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        移動(dòng)CNG平臺用于海上邊際氣田一體化開發(fā)模式

        2021-09-16 11:06:32張海兵喬勝勇陳景峰
        天津科技 2021年8期

        張海兵,喬勝勇,邱 爽,陳景峰

        (中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司 天津 300457)

        1 研究背景

        我國近海天然氣資源豐富,總地質(zhì)儲量近5.9萬億m3,廣泛分布于渤海灣盆地、東海大陸架盆地、珠江口盆地、鶯歌海盆地以及瓊東南盆地,其中相當(dāng)一部分為邊際小氣田、深海氣田和低品位氣田。如南海北部陸架天然氣儲量達(dá)到1.6萬億m3,其中10%以上為邊際氣田。此外,相當(dāng)一部分油田在開采初期有大量的伴生氣資源因無法回收利用而燒掉。

        鑒于天然氣是寶貴的資源以及“要與人類行為造成的氣候變暖作斗爭”這一全球社會責(zé)任要求,世界石油工業(yè)界正在積極努力消除天然氣火炬。習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上鄭重宣布“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值,努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。所以,節(jié)能減排工作已經(jīng)刻不容緩。

        對于這些邊際小氣田,由于其地層能量衰竭周期較短,產(chǎn)量遞減快,按照目前常規(guī)開采(導(dǎo)管架平臺+海底管線輸送)方式,很多因成本的限制而無法進(jìn)行開發(fā)利用。如表1所示,移動(dòng)式CNG平臺,作為開發(fā)邊際氣田的新型裝置,相較海底管線輸送和LNG運(yùn)輸,造價(jià)相對較低,而且能夠重復(fù)利用,在邊際小氣田開發(fā)上具有一定的優(yōu)勢。海底管線輸送屬于一次性投資,投用后發(fā)生的維護(hù)及保養(yǎng)費(fèi)用較少,但投資一次即為沉沒,不可重復(fù)利用,不適用于小氣量長距離輸送。LNG是已經(jīng)普遍用于陸地天然氣液化裝置,通過深冷介質(zhì)(目前普遍采用混合冷劑,液氮基本被淘汰)將天然氣溫度降到-160℃,天然氣從氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài),體積比600∶1,大量節(jié)省天然氣的存儲空間。但是,在處理過程中,需要提前分離出水分、輕質(zhì)油(凝析油)、丙丁烷等重組分,由于其種類多,處理和外輸?shù)难b置復(fù)雜,投資額較大。CNG雖然體積比相對較小(200∶1),但是處理過程僅需要初步凈化和氣液分離,裝置簡單很多,投資相對較小,比較適用于小氣量短運(yùn)程的項(xiàng)目。移動(dòng)CNG平臺一體化開發(fā),就是指針對邊際氣田或氣油比相對較高的海上油田,通過移動(dòng)式平臺加壓縮機(jī)模塊,進(jìn)行天然氣預(yù)處理和增壓,CNG存儲浮體兼具天然氣存儲與外輸靠泊功能,以外輸臂的形式將高壓天然氣輸送到CNG運(yùn)輸船上。

        表1 CNG項(xiàng)目建設(shè)與海底管線和LNG運(yùn)輸特點(diǎn)比較Tab.1 Comparison of characteristics of CNG project construction,submarine pipeline and LNG transportation

        2 移動(dòng)CNG平臺應(yīng)用開發(fā)方案

        邊際氣田的開發(fā)如圖1所示。需要具備簡易井口平臺連接,氣井天然氣脫水、凈化、增壓、外輸,凝析油分離、儲存等功能。

        2.1 移動(dòng)式CNG平臺

        目前,國內(nèi)外還沒有過嚴(yán)格意義上的CNG平臺。根據(jù)調(diào)研,中集來福士為Coastad Energy Solutions公司(美國)墨西哥灣油田建造一艘移動(dòng)式注氣平臺,壓縮壓力2~80 bar(200~8 000 kPa)。該平臺是為墨西哥灣海域定制的,平臺入泥較深、氣息高,所以整體平臺做得較大,于2015年交付使用。

        如表2所示,本項(xiàng)研究所涉及的CNG平臺,包括移動(dòng)式平臺、天然氣處理(脫水)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、CNG儲罐、外輸系統(tǒng)等,無論科技含量、材料應(yīng)用、風(fēng)險(xiǎn)管控等方面,都十分具有挑戰(zhàn)性。

        表2 移動(dòng)CNG平臺工程量測算Tab.2 Calculation of engineering quantity of mobile CNG platform

        平臺基礎(chǔ)參數(shù):

        ①四腿或六腿自升式可移動(dòng)鋼制結(jié)構(gòu)平臺;②作業(yè)水深40(渤海)~120 m(南海);③天然氣處理能力60(±20%)×104Sm3/d;④凝析油處理能力150 m3/d;⑤壓縮壓力25~30 MPa(g);⑥凝析油儲存能力1 500 m3;⑦天然氣發(fā)電機(jī)3 000 kW。

        為保證CNG平臺能適應(yīng)更廣泛的海域,具備更高的可靠性和安全性,平臺自身還可以具有推進(jìn)、錨泊定位、起重、升降、生活、消防等功能。

        2.2 CNG運(yùn)輸船

        CNG運(yùn)輸船不同于已經(jīng)出現(xiàn)的LNG和LPG運(yùn)輸船,其特點(diǎn)主要體現(xiàn)在超高的介質(zhì)壓力。CNG儲罐是壓縮天然氣的儲存設(shè)備,與移動(dòng)式CNG平臺一樣,需要專門的設(shè)計(jì)與施工工藝。

        如表3所示,運(yùn)輸船主要設(shè)施包括船體部分、動(dòng)力系統(tǒng)、儲存系統(tǒng)、錨泊系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、接收與輸送系統(tǒng)、生活設(shè)施等。

        表3 CNG運(yùn)輸船工程量測算Tab.3 Calculation of engineering quantity of CNG carrier

        CNG運(yùn)輸船是移動(dòng)式CNG平臺生產(chǎn)運(yùn)營鏈條的重要組成部分,負(fù)責(zé)將產(chǎn)出的CNG運(yùn)輸?shù)街付êS蚱脚_。其具體要求有:

        ①具有自航能力,天然氣主機(jī)或雙燃料主機(jī);②CNG儲存能力80×104Sm3;③具有凝液處理能力;④具有CNG外輸管線加熱能力;⑤具有CNG儲罐冷卻裝置;⑥具有小型CNG壓縮機(jī)加壓能力(針對燃料氣補(bǔ)充方案)。

        2.3 CNG外輸與接收

        CNG運(yùn)輸船與CNG平臺之間的接收與外輸,按照現(xiàn)有的技術(shù)手段,可采取2種方案實(shí)現(xiàn):

        ①海底輸氣管道加單點(diǎn)系泊(SPM)方式。該方案已經(jīng)被研究多次,對材料要求、加工精度、科技含量要求非常高,風(fēng)險(xiǎn)控制難度大,造價(jià)高,經(jīng)濟(jì)評價(jià)都為負(fù)面,而且其連接方式和運(yùn)行模式并不可靠。因此暫時(shí)不予考慮。

        ②浮式棧橋碼頭。浮式棧橋碼頭插樁于海底,固定CNG存儲浮體,與移動(dòng)平臺通過管線橋架連接,是在近些年FSRU、FLNG等項(xiàng)目中比較常見的靠泊方式。

        該方案可以使浮式碼頭盡可能靠近移動(dòng)平臺,將壓縮天然氣輸送到浮體儲罐儲存。浮體既是CNG儲罐,又是靠泊碼頭,可直接靠泊CNG運(yùn)輸船,無需敷設(shè)海底管線,操作性也較單點(diǎn)方式更為方便可靠。浮體連接在浮式棧橋上,通過管線與移動(dòng)平臺連接,是CNG的存儲裝置;外輸時(shí),作為CNG運(yùn)輸船的靠泊裝置,完成外輸作業(yè)。浮體碼頭同時(shí)可作為凝析油外輸?shù)目坎创a頭,實(shí)現(xiàn)邊際氣田凝析油外輸。

        如圖2、表4所示,浮式棧橋碼頭由以下幾部分構(gòu)成:帶纜樁、浮體CNG儲罐、管線橋架、CNG外輸軟管、凝析油外輸軟管、吸力錨、浮動(dòng)軸承等。

        表4 浮式碼頭工程量Tab.4 Engineering quantity of floating wharf

        3 移動(dòng)式CNG平臺項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評估

        移動(dòng)式CNG平臺項(xiàng)目實(shí)施過程中,往往需要進(jìn)行特別的定性、定量風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)和結(jié)果分析,提交的風(fēng)險(xiǎn)評估方案最少必須包含如下研究。

        3.1 風(fēng)險(xiǎn)識別(HAZID)過程

        必須進(jìn)行整體系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的識別,主要系統(tǒng)包括如儲氣罐、氣體卸載系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)等等。HAZID需要涵蓋船舶生命周期內(nèi)各種操作狀態(tài)(如天然氣處理壓縮、裝卸載、運(yùn)輸、入干船塢,儲氣罐系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉)。

        3.2 儲罐及貨物裝卸系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)與可操作性研究(HAZOP)

        HAZOP必須對CNG船在運(yùn)營中需要的各種儲氣罐和貨物裝卸控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)評估,這些系統(tǒng)及與其他系統(tǒng)(如船體等)間的關(guān)鍵界面同樣必須進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。

        3.3 CNG船舶關(guān)鍵系統(tǒng)的定量風(fēng)險(xiǎn)評估(QRA)

        QRA必須至少分析儲氣罐系統(tǒng)的氣體裝卸系統(tǒng)。當(dāng)根據(jù)HAZID、HAZOP或其他風(fēng)險(xiǎn)與工程研究結(jié)果認(rèn)為需要時(shí),其他相關(guān)系統(tǒng)也可進(jìn)行QRA。

        除各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評估內(nèi)容之外,還需要進(jìn)行專項(xiàng)研究,包括CNG罐箱及裝卸系統(tǒng)潛在的失敗后果。

        以上提及的風(fēng)險(xiǎn)評估是在設(shè)計(jì)過程中要進(jìn)行的最少風(fēng)險(xiǎn)評估內(nèi)容。根據(jù)移動(dòng)式CNG平臺、存儲浮體、CNG運(yùn)輸船以及外輸方式的具體設(shè)計(jì),其他風(fēng)險(xiǎn)評估方法或擴(kuò)大工作范圍可能需要作為整體風(fēng)險(xiǎn)評估方案的一部分,而且處理風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果也可能需要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。

        4 移動(dòng)式CNG平臺應(yīng)用前景分析

        根據(jù)所掌握的資料,目前世界上還沒有上文提到的真正意義上的海上CNG處理設(shè)施,其原因有2點(diǎn):其一,世界油氣市場千變?nèi)f化,投資風(fēng)險(xiǎn)巨大,CNG裝置較高的投資金額沒有找到能夠支撐起整個(gè)CNG產(chǎn)業(yè)鏈條的投資方向;其二,CNG產(chǎn)品超高的壓力蘊(yùn)含著巨大的安全風(fēng)險(xiǎn),出現(xiàn)不測將是不可控的狀態(tài)。

        但是,世界范圍內(nèi)CNG的陸路運(yùn)輸已成常態(tài),世界上第一條CNG運(yùn)輸船也已經(jīng)出現(xiàn),說明其技術(shù)瓶頸已經(jīng)攻破,而且對CNG的需求也是客觀存在的。隨著市場對清潔能源的

        需求逐步增加,海上老氣田產(chǎn)量的逐步遞減,邊際氣田的開發(fā)作為天然氣主管網(wǎng)的有效補(bǔ)充具有重要的實(shí)際意義,移動(dòng)式CNG平臺在短運(yùn)程、小運(yùn)量的邊際油氣田開發(fā)中具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

        所以,移動(dòng)CNG平臺用于海上邊際氣田開發(fā)的一體化模式,必須跳出原有的固定觀念,轉(zhuǎn)變思路,化繁為簡,運(yùn)用簡單、高效的運(yùn)維組合,必然能夠找出一條良性發(fā)展的新路?!?/p>

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