利用海上核電站實現稠油規模熱采方案研究

譚 越，周曉東，劉 聰，石 云，王國棟

中海油研究總院，北京100028

利用海上核電站實現稠油規模熱采方案研究

譚 越，周曉東，劉 聰，石 云，王國棟

中海油研究總院，北京100028

應用核能開展海上稠油大規模熱采開發的方式具有良好的前景。對不同型式的核電平臺及熱水外輸方案進行了比選，提出了一種新的稠油大規模熱采模式，該系統包括可移動核電平臺、熱水生產系統、熱水外輸裝置、輸水管道。熱水外輸裝置為筒型基礎的立管平臺，通過棧橋連接核電平臺上的熱水生產系統，底部連接輸水管道，通過多根海底管道將大量熱水輸往不同稠油油田。此開發模式可以提供大量熱源，能夠滿足多個稠油油田同時熱采以及后期其他熱采油田接入的需求。

海上核電站；稠油；規模熱采；熱水外輸；立管平臺

渤海油田稠油儲量豐富，但分布范圍廣、類型復雜，重質組分含量高、黏度大、流動性差，導致開采難度大，主要依靠熱力采油方法進行開采。目前海上稠油大規模開發的配套技術還不成熟，導致稠油油田開發經濟效益較差。現階段只是針對某個油田，在一個平臺上安裝有熱采設備，開采規模僅限于幾口井。因此研發一套可以提供大量熱源，能夠滿足多個稠油油田同時熱采的大規模開發模式十分必要，可降低工程投資，提高經濟效益。

1 海上核電平臺用于稠油熱采方案

對于海上油田，為了滿足熱采注入水的溫度要求，不僅要對海水進行淡化，還需要通過蒸汽將淡化水加熱。在陸上普遍采用的熱采技術，在海上無法大面積實施，主要問題是缺乏熱源供給。

如何為稠油油田提供經濟的熱源，成為渤海灣稠油油田開發的制約因素，采用核能無疑是一項值得期待的方式。利用核能裝置的二回路抽氣換熱，可以解決稠油熱采需要大量熱能的問題，相對其他方案優勢明顯[1]。

建設海上核電站以開展大規模的稠油熱采，既要確保熱采的技術可行性和經濟性，也要考慮核電設施與海洋工程各自特點，整個方案包括核設施、作為其載體的海上核電平臺、高溫熱水的生產和外輸。

2 熱水外輸方案與核電平臺型式比選

2.1 熱水外輸方案比選

熱水驅方案對比見表1，可以看出，采用熱水驅時，所注熱水溫度最高可達200℃，且溫度越高，對應的采收率提高幅度越大[2]；而采收率提高幅度越大，稠油油田開發越高效，也越經濟。但目前有實際應用的柔性軟管能夠輸送的介質最高溫度僅130℃，輸送介質溫度達到150℃的軟管還在研制過程中。鋼制管道既可以保證高溫度的熱水外輸，經濟性上也具有優勢，因此鋼制管道是現階段更優的選擇。

表1 熱水驅方案對比

2.2 核電平臺型式比選

適用于渤海灣的海上核電平臺型式有多種，如人工島、導管架平臺、重力式平臺、浮式平臺、可移動式平臺等。對于不同的載體型式，受運營期間換料大修等工況的控制，有不同的熱水外輸方案。

2.2.1 單點系泊浮式平臺

單點系泊浮式平臺可用作海上核電站的載體，在渤海海域可參考海洋工程常用的FPSO形式[3]，定位方式通常采用塔架軟剛臂單點系泊系統，該系統由系泊塔架、旋轉接頭、系泊機構、FPSO支撐機構四部分組成。

塔架軟剛臂單點系泊裝置適用于淺水海域，作業水深小于40 m；具有一定的抗冰能力，多年來的應用證明該裝置可解決冰區海域的抗冰問題。因此被認為是技術成熟、安全可靠的可解脫系泊裝置。

由于船體與系泊塔架存在相對運動，因此二者間的熱水外輸管道必須采用軟管，而目前業界單點液通道設計最高溫度為120℃，此兩個限制條件決定了熱水外輸溫度不能超過120℃。此外，單點系泊系統屬于專利技術，被國際上幾家公司壟斷，應用受限較大。

2.2.2 多點系泊浮式平臺

與單點系泊浮式平臺相比，多點系泊浮式平臺無法使船體具有風標效應（在各種風浪流作用下船體受力最小），且淺水海域應用懸鏈線式系泊系統，存在一個相當大的系泊纜輻射半徑，定位效率較差，還要考慮對過往航行船的影響。多點系泊浮式平臺專利技術較少，在國際上未被壟斷，且可以懸掛更多的管纜系統[3]。但多點系泊浮式平臺與單點浮式平臺一樣，所連接的熱水外輸立管也只能是柔性軟管，也無法實行高溫熱水外輸。

2.2.3 固定式平臺

固定式平臺如導管架平臺在渤海應用很多，技術上也非常成熟，采用固定式核電平臺應是合理的選擇[4]，熱水外輸既可以采用鋼管，也可以采用軟管。但核設施在運營期間，要進行多次的換料和大修[5]，而在海上更換核燃料的難度較大，導致風險極大增加。

2.2.4 可移動式平臺配置立管平臺

可移動式核電平臺在運營期間可以多次返回陸上基地進行維護，能夠克服固定式平臺在海上更換核燃料的難度和風險，但是每一次移位和就位都要進行與海底管道的解脫和連接的水下作業，需要動員施工船舶和潛水員，時間長、費用高。

配置立管平臺可解決上述問題[6]。平臺采用獨腿結構、多筒基基礎，通過平臺上的搖臂式棧橋與產生高溫熱水的核電平臺連接，如圖1所示。在核電平臺移位時，立管平臺可原地不動，也可與核電平臺一起遷移至其他場地作業。

2.3 方案比選

圖1 可移動式核電平臺和立管平臺系統示意

根據各方案的情況，單點系泊浮式結構的熱水外輸方案存在軟管段，且受單點液通道和國外技術壟斷的限制，因而不被推薦。多點系泊浮式方案無技術壟斷的問題，但只能采用軟管進行熱水外輸，外輸溫度低導致熱采效率較差。固定式平臺雖然可以簡單方便地實現鋼管熱水外輸，卻不滿足核設施所要求的返回陸地大修和換料要求，可行性較低。可移動核電平臺移位及復位簡單，保證了核反應堆換料和大修的要求，通過立管平臺可實現鋼管熱水外輸。綜上所述，推薦可移動平臺核電載體配置立管平臺的熱水外輸方案。

3 海上核電平臺高溫熱水外輸方案

本稠油熱采的規模開發模式，其系統包括核電平臺、熱水生產系統、熱水外輸裝置和輸水管道，見圖1。采用可移動核電平臺作為熱水生產系統裝置的載體，熱水外輸裝置的主體位于核電平臺近旁的立管平臺，通過棧橋連接核電平臺上的熱水生產系統。

外輸立管平臺就位后，上部棧橋可繞甲板上的回轉支承旋轉，與核電平臺搭接。輸水管道由三部分組成：立管段（管段1），膨脹彎段（管段2）及棧橋內部管段（管段3），見圖2。立管段與膨脹彎、膨脹彎與棧橋內部管段，棧橋內部管段和熱水生產平臺的管道之間皆用法蘭連接。

圖2 輸水管道立面

核電平臺因維護需要移位時，只需抬起棧橋；再就位時，將棧橋下放。如核電平臺在某地服役結束后，立管平臺可以隨之整體移走，也可原地棄置。

立管平臺可容納多根鋼質立管，底部連接輸水管道，并可預留接口以滿足后期接入需求，如圖3所示。因此可將大量熱水輸往不同稠油油田，滿足多個稠油油田同時熱采的需求。

4 結束語

利用核能技術作為渤海灣稠油熱采廉價熱量的供給來源，研發一套可移動、可重復利用、可方便與熱水源平臺連接的高溫熱水外輸系統，可以解決稠油熱采所需熱能成本與提高采收率的矛盾，將有望提高渤海灣油田的產量規模。該系統具有以下功能：

圖3 稠油規模熱采總體方案示意

（1）提供海上稠油大規模熱采所需的熱源。

（2）滿足多個稠油油田同時熱采。

（3）產生的熱水是核能的副產品，不消耗其他能源。

（4）熱水外輸裝置具有獨立性，可與多種熱水產生平臺連接。

（5）系統具有擴展性，可滿足后期熱采油田接入需求。

[1]劉輝.海上核電廠[J].中國電力教育，2014，29（4）：93.

[2]中海油研究總院.海上核能利用關鍵技術研究專題報告——熱能利用技術研究報告[R].北京：中海油研究總院，2015．

[3]李華城，劉聰，勞業程，等.ACPR50S小型堆核電站海上平臺形式論證[J].廣東造船，2015（6）：33-36.

[4]何一平.淺談核電站及其在未來海上設施上的應用[J].中國海上油氣（工程），1999，11（4）：21-23.

[5]HAF 103/01-1994，核電廠換料、修改和事故停堆管理[S].

[6]張賀.海底管線立管登平臺分析[J].中國造船，2013，54（S2）：83-87.

Scheme research on massive heavy oilthermalrecovery by utilizing offshore nuclear power plant

TAN Yue，ZHOU Xiaodong，LIU Cong，SHIYun，WANG Guodong

CNOOC Research Institute，Beijing 100028，China

Offshore nuclear power plant is utilized for massive heavy oil thermal recovery with good application prospect. Comparisons and evaluations of schemes of different nuclear power platforms with high temperature water export are made，and then a recommendation is obtained.The structures include the mobile nuclear power platform，high temperature water production system，water export device and pipeline.The water export device is a riser platform with bucket foundation，a trestle bridge connects it and the water production system on the nuclear power platform.At the foot of the riser platform，the water is transported to several oilfields through pipelines.This offshore oil field development mode can provide large heat source，and meet the requirements of thermalrecovery for severalheavy oilfields and other field tie-in at later stage.

offshore nuclear power plant； heavy oil；massive thermal recovery；high temperature water export； riser platform

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.01.013

譚 越（1978-），男，遼寧建平人，高級工程師，2007年畢業于上海交通大學船舶與海洋結構物設計制造專業，博士，主要從事邊際油田開發、船舶及海洋工程結構設計研發工作。

2016-09-07；

2016-11-28

中海石油有限公司綜合科研項目“渤海海域油氣開發核能應用技術預可行性研究”

Email：tanyue2@cnooc.com.cn