劉 鵬，王旺球，陳剛強，王大鵬,2

（1.中船重工第七一三研究所，鄭州 450000；2.哈爾濱工程大學，哈爾濱 150001）

0 引言

深海洋底資源豐富，將成為人類未來的重要能源基地[1]。目前世界深海油氣探明儲量已探明儲量達500×10 bbl油氣當量，占海洋油氣資源的65%以上[2]。雖然深海蘊藏資源豐富，但由于深海高壓、低溫、難以維護的惡劣環(huán)境，其開發(fā)面臨巨大的挑戰(zhàn)。對于深水開采，傳統(tǒng)開采平臺的造價會隨水深的增加而急劇增長，以至增加到在經(jīng)濟上不可行[3]。為了降低深海油氣的開發(fā)成本，各國紛紛將目光轉(zhuǎn)向性價比更高、更為先進的水下生產(chǎn)系統(tǒng)。

在國內(nèi)，中海油和加拿大赫斯基能源公司協(xié)作開發(fā)南海超千米水深的荔灣3-1氣田，于2014年投入深海天然氣生產(chǎn)[4]。在國外，海工研制與建設能力全球領先的美國和挪威等歐美發(fā)達國家早在上世紀80年代已經(jīng)實施深海氣田的開采[5]。深海油氣的開采起初依靠海底井口高壓克服重力和摩擦阻力，使油氣經(jīng)過遠距離回輸管道登海上油氣處理平臺。但隨著深海油氣的開采，海底井口壓力逐年降低，油氣采收率下降造成井口提前廢棄。以荔灣3-1深海氣田為例，深水海管登平臺壓力在開采的第4年（2018年）就由7.6 MPaA降為2.6 MPaA[6]，極大降低了油田采收率。為了解決此問題，挪威 Kjell Olav Stinessen從1985年提出了海底油氣增壓系統(tǒng)想法并引起了廣泛關注，其極其可觀的預期收益使多個知名海工公司、研究機構(gòu)、相關供應商投入到海底油氣增壓系統(tǒng)相關工程上來[7]。

截止目前，已有多個深海油氣增壓項目落地或在研，這些項目多數(shù)集中在挪威北海的大型深海氣田，本文總結(jié)了當前3個主要的深海油氣增壓項目，并依托2015年建成的?sgard深海油氣增壓項目對該技術進行詳細介紹。

1 國外主要深海油氣增壓項目

目前國外主要的3個深海油氣增壓項目主要集中在挪威北海，分別為 ?sgard、Ormen Lange和Gullfaks深海油氣增壓項目。其中?sgard和Ormen Lange深海油氣增壓項目利用先氣液分離再進行海底增壓的技術，Gullfaks深海油氣項目采用更先進的多相泵進行海底增壓技術，即在海底增壓前不進行氣液分離。深海油氣增壓項目耗資巨大，但效果和收益非?？捎^。以?sgard深海油氣增壓項目為例，挪威國家石油公司共投入資金190億挪威克朗（約合22.74億美元），從2005年開始研究，技術可行性論證到投入使用共耗時10年。已經(jīng)建成的增壓系統(tǒng)可對52個海底井口進行增壓服務，受益于該油氣增壓系統(tǒng)的兩大海底油氣開采場Midgard和Mikkel，油氣產(chǎn)率分別由67%和59%提高至87%和84%，使?sgard油田延壽至少15年。至2032年，總增產(chǎn)量預計達2.78億桶當量原油，按目前（2017年12月）國際原油價格57.74美元/桶計算，總價值約160.52億美元，圖1為?sgard深海氣田增壓系統(tǒng)增產(chǎn)示意圖。

?sgard目前已投入使用，Ormen Lange和Gullfaks深海壓縮系統(tǒng)目前尚處于研制階段。全球主要深海油氣增壓系統(tǒng)設計參數(shù)如表1所示。

表1 全球主要深海油氣增壓系統(tǒng)工程設計參數(shù)

Ormen Lange項目和?sgard項目增壓原理相同，但前者設計增壓值更大，油氣回輸距離為 120 km的超遠距離輸送，設計流量也為后者的 2.4倍。Gullfaks深海壓縮系統(tǒng)設計參數(shù)較Ormen Lange和?sgard項目低，但是采用了海底多相流增壓，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將壓縮系統(tǒng)的體積降低了4倍～5倍。由于大功率深海電機的研制瓶頸，3個項目均采用2個并列的壓縮單元進行增壓，以達到需求的增壓至和日流量。?sgard項目由于沒有前車之鑒，在陸上額外配置1臺備用壓縮機，縮小系統(tǒng)工程出現(xiàn)風險的概率，目前該項目已成為深海油氣增壓的典范工程[8]。

2 ?sgard 深海油氣增壓系統(tǒng)工程

2.1 系統(tǒng)工程組成及工作原理

?sgard深海壓縮系統(tǒng)已于2015年9月正式投入使用，是世界上第一個全尺寸深海油氣壓縮系統(tǒng)工程，項目研制經(jīng)驗具有重要的借鑒意義。?sgard深海油氣壓縮系統(tǒng)工程主要包括5大部分：1）深海油氣壓縮系統(tǒng)；2）海上作業(yè)補給船?sgard A；3）半浮式海上油氣處理平臺 ?sgard B；4）液化氣運輸存儲船Asgard C；5）遠距離回接海底管道。圖2為系統(tǒng)工程組成示意圖。

深海油氣經(jīng)過Asgard油田Midgard和Mikkel兩個采油場采出后，經(jīng)過海底管道傳輸至管匯系統(tǒng)，管匯系統(tǒng)根據(jù)2個并列壓縮單元的工作狀態(tài)將原始油氣進行分配。壓縮系統(tǒng)將管匯系統(tǒng)輸入的油氣進行增壓，通過海底管道將油氣回輸至 45 km外的Asgard B半浮式油氣處理平臺作進一步處理，最終由液化氣運輸存儲船 Asgard C輸送至陸上油氣處理終端。

圖2 挪威Asgard深海遠距離回接系統(tǒng)示意圖

2.2 增壓系統(tǒng)組成及工作原理

增壓系統(tǒng)是 ?sgard深海油氣增壓系統(tǒng)工程的核心。該系統(tǒng)采用模塊化設計，下部為支撐底座，所有模塊安裝在一個74 m×44 m×24 m（長×寬×高）的鋼結(jié)構(gòu)保護框架內(nèi)，系統(tǒng)利用大型吸力錨在海床上的定位。增壓系統(tǒng)內(nèi)部主要由入口冷卻器、分離器、液態(tài)泵、濕氣壓縮機、出口冷卻器和油氣混合裝置共6個部分組成，主要組成部分如圖3所示。

圖3 增壓系統(tǒng)內(nèi)部主要組成圖

在油氣進入每個壓縮單元之前，油氣先要經(jīng)過冷卻器進行冷卻。冷卻后根據(jù)液體和氣體密度不同，油氣進入分離器進行離心分離，之后氣體進入運行功率為11.5 MW的油氣壓縮機進行增壓，液體進入運行功率為500 kW（第一單元）或者350 kW（第二單元）的液態(tài)增壓泵進行增壓。增壓后氣體通過管道流入輸出冷卻器進行降溫以保護生產(chǎn)線，并在匯流裝置內(nèi)與液態(tài)油匯合后進入管匯站，通過遠距離傳輸海底管道輸送至45 km外的半浮式油氣處理平臺進行處理。壓縮機和液態(tài)泵輸出管路后必須接管至輸入冷卻器前端，并配備控制閥門，以防止輸入油氣流量降低造成輸出高壓油氣回流，導致壓縮機和液體泵的喘振造成嚴重事故。單個壓縮單元工作原理如圖4所示。

圖4 單個壓縮單元工作原理圖

2.3 關鍵技術

2.3.1 MAN RB 45型號11.5 MW深海電機技術

壓縮系統(tǒng)總承包商 Aker Solution公司采用MAN RB45型號全密封無極調(diào)速深海濕氣壓縮機，功率最大11.5 MW，轉(zhuǎn)子可達9 175 r/min。采用6級壓縮[9]。深海環(huán)境下可靠工作20年～30年。濕氣壓縮機包括大功率電機和壓縮機兩部分，共用同一個轉(zhuǎn)子，無聯(lián)軸器，使轉(zhuǎn)子姿態(tài)控制降低為7個空間自由度，采用主動磁懸浮軸承進行控制。濕氣壓縮機采用工藝氣進行冷卻，盡管之前工藝氣已和液體進行分離，但并不完全，冷卻氣須進入過濾器進行除污，保證壓縮系統(tǒng)內(nèi)部長時間正常運轉(zhuǎn)。壓縮機采用特殊的流道設計，電機端壓力分配大于壓縮機端壓力分配，經(jīng)過濾的干凈工藝氣，流經(jīng)電機將雜質(zhì)吹入壓縮機端，部分工藝氣作為冷卻氣經(jīng)過濾器由電機尾端充入，防止電機內(nèi)部材料被濕氣腐蝕，避免帶電離子與電機磁場相互作用，MAN RB45深海電機工作原理如圖5所示，結(jié)構(gòu)模型如圖6所示。

圖5 MAN RB45油氣壓縮機冷卻與氣體補償原理圖

圖6 MAN RB45深海油氣壓縮機模型

2.3.2 高精度超高速主動磁懸浮軸承技術

高精度超高速主動磁懸浮軸承功率5 kw，可通過調(diào)節(jié)7個自由度來控制轉(zhuǎn)子姿態(tài)，高頻傳感器監(jiān)測頻率15 000 Hz，控制器反饋信號頻率4 000 Hz，磁路系統(tǒng)經(jīng)過優(yōu)化使渦流效應得以最小化。軸承高負載能力最高達30 kN（徑向）和80 kN（推力）。軸承材料不含有色金屬，增加材質(zhì)對油氣腐蝕的不敏感性，運行過程中可用化學試劑進行洗滌（如乙二醇）。軸承材質(zhì)加工采用真空壓力浸漬（VPI）技術，可用于惡劣環(huán)境（例如酸性氣體環(huán)境）。

高精度超高速主動磁懸浮軸承系統(tǒng)的閉環(huán)控制原理如圖7所示。轉(zhuǎn)子運行過程中，傳感器實時監(jiān)測轉(zhuǎn)子位置，并將位置信息變?yōu)閿?shù)字信號提交至控制器，控制器經(jīng)過計算將反饋信號提交至功放，將放大后的控制電流導入執(zhí)行線圈，對轉(zhuǎn)子位置進行矯正。此外，該軸承系統(tǒng)還配備有狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，可對轉(zhuǎn)子和軸承的振動、動平衡及溫度進行實時監(jiān)測，磁懸浮軸承的主控制柜不在水下。

圖7 7 SKF S2M超高速主動磁懸浮軸承控制原理圖

3 展望

?sgard深海油氣壓縮系統(tǒng)工程將之前陸上的深海油氣轉(zhuǎn)運與處理移至海底，是名副其實的海底油氣工廠。但海底增壓系統(tǒng)工程的建設在全球范圍內(nèi)剛剛拉開序幕，仍存在大量改進與突破的空間。當前深海油氣的壓縮正朝著輕量化、多相流增壓、更深海域方向發(fā)展。

3.1 輕量化

輕量化是指在實現(xiàn)核心功能的情況下進行系統(tǒng)減重，去掉冗余構(gòu)件以減小模塊體積，或?qū)?個模塊合為一體以縮減模塊數(shù)量，最終目的是提高系統(tǒng)部署的靈活性。輕量化可減少設計工作量，降低安裝成本和運營成本，提高設備可靠性，以更低的代價進行深海油氣增壓。

3.2 多相流增壓

多相流增壓是指增壓系統(tǒng)利用多相流壓縮機直接壓縮從采油樹輸入的原始油氣，無需經(jīng)過分離器進行分離，使結(jié)構(gòu)大幅簡化，多相流工作原理如圖8所示。目前挪威 Aker Solution海工公司和美國OneSubsea已經(jīng)開展多相流增壓相關工作，后者已研制出可用于深海油氣壓縮的多相流壓縮機，用于中短距離（15 km）的油氣增壓回輸，在遠距離油氣增壓回輸領域尚未涉及，后期仍有大量技術改進與突破的空間。

圖8 多相流增壓原理圖

3.3 更深海域

目前挪威北海的三大深海增壓項目平均工作深度在900 m水深以內(nèi)，而1 000 m以下水深有大量油氣資源需要開發(fā)，比如我國荔灣3-1氣田，采油樹多在水下1 500 m水深工作，這就迫使深海增壓技術向更深的海域發(fā)展，使更多的深海油氣資源在可開采范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

隨著世界海洋經(jīng)濟的快速發(fā)展，國家之間的海洋經(jīng)濟競爭呈現(xiàn)白熱化趨勢。領先的海洋工程研制和作業(yè)技術是世界海洋開發(fā)競爭中取得主動權的重要技術支撐，雖然我國近年來科技發(fā)展迅速，但很多海洋工程領域的重大共性技術與國外先進水平還有不小差距，比如大功率深海電機技術，超高速磁懸浮軸承技術等。學習和借鑒國外海洋工程先進典范項目的成功經(jīng)驗并結(jié)合我國實際國情進行吸收，是我國發(fā)展海洋工程尤其是深海工程技術的一條快速通道，在學習借鑒過程中，同時提高自身造血功能，培養(yǎng)海工技術人才，積淀核心技術，才能不斷增強我國海洋工程技術發(fā)展的后勁，在海洋經(jīng)濟尤其是深海經(jīng)濟對抗中保持優(yōu)勢。