kāi)發(fā)水下生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

上海石油天然氣有限公司

東海蘊(yùn)藏著豐富的天然氣，有較多分布于中小構(gòu)造中，也存在著大量?jī)?chǔ)量5～15億m3的邊際氣田。上海石油天然氣有限公司（下稱(chēng)公司）在地質(zhì)鉆探中，即鉆遇有邊際氣田，對(duì)這些氣田進(jìn)行經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)，可一定程度緩解上海能源供需矛盾。經(jīng)大量前期研究顯示，水下生產(chǎn)系統(tǒng)是一種適合東海海況特點(diǎn)的邊際氣田開(kāi)發(fā)方式，這項(xiàng)工作的開(kāi)展得到了國(guó)家科技部的支持，被列為國(guó)家863計(jì)劃海洋技術(shù)領(lǐng)域重點(diǎn)項(xiàng)目。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)是一種通過(guò)水下完井系統(tǒng)，和安裝在海底的生產(chǎn)設(shè)施、海底管匯系統(tǒng)及海底管線組成一套水下油氣水傳輸系統(tǒng)；通過(guò)地面和水下控制系統(tǒng)的操作控制，將油氣井采出的油水氣從海底輸送到依托設(shè)備或陸上終端的系統(tǒng)工程，是一個(gè)技術(shù)密集、多學(xué)科綜合協(xié)調(diào)的海洋工程高技術(shù)領(lǐng)域。公司不僅要攻克這個(gè)高技術(shù)領(lǐng)域的各項(xiàng)難關(guān)，還要有所突破，把目標(biāo)定位為東海的邊際氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。通過(guò)課題研究，依托海上現(xiàn)有平臺(tái)，進(jìn)行平臺(tái)周邊邊際小型氣田的開(kāi)發(fā)，重點(diǎn)突破水下生產(chǎn)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)和水下管匯的研制與集成等關(guān)鍵技術(shù)，建成我國(guó)東海第一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、依托于海上現(xiàn)有平臺(tái)的邊際氣田開(kāi)發(fā)水下生產(chǎn)系統(tǒng)，填補(bǔ)空白，使天然氣可采儲(chǔ)量5億m3的目標(biāo)邊際氣田具有經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)價(jià)值。

針對(duì)東海邊際氣田的特點(diǎn)，公司開(kāi)展了水下生產(chǎn)系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外廣泛調(diào)研、基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、樣機(jī)研制、單機(jī)和聯(lián)合測(cè)試、海上試驗(yàn)等工作，突破并掌握了邊際氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)研制、水下管匯集成裝置研制、水下生產(chǎn)系統(tǒng)地面測(cè)試技術(shù)、系統(tǒng)總體集成安裝及調(diào)試技術(shù)等五項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并完成了水下管匯、控制模塊、控制系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)等樣機(jī)的自主研制。2016年3月國(guó)家科技部組織的技術(shù)驗(yàn)收中，對(duì)該項(xiàng)目給予肯定和較高評(píng)價(jià)并通過(guò)驗(yàn)收。

1 水下生產(chǎn)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

總體方案分成兩階段實(shí)施，第一階段與美國(guó)的MCS合作，針對(duì)平湖油氣田中山亭區(qū)塊的狀況進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)。主要對(duì)井口布置優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行研究，提出可實(shí)施的水下生產(chǎn)系統(tǒng)井口布置方案；開(kāi)展水下井口和采油樹(shù)的設(shè)計(jì)研究，提出相應(yīng)的水下采油樹(shù)方式和技術(shù)規(guī)格書(shū)；分析設(shè)備制造、安裝和連接、操作可行性和可拓展性等方面的特點(diǎn)，提出相應(yīng)的管匯布置方案；分析水下生產(chǎn)系統(tǒng)控制需求，進(jìn)行控制系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的研究，提出相應(yīng)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)控制方式，開(kāi)展控制纜的設(shè)計(jì)研究，提出技術(shù)規(guī)格書(shū)。

第二階段與國(guó)內(nèi)公司合作，水下設(shè)施、水下控制系統(tǒng)、流動(dòng)保障、海底管道以及安裝等方面進(jìn)行了國(guó)內(nèi)優(yōu)化與配套研究工作。形成成果文件包括一套水下生產(chǎn)系統(tǒng)總體方案研究報(bào)告、一套海洋油氣田開(kāi)發(fā)水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)文件和研究報(bào)告。

掌握的水下生產(chǎn)系統(tǒng)整體技術(shù)，可應(yīng)用于可采儲(chǔ)量5億m3邊際氣田的經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)。

2 控制系統(tǒng)的研制

控制系統(tǒng)主要是對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的各項(xiàng)裝置、閥門(mén)部件等進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，需對(duì)水下遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸、水下控制系統(tǒng)接口、控制系統(tǒng)設(shè)施設(shè)計(jì)與制造、控制系統(tǒng)集成等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，研制用于水下生產(chǎn)系統(tǒng)的集成控制系統(tǒng)裝置。

（1）具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)圖紙

經(jīng)過(guò)調(diào)研國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，研究國(guó)外供應(yīng)商產(chǎn)品的特點(diǎn)，研讀標(biāo)準(zhǔn)。考慮通信距離、技術(shù)成熟度、可靠性、成本等因素，對(duì)于本項(xiàng)目推薦采用電力線載波通信方式，對(duì)于通信處理器，采用單片機(jī)或嵌入式系統(tǒng)處理器。

（2）用于水下生產(chǎn)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)裝置

通過(guò)對(duì)管匯生產(chǎn)系統(tǒng)工作環(huán)境特點(diǎn)以及操作、通信、控制、驅(qū)動(dòng)等內(nèi)容的研究，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套基于雙機(jī)熱備技術(shù)的水下管匯控制系統(tǒng)（圖1），主要包含：水下電控系統(tǒng)、水面控制柜、水下控制集成裝置、壓力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、水面液壓?jiǎn)卧⑺孢B接機(jī)構(gòu)等。

圖1 水下管匯控制系統(tǒng)

該控制系統(tǒng)能夠?qū)刂戚敵鲞M(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和反饋，若其中一路電源、控制、驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)切換至另一個(gè)控制通道，并給出運(yùn)行提示信息；電磁閥液壓驅(qū)動(dòng)單元的開(kāi)、關(guān)管路采用備份方式，任一方向開(kāi)關(guān)故障均可通過(guò)備份通道執(zhí)行動(dòng)作。

3 水下管匯集成裝置的研制

結(jié)合東海邊際氣田的特點(diǎn)，自主設(shè)計(jì)和研制水下管匯系統(tǒng)，完成水下管匯工程設(shè)計(jì)和加工制造的技術(shù)儲(chǔ)備，初步掌握其設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，培養(yǎng)技術(shù)隊(duì)伍，為水下生產(chǎn)系統(tǒng)在中國(guó)的推廣奠定基礎(chǔ)。

（1）水下管匯集成裝置設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)圖紙

管匯設(shè)計(jì)，包括結(jié)構(gòu)分析、設(shè)備基礎(chǔ)分析、水下管匯安裝分析、回收分析、防落物設(shè)計(jì)分析、陽(yáng)極設(shè)計(jì)、儀控設(shè)計(jì)等。

成果文件包括水下管匯設(shè)計(jì)流程圖、典型的水下管匯HIPPS布置圖、典型的卡箍式連接器示意圖、典型的臥式卡爪式連接器結(jié)構(gòu)示意圖、水下管匯垂直連接示意圖、水下管匯水平連接示意圖等圖紙約20份。

3.2.3 單純活檢 如果TURBT術(shù)中觀察見(jiàn)腫瘤浸潤(rùn)肌層可能性大，也可考慮單純行腫瘤邊緣和基底部活檢。但若病檢結(jié)果未能證實(shí)浸潤(rùn)，則需行二次電切，除非有其他因素促使行膀胱癌根治術(shù)。

（2）水下管匯集成裝置

根據(jù)水下管匯的設(shè)計(jì)成果，依托國(guó)內(nèi)工程設(shè)計(jì)和加工制造能力，建成我國(guó)東海第一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、適用于目標(biāo)氣田的水下管匯集成裝置（圖2），該裝置滿足2～3個(gè)跨接管接頭，管徑4"～6"，裝置尺度＜6 m*6 m，抗底流能力3節(jié)，水深滿足350 m。

4 水下生產(chǎn)系統(tǒng)地面測(cè)試技術(shù)

地面測(cè)試技術(shù)主要是需要形成一套水下生產(chǎn)系統(tǒng)單項(xiàng)設(shè)備和系統(tǒng)地面聯(lián)合測(cè)試規(guī)程，并研制一套測(cè)試系統(tǒng)，具有單項(xiàng)設(shè)備和系統(tǒng)聯(lián)合測(cè)試功能，能對(duì)單項(xiàng)設(shè)備進(jìn)行水壓、密封、功能和操作等測(cè)試，并能實(shí)施接口連接和系統(tǒng)聯(lián)合功能測(cè)試。

為完成該項(xiàng)工作，公司組織對(duì)FMC和Vetco Gray位于新加坡的采油樹(shù)制造工廠、英國(guó)Bristol Vetco Gray水下控制系統(tǒng)測(cè)試技術(shù)、英國(guó)Aberdeen Vetco Gray采油樹(shù)密封測(cè)試技術(shù)、挪威Oslo FMC采油樹(shù)制造工廠進(jìn)行調(diào)研。在廣泛調(diào)研基礎(chǔ)上，與上海交通大學(xué)合作，共同開(kāi)展研究工作。

通過(guò)對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及依據(jù)的研究，編制了一套水下生產(chǎn)系統(tǒng)測(cè)試大綱和測(cè)試規(guī)程，涵蓋了液壓動(dòng)力站HPU出廠驗(yàn)收測(cè)試、主控站MCS測(cè)試、水下控制系統(tǒng)聯(lián)合測(cè)試、水下采油樹(shù)測(cè)試、水下管匯及跨接管等9個(gè)方面的內(nèi)容。

同時(shí)制訂了水下生產(chǎn)系統(tǒng)測(cè)試流程圖，包括：?jiǎn)雾?xiàng)設(shè)備測(cè)試流程圖、水下生產(chǎn)系統(tǒng)工廠驗(yàn)收測(cè)試FAT流程圖、水下生產(chǎn)系統(tǒng)地面聯(lián)合測(cè)試SIT流程圖。

此外，還對(duì)深海環(huán)境模擬器和深水高壓試驗(yàn)筒（圖3）進(jìn)行改造，分別完成了水下工程實(shí)驗(yàn)室2 000 m深海環(huán)境模擬器改造、水下工程實(shí)驗(yàn)室4000 m深水高壓試驗(yàn)筒改造。

為對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的各項(xiàng)設(shè)施進(jìn)行測(cè)試，研制了一套可移動(dòng)式超高壓液、氣測(cè)試系統(tǒng)（圖4），可實(shí)施設(shè)備的單機(jī)測(cè)試和聯(lián)合測(cè)試。利用這套設(shè)備，對(duì)水下管匯、控制系統(tǒng)、控制模塊等進(jìn)行了水壓、液壓測(cè)試和聯(lián)合測(cè)試，并在最后的聯(lián)合調(diào)試及海試中發(fā)揮了重要作用。

圖2 水下管匯系統(tǒng)裝置樣機(jī)

圖3 環(huán)境模擬器和深水高壓試驗(yàn)筒

圖4 可移動(dòng)超高壓液/氣測(cè)試系統(tǒng)

5 系統(tǒng)總體集成安裝及調(diào)試技術(shù)

研究系統(tǒng)的總體集成技術(shù)，開(kāi)發(fā)適用于東海海況特點(diǎn)的安裝施工程序，建立東海邊際氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)試作業(yè)程序。

（1）水下生產(chǎn)設(shè)施安裝施工程序

一套適用于東海邊際油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)的海上安裝關(guān)鍵步驟、關(guān)鍵工具等程序，包括水下采油樹(shù)安裝、水下管匯安裝、跨接管安裝、電液飛線安裝、水下臍帶纜系統(tǒng)安裝、海管安裝等。

（2）一套水下生產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)試程序

適用于東海邊際油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)海上調(diào)試的關(guān)鍵步驟、關(guān)鍵工具等程序。包括整個(gè)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試（水下采油樹(shù)系統(tǒng)、水下管匯系統(tǒng)、水下控制系統(tǒng)、海管系統(tǒng)）。

按863計(jì)劃海洋領(lǐng)域海試驗(yàn)收要求，研制的水下管匯、控制系統(tǒng)和模塊、測(cè)試系統(tǒng)等樣機(jī)（圖5）進(jìn)行陸上單機(jī)調(diào)試、聯(lián)合調(diào)試和海上試驗(yàn)驗(yàn)收（圖6）。海試時(shí)間為2015年9月底，地點(diǎn)地點(diǎn)為惠州油田附近，水深約100 m，海試船舶為海洋石油291，執(zhí)行了水下管匯定位、安裝、臍帶纜安裝、控制系統(tǒng)控制及監(jiān)測(cè)、水下閥門(mén)ROV開(kāi)啟、管匯回收等操作。海洋技術(shù)領(lǐng)域辦公室委派了由3位專(zhuān)家組成的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收組對(duì)系統(tǒng)海試過(guò)程的15項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了見(jiàn)證和考核，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合驗(yàn)收要求。

圖5 水下生產(chǎn)系統(tǒng)裝置樣機(jī)

圖6 裝置樣機(jī)海試

項(xiàng)目完成的以上研制內(nèi)容和成果，具有創(chuàng)新性和先進(jìn)性，包括：建成了國(guó)內(nèi)首套邊際氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)體系，使得低儲(chǔ)量邊際氣田具有經(jīng)濟(jì)、有效開(kāi)發(fā)成為可能；在東海勘探開(kāi)發(fā)中起到先鋒作用，為東海大開(kāi)發(fā)做出貢獻(xiàn)；自主設(shè)計(jì)、建造了一套適合東海邊際氣田開(kāi)發(fā)的水下管匯集成裝置，以及一套與管匯匹配的控制系統(tǒng)和模塊；自主設(shè)計(jì)并建成了國(guó)內(nèi)首個(gè)全面的水下生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備測(cè)試技術(shù)體系，水下工程實(shí)驗(yàn)室2000米深海環(huán)境模擬器和4 000 m深水高壓試驗(yàn)筒改造，研制一套可移動(dòng)式超高壓液、氣測(cè)試系統(tǒng)裝置等；建立了國(guó)內(nèi)首個(gè)“水下生產(chǎn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)”等軟件、編制了《邊際氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)總體方案》、《水下生產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)合驗(yàn)收測(cè)試規(guī)程》等專(zhuān)題報(bào)告及規(guī)程性文件。

此外，項(xiàng)目已獲得發(fā)明專(zhuān)利2項(xiàng)、實(shí)用新型專(zhuān)利2項(xiàng)；現(xiàn)正申報(bào)發(fā)明專(zhuān)利3項(xiàng)、實(shí)用新型專(zhuān)利6項(xiàng)、軟件著作權(quán)2項(xiàng)。其中國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局已受理發(fā)明專(zhuān)利1項(xiàng)、實(shí)用新型專(zhuān)利1項(xiàng)。

總體上，本項(xiàng)目形成了一支集研究、設(shè)計(jì)、制造為一體的邊際氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)團(tuán)隊(duì)，建立了相關(guān)技術(shù)開(kāi)發(fā)、研制、測(cè)試、試驗(yàn)的配套環(huán)境和設(shè)施，使天然氣可采儲(chǔ)量5億m3的邊際氣田具有開(kāi)采的可能。