劉東喜 , 王 晉,, 尤云祥 , 唐文勇 , 萬德成, 劉巍巍

(1. 上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室 上海 200240； 2. 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240；3. 北京高泰深海技術有限公司，北京 100011)

油水置換水下儲油技術在海上油田開發(fā)中的應用

劉東喜1,2, 王 晉1,2,3, 尤云祥1,2, 唐文勇1,2, 萬德成1,2, 劉巍巍3

(1. 上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室 上海 200240； 2. 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240；3. 北京高泰深海技術有限公司，北京 100011)

通過大量調(diào)研，對干式儲油模式和濕式儲油模式進行分析比較，回顧油水置換水下儲油技術發(fā)展歷史，給出國外已建成的26座濕式儲油結構物的基本情況。以Hebron平臺為例，介紹了混凝土濕式儲油平臺的主要特點，分析總結了油水置換儲油的關鍵技術問題。介紹了國內(nèi)油水置換技術的研究情況，提出了一種新型深水Spar鉆井生產(chǎn)儲卸油平臺，并介紹了該平臺儲油系統(tǒng)的儲卸油操作工藝流程、已完成的相關試驗與計算研究工作。

水下儲油；濕式儲存；油水置換； Hebron平臺；SDPSO平臺

0 引言

海上石油存儲是海洋石油開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，目前海上應用的儲油設施主要有：平臺儲油艙、FPSO/FSO、重力式結構(GBS)沉箱和海底儲油艙等。這些設施使用的原油儲存方法可分為干式和濕式兩種模式[1]。干式儲油系統(tǒng)采用與陸地儲油罐類似的存儲方式，原油上部空間充滿惰性保護氣體防止燃爆；濕式儲油結構內(nèi)部始終充滿油和水，基于油水置換技術實現(xiàn)進油排水和進水排油操作。

油水置換水下儲油的原理為：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儲油艙，油會浮在水的上面，相同體積的海水則從艙底被排出艙外，同時，油和水在艙內(nèi)會自發(fā)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，由于艙底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。在儲卸油過程中，油水界面上下移動，不斷調(diào)整艙內(nèi)原油和海水的相對體積，使儲油艙始終保持充滿液體狀態(tài)。

油水置換水下儲油又可進一步分為封閉式儲油和開放式儲油，二者的區(qū)別在于將置換水排入大海前是否對其進行分離處理。原油儲存模式選用干式模式或濕式模式對整個儲油系統(tǒng)的影響很大，具體影響見表1。

表1 原油儲存模式對整個儲油系統(tǒng)的影響

1 油水置換水下儲油技術發(fā)展歷史及應用現(xiàn)狀

1956年，美國Bethlehem造船廠就已設計了基于油水置換技術的水下儲油模型。1960年，California石油公司在水深為8 m的墨西哥灣Eugene Island海域安裝了世界上第一座儲油量為2萬桶的水下鋼質(zhì)儲油艙，如圖1所示。1969年，在波斯灣Fateh油田投產(chǎn)的可存儲50萬桶原油的Khazzan Dubai水下鋼質(zhì)儲油艙是世界上第一座大型濕式儲油結構，如圖2所示。此后，油水置換技術被廣泛應用于水下儲油艙、重力式鋼質(zhì)儲油平臺和重力式混凝土儲油平臺、浮式Spar儲油平臺。其中，油水置換技術在混凝土儲油平臺中應用最多。

圖1 Eugene Island水下儲油艙 圖2 Khazzan Dubai水下儲油艙

混凝土儲油平臺主要有5種類型，分別是：Condeep、ANDOC、Sea Tank、Doris，混凝土底座是一個延伸到海面以上的巨型圓柱儲油沉箱、Ove Arup，以混凝土儲油沉箱為支撐的桁架自升式平臺混凝土儲油平臺種類如圖3所示。除了位于北海的NAM-F3 GBS平臺和位于菲律賓巴拉望島海域的Malampaya GBS平臺，所有已安裝的混凝土儲油平臺均采用油水置換技術進行儲卸油操作。

圖3 混凝土儲油平臺種類

表2列出了油水置換水下儲油技術在國外海洋石油開發(fā)中的應用情況。

表2 國外已建成的油水置換儲油結構物

注：功能D、P、S和Q分別表示鉆井、生產(chǎn)、儲油和住宿。

2 Hebron混凝土儲油平臺

目前，最新的油水置換儲油結構物為ExxonMobil的Hebron混凝土平臺。該平臺于2016年安裝在加拿大紐芬蘭島海域的Hebron油田[2]，并計劃在2017年產(chǎn)出第一桶油。Hebron平臺包含三個主要組成部分：具有生產(chǎn)、鉆井和住宿功能的上部設施；用于儲油和支撐上部設施的混凝土GBS；海上裝油系統(tǒng)(OLS)。Hebron混凝土平臺如圖4所示。

圖4 Hebron混凝土平臺

Hebron平臺儲油系統(tǒng)的油水置換流程如圖4c所示。儲油時，原油從艙頂進入儲油單元，海水從艙底的水管出口被置換出，置換水先被輸送到一個水緩沖艙并停留約8 h，之后被排入大海；卸油時，海水在靜水壓力的作用下流回緩沖艙和儲油艙。儲油艙和水緩沖艙內(nèi)分別設有主報警點和輔助報警點，當油水界面下移到主報警點，系統(tǒng)會發(fā)出警報并停止進油操作；如果進油系統(tǒng)出現(xiàn)故障，某個儲油單元被意外裝滿，溢出的油將會進入緩沖艙，這時緩沖艙內(nèi)的輔助報警點會向控制室報警。

該平臺儲油系統(tǒng)的主要設計參數(shù)為：7個可獨立操作的儲油單元；艙內(nèi)裝有油水界面監(jiān)測設備，使用期間可以從艙內(nèi)移除界面乳化層；有效存儲總量為120萬桶，約為平臺8天的產(chǎn)量；原油進入儲油單元的溫度為65℃；置換水中含油量不超過15 ppm；儲油單元內(nèi)原油的存儲溫度不超過50℃；儲油單元無需清洗；設計使用壽命50年以上。

3 油水置換水下儲油中的關鍵技術問題

每個濕式儲油結構物在投入使用前后，所屬石油公司都會對一些關鍵技術問題進行研究，以更好地指導員工進行儲油系統(tǒng)的設計、操作和拆卸。基于對多個儲油系統(tǒng)相關資料的調(diào)研與總結，歸納了幾個使用油水置換儲油技術需要注意的問題。

3.1 油水乳化層

在油水置換過程中，受到流場擾動、表面活性劑、溫度和壓力等諸多因素的影響，在原油層與海水層之間存在一個密度不均的油水混合過渡帶，習慣上稱之為乳化層。在實際工程中，由于不同油田產(chǎn)出原油的成分差異很大，儲油系統(tǒng)的設計使用壽命和所要實現(xiàn)的具體功能也不同，導致不同結構物內(nèi)乳化層的特性、厚度和成分都有所不同。通常，乳化層不僅僅含有油水乳化液，還含有蠟以及其它一些固體顆粒。

3.2 環(huán)境影響

為避免污染海洋，絕大多數(shù)濕式儲油結構物選擇使用封閉式儲油，即把置換水先輸送到上部設施進行處理后再排入大海，這種方式可以有效地去除油水乳化液和懸浮油滴，處理后水中的含油量一般不超過5 ppm[3]。

3.3 艙壁腐蝕

在儲卸油過程中，油水界面上下移動，儲油艙內(nèi)會出現(xiàn)兩種截然不同的狀態(tài)：氧化狀態(tài)(鋼與水接觸)和減弱狀態(tài)(鋼與油接觸)。Agostoni等[4]的研究結果表明，海水是造成鋼質(zhì)儲油艙內(nèi)壁腐蝕的主要因素。Brent Spar和Maureen平臺儲油艙的腐蝕情況驗證了上述結論[1]：內(nèi)壁常年與油接觸的區(qū)域幾乎未被腐蝕，而常年與海水接觸的區(qū)域相對容易被腐蝕。

3.4 海水中懸浮粒子

懸浮在海水中的粒子所產(chǎn)生的沉積物不但會導致艙容的減小，還可能會堵塞壓載系統(tǒng)的管道。研究發(fā)現(xiàn)可以通過以下措施來解決這個問題：選取合適的進水位置；使用特制的過濾器；設計使用允許沉降發(fā)生的進水管線。

3.5 油性沉積物

長期的儲卸油操作會使水下儲油艙艙壁和艙底沉積一些油性物質(zhì)。對Brent Spar儲油艙艙壁油性物質(zhì)的樣本分析發(fā)現(xiàn)[5]，沉積物主要由油和蠟組成。對Maureen平臺儲油艙艙底油性物質(zhì)的樣本分析發(fā)現(xiàn)，沉積物主要由以下成分組成：油，蠟和瀝青質(zhì)，原油中含有的細沙和礦物顆粒等，從艙壁和管壁剝落的腐蝕產(chǎn)物，隨海水進入到儲油艙的海洋生物。

3.6 熱量損失

儲卸油過程中，由于油溫高于水溫，原油的熱量會通過油水界面和艙壁傳遞給海水，當艙壁和油水界面附近原油的溫度低于凝點時，會形成凝油層，過厚的界面凝油層可能會阻礙原油在儲油艙內(nèi)的上下流動。因此，油水間的熱量傳輸對儲油系統(tǒng)設計的具體影響為：進油操作溫度，原油的儲存時限，置換工藝能否順利進行，儲油艙是否需要保溫加熱系統(tǒng)等。

4 油水置換水下儲油國內(nèi)研究現(xiàn)狀

油水置換儲油技術目前在國內(nèi)還沒有得到實際應用，但相關研究工作從20世紀70年代就已展開。1970年，華北海洋石油勘探指揮部成立水下儲油研究小組，開始著手水下儲油技術的研究工作；1977年，石油部提出發(fā)展混凝土平臺；同年，盧佩瓊等在開展渤?；炷羶τ推脚_的應用研究時，對高凝原油油水置換傳熱問題做了一些探索工作；1983～1998年，盧佩瓊等[6-9]開展了一系列油水置換儲油可行性試驗。國內(nèi)對油水置換水下儲油技術的具體研究情況見表3。

表3 國內(nèi)油水置換水下儲油技術研究情況

5 新型深水立柱式Spar鉆井生產(chǎn)儲卸油平臺

隨著水深的不斷增加和離岸線越來越遠，對深水浮式平臺“鉆-采-儲-運”綜合能力和安全可靠性的要求也不斷提高?；诙嗄甑纳钏甋par平臺實際設計經(jīng)驗，王晉等[10]提出了一種新型深水立柱式Spar鉆井生產(chǎn)儲卸油(Spar Drilling Production Storage Offloading，SDPSO)平臺概念。圖5為典型SDPSO平臺的示意圖，平臺包括一個用于鉆井生產(chǎn)的上部設施和一個深吃水的船體。圖6為SDPSO儲油系統(tǒng)，船體包括三個主要組成部分：硬艙；中間艙(儲油艙)，可儲油50萬桶；軟艙。其中，硬艙的中心位置自上而下分別是集水槽、充滿海水的中心井和油沉箱，軟艙的中心位置為水沉箱。

圖5 SDPSO平臺示意圖 圖6 SDPSO儲油系統(tǒng)

SDPSO儲油系統(tǒng)操作流程如下：平臺生產(chǎn)的原油在上部設施處理后，以4～5萬桶/天的速度從輸油管進入油沉箱和儲油艙，儲油艙下部海水通過水管道從水沉箱被輸送到集水槽，該水管道長近200 m，由于重力效應，這一高度可以促使置換水中含有的微量原油被分離出，即使置換到集水槽的水中仍含有少許的油，這些油會浮于水面之上，最后，經(jīng)歷過儲油艙和集水槽兩次油水分離過程的置換水達到可排放標準，可以從中心井內(nèi)的水通道排出到海水中；卸油時，上部設施中的油泵以50萬桶/天的速度將艙內(nèi)原油抽走，海水在壓力作用下通過平臺底部的進水口自動進入儲油艙中。為確保儲油系統(tǒng)操作安全，擬定距離儲油艙艙頂6 m為上始油水界面，距離艙底6 m為下始油水界面。儲油系統(tǒng)的進油操作溫度為65℃，艙內(nèi)設有油水界面監(jiān)測儀和溫度測量系統(tǒng)以保證儲卸油操作的正常進行。

在海洋環(huán)境中，SDPSO平臺的晃動會使儲油艙內(nèi)油水界面產(chǎn)生波動進而有可能導致油水相互摻混，并產(chǎn)生乳化。我們對油水分層液體晃蕩現(xiàn)象進行了模型試驗[11]和數(shù)值計算[12],如圖7所示。研究發(fā)現(xiàn)：平臺晃動雖然會使艙內(nèi)油水界面產(chǎn)生微幅波動，但原油和海水之間始終沒有摻混。因此，油水界面晃蕩不易產(chǎn)生乳化現(xiàn)象。

SDPSO儲油系統(tǒng)在進行儲卸油操作時，油水界面的下移和上升速度很慢，分別為0.4 m/h和4.5 m/h。由國外多個類似結構物的實際應用情況可知，該移動速度不易導致界面的擾動和乳化。1:50尺度模型試驗確認了SDPSO儲油系統(tǒng)進油排水和進水排油工藝的可行性。油水界面始終保持平穩(wěn)清晰；置換油中含水量低于0.5%；置換水中含油量低于1 ppm，符合海洋石油勘探開發(fā)污染物排放要求。儲卸油操作傳熱數(shù)值模擬研究[13]發(fā)現(xiàn)：艙內(nèi)原油損失的熱量主要傳遞給了艙外海水，熱油通過油水界面向下部水層的散熱量不到原油總散熱量的12%。SDPSO儲油系統(tǒng)油水置換模型試驗如圖8所示。

圖7 SDPSO儲油艙油水界面晃蕩模型試驗與數(shù)值計算 圖8 SDPSO儲油系統(tǒng)油水置換模型試驗與數(shù)值計算

6 結語

油水置換水下儲油技術在國外已有50多年的實際應用經(jīng)驗，雖然該技術存在油水乳化、固相沉積、水中含油、艙壁腐蝕和熱量損失等一些潛在問題，但是多個結構物從安裝到退役長達幾十年的成功使用表明，這些問題不會影響儲卸油操作的正常進行。油水置換水下儲油技術可以極大地簡化海上石油開發(fā)系統(tǒng)，降低開發(fā)總成本，也不會對環(huán)境造成負面影響。

油水置換技術目前在國內(nèi)還沒有得到實際工程應用，但已有相當多的研究成果和技術積累，為該技術在國內(nèi)的推廣奠定了良好的基礎。因此，在學習國外先進經(jīng)驗的同時，還要積極探索適合我國國情的水下儲油技術和開發(fā)模式，實現(xiàn)在國內(nèi)的工程化應用，以提高海上油田開發(fā)的經(jīng)濟效益。

[ 1 ] GILBERT R G, WARD E G. Comparative Risk Analysis of Spar-based FPSO’s[M]. Texas: Texas A&M University, 2003.

[ 2 ] WIDIANTO W, KHALIFA J, YOUNAN A, et al. Design of Hebron Gravity Based Structure for Iceberg Impact[C]. ISOPE, 2013.

[ 3 ] PHILLIPS. Maureen Decommissioning Programme[R]. 2001.

[ 4 ] AGOSTONI A, FASO D, WILLIAMS A J. Corrosion Protection for the Internal Surfaces of Storage Tanks in a Steel Gravity Platform[C]. OTC, 1982.

[ 5 ] OWEN P, RICE T.Decommissioning the Brent Spar[M]. Florida: CRC Press, 2003.

[ 6 ] 盧佩瓊, 陳毓琛, 王惟誠, 等. 水下油罐貯存高凝原油采用油水置換工藝可行性研究[J]. 石油學報, 1987, 8(3): 100-108.

[ 7 ] 盧佩瓊. 淺談水下貯油技術的應用價值及其可行性[J]. 中國海洋平臺, 1992 (5): 210-213.

[ 8 ] 盧佩瓊. 自升式平臺沉墊貯高凝點原油的模擬試驗研究[J]. 中國海上油氣(工程), 1995, 7(6): 31-37.

[ 9 ] 趙雅芝, 全燮, 薛大明, 等. 水下貯油技術--“油水置換”工藝模擬試驗[J]. 中國海洋平臺, 1999, 14(1): 18-21.

[10] 王晉, 羅勇, 齊曉亮,等. 深水Spar鉆采儲運平臺系泊系統(tǒng)研究[J]. 中國造船, 2013(A02):15-24.

[11] CAI Z, WANG J, LI Z, et al. An Experimental Study on Vertical Oil Storage System[C]. OTC, 2014.

[12] LIU D, TANG W, WANG J. Numerical Simulation of Interfacial Sloshing in the SDPSO’s Storage Tank[C]. ISOPE, 2015.

[13] LIU D, GU H, WANG J, et al. CFD Modeling of Heat Transfer in Oil Filling and Offloading of SDPSO Storage Tank[C]. OMAE, 2016.

Application of Oil-water Displacement Underwater Oil Storage Technology in Offshore Oil Field Development

LIU Dongxi1,2, WANG Jin1,2,3, YOU Yunxiang1,2, TANG Wenyong1,2,WAN Decheng1,2, LIU Weiwei3

(1.State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030, China；2.Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai 200030, China；3.COTEC Offshore Engineering Solutions, Beijing 100029, China)

In the present paper, two fundamental forms of offshore oil storage system, dry and wet, are analyzed and compared by consulting a great deal of academic literatures and web resources. The development history of oil-water displacement underwater oil storage technology is reviewed in brief. The basic information of 26 wet storage structures installed in foreign offshore oil fields are listed. The main features of concrete wet-storage platform are introduced by taking Hebron platform as an example. Some critical technical problems involved in oil-water displacement storage system are analyzed and summarized. At the end of the paper,a new deep-water Spar Drilling Production Storage Offloading platform is proposed, and the oil storage/offloading process of SDPSO storage system and corresponding experimental and numerical studies are introduced.

underwater oil storage；wet storage；oil-water displacement； Hebron platform；SDPSO platform

2016-05-17

劉東喜(1987-)，男，博士研究生

1001-4500(2017)01-0066-07

F416.22

A