水下儲油系統設計及實施方案研究

才忠杰

摘? 要：隨著全球石油能源市場波動不定，加之我國陸地石油生產量逐年減少，我國在海洋石油生產的投入不斷增加。海上石油的儲存是海上鉆井平臺產出石油的關鍵環節，也是對石油生產質量和防止海洋環境受到污染的重要保障。文章論述了水下儲油系統設計及實施方案的研究，為我國海上石油生產開發過程中油量儲存提供參考。

關鍵詞：水下儲油;油水置換;海上儲油系統;方案研究

中圖分類號：TE95 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）10-0086-02

Abstract： With the fluctuation of the global oil and energy market and the decrease of China's land oil production year by year， China's investment in offshore oil production is increasing. The storage of offshore oil is not only a key link of oil production by offshore drilling platforms， but also an important guarantee for the quality of oil production and prevention of pollution to the marine environment. This paper discusses the design and implementation scheme of underwater oil storage system， which provides a reference for oil storage in the process of offshore oil production and development in China.

Keywords： underwater oil storage; oil-water replacement; offshore oil storage system; scheme study

1 概述

目前，隨著新能源技術成熟度不高并持續發展，汽車、傳統生產設備對石油資源的依賴程度仍然較高。雖然我國地大物博，但是陸地石油資源日漸枯竭，于是我國將能源開發轉移到了海上。我國擁有全世界排名第四長度的海岸線，約1.8萬公里，加之擁有近300萬平方公里的海洋國土資源，其海上油氣資源十分豐富。我國已經在南海、東海等海域搭建了一定數量的石油鉆井平臺，而石油在海上的儲存與陸地相比，差異較大、難度較高，因此，海上石油生產中水下儲油技術十分關鍵。

2 水下儲油系統的組成和系統方案

2.1 水下儲油系統的組成

如圖1所示，一般情況下的水下儲油系統包含：海底井口、鉆井生產平臺、水下儲油裝置、水下油泵撬塊、單片系泊裝置和負責運輸的穿梭郵輪。通過海底井口生產出來的石油原油直接或經加熱將原油處理后，直接在水下的儲油裝置中進行儲存，再通過小型浮式單點系泊裝置將原油輸送到海面，最終由負責運輸的穿梭郵輪，將原油轉運至陸地進行后期石油產品的加工。

2.2 水下儲油系統方案

國際上常用的水下儲油裝置從外形劃分，可分為圓柱體儲油裝置、立方體儲油裝置和長方體儲油裝置，這三種外形儲油裝置具有在海底較易固定的特點，并且穩固性強。在深水作業海域中一般水下儲油設備最大深度不超過三十五米，從海底壓力、油罐滑移能力、油罐抗傾穩定性、傾覆力矩及用鋼量等方面考慮，水下儲油罐多采用圓柱體形式。

如圖2所示為圓柱形儲油罐，其裝置主要包括：（1）鋼制儲罐，采用H36船用板，厚度18mm;（2）柔性儲油袋（油水隔層），采用橡膠+尼龍簾子布;（3）進水口，來至平臺的海水接口;（4）出水口，海水出口接平臺緩沖柜和海水監測處理系統;（5）注油管路，即原油主入口，兼做熱油進口;（6）出油管路，冷油出口接平臺;（7）污油水抽吸管;（8）充氣管路。

2.3 兩個圓柱體鋼制儲油罐設計參數

根據實際海上水下儲油項目需求，制作2個鋼制儲油罐裝置，以滿足海上石油鉆井平臺5000立方米石油儲量的需求。每個儲油罐設計儲量約為2800立方米，儲油罐形式采用包含底面的單殼鋼質結構。圓柱形儲油裝置直徑約20米，儲油罐高度約10米，采用筒體外板厚度為18mm的H36鋼材尺寸，其屈服強度不低于355MPa。每個儲油罐的空罐質量約為360噸。為了防止儲油罐鋼制結構在海水中長期浸泡發生結構性腐蝕，故在儲油罐內外壁安裝犧牲陽極，以增強儲油罐的抗腐蝕性。其儲油袋采用柔性儲油袋，采用柔軟水密性強、耐熱、耐油并且具有極強耐腐蝕性材料作為儲油袋材料。

2.4 儲油裝置的海上安裝

儲油裝置設計完畢后，一般采用七步法將其在海面上向海平面之下沉降安裝。第一步：在陸地區域將儲油裝置建造安裝完畢，隨后用拖拽船（半潛駁運或拖輪）將儲油裝置運送至鉆井平臺指定地點，準備下沉安裝。第二步：用半潛駁將儲油罐連接在吊纜上，進行半潛駁下沉;第三步：將儲油裝置下沉至海中一部分后，儲油裝置進入自動漂浮狀態，此時半潛駁船可以撤離;第四步：向儲油裝置內部的空氣艙內注入海水，使儲油裝置緩慢下沉;第五步：隨著海水在儲油裝置的空氣艙內逐漸增多，使其重力大于浮力時，儲油裝置上層的吊纜隨即拉緊，再通過浮吊裝置將儲油裝置下沉至預定的位置。第六步：當儲油裝置在海水底部放置平穩后，根據海水深度不同，可以根據實際需求進行底部水泥加固固定操作，然后進行管線的連接，隨即進行生產;第七步：當作業完畢后，若儲油裝置需要進行移動至另一海域底部進行操作時，先解除儲油裝置在海底部分的加固裝置，然后吊起儲油裝置并安放于轉移船舶中，排空內部海水至儲油裝置處于漂浮狀態，隨后運行至需要海域再按以上步驟進行固定。該設計方法可以使儲油裝置反復利用，節省了資源和項目開支，符合可持續發展和節能減排的理念。

3 油水置換法儲油的原理及油水置換水下儲油的工作模式

3.1 油水置換法儲油的原理

油水不相溶且油的密度低于水;儲油時，原油以較低的速度從艙頂注入初始時充滿海水的儲油艙，油會浮在水的上面，相同體積的海水則從油艙底部被慢慢排出艙外，同時，油和水在艙內會自發地形成一個油水界面;卸油時，從艙頂以較高的速度抽取原油，由于儲油艙底部的海水與外界海水連通，海水受靜水壓力的作用從艙底進入儲油艙并填充原油空間。在進油排水和進水排油的儲卸油過程中，油水界面上下移動，不斷調整艙內原油和海水的相對體積，使儲油艙始終保持充滿液體狀態。

根據水下儲油艙內原油和海水是否直接接觸，可以把油水置換進一步分為油水直接接觸置換和油水隔離置換這兩類，后者對隔離材料的要求極為嚴格，而且長期的儲卸油操作產生的油水界面凝油乳化層和艙壁凝油層也可能會導致隔離層失效，因此，油水隔離置換模式從未被石油公司采用。

3.2 原油加熱及保溫系統

來至海底井口的原油或經過上部平臺處理過的原油，利用上部平臺的原油換熱系統，將加溫后（約70攝氏度）的原油，通過管線注入水下儲油裝置的柔性儲油袋中或利用水下的加壓泵注入儲油袋。同時儲油袋中冷卻的原油回至上部平臺重新加熱，進行換熱循環，保持儲油袋中油溫在60攝氏度。

3.3 原油注入過程

原油經加熱后泵入柔性儲油袋中，儲油袋開始膨脹;與此同時儲油罐內部的海水則被膨脹的儲油袋，從油罐底部經過管線，擠入上部平臺的海水緩沖柜中，通過外排海水監測處理系統對收集的海水進行含油量的檢測，判斷柔性儲油袋是否存在泄漏情況;海水檢驗合格即可外排。

3.4 卸油過程

從油罐頂部抽取原油，可利用設置在儲油裝置附近的水下油泵撬塊抽油，儲油袋開始收縮;同時打開儲油罐底部的通海閥，海水受靜水壓力進入油罐底部并填充原油空間;儲油罐內始終保持充滿液體狀態;原油通過水下油泵撬塊，加壓經小型單點系泊裝置輸出至海面，再由穿梭油輪實現原油的轉運。

3.5 儲油裝置充氣和排污系統

利用上部平臺的壓縮空氣系統，對柔性儲油袋充氣，從油罐頂部的油污水接口抽出沉淀在儲油袋底部的油渣、凝油脂及可能的泥沙和水等。

3.6 水下儲油裝置及相關配套設備/系統設計關鍵技術

水下儲油裝置及相關配套設備/系統設計關鍵技術主要包括：計算鋼質罐體結構強度;設計柔性儲油袋;計算儲油裝置的傾覆力矩、抗滑系數、抗傾系數、滑移力以及抗傾穩性;根據當地海床地質情況分析儲油裝置入泥情況;計算確定水泥壓載物大小;水下油泵撬塊和海底閥門的遠程遙控。

3.7 水下儲油裝置防掏空技術

由于仿生水草的柔性黏滯阻尼作用，使海水流速得到降低，減緩了水流對海床的沖刷。同時由于流速的降低和仿生水草的阻礙，使水流中攜帶的泥沙在重力作用下不斷的沉積在仿生水草安裝基墊上，逐漸形成一個海底沙洲，從而抑制了海物質對海床的沖刷和掏空。

勝利油田在地處黃河口灘海交界的埕島油田海底管線懸空治理，就是采用了仿生水草防沖刷技術，解決了海底管道及構基物懸空、掏空等問題。據檢測其淤積深度達20-50cm，實現了埕島油田海底管道懸空治理難題。

4 結束語

水下儲油系統的設計與實現，填補了我國海上石油鉆井生產平臺的技術空白，豐富了我國海上石油生產、儲存和轉運技術經驗，為今后我國進行大規模海上鉆油平臺發展打下了堅實基礎。隨著新能源時代的到來，油氣能源的地位依然不會降低，未來，我國石油、天然氣能源開采將向300萬平方公里的領海區域邁進。

參考文獻：

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