東海邊際氣田開發(fā)總體方案設(shè)計研究

文/朱曉茵、陸文偉

東海邊際氣田開發(fā)總體方案設(shè)計研究

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藏的天然氣資源，關(guān)鍵是尋找一種適合邊際氣田開發(fā)的經(jīng)濟有效方式。水下生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)用使得邊際氣田經(jīng)濟高效開發(fā)成為可能。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)是一種海洋油氣田開發(fā)新技術(shù)，與傳統(tǒng)的海上油氣田開發(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)施進行開發(fā)，具有開發(fā)成本低、建設(shè)周期短、開發(fā)效益高的特點。

通過調(diào)研國外水下生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，評估國內(nèi)海洋工程設(shè)計、建設(shè)、施工能力，以系統(tǒng)的可靠性、安全性、經(jīng)濟性為前提，針對研究的難點與關(guān)鍵點，進行水下生產(chǎn)系統(tǒng)總體方案設(shè)計研究，特別就水下采油樹、跨接管、水下控制系統(tǒng)和水下控制纜等關(guān)鍵技術(shù)進行認真的分析研究，提出了符合近海邊際氣田開發(fā)需求的解決方案。

研究意義

我國是一個人口眾多、資源相對不足的發(fā)展中國家，能源短缺是制約我國經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸之一。無論從供應(yīng)總量，還是從多氣源供應(yīng)格局來看，確保上海市天然氣安全供應(yīng)是個長期的課題。

東海海域蘊藏著豐富的天然氣資源，是我國海洋油氣資源開發(fā)的重要基地之一。在整裝油氣田周邊存在著大量單個構(gòu)造預(yù)測儲量5億—15億立方米的邊際氣田，傳統(tǒng)的采用固定式導(dǎo)管架平臺和干式采油樹的開發(fā)工程方式將不能實現(xiàn)經(jīng)濟有效開發(fā)。因此，如何依托已有設(shè)施，以經(jīng)濟高效的工程方案進行邊際氣田的開發(fā)，降低勘探開發(fā)的經(jīng)濟門檻，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的邊際氣田開發(fā)的經(jīng)濟有效方式。

邊際氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計的難點與關(guān)鍵點

就邊際氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計來說，除了必須達到整裝氣田設(shè)計要求以外，還必須充分考慮以下難點與關(guān)鍵點：

·經(jīng)濟性。與整裝氣田設(shè)計思路不同，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)濟性，將整個系統(tǒng)的成本壓縮在一個可控范圍，這樣才能使得邊際氣田具有經(jīng)濟開發(fā)價值。

·可靠性。水下設(shè)備的選擇必須是可靠的，同時盡可能做到優(yōu)化、簡便、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、維修和維護要求可通過不同的船只完成。

·可擴展性。邊際氣田部署的井口數(shù)少、比較分散，而且往往采取滾動開發(fā)的方式，設(shè)計時必須注意其方案的可擴展性。

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

·可恢復(fù)性。必須充分考慮到東海臺風(fēng)多發(fā)的特點，在臺風(fēng)過后可使用小型船舶搭載安裝維修系統(tǒng)（IWOCS）恢復(fù)對水下生產(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)計方案主要包含以下關(guān)鍵技術(shù)研究：

1.水下采油樹選型

目前國際上通用的水下采油樹有水平采油樹、雙通道豎直采油樹、單通道豎直采油樹、簡易采油樹和泥線采油樹等類型。

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

其他幾種采油樹中，簡易采油樹是更具競爭力的解決方案，但是到目前為止還沒有工程應(yīng)用實例，基于可靠性的原則，暫時不予使用。其余三種采油樹技術(shù)都成熟可靠，從邊際氣田應(yīng)用的經(jīng)濟性考慮，采用單通道豎直采油樹為佳。

本項目研究結(jié)果：

1） 采用單通道豎直采油樹。

2） 采油樹上安裝不可回收的水下油嘴閥。

3） 水下控制模塊（SCM）安裝于采油樹上。

4） 由單通道完井立管或鉆桿完成采油樹的安裝。

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。剛性跨接管由多個管段焊接而成，在兩端安裝相應(yīng)的連接頭。其優(yōu)點是：可以根據(jù)現(xiàn)場測量結(jié)果確定或修改跨接管的長度和結(jié)構(gòu)形式。相比柔性跨接管，剛性跨接管的交貨時間要短很多，良好的工程設(shè)計可以簡化安裝。其缺點是：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。水平跨接管對于保護結(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保障方面的問題。考慮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標準旋轉(zhuǎn)法蘭、Grayloc?標準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－金屬密封已通過實際的檢驗，但無法對單個連接器進行密封試驗，必須對整個跨接管進行測試。

本項目研究結(jié)果：

1） 采油樹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，以方便對采油樹和PLEM/ILT的進行保護。

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)濟性、可靠性、可擴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易控制模塊，以獲得更好的經(jīng)濟性。

一個典型的水下采油樹系統(tǒng)可以擁有20多個遠程控制閥，其控制一般由水下控制模塊（SCM）來完成。邊際氣田因采油樹遠程控制閥門數(shù)量較少（6—10），可以采用更簡單，體積更小的簡易SCM，其優(yōu)點如下：

·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)對水下設(shè)施進行監(jiān)測、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）當主控制纜控制失效時，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)缺點如下：

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

·交/訂貨周期：熱塑管制造快捷，無材料供應(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，易運輸、安裝

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

·防擠壓/抗破壞：鋼管可更好地抵抗深水中常見的擠壓碰撞和破壞。

·腐蝕：鋼管更適用于腐蝕性流體，超級雙相不銹鋼防腐性能更強。熱塑管必須選用耐腐蝕合金用進行內(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)藥劑以及電信號等。

針對應(yīng)用項目的具體情況，研究分別對上述兩種控制纜進行了液壓分析，核對了兩種控制纜的響應(yīng)時間。結(jié)果表明，兩種控制纜均可以滿足油氣田開發(fā)及電液復(fù)合式控制纜應(yīng)用所要求的機械性能參數(shù)，若響應(yīng)時間符合緊急關(guān)斷的時間要求，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)）