劉太元，霍成索，李清平，萬 祥，李文英

（1.中海油研究總院，北京100027；2.中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東珠海519000；3.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳518067）

1 前言

隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展，對于能源的需求不斷增加，特別是化石能源，全球的消費增長遠遠超過生產(chǎn)增長，2013年全球石油消費日增長達到140萬桶，與此同時石油價格卻一直保持在較高的位置運行[1]。強大的經(jīng)濟利益刺激各大國際石油公司和國家石油公司在油氣勘探的力度不斷加大，除傳統(tǒng)的陸地和淺水海域的勘探外，深水油氣田的勘探開發(fā)和建設(shè)顯得尤為突出。

深水油氣田勘探在全球油氣勘探中比重的增加一方面是由于全球陸地和淺海經(jīng)過長期的勘探開發(fā)，重大油氣發(fā)現(xiàn)的數(shù)量已越來越少，規(guī)模也越來越小；另外一方面由于早期的技術(shù)和裝備限制的原因，深水區(qū)域勘探程度非常低，當(dāng)石油勘探技術(shù)和裝備石油勘探技術(shù)的進步使得深水勘探的門檻不斷降低時，油氣公司自然加大對深水海域的勘探力度。

作為深水油氣田開發(fā)的主要模式之一，水下生產(chǎn)系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用[2，3]。水下生產(chǎn)系統(tǒng)既可是單一的水下衛(wèi)星井通過海底管線回接到固定平臺或岸上設(shè)施，也可以是安裝在水下基盤或圍繞在中心管匯周圍的多口水下井口，通過水下處理和集輸設(shè)施將井流傳輸?shù)焦潭ㄆ脚_，浮式結(jié)構(gòu)，甚至直接到陸上終端[4]。與傳統(tǒng)的生產(chǎn)系統(tǒng)相比，水下生產(chǎn)系統(tǒng)安裝在海底，大大降低了平臺的載荷與面積，同時對于海況環(huán)境不敏感，可以適應(yīng)不同的水深。水下生產(chǎn)系統(tǒng)的高效性、經(jīng)濟性及技術(shù)成熟度已經(jīng)被各大石油公司所接受，同時水下生產(chǎn)系統(tǒng)在提高油氣田采收率方面的突出特點也是其被選為深水氣田開發(fā)方案的主要原因之一。

2 水下生產(chǎn)系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

根據(jù)油氣田開發(fā)的要求不同，水下生產(chǎn)系統(tǒng)的各組成部分略有不同，傳統(tǒng)意義上的水下生產(chǎn)系統(tǒng)包括水下井口、水下采油樹、管匯系統(tǒng)、水下處理設(shè)施（包括分離裝置、泵、壓縮機及相關(guān)的電力動力分配系統(tǒng)）、生產(chǎn)控制與監(jiān)視系統(tǒng)、化學(xué)藥劑注入系統(tǒng)、臍帶纜、海底管道、立管及水下采油樹干涉系統(tǒng)，各系統(tǒng)的主要定義與功能，讀者可參閱文獻[5～8] ，這里不再贅述。典型的水下衛(wèi)星井回接到平臺的水下生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。需要注意的是，上面提到某些系統(tǒng)并未在圖1中出現(xiàn)，同時為了便于理解，圖1中給出了水下生產(chǎn)系統(tǒng)的上部接口，如平臺的生產(chǎn)處理系統(tǒng)及海上作業(yè)施工船舶等。

圖1 典型水下生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Typical elements in a subsea production system

從20世紀(jì)50年代第一口水下井口投入生產(chǎn)到現(xiàn)在，水下生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)得到快速發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。截至2014年3月，從回接距離上看，世界上在建或已經(jīng)投產(chǎn)的油氣田中，氣田回接距離最長的是STATOIL公司作業(yè)的Snohvit氣田，回接距離為143 km?；亟泳嚯x最長的油田為Shell公司的Penguin A-E油田，回接距離為69.8 km。而從水深的角度看，目前世界上最深的油氣田為Shell公司的Tobago油田，Tobago油田作業(yè)Perdido油田的一部分，其最深水深已達到2934 m。Chevon公司位于澳大利亞的Gorgon項目的回接距離將達到188 km，而Woodsides公司的CO2水下再注項目的回接距離更是將達到280 km[9]。

國際石油公司和國家石油公司對深水勘探力度的不斷加大，使得更深海域的油氣資源不斷得到發(fā)現(xiàn)，同時新發(fā)現(xiàn)的油氣資源的離岸距離也在不斷增加。這使得水下生產(chǎn)系統(tǒng)安裝位置處在海域的水深不斷加深，流動安全所面臨的挑戰(zhàn)不斷增加。與此同時水下生產(chǎn)系統(tǒng)所服務(wù)的油藏復(fù)雜性也不斷增加，高溫高壓油藏給水下設(shè)備的密封可靠性及材料特性提出了更高的要求。極地區(qū)域的豐富油氣資源正在吸引著油公司的注意力，油氣勘探逐漸擴展到極地海域，極地海域的特殊環(huán)境對水下生產(chǎn)系統(tǒng)提出了新的要求。水下生產(chǎn)系統(tǒng)在海洋油氣田開發(fā)中的應(yīng)用呈現(xiàn)出以下的發(fā)展趨勢。

1）水下生產(chǎn)及處理系統(tǒng)的應(yīng)用將不斷增加。常規(guī)的安裝在上部設(shè)施的油氣處理設(shè)施將逐漸走入水下，水下分離器、水下增壓泵、水下壓縮機等水下油氣處理設(shè)施的應(yīng)用將不斷增加，從而實現(xiàn)油氣的水下處理及外輸。水下油氣處理系統(tǒng)將極大節(jié)省上部設(shè)施的空間，降低對載荷要求，同時也將有利于提高整個油氣田的采收率，延長油氣田壽命。目前Petrobras的Cascade和Chinook項目已經(jīng)采用水下增壓系統(tǒng)來提高油氣傳輸?shù)膲毫Γ琓otal的Paz-flor油田采用了水下氣液分離和增壓技術(shù)，而Shell公司的Perdido油田也采用了垂直的電潛泵（ESP）和水下氣液分離，圖2為由Petrobras運營的Marlim油田的水下油水分離及再注系統(tǒng)。可以預(yù)見在不遠的將來會有越來越多的水下生產(chǎn)處理設(shè)施安裝并投入運營[10]。

圖2 Marlim項目水下油水分離及再注系統(tǒng)（由FMC提供）Fig.2 Subsea separation system with produced water rejection for marlim project(courtesy by FMC technologies)

2）電液復(fù)合控制方式向全電式控制方式發(fā)展。全電控制采用電氣信號對水下生產(chǎn)系統(tǒng)進行控制，消除了開式液壓控制系統(tǒng)帶來的液壓液的排海對環(huán)境造成的影響，同時取消了液壓系統(tǒng)可能帶來的任何泄露問題，如果同時采用液壓系統(tǒng)作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的備份控制，還將極大地提高整個水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)可靠性。圖3為世界上第一棵全電控制采油樹，該采油樹于2008安裝于K5F油田，到目前為止，運行良好[11]。

圖3 全電控制采油樹（由OneSubsea提供）Fig.3 All electric subsea tree(courtesy by OneSubsea)

3）水下生產(chǎn)系統(tǒng)供電向水下高壓交直流供電方向發(fā)展，原來位于平臺的大型供電設(shè)備開始出現(xiàn)在水下安裝應(yīng)用。大型水下處理設(shè)施的功率可以達到幾十兆瓦，傳統(tǒng)的低壓供電技術(shù)無法滿足如此大負荷的用電需求。如圖4所示，Ormen Lange氣田已經(jīng)將水下高壓斷路器部署到其氣田的水下生產(chǎn)系統(tǒng)中，用于向水下壓縮機的供電系統(tǒng)。水下高壓交直流供電所需要的關(guān)鍵電氣設(shè)備包括水下變壓器、水下開關(guān)等都將成為未來的研發(fā)熱點[12]。

圖4 Ormen Lange水下斷路器（由Aker Solutions提供）Fig.4 Ormen Lange pilot subsea circuit breaker(courtesy of Aker Solutions)

海洋油氣生產(chǎn)的特點對水下生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性提出了很高的要求，作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，水下生產(chǎn)系統(tǒng)的控制方式從最簡單的直接液壓控制開始，經(jīng)歷了先導(dǎo)式液壓控制，順序式液壓控制等多個發(fā)展階段，目前應(yīng)用最廣的水下控制方式為電液復(fù)合控制。電液復(fù)合控制的控制距離可達150 km甚至更遠。隨著海洋油氣勘探逐漸向深水邁進，水下控制系統(tǒng)也呈現(xiàn)出新的發(fā)展趨勢，主要表現(xiàn)為以下4個方面。

1）通訊接口的標(biāo)準(zhǔn)化，包括水下主控站（MCS）與分散式控制系統(tǒng)（DCS）的通訊接口，水下各種監(jiān)測儀表的通訊接口，水下控制系統(tǒng)上部設(shè)備與水下設(shè)備的通訊接口等。通訊接口的標(biāo)準(zhǔn)化有利于第三方設(shè)備的接入，使得整個水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的可擴展性大大增強。

2）通訊帶寬要求越來越大，光纖逐漸取代電力載波成為主要的信號傳輸方式。隨著水下生產(chǎn)系統(tǒng)各種監(jiān)測及檢測儀表及井底各種儀表應(yīng)用的增加，對于傳輸?shù)囊蟛粩嘣黾?，同時油氣田生產(chǎn)的優(yōu)化也要求水下生產(chǎn)系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)能夠盡可能快地傳遞到上部設(shè)備，供生產(chǎn)管理及優(yōu)化使用[13]。

3）控制方式由電液復(fù)合轉(zhuǎn)向全電式控制。采用電液復(fù)合式控制方式，仍然需要從上部設(shè)備提供液壓液作為動力源。水下全電控制系統(tǒng)傳輸?shù)氖请娦盘?，控制距離更遠，響應(yīng)時間更短，環(huán)境友好，省去了控制系統(tǒng)中的液壓組件，在降低臍帶纜直徑的同時，也將極大地降低臍帶纜的費用。

4）工業(yè)以太網(wǎng)將成為了水下控制系統(tǒng)傳輸?shù)闹饕獏f(xié)議。標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用將取代各水下控制系統(tǒng)供貨商的通訊協(xié)議互不兼容的問題，將極大地增強水下控制系統(tǒng)的靈活性和可擴展性。

3 水下生產(chǎn)系統(tǒng)在我國海洋油氣田開發(fā)中的應(yīng)用與挑戰(zhàn)

海洋石油是我國石油勘探開發(fā)的重要組成部分，南中國海蘊藏有豐富的油氣資源，是我國油氣資源戰(zhàn)略選區(qū)之一。隨著勘探開發(fā)技術(shù)進步和工作量的增加，未來天然氣儲量將會快速增長[14]。

如前所述，水下生產(chǎn)系統(tǒng)靈活性強，可適應(yīng)不同形式的浮式平臺，可回接到固定平臺，甚至可直接回接至岸上終端?；谒律a(chǎn)系統(tǒng)的油氣田開發(fā)方案必將成為我國南海深水油田開發(fā)的主要模式之一[15～17]。經(jīng)過多年的合作開發(fā)，我國采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)相繼開發(fā)了多個油氣田，包括LH11-1，YC13-4，HZ32-5，LW3-1和 PY35-2/1等多個油氣田，并均取得了成功，LW3-1氣田的順利投產(chǎn)更是邁出了走向深水的堅實的一步，對中國海洋加快深水油氣資源開發(fā)并邁向國際深海市場具有重要的推動作用。

上述油氣田除了LW3-1氣田的水深在1500 m左右，其他油氣田的水深均處于300 m左右的水深，總體上講我國對于深水油氣田的開發(fā)起步較晚，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的海洋資源開發(fā)技術(shù)仍較薄弱，技術(shù)層面總體落后先進海洋國家15～20年，特別是開發(fā)深水油氣田的水下生產(chǎn)系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)，仍由少數(shù)國家所壟斷。如何快速突破水下生產(chǎn)系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)，建立擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)，縮小與國外先進國家的差距將成為一項重要課題[18]。

與其他海域相比，我國南海特別的自然環(huán)境對于該區(qū)域的深水油氣田開發(fā)提出新的挑戰(zhàn)。首先南中國海是世界上臺風(fēng)最頻繁的區(qū)域之一，夏季臺風(fēng)頻發(fā)，加之冬季季風(fēng)的影響，給海上設(shè)施和作業(yè)帶來巨大的風(fēng)險，南海特有的內(nèi)孤立波對海上油氣勘探開發(fā)所帶來的影響也受到越來越大的重視[19]。其次南海海域地質(zhì)條件復(fù)雜，沙坡沙脊的移動速度可達每年300 m左右，會給水下生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)施完整性造成直接的影響[20]，同時隨著逐步走向深水，油氣藏的離岸距離越來越遠，復(fù)雜的油氣傳輸所帶來的流動安全保障及遠距離的水下生產(chǎn)控制技術(shù)都是以前開發(fā)淺水油氣田所未遇到的，缺少相關(guān)的經(jīng)驗。

4 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，能源需求越來越多，能源供需矛盾愈來愈突出。為了緩解我國的能源供需矛盾，同時也為了維護我國的海洋主權(quán)和權(quán)益，海洋石油開發(fā)向深海進軍，大力開發(fā)我國南海深水油氣資源已經(jīng)成為必然的趨勢。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)在全球深水油氣田勘探開發(fā)中的廣泛應(yīng)用已經(jīng)證明了其技術(shù)的成熟度，但是新的技術(shù)仍然在快速發(fā)展，新的技術(shù)和概念不斷涌現(xiàn)。南海深水油氣資源的開發(fā)不但給我們提出了巨大的挑戰(zhàn)，同時也帶給我們巨大的機遇。為了推進南海深水油氣田的開發(fā)，加大水下生產(chǎn)系統(tǒng)方面的關(guān)鍵技術(shù)研究，打破國外技術(shù)壟斷，為南海大開發(fā)奠定堅實的基礎(chǔ)。

[1] BP.BP世界能源統(tǒng)計[R] .2014.

[2] 謝 彬，張愛霞，段夢蘭.中國南海深水油氣田開發(fā)工程模式及平臺選型[J] .石油學(xué)報，2007，28（1）：115-118.

[3] 王瑩瑩，段夢蘭，馮 瑋.西非深水油氣田典型開發(fā)模式分析[J] .石油礦場機械，2012，39（11）：1-8.

[4] ISO.Petroleum and gas industries—design and operation of subsea production systems-Part1：General requirements and recommendations[R] .2007.

[5] 陳家慶.海洋油氣開發(fā)中的水下生產(chǎn)系統(tǒng)（二）——海底處理技術(shù)[J] .石油機械，2007，35（9）：150-156.

[6] 陳家慶.海洋油氣開發(fā)中的水下生產(chǎn)系統(tǒng)（一）——海底處理技術(shù)[J] .石油機械，2007，35（5）：150-156.

[7] 王 瑋，孫麗萍，白 勇.水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)[J] .中國海洋平臺，2009，24（6）：41-45.

[8] 宋 琳，楊樹耕，劉寶瓏.水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)及基礎(chǔ)設(shè)備發(fā)展與研究[J] .海洋開發(fā)與管理，2013，30（6）：91-95.

[9] http：//www.offshore-mag.com/maps-posters.html[EB/OL] .

[10] Rob Perr，Reda Akdim.Reviewing trends in subsea processing[R] .Offshore.

[11] Daniel Abicht，Jan Van Den Akker.The 2nd generation DC allelectric subsea production control system[R] .OTC.

[12] Lai R.Modular stacked DC transmission and distribution system for ultra-deepwater subsea process[R] .OTC.

[13] 劉太元，郭 宏，閆嘉鈺.基于光纖的開放式架構(gòu)水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)研究及應(yīng)用[J] .化工自動化及儀表，2012（2）：209-211.

[14] 張鳳久.我國南海天然氣開發(fā)前景展望[J] .天然氣工業(yè)，2009，29（1）：17-20.

[15] 謝 彬，張愛霞，段夢蘭.中國南海深水油氣田開發(fā)工程模式及平臺選型[J] .石油學(xué)報，2007，28（1）：115-118.

[16] 劉杰鳴，王世圣，馮 瑋.深水油氣開發(fā)工程模式及其在我國南海的適應(yīng)性探討[J] .中國海上油氣，2006，18（6）：413-418.

[17] 閆正和，羅東紅，許慶華.南海東部海域油田開發(fā)模式的創(chuàng)新與應(yīng)用實踐[J] .中國海上油氣，2104，26（3）：72-77.

[18] 陳 偉.抓住機遇，實現(xiàn)深水油氣開發(fā)技術(shù)的重點跨越[C] //第十一屆中國科協(xié)年會.鄭州，2009.

[19] 王延濤，周濟福.南海內(nèi)孤立波演化模型及其應(yīng)用[C] //中國力學(xué)學(xué)會2009學(xué)術(shù)大會論文集.鄭州，2009.

[20] 周守為.南中國海深水開發(fā)的挑戰(zhàn)與機遇[C] //第十一屆中國科協(xié)年會.鄭州，2008.