海洋水下生產系統應用現狀及發展趨勢

郝亮 孟祥麗 李秀珍

近幾年，我國經濟社會的蓬勃發展需要充足的能源保障，邁向深海已成為我國發展戰略，而作為國家戰略性新興產業的海洋工程裝備制造業是重要組成部分。為此，本文深入探討國內外水下生產系統的應用現狀及發展趨勢。

1、國外水下生產系統現狀

自20世紀70年代初開始出現早期水下生產系統以來，截止2019年底，世界上已有超過110個工程項目投產，最大水深已達2600m，近幾年世界深海領域的投資不斷增長，深水水下生產系統的工程項目數量也迅速增長上升。

在市場規模方面，全球的海洋油氣工程市場從2010 年到 2016 年翻了一番，預計在2030 年海洋勘探費用將達到1000億美金。而采用浮式設施或水下設施的解決方案占到了海洋工程開發的40%左右，并可能在2030年達到60%，水下市場在2012 年至 2030 年按照回接的數量來計算增加4倍。

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

2、水下生產系統在我國海洋油氣田中的應用情況

中國海域內的水下生產系統主要是中海油借助外國石油公司的資金和技術來完成的，下面重點介紹3個屬于常規水深范圍的工程項目：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聯合開發的陸豐22-1油田，水深333 m，中海油持股15%;③ 1997年與雪佛龍德士古、埃尼公司聯合開發的惠州26-11N &32-5油田，水深120m，中海油持股51%。

2.1、流花11-1油田應用情況

流花11-1油田1987年1月發現，1995年5月投產，采用全海式開發方案。整個工程設施包括5個部分：半潛式浮式生產系統、浮式生產、儲油裝置（FPSO）南?！皠倮枴?、到點系泊系統、海底輸油管線和水下井口系統。

所選用的水下井口系統包括水下臥式采油樹、中樞管匯、鋼制跨接管、液壓井控系統、電纜懸掛系統、水下控制系統、遙控作業機器人、濕式電接頭。水平井中的產出物經各自采油樹的出油管線進入永久導向生產底座下部的集輸管線內，再通過剛性跨接管將各個獨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入海底輸油管道，進一步輸往半潛式生產平臺，最后到浮式生產油輪上處理。

2.2、惠州26-1N及32-5油田應用情況

惠州32-5油田是中國南海第一個采用水下衛星和管線回接至現有固定平臺進行開發的油田，由三個臥式水下采油樹組成，每個采油樹都配有完井導向基座，通過專門的生產油管線進行生產。惠州26-1N油田由一個臥式水下采油樹組成，其完井導向基座上帶有沖洗回路。

2.3、陸豐22-1油田應用情況

油田位于香港東南方約250km，平均水深333m，面積，1986年5月發現，1997年12月27日正式投產，高峰日產原油0.9×104陸豐22-1油田采用5口水平井，水平井段長達470～2060m，水平井井口和采油樹坐落在鉸鏈式組合底盤上，生產井的液流經采油樹輸送到底盤上的生產管匯，再進入2條8"柔性生產立管，柔性生產立管回接到浮式生產儲油裝置上。

陸豐22-1油田無生產平臺，其水下井口生產系統包括雙定位水下臥式采油樹、中心管匯、電液控制系統、多相增壓泵、電纜系統、鉸接式組合底盤系統、水下機器人及其工具、濕式電接頭等。兩個水下電-液控制模塊（SCM）被嵌入中心管匯用于控制采油樹，每個SCM可以控制3個采油樹。5口開發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的海底生產管線直接輸往浮式生產輸油輪上。

3、海洋水下生產系統的發展趨勢

世界范圍內海洋石油工程開發正在向全球化發展，并邁向更深的海域，隨著技術的成熟和進步，水下生產系統面臨更多的發展機遇和應用前景。目前，水下生產系統前沿技術包括以下幾個方面。

3.1、水下長距離流動保障技術

水下流動保障技術一直都是水下生產系統的關鍵技術，而隨著深水回接距離的增加，長距離流動保障技術成為亟待解決的技術問題。水下工藝設備的開發為水下長距離流動保障提供了一種解決方案，通過水下增壓、分離可以將流體進行長距離輸送。另外，傳 統 的 流 動 保 障 技 術 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”流動保障技術允許水合物部分生成，將生成的水合物作為固體進行輸送。

3.2、水下電力輸送和全電控制技術

邊際油氣田的水下電力必須要通過高壓輸送實現，水下電力輸送包括水下變電站和水下直流輸送等方面。通過開發相關的水下電氣設備，可以克服目前200km以內的電力輸送瓶頸。目前，水下生產系統中廣泛采用液壓流體和電氣控制的復合方式，即復合電液控制技術，而不依賴液壓流體的全電控制的概念在水下生產控制系統中具有較大的吸引力。水下全電控制技術能夠提高整個水下系統的可靠性，同時在開發成本和運行成本方面也具有一定的優勢，尤其是液壓控制流體的放空或者泄漏對環境保護存在風險，而全電控制技術能夠從根本上解決這個問題。

3.3、水下安裝技術

水深和水下生產設施質量的增加對于水下安裝技術 提 出 了 更 大 的 挑 戰。當 水 深 增 加 到2000～3500m范圍時，如果采用傳統的鋼絲繩進行吊裝，則吊繩的質量較大，吊裝操作不可行，因此采取輕質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、運動補償系統、浮力塊、連接和配重、定位和通訊等相關技術問題則需要解決。

3.4、水下生產系統可靠性及完整性管理技術

深水油氣開發屬于高風險和高技術領域，水下生產系統的可靠性及技術風險管理已被國際同行高度重視，一致認為從項目可行性研究到投產實施，都要進行可靠性和技術風險分析與評估并做出積極的對策，將項目實施的風險降到最低。這一做法已經得到了國際跨國深水油氣開發的業主和工程承包商的一致認可。隨著越來越多的水下生產設施得到應用，對于水下生產系統進行全生命周期的完整性管理成為海洋工程行業的共識。

3.5、極地水下生產技術

極地范圍內蘊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拉開了開發極地能源的序幕。極地的環境非常惡劣，低溫和冰山對于傳統的水面設施是極大的威脅。而水下生產系統由于在水面以下，對于極地環境具備一定的抵抗能力，因此水下生產系統在極地海洋工程開發中具有非常大的競爭力。極地水下生產技術需要開發滿足寒冷氣候的材料，同時可以通過挖溝和監控等措施避免冰山的影響。另外，低溫下的流動保障也是其中較為關鍵的方面。由于極地的自然生態環境較為脆弱，一旦發生油氣泄漏則進行處理的成本高昂，因此對于水下生產系統的可靠性要求更高。

4.結語

目前，國內相關企業和科研院所的研究重點集中在傳統的水下生產系統產品和技術上，在國家相關部門的指導和統一協調下，通過差異化發展，由石油公司、海洋工程公司和設備廠商共同協作，建立起水下生產系統產品由技術研發、樣機制造、海上試驗到工程示范化應用的開發流程，使我國水下生產系統技術具備較好的應用性，并激發企業的創新熱情。在此基礎上，開展水下生產系統工藝設備的研究，同時針對國際前沿水下生產技術進行前瞻研究，縮短差距并實現跨越式發展，具有極為重要的意義。