東海邊際氣田開發水下生產系統關鍵技術研究

上海石油天然氣有限公司

東海蘊藏著豐富的天然氣，有較多分布于中小構造中，也存在著大量儲量5～15億m3的邊際氣田。上海石油天然氣有限公司（下稱公司）在地質鉆探中，即鉆遇有邊際氣田，對這些氣田進行經濟有效開發，可一定程度緩解上海能源供需矛盾。經大量前期研究顯示，水下生產系統是一種適合東海海況特點的邊際氣田開發方式，這項工作的開展得到了國家科技部的支持，被列為國家863計劃海洋技術領域重點項目。

水下生產系統是一種通過水下完井系統，和安裝在海底的生產設施、海底管匯系統及海底管線組成一套水下油氣水傳輸系統；通過地面和水下控制系統的操作控制，將油氣井采出的油水氣從海底輸送到依托設備或陸上終端的系統工程，是一個技術密集、多學科綜合協調的海洋工程高技術領域。公司不僅要攻克這個高技術領域的各項難關，還要有所突破，把目標定位為東海的邊際氣田水下生產系統開發。通過課題研究，依托海上現有平臺，進行平臺周邊邊際小型氣田的開發，重點突破水下生產系統總體方案設計、控制系統和水下管匯的研制與集成等關鍵技術，建成我國東海第一套具有自主知識產權、依托于海上現有平臺的邊際氣田開發水下生產系統，填補空白，使天然氣可采儲量5億m3的目標邊際氣田具有經濟開發價值。

針對東海邊際氣田的特點，公司開展了水下生產系統國內外廣泛調研、基礎研究、關鍵技術攻關、樣機研制、單機和聯合測試、海上試驗等工作，突破并掌握了邊際氣田水下生產系統總體方案設計、控制系統研制、水下管匯集成裝置研制、水下生產系統地面測試技術、系統總體集成安裝及調試技術等五項關鍵技術，并完成了水下管匯、控制模塊、控制系統、測試系統等樣機的自主研制。2016年3月國家科技部組織的技術驗收中，對該項目給予肯定和較高評價并通過驗收。

1 水下生產系統總體方案設計

總體方案分成兩階段實施，第一階段與美國的MCS合作，針對平湖油氣田中山亭區塊的狀況進行總體方案設計。主要對井口布置優化技術進行研究，提出可實施的水下生產系統井口布置方案；開展水下井口和采油樹的設計研究，提出相應的水下采油樹方式和技術規格書；分析設備制造、安裝和連接、操作可行性和可拓展性等方面的特點，提出相應的管匯布置方案；分析水下生產系統控制需求，進行控制系統相關技術的研究，提出相應的水下生產系統控制方式，開展控制纜的設計研究，提出技術規格書。

第二階段與國內公司合作，水下設施、水下控制系統、流動保障、海底管道以及安裝等方面進行了國內優化與配套研究工作。形成成果文件包括一套水下生產系統總體方案研究報告、一套海洋油氣田開發水下生產系統設計文件和研究報告。

掌握的水下生產系統整體技術，可應用于可采儲量5億m3邊際氣田的經濟有效開發。

2 控制系統的研制

控制系統主要是對水下生產系統的各項裝置、閥門部件等進行遠程控制，需對水下遠距離信號傳輸、水下控制系統接口、控制系統設施設計與制造、控制系統集成等關鍵技術進行研究，研制用于水下生產系統的集成控制系統裝置。

（1）具有自主知識產權的控制系統設計方案和設計圖紙

經過調研國外先進技術，研究國外供應商產品的特點，研讀標準。考慮通信距離、技術成熟度、可靠性、成本等因素，對于本項目推薦采用電力線載波通信方式，對于通信處理器，采用單片機或嵌入式系統處理器。

（2）用于水下生產系統的控制系統裝置

通過對管匯生產系統工作環境特點以及操作、通信、控制、驅動等內容的研究，設計開發了一套基于雙機熱備技術的水下管匯控制系統（圖1），主要包含：水下電控系統、水面控制柜、水下控制集成裝置、壓力補償機構、水面液壓單元、水面連接機構等。

圖1 水下管匯控制系統

該控制系統能夠對控制輸出進行實時檢測和反饋，若其中一路電源、控制、驅動電路發生故障時，自動切換至另一個控制通道，并給出運行提示信息；電磁閥液壓驅動單元的開、關管路采用備份方式，任一方向開關故障均可通過備份通道執行動作。

3 水下管匯集成裝置的研制

結合東海邊際氣田的特點，自主設計和研制水下管匯系統，完成水下管匯工程設計和加工制造的技術儲備，初步掌握其設計和制造技術，培養技術隊伍，為水下生產系統在中國的推廣奠定基礎。

（1）水下管匯集成裝置設計方案和設計圖紙

管匯設計，包括結構分析、設備基礎分析、水下管匯安裝分析、回收分析、防落物設計分析、陽極設計、儀控設計等。

成果文件包括水下管匯設計流程圖、典型的水下管匯HIPPS布置圖、典型的卡箍式連接器示意圖、典型的臥式卡爪式連接器結構示意圖、水下管匯垂直連接示意圖、水下管匯水平連接示意圖等圖紙約20份。

3.2.3 單純活檢 如果TURBT術中觀察見腫瘤浸潤肌層可能性大，也可考慮單純行腫瘤邊緣和基底部活檢。但若病檢結果未能證實浸潤，則需行二次電切，除非有其他因素促使行膀胱癌根治術。

（2）水下管匯集成裝置

根據水下管匯的設計成果，依托國內工程設計和加工制造能力，建成我國東海第一套具有自主知識產權、適用于目標氣田的水下管匯集成裝置（圖2），該裝置滿足2～3個跨接管接頭，管徑4"～6"，裝置尺度＜6 m*6 m，抗底流能力3節，水深滿足350 m。

4 水下生產系統地面測試技術

地面測試技術主要是需要形成一套水下生產系統單項設備和系統地面聯合測試規程，并研制一套測試系統，具有單項設備和系統聯合測試功能，能對單項設備進行水壓、密封、功能和操作等測試，并能實施接口連接和系統聯合功能測試。

為完成該項工作，公司組織對FMC和Vetco Gray位于新加坡的采油樹制造工廠、英國Bristol Vetco Gray水下控制系統測試技術、英國Aberdeen Vetco Gray采油樹密封測試技術、挪威Oslo FMC采油樹制造工廠進行調研。在廣泛調研基礎上，與上海交通大學合作，共同開展研究工作。

通過對水下生產系統測試標準及依據的研究，編制了一套水下生產系統測試大綱和測試規程，涵蓋了液壓動力站HPU出廠驗收測試、主控站MCS測試、水下控制系統聯合測試、水下采油樹測試、水下管匯及跨接管等9個方面的內容。

同時制訂了水下生產系統測試流程圖，包括：單項設備測試流程圖、水下生產系統工廠驗收測試FAT流程圖、水下生產系統地面聯合測試SIT流程圖。

此外，還對深海環境模擬器和深水高壓試驗筒（圖3）進行改造，分別完成了水下工程實驗室2 000 m深海環境模擬器改造、水下工程實驗室4000 m深水高壓試驗筒改造。

為對水下生產系統的各項設施進行測試，研制了一套可移動式超高壓液、氣測試系統（圖4），可實施設備的單機測試和聯合測試。利用這套設備，對水下管匯、控制系統、控制模塊等進行了水壓、液壓測試和聯合測試，并在最后的聯合調試及海試中發揮了重要作用。

圖2 水下管匯系統裝置樣機

圖3 環境模擬器和深水高壓試驗筒

圖4 可移動超高壓液/氣測試系統

5 系統總體集成安裝及調試技術

研究系統的總體集成技術，開發適用于東海海況特點的安裝施工程序，建立東海邊際氣田水下生產系統調試作業程序。

（1）水下生產設施安裝施工程序

一套適用于東海邊際油氣田水下生產系統的海上安裝關鍵步驟、關鍵工具等程序，包括水下采油樹安裝、水下管匯安裝、跨接管安裝、電液飛線安裝、水下臍帶纜系統安裝、海管安裝等。

（2）一套水下生產系統調試程序

適用于東海邊際油氣田水下生產系統海上調試的關鍵步驟、關鍵工具等程序。包括整個系統聯合調試（水下采油樹系統、水下管匯系統、水下控制系統、海管系統）。

按863計劃海洋領域海試驗收要求，研制的水下管匯、控制系統和模塊、測試系統等樣機（圖5）進行陸上單機調試、聯合調試和海上試驗驗收（圖6）。海試時間為2015年9月底，地點地點為惠州油田附近，水深約100 m，海試船舶為海洋石油291，執行了水下管匯定位、安裝、臍帶纜安裝、控制系統控制及監測、水下閥門ROV開啟、管匯回收等操作。海洋技術領域辦公室委派了由3位專家組成的現場驗收組對系統海試過程的15項指標進行了見證和考核，各項技術指標均符合驗收要求。

圖5 水下生產系統裝置樣機

圖6 裝置樣機海試

項目完成的以上研制內容和成果，具有創新性和先進性，包括：建成了國內首套邊際氣田水下生產系統關鍵技術體系，使得低儲量邊際氣田具有經濟、有效開發成為可能；在東海勘探開發中起到先鋒作用，為東海大開發做出貢獻；自主設計、建造了一套適合東海邊際氣田開發的水下管匯集成裝置，以及一套與管匯匹配的控制系統和模塊；自主設計并建成了國內首個全面的水下生產系統關鍵設備測試技術體系，水下工程實驗室2000米深海環境模擬器和4 000 m深水高壓試驗筒改造，研制一套可移動式超高壓液、氣測試系統裝置等；建立了國內首個“水下生產系統開發數據庫”等軟件、編制了《邊際氣田水下生產系統總體方案》、《水下生產系統聯合驗收測試規程》等專題報告及規程性文件。

此外，項目已獲得發明專利2項、實用新型專利2項；現正申報發明專利3項、實用新型專利6項、軟件著作權2項。其中國家知識產權局已受理發明專利1項、實用新型專利1項。

總體上，本項目形成了一支集研究、設計、制造為一體的邊際氣田水下生產系統技術團隊，建立了相關技術開發、研制、測試、試驗的配套環境和設施，使天然氣可采儲量5億m3的邊際氣田具有開采的可能。