文/朱曉茵、陸文偉

東海邊際氣田開(kāi)發(fā)總體方案設(shè)計(jì)研究

文/朱曉茵、陸文偉

充分挖掘東海海域整裝油氣田周邊存在的大量邊際氣田中蘊(yùn)藏的天然氣資源，關(guān)鍵是尋找一種適合邊際氣田開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)有效方式。水下生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)用使得邊際氣田經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)發(fā)成為可能。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)是一種海洋油氣田開(kāi)發(fā)新技術(shù)，與傳統(tǒng)的海上油氣田開(kāi)發(fā)方式相比較，水下生產(chǎn)系統(tǒng)可以依托現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)施進(jìn)行開(kāi)發(fā)，具有開(kāi)發(fā)成本低、建設(shè)周期短、開(kāi)發(fā)效益高的特點(diǎn)。

通過(guò)調(diào)研國(guó)外水下生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，評(píng)估國(guó)內(nèi)海洋工程設(shè)計(jì)、建設(shè)、施工能力，以系統(tǒng)的可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性為前提，針對(duì)研究的難點(diǎn)與關(guān)鍵點(diǎn)，進(jìn)行水下生產(chǎn)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)研究，特別就水下采油樹(shù)、跨接管、水下控制系統(tǒng)和水下控制纜等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行認(rèn)真的分析研究，提出了符合近海邊際氣田開(kāi)發(fā)需求的解決方案。

研究意義

我國(guó)是一個(gè)人口眾多、資源相對(duì)不足的發(fā)展中國(guó)家，能源短缺是制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸之一。無(wú)論從供應(yīng)總量，還是從多氣源供應(yīng)格局來(lái)看，確保上海市天然氣安全供應(yīng)是個(gè)長(zhǎng)期的課題。

東海海域蘊(yùn)藏著豐富的天然氣資源，是我國(guó)海洋油氣資源開(kāi)發(fā)的重要基地之一。在整裝油氣田周邊存在著大量單個(gè)構(gòu)造預(yù)測(cè)儲(chǔ)量5億—15億立方米的邊際氣田，傳統(tǒng)的采用固定式導(dǎo)管架平臺(tái)和干式采油樹(shù)的開(kāi)發(fā)工程方式將不能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)。因此，如何依托已有設(shè)施，以經(jīng)濟(jì)高效的工程方案進(jìn)行邊際氣田的開(kāi)發(fā)，降低勘探開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)門檻，是充分挖掘天然氣資源的關(guān)鍵。

研究結(jié)果表明：水下生產(chǎn)系統(tǒng)是一種適合東海海況特點(diǎn)的邊際氣田開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)有效方式。

邊際氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)與關(guān)鍵點(diǎn)

就邊際氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，除了必須達(dá)到整裝氣田設(shè)計(jì)要求以外，還必須充分考慮以下難點(diǎn)與關(guān)鍵點(diǎn)：

·經(jīng)濟(jì)性。與整裝氣田設(shè)計(jì)思路不同，不僅需要充分考慮它的安全性和可靠性，還必須考慮它的經(jīng)濟(jì)性，將整個(gè)系統(tǒng)的成本壓縮在一個(gè)可控范圍，這樣才能使得邊際氣田具有經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)價(jià)值。

·可靠性。水下設(shè)備的選擇必須是可靠的，同時(shí)盡可能做到優(yōu)化、簡(jiǎn)便、輕量，提高集成度。

·靈活性。水下設(shè)備的安裝具有靈活性，其安裝、維修和維護(hù)要求可通過(guò)不同的船只完成。

·可擴(kuò)展性。邊際氣田部署的井口數(shù)少、比較分散，而且往往采取滾動(dòng)開(kāi)發(fā)的方式，設(shè)計(jì)時(shí)必須注意其方案的可擴(kuò)展性。

·一次性。為降低邊際氣田操作成本，減少維護(hù)的工作量，要求整個(gè)生產(chǎn)期實(shí)現(xiàn)不修井或少修井，需要在方案設(shè)計(jì)、完井作業(yè)，設(shè)備選型時(shí)系統(tǒng)考慮。

·可恢復(fù)性。必須充分考慮到東海臺(tái)風(fēng)多發(fā)的特點(diǎn)，在臺(tái)風(fēng)過(guò)后可使用小型船舶搭載安裝維修系統(tǒng)（IWOCS）恢復(fù)對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的控制。

關(guān)鍵技術(shù)研究成果

東海平湖水下生產(chǎn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案主要包含以下關(guān)鍵技術(shù)研究：

1.水下采油樹(shù)選型

目前國(guó)際上通用的水下采油樹(shù)有水平采油樹(shù)、雙通道豎直采油樹(shù)、單通道豎直采油樹(shù)、簡(jiǎn)易采油樹(shù)和泥線采油樹(shù)等類型。

對(duì)比各種采油樹(shù)的特性及技術(shù)的成熟度，水下泥線采油樹(shù)是一種理想的選擇。但是水下泥線采油樹(shù)需使用自升式鉆井船安裝井口和采油樹(shù)；若采用半潛式鉆井船進(jìn)行鉆完井，則無(wú)法使用泥線采油樹(shù)。

其他幾種采油樹(shù)中，簡(jiǎn)易采油樹(shù)是更具競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案，但是到目前為止還沒(méi)有工程應(yīng)用實(shí)例，基于可靠性的原則，暫時(shí)不予使用。其余三種采油樹(shù)技術(shù)都成熟可靠，從邊際氣田應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性考慮，采用單通道豎直采油樹(shù)為佳。

本項(xiàng)目研究結(jié)果：

1） 采用單通道豎直采油樹(shù)。

2） 采油樹(shù)上安裝不可回收的水下油嘴閥。

3） 水下控制模塊（SCM）安裝于采油樹(shù)上。

4） 由單通道完井立管或鉆桿完成采油樹(shù)的安裝。

2.跨接管研究

跨接管，又稱回接管，將產(chǎn)出的油氣從采油樹(shù)輸送到海管終端。

跨接管從材料上可分為剛性管與柔性管。剛性跨接管由多個(gè)管段焊接而成，在兩端安裝相應(yīng)的連接頭。其優(yōu)點(diǎn)是：可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果確定或修改跨接管的長(zhǎng)度和結(jié)構(gòu)形式。相比柔性跨接管，剛性跨接管的交貨時(shí)間要短很多，良好的工程設(shè)計(jì)可以簡(jiǎn)化安裝。其缺點(diǎn)是：安裝技術(shù)要求高，需要系列工程輔助操作設(shè)備和較大的船舶甲板空間。綜合材料、制造、安裝成本，剛性跨接管具有明顯的經(jīng)濟(jì)性，故建議采用剛性跨接管。

跨接管從結(jié)構(gòu)上可分為水平跨接管與豎直跨接管。水平跨接管對(duì)于保護(hù)結(jié)構(gòu)的高度要求低，易于掩埋，并可以消除或削弱渦激振蕩發(fā)生的可能性。與豎直跨接管相比，水平跨接管較少出現(xiàn)段塞流或其他沉積等流動(dòng)保障方面的問(wèn)題?？紤]到較高的底流速度和氣液兩相井流，故建議采用水平跨接管。

跨接管連接系統(tǒng)（接頭）可以分為法蘭、機(jī)械連接器或液壓連接器。近海邊際氣田最好的連接方案應(yīng)是配置API標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)法蘭、Grayloc?標(biāo)準(zhǔn)連接器或兩者組合的水平剛性跨接管。作為一種靈活的安裝方式，不使用ROV進(jìn)行操作，可以大量節(jié)約設(shè)備及安裝成本，該連接方式比較適合飽和潛水作業(yè)。這種連接采用金屬－金屬密封已通過(guò)實(shí)際的檢驗(yàn)，但無(wú)法對(duì)單個(gè)連接器進(jìn)行密封試驗(yàn)，必須對(duì)整個(gè)跨接管進(jìn)行測(cè)試。

本項(xiàng)目研究結(jié)果：

1） 采油樹(shù)與海管接入口之間采用剛性跨接管連接。

2） 選用水平跨接管以減少跨接管的高度，以方便對(duì)采油樹(shù)和PLEM/ILT的進(jìn)行保護(hù)。

3） 由潛水員完成系統(tǒng)的連接工作。

3.控制系統(tǒng)研究

水下控制系統(tǒng)模式，分別為直接液壓（DH）式控制系統(tǒng)、電液復(fù)合（EH）式控制系統(tǒng)及兩者混合的混合式控制系統(tǒng)。比較分析結(jié)果顯示，EH控制系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)性、可靠性、可擴(kuò)展性等各方面都表現(xiàn)突出，最適合邊際氣田使用。與其相匹配的水下控制模塊可以采用簡(jiǎn)易控制模塊，以獲得更好的經(jīng)濟(jì)性。

一個(gè)典型的水下采油樹(shù)系統(tǒng)可以擁有20多個(gè)遠(yuǎn)程控制閥，其控制一般由水下控制模塊（SCM）來(lái)完成。邊際氣田因采油樹(shù)遠(yuǎn)程控制閥門數(shù)量較少（6—10），可以采用更簡(jiǎn)單，體積更小的簡(jiǎn)易SCM，其優(yōu)點(diǎn)如下：

·不需要水下控制模塊安裝基座，電纜／液壓管跨接線直接與模塊連接；

·潛水員或ROV安裝；

·不需要專門工具；

·尺寸小，重量輕（一般為大尺寸SCM的1/5）；

·直液或電液IWOCS模式。

本項(xiàng)目研究結(jié)果：

1）采用電液復(fù)合控制系統(tǒng)。

由水面控制單元，控制纜和水下控制模塊組成的系統(tǒng)對(duì)水下設(shè)施進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制和數(shù)據(jù)反饋。

2）水下控制模塊中采用單電子模塊。

3）冗余液壓供應(yīng)。

4）冗余電源和通信通道。

5）鉆完井控制采用直接液壓式。

6）當(dāng)主控制纜控制失效時(shí)，可使用IWOCS作為備用系統(tǒng)。

4.水下控制纜選型

控制纜主要依據(jù)液態(tài)承載管道的材質(zhì)分為鋼管和熱塑料管兩種。其優(yōu)缺點(diǎn)如下：

·費(fèi)用：一般而言，同樣的用途熱塑管比不銹鋼管節(jié)約20%—30%的費(fèi)用。

·交/訂貨周期：熱塑管制造快捷，無(wú)材料供應(yīng)限制，而鋼管控制纜交/訂貨周期取決于第三方供貨商。

·重量：熱塑管較輕，易運(yùn)輸、安裝

·彎曲半徑：熱塑管儲(chǔ)存或安裝時(shí)，彎曲半徑較小，選擇卷管系統(tǒng)安裝時(shí)可提供一定的柔性。

·防擠壓/抗破壞：鋼管可更好地抵抗深水中常見(jiàn)的擠壓碰撞和破壞。

·腐蝕：鋼管更適用于腐蝕性流體，超級(jí)雙相不銹鋼防腐性能更強(qiáng)。熱塑管必須選用耐腐蝕合金用進(jìn)行內(nèi)層鎧裝，即使這樣部分塑料材料仍與流體介質(zhì)直接接觸。

EH式控制纜能傳輸液壓介質(zhì)、甲醇、化學(xué)藥劑以及電信號(hào)等。

針對(duì)應(yīng)用項(xiàng)目的具體情況，研究分別對(duì)上述兩種控制纜進(jìn)行了液壓分析，核對(duì)了兩種控制纜的響應(yīng)時(shí)間。結(jié)果表明，兩種控制纜均可以滿足油氣田開(kāi)發(fā)及電液復(fù)合式控制纜應(yīng)用所要求的機(jī)械性能參數(shù)，若響應(yīng)時(shí)間符合緊急關(guān)斷的時(shí)間要求，建議使用熱塑管控制纜。

（作者就職于上海石油天然氣有限公司，文章有刪節(jié)）