我國海洋深水油氣田開發工程技術研究進展*

謝 彬 曾恒一

(中海油研究總院有限責任公司 北京 100028)

我國是油氣資源消耗大國，2019年石油對外依存度超過70%，天然氣對外依存度超過45%。我國油氣對外依存度持續攀升，而我國南海深水區油氣資源豐富[1-2],加大國內勘探開發力度[3]，加快我國南海深水油氣田開發的步伐，不僅是全力保障國家能源安全的戰略需求，也是我國石油工業自身發展的現實需要。中國海油經過30多年的發展，特別是近10年，已經建成了以“奮進號”“海洋石油201”為代表的五型六船深水作業船隊，初步具備了深水油氣勘探和開發的能力[4-6]。國內荔灣3-1深水氣田群和流花16-2深水油田群的成功投產以及即將投產的陵水17-2深水氣田，拉開了我國深水油氣田開發的序幕[7-9]。但應該看到，我國在深水油氣田開發工程技術方面的研究起步較晚，深水油氣田開發處于初期階段。國外水下采油樹最大作業水深2 934 m[10-11]，國內最大作業水深僅1 480 m；國外浮式生產裝置最大作業水深2 895.5 m[12]，國內作業最大水深僅330 m；國外氣田最長回接海底管道距離149.7 km，國內僅80 km；國外有各種類型的深水浮式生產設施300多艘，國內在役的僅有13艘浮式生產儲油卸油裝置和1艘半潛式平臺。以上數據表明無論在深水油氣田開發工程技術還是裝備方面，我國均與國外領先水平存在巨大差距。此外，南海在深水油氣田開發方面面臨著比其他海域更大的挑戰[13-14]，如惡劣的海洋環境條件(內波和臺風)、復雜的海底地形和工程地質條件(大高差)、離岸距離遠(遠距離控制和供電)、復雜的油氣藏特性(高溫、高壓)、高壓和低溫的深水環境、海上突發事故的應急救援以及南海中南部油氣開發遠程補給問題等，均需要通過系統而深入的技術研究逐一解決。

為了縮小與國外的技術差距，2008年，由中海油研究總院牽頭，聯合國內多家科研院所和高校，啟動了國家科技重大專項“海洋深水油氣田開發工程技術”項目。項目分為3期，共涉及7個方向：深水鉆完井工程技術、深水平臺工程技術、水下生產技術、深水流動安全保障技術、深水海底管道和立管技術、大型FLNG/FDPSO關鍵技術以及深水半潛式起重鋪管船及配套工程技術。在“十一五”期間，主要開展了深水鉆完井、深水浮式平臺、水下生產系統、深水流動安全保障、深水海底管道和立管等深水工程核心技術的攻關，建立了深水工程相關的實驗手段，并具備了深水油氣田開發工程總體方案設計和概念設計的能力。在“十二五”期間，持續開展了深水工程核心技術的攻關，開展了水下閥門、水下連接器、水下管匯以及水下控制系統等關鍵設備和保溫輸送軟管、濕式保溫管、國產PVDF(復合聚氨酯)材料等產品的國產化研發，具備了深水油氣田開發工程基本設計能力。在“十三五”期間，完成了深水油氣田開發工程應用技術的攻關，深化了關鍵設備和產品的國產化研發，建立了深水油氣田開發工程技術體系，基本實現了深水工程關鍵技術的體系化、設計技術的標準化、關鍵設備和產品的國產化、科研成果的工程化。

本文主要介紹國家科技重大專項“海洋深水油氣田開發工程技術”項目歷經3個“五年計劃”攻關取得的研究進展，重點介紹深水油氣田開發工程設計技術體系、深水工程實驗系統、深水工程關鍵設備及產品、深水工程監測系統等4方面的研究進展，并對我國海洋深水油氣田開發工程技術的未來研究方向提出了建議。

1 深水油氣田開發工程設計技術體系

從2008年開始，“海洋深水油氣田開發工程技術”項目以突破1 500 m深水油氣田開發工程關鍵技術，構建深水油氣田開發工程設計技術體系為目標，形成了涵蓋水面、水中和水下，包括深水鉆完井工程、浮式生產裝置、水下生產系統、深水流動安全、深水海管及立管等系列化和一體化的設計技術體系[15-17](圖1)，形成了包括南海內波流場數學模型等10余種理論模型、柔性立管設計方法等20余種設計方法[18-21]；形成了包括浮式生產系統、張力腿平臺、深水立管和流動安全保障等10余套設計標準和指南；自主開發了近40套涵蓋深水鉆完井、深水浮式平臺、水下生產系統、深水流動安全以及深水海管和立管等專業的設計軟件。相關技術成果已成功應用于荔灣3-1及周邊氣田群、流花16-2油田群和陵水17-2深水氣田的前期研究和工程設計中，有效支持了南海深水油氣田的開發工程項目，使我國初步具備了1 500 m深水油氣田開發工程技術能力，實現了我國海洋工程技術從300 m到1 500 m的跨越式發展。項目構建的深水油氣田開發工程設計技術體系已應用于我國南海20余口井、10余個油氣田以及海外5個油氣田方案研究及設計中。

SEMI—半潛式平臺； TLP—張力腿平臺； SPAR—深吃水立柱式平臺； DTP—深水不倒翁平臺；FLNG—浮式液化天然氣生產儲存裝置； FDPSO—浮式鉆井生產儲卸油裝置； SCR—鋼懸鏈式立管； TTR—張緊式立管圖1 我國深水油氣田開發工程設計技術體系Fig .1 Technical system of deepwater oil and gas field development engineering design in China

2 深水工程實驗技術及實驗體系

通過3個“五年計劃”的攻關，突破了深水工程實驗技術，構建了4大類共16項深水工程實驗系統，形成了國內深水工程實驗技術及實驗體系(表1)，為深水工程技術研究、設計、設備及產品研發等提供了實驗手段。本章對典型的實驗裝置和相關技術做簡要介紹。

表1 我國自主研發的深水工程實驗系統詳單Table 1 Detailed list for deepwater engineering experimental system independently researched by our country

2.1 浮式生產裝置水動力性能實驗裝置及技術

開展了SPAR、TLP、SEMI、深水不倒翁平臺、FLNG、FDPSO等浮式生產裝置的深水水池試驗(圖2)，掌握了深水生產裝置水動力性能實驗模擬技術，建立了一套各類型浮式生產裝置水動力性能試驗、渦激運動試驗和內波與浮式平臺相互作用的實驗方法，形成了各類型浮式生產裝置水動力性能實驗指南，驗證了SPAR、SEMI、TLP、FLNG、FDPSO和深水不倒翁等新型浮式平臺的設計方案。

圖2 我國自主研發的浮式生產裝置水動力性能試驗裝置示意圖Fig .2 Schematic diagram of hydrodynamic performance test device for floating production unit independently researched by our country

2.2 水下生產系統測試及試驗系統

水下生產系統測試及試驗系統主要用于測試和驗證自主研制的水下關鍵設備過程質量檢驗、性能鑒定測試、工廠驗收測試、集成測試，檢測其功能、質量和性能指標等是否符合相關標準的要求。主要包括：水下閥門及執行機構專用試驗系統、水下控制模塊SCM測試平臺、水下多相流量計壓力測試系統、水下連接器和安裝工具工程樣機測試系統等。

建成了國內首套完整的水下閥門及執行機構的專用測試系統，并完成了相關產品測試。該系統主要包括ROV模擬液壓馬達深水測試連接工裝、高低溫負載循環試驗裝置、深海高壓艙負載循環試驗裝置、閥門推力及扭矩測試裝置等，具體技術參數指標見表2，部分試驗系統見圖3。

表2 我國自主研發的水下閥門及執行機構專用試驗系統技術指標Table 2 Technical parameters of special test system for subsea valve and actuator independently researched by our country

圖3 我國自主研發的執行機構及高壓艙專用試驗系統Fig .3 Special test systems of actuator and high pressure cabin independently researched by our country

2.3 FLNG液化工藝試驗系統

自主研發了適用于南海目標深水氣田FLNG裝置的丙烷預冷雙氮膨脹液化新工藝。基于該工藝建成了天然氣規模為2 000 Nm3/d的小型FLNG液化裝置和20 000 Nm3/d的FLNG液化中試裝置(圖4)[22-23]。該中試裝置可實現丙烷預冷雙氮膨脹液化工藝、丙烷預冷單氮膨脹液化工藝和雙氮膨脹液化工藝等3套制冷循環的獨立測試。通過實驗驗證了該液化工藝在南海深水氣田FLNG裝置中具有較好的適應性，液化率高于85%、能耗低于0.45 (kW·h)/m3，裝置自動化程度高、快速啟動和停止性能強，具有海洋環境適應性好、抗晃蕩性能優等優點[24-25]。

圖4 我國自主研發的FLNG液化工藝試驗裝置Fig .4 FLNG liquefaction process experimental devices independently researched by our country

2.4 深水海管和立管實驗系統

突破了深水立管渦激振動試驗模擬技術，成功研制出了可模擬最大相對流速為4.5 m/s的均勻來流和剪切來流的深水立管渦激振動試驗裝置(圖5)，為深水立管設計提供了實驗模擬手段。

圖5 我國自主研發的深水立管渦激振動試驗裝置Fig .5 Vortex induced vibration experimental device for deepwater riser independently researched by our country

深水海底管道在一定的外部靜水壓力作用下，容易發生屈曲破壞，本項目突破了深水海底管道屈曲模擬關鍵技術，成功研制出可模擬4 300 m水深壓力環境下的大管徑、實尺度深水海底管道屈曲試驗裝置(圖6)(最大工作壓力43 MPa、壓力艙外徑1.6 m、長度11.5 m)，并完成了軸向力和水壓作用下的管道局部屈曲、管道屈曲傳播和帶有止屈器管道的屈曲穿越等3類全尺寸試驗，為深水海底管道設計提供了實驗模擬手段。

圖6 我國自主研發的深水海底管道屈曲試驗裝置Fig .6 Buckling test device for deepwater pipeline independently researched by our country

3 深水工程關鍵設備及產品

3.1 自主研制的水下關鍵設備已部分實現工程應用

自主研制的3大類共18套深水工程關鍵設備(表3)，打破了國外的技術封鎖和壟斷，部分實現了國產化應用。

表3 我國自主研發的深水工程水下關鍵設備Table 3 Subsea key devices of deepwater engineering independently researched by our country

3.1.1深水鉆完井關鍵機具和設備

研制的深水鉆完井關鍵機具和設備主要包括深水棄井切割工具和連續循環鉆井系統。所研制的深水棄井切割工具主要用于實施深水水下井口系統的切割回收：即在實施永久棄井前，必須清除泥線以上的構筑物，應將水下井口系統從泥線以下4 m左右進行切割，并從海底清理回收到平臺上。其主要技術參數：額定工作壓力：20.68 MPa，伸縮節伸縮距：0.50 m，切割扭矩：22 500 kN·m。所研制的連續循環鉆井系統主要實現接立柱、起下鉆、劃眼等工況下的連續循環鉆井，有效控制當量循環密度，減少井下復雜情況，提高鉆井效率。連續循環鉆大位移井實際效果：完鉆井深5 000～7 000 m，當量循環密度波動壓力2.4%～4.5%(非連續循環鉆井波動壓力大于6.3%)，巖屑運移效率>90%，攜屑效果好，無巖屑床和沉砂阻卡問題，順利過斷層，無漏、垮、卡問題發生，循環泵壓和旋轉扭矩均小于設計值，下尾管一趟到底，中途無任何阻卡發生。所研制的水下井口切割回收工具已在LH27-1-1和LH30-1-1井等10口井進行了海上現場試驗和工程應用，購置成本較國外同類產品低50%。研制的連續循環鉆井系統降低了當量循環密度波動壓力，提高了井眼清潔程度，已完成海試，具備產業化條件，已在番禺10-5/8油田、EP23-7-A1井等大位移井取得了現場應用。

3.1.2水下關鍵設備

1) 水下閥門及配套執行機構。

國內首次完成了深水大口徑、高壓力等級、多種材料方案、ROV和液壓雙操作方式的國產化水下閥門研制(圖7a)。完成了所有產品的測試，并通過了國際權威第三方DNV認證，各項技術指標達到國際同等產品水平，即將進行海試。技術指標參數：參考標準：API 17D、API 6A、API 6DSS；設計水深：1 500 m；壓力等級：34.47 MPa；公稱通徑：閘閥為130.18 mm，球閥為304.80 mm；可液壓及ROV操作的單作用形式；執行機構液壓控制壓力：34.47 MPa；ROV操作要求符合ISO 13628-8 4級。

2) 水下控制模塊。

國內首次完成了深水高壓力等級、可回收式水下控制模塊及其水下安裝工具產品的研制(圖7b)。建立了一套完整的水下控制模塊專用測試系統，各項技術指標達到國際同等產品水平。SCM(水下控制模塊)正在開展DNV第三方認證，即將進行海試。技術指標參數：設計標準API 17F；SEM(水下電子裝置模塊)冗余配置；設計水深：1 500 m。

3) 水下多相流量計。

國內首次完成了深水緊湊式、高壓力等級、關鍵部件可更換式國產化水下多相流量計產品研制(圖7c)。已通過國際權威第三方DNV認證，各項技術指標達到國際同等產品水平。技術指標如下：設計標準API 17S；設計水深：1 500 m；設計壓力：34.47 MPa。水下多相流量計已在流花 16-2油田和流花 29-2氣田項目實現了工程應用。

圖7 我國自主研發的水下關鍵設備Fig .7 Subsea key devices independently researched by our country

4) 海上水合物專用取心工具。

突破了水合物保溫保壓取心技術，自主研制了水合物保溫保壓取樣裝置(圖8)，主要包括繩索打撈回收系統、鎖定釋放系統、保溫保壓系統、壓力補償系統、閥門密封、控制及溫壓監測系統、取樣系統。該取心工具分別在“奮斗5號”和“海洋石油708”勘察船進行了海上取樣試驗，在2017年5月利用該工具成功獲取了海洋天然氣水合物樣品，并在全球范圍內首次成功實施了海洋淺層非成巖水合物固態流化試采作業并點火成功。技術指標參數：單次取心長度≥1 m；4小時內，巖心保持壓力不低于原始壓力的70%，溫度不高于原始溫度10 ℃。

圖8 我國自主研發的海上水合物專用取心工具Fig .8 Offshore gas hydrate special core tools independently researched by our country

3.2 自主研制的水下關鍵產品已部分實現工程應用

自主研制的3大類共17種深水工程產品(表4)，打破了國外的技術封鎖和壟斷，部分實現了工程應用。

表4 我國自主研發的深水工程水下關鍵產品列表Table 4 Subsea key products list of deepwater engineering independently researched by our country

下面簡要介紹3種自主研發的典型深水工程關鍵產品。

1) 保溫輸油軟管。

保溫輸油軟管是深水油氣田開發重要的軟管結構形式，目前由歐美少數公司壟斷。本項目突破了保溫輸油軟管國產化關鍵技術，建立了完整的保溫輸油軟管設計、制造、性能測試和工廠接收試驗技術體系，建成了國內首條動態保溫輸油軟管生產線，成功研制了適用于500 m水深的動態保溫軟管(圖9)。其技術參數如下：適應500 m水深，國產聚偏氟乙烯(PVDF)和保溫材料，長度30 m，內徑304.8 mm，設計壓力≥25 MPa，設計溫度120 ℃，總傳熱系數<2 W/(m2·℃)。軟管研究成果已成功應用于南海文昌13-6/10-3/ 9-2/9-3氣田群、東方1-1等多個油氣田，產品已成功出口海外，總長度達100 km。

圖9 國產保溫輸送軟管Fig .9 Domestic insulation flexible pipe

2) 深水濕式保溫管。

深水濕式保溫管是深水油氣田開發重要的海底管道結構形式，可實現單壁鋼制海底管道的保溫，滿足深水油氣輸送的保溫要求，降低管道投資成本。我國海上深水濕式保溫管主要依賴歐美國家提供，本項目突破了深水濕式保溫管國產化關鍵技術，研制了適用于500 m水深的PVDF濕式保溫材料，建成了國內首條復合聚氨酯濕式保溫管生產線，成功研制出了深水濕式保溫管道(圖10)，實現了保溫材料的國產化。相關研究成果已應用于蓬萊19-3油田項目，填補了國內空白。其技術參數如下：適應500 m水深，基于研發的玻璃微珠合成的復合聚氨酯保溫材料，長度24 m，直徑203.2 mm，保溫層厚度75 mm，總傳熱系數<3 W/(m2·℃)，設計溫度110 ℃。

圖10 國產深水濕式保溫管Fig .10 Domestic deepwater wet insulation pipe

3) 水下虛擬計量系統。

自主研制的水下虛擬計量系統已在南海文昌10-3、陵水17-2、流花19-5等海上氣田中得到了成功應用，可實現油氣水各相計量誤差在10%以內，其中92%的數據誤差在5%以內，已初步達到國際同行水平，保證了油田生產信息的安全，節省了水下多相流量計的投資。

4 自主研制的4大類深水工程設施監測系統已部分實施了現場監測

研制的4大類共11項深水工程監測系統(表5)成功實施了現場監測，為保障海上深水工程設施安全作業、優化工程設計提供了技術支撐和保障，填補了多項國內空白。

表5 我國自主研發的深水工程監測系統列表Table 5 Monitoring system list of deepwater engineering independently researched by our country

下面簡要介紹3種自主研發的典型深水工程監測系統。

1) 深水鉆井隔水管監測系統。

自主研發了國內首套設計水深為3 000 m、監測誤差小于6%的深水鉆井隔水管在線監測系統(圖11)。該監測系統主要包括：水下的監測裝置、近水面的聲吶信號接收裝置和地面數據顯示，主要用于獲取測點處隔水管振動、位移、應力的參數數據。依托“奮進號”在LH36-1-1井完成了海試，成功實現了水面及水下雙向信號傳輸和控制，成功獲取了相關監測數據，實現了深水鉆井平臺隔水管作業狀態的實時監測和關鍵參數的預警功能。

圖11 我國自主研發的深水鉆井隔水管監測系統Fig .11 Monitoring system of deepwater drilling riser independently researched by our country

2) 深水工程現場監測網絡化遠程實時監測系統。

自主研制了水下自容式傾角-加速度測量傳感器、水下自容式水深-傾角測量傳感器，建立了流花11-1油田FPS(半潛式浮式生產系統)遠程控制實時監測系統，獲取了2年的實時監測數據，為流花11-1油田的安全生產提供了支持保障。利用我國北斗衛星導航系統，開發了遠程獨立傳輸的海陸空監測系統，建立了一套深水工程監測系統網絡化信息管理平臺系統(圖12)，服務于海上設施安全生產運行的風險評估與預警研究和生產設施完整性管理及本質安全研究。目前已完成管理平臺系統軟件開發、硬件配置以及系統集成，將接入“南海挑戰號FPS”“海洋石油111”FPSO(浮式生產儲油輪)、“海洋石油118”FPSO、番禺30-1平臺，實現了海陸監測系統一體化集成及海上設施監測數據規范化集中管理與應用。

圖12 我國自主研發的深水工程監測系統網絡化信息管理平臺Fig .12 Network information management platform for deepwater engineering monitoring system independently researched by our country

3) 深水油氣田流動安全監測與管理系統。

建立了一套深水氣田流動安全監測與管理系統，實現井筒、水下生產系統及海底管道流動狀態的實時監測及危險工況預警，達到國外同類產品先進水平，成果已應用于流花19-5和文昌9-2/9-3氣田。完成了海上油氣田流動管理系統研制，首次實現了海管流動狀態在線監測及水合物生產風險監測功能。

5 結論及建議

由于我國在深水油氣田開發工程技術方面研發起步較晚，深水油氣田開發產業才剛剛起步。無論是在深水油氣田開發工程技術還是在深水工程裝備方面，我國與國外先進水平相比仍存在較大差距。同時，中國南海還面臨與國外其他海域不同的環境條件和技術挑戰。因此，我國深水油氣田開發工程裝備和技術的研發仍然任重道遠，需要繼續加大科技投入，充分發揮國內外科技資源的作用，以產、學、研、用協同攻關的模式，大力提升原始創新能力，進一步突破尚未攻克的深水工程關鍵技術和產品。

因此，本文就深水油氣田開發工程的未來研究和發展方向，提出以下5點建議：

1) 加強深水工程卡脖子裝備和技術的基礎研究。我國在深水油氣田開發工程技術和裝備領域落后國外10～15年，根本原因在于基礎研究比較薄弱，必須加強基礎理論、實驗模擬方法、工程設計軟件等方面的科研攻關。

2) 大力提升深水工程裝備和技術自主創新能力。重點開展：深水鉆完井裝備(采油樹、防噴器、水下井口、隔水管等)，深水水下生產系統(水下控制系統、深水動態臍帶纜、全電水下設備、高效水下油氣處理、濕氣增壓設備等)，深水浮式平臺(深水單點系泊系統、浮式液化天然氣生產裝置、新型深水浮式生產平臺等)等方面的研究突破。

3) 加快推進核心零部件及高端材料的自主研發。重點開展高精度的監/檢測傳感器和數據傳輸系統、高可靠性的執行機構、大型軸承和滑環堆棧、深水立管柔性接頭/張緊器等關鍵配件和核心零部件研發，開展低溫、抗腐蝕、抗高溫和高壓等高端材料的研發。

4) 著力提高國產裝備及產品質量的穩定性和可靠性。重點開展深水工程核心裝備、關鍵設備、關鍵產品的現場測試、第三方認證和檢驗，提高裝配及產品的穩定性和可靠性。

5) 推動深海裝備、設備及油氣田數字化、智能化發展。重點開展：智能化鉆井裝置、海底鉆機、海洋無鉆機鉆井裝備，數字化、智能化浮式生產平臺，智能化、長距離全電水下生產系統，智能高效水下生產系統及油氣處理設施，海洋工程裝備智能制造工廠等方面的研究。