淺水受限區(qū)水下油氣田開發(fā)方案

孟凡然, 張重德, 曹永, 張文龍, 王剛, 賈鵬

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司, 天津 300459;2.中國海洋石油工程股份有限公司, 天津 300459;3.哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001)

石油和天然氣作為重要的能源資源,在社會(huì)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。我國經(jīng)濟(jì)的長期穩(wěn)定增長,對石油和天然氣能源的需求不斷增加,但石油對外依存度接近70%,保障能源自主安全已成為國家戰(zhàn)略[1]。2021年我國海洋石油產(chǎn)量達(dá)到5 760萬t,占全國石油增量的80%,海上油氣生產(chǎn)已經(jīng)成為我國能源重要的增長極。我國近海海域存在較多的邊界油氣藏,受環(huán)境保護(hù)、通航條件限制未能充分開發(fā)(簡稱“受限區(qū)”),其中渤海受限區(qū)的探明石油儲(chǔ)量就超過了7億t,具有巨大的開發(fā)潛力。由于受限區(qū)內(nèi)不便設(shè)置固定生產(chǎn)平臺(tái),將油氣生產(chǎn)設(shè)施全部設(shè)置在水面以下的水下開發(fā)方案,對環(huán)境和通航的影響較小,是破解受限區(qū)油氣開發(fā)難題的重要突破口。渤海油田作為我國第一大原油生產(chǎn)基地,擁有在生產(chǎn)平臺(tái)130余座。在渤海海域設(shè)置水下生產(chǎn)系統(tǒng),通過新建海底管纜連接至受限區(qū)外的在生產(chǎn)平臺(tái),將水下井口產(chǎn)出的油氣回接至在生產(chǎn)平臺(tái)處理,可減少新建設(shè)施投資,降低開發(fā)成本。開展淺水受限區(qū)油氣田水下開發(fā)技術(shù)研究,對加強(qiáng)受限區(qū)油氣產(chǎn)能,提升國家能源安全儲(chǔ)備具有重要意義。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)最早應(yīng)用于20世紀(jì)60年代,美國加利福尼亞海域投產(chǎn)的Conception油田是世界上第1個(gè)全海式水下油田,共有20個(gè)水下井口,每個(gè)水下井口配2條專用的生產(chǎn)和注水管線,便于流體的生產(chǎn)、置換和清管操作[2]。早期水下井口采油樹的結(jié)構(gòu)較為簡單,采油樹上的閥門通過人工或液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制,水下井口的配套管線多,更適合少數(shù)水下衛(wèi)星井口的開發(fā)[3-4]。隨著海洋石油開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展,現(xiàn)代水下生產(chǎn)系統(tǒng)的已發(fā)展為電液復(fù)合或全電式控制[5-8],其系統(tǒng)集成度、防腐性能、耐壓等級(jí)、自動(dòng)化程度和穩(wěn)定性均有了大幅提升。臍帶纜、水下基盤、水下中心管匯、深水軟管等水下裝備的研發(fā)和應(yīng)用,提升了水下生產(chǎn)系統(tǒng)的集成度,推動(dòng)了深水油氣的大規(guī)模水下開發(fā)。如我國陵水17-2氣田共11口生產(chǎn)井,設(shè)有4個(gè)叢式井管匯和1個(gè)海管管匯終端,6口井通過叢式井管匯回接,5口井通過海管回接。挪威Ormen Lange氣田一期,共17口生產(chǎn)井,采用4個(gè)水下基盤管匯開發(fā)。

本文基于國內(nèi)受限區(qū)環(huán)境特點(diǎn),提出了一種淺水水下生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)方案,分析了淺水水下生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵裝備的特點(diǎn)。根據(jù)淺水環(huán)境海域漁業(yè)、通航、環(huán)保和法律法規(guī)等要求,對淺水水下生成系統(tǒng)保護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行比選。

1 淺水水下生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)方案

淺水水下生產(chǎn)系統(tǒng)的開發(fā)方案需考慮目標(biāo)海域的地質(zhì)、水深、風(fēng)浪流、井口數(shù)量、回接距離、控制方式及通航漁業(yè)等因素[9-10]。國外主流水下生產(chǎn)系統(tǒng)的控制方式有全液壓控制(包括直接液壓、先導(dǎo)液壓、順序液壓)和電液復(fù)合控制[11-13]。全液壓控制系統(tǒng)的設(shè)備造價(jià)低,適合少井口、近距離回接的油氣田開發(fā),但無法監(jiān)控水下狀態(tài)。電液復(fù)合控制系統(tǒng)具有回接距離遠(yuǎn)、響應(yīng)速度快、水下狀態(tài)可監(jiān)控、適合多井口開發(fā)的特點(diǎn)[14-15],如表1所示。根據(jù)我國淺水受限區(qū)的探明儲(chǔ)量,采用規(guī)模化開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性更佳,國產(chǎn)水下生產(chǎn)系統(tǒng)宜選用電液復(fù)合控制系統(tǒng)。

表1 水下生產(chǎn)系統(tǒng)不同控制方案的對比

電液復(fù)合控制系統(tǒng)需要一根多芯電液臍帶纜連接水下生產(chǎn)系統(tǒng)與水上生產(chǎn)平臺(tái),臍帶纜內(nèi)集成了液壓管、化學(xué)藥劑管、電單元和光單元等,用于傳輸多種流體介質(zhì)、通訊和控制信號(hào),如圖1所示。隨著我國綜合國力的提升和對水下生產(chǎn)系統(tǒng)科研攻關(guān)不斷加強(qiáng),國產(chǎn)臍帶纜已在我國南海深水多個(gè)油氣田開發(fā)項(xiàng)目成功使用。國產(chǎn)水下管匯、水下多相流量計(jì)的科研攻關(guān)也取得突破并相繼實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用。

圖1 國產(chǎn)淺水水下生產(chǎn)系統(tǒng)布置

水下采油樹是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備,深水采油樹的造價(jià)高、體積大、使用半潛式鉆井船作業(yè)與淺水環(huán)境不適配。淺水采油樹在尺寸、重量、作業(yè)方式等方面進(jìn)行了重點(diǎn)攻關(guān),使淺水樹更加適合自升式鉆井船安裝和作業(yè),如圖2所示。淺水采油樹主要功能:懸掛油管柱,密封油套管的環(huán)形空間,控制和調(diào)節(jié)油井生產(chǎn),錄取油、套壓資料,測試及清蠟等日常生產(chǎn)管理。淺水采油樹通過底部的液壓或機(jī)械連接器與水下井口連接,頂部預(yù)留高壓立管和工具接口,采油樹內(nèi)部可坐掛油管懸掛器,承擔(dān)油管的重量,并配合油管懸掛器密封油套環(huán)空,頂部安裝樹帽作為一道壓力屏障。與深水樹相比,淺水采油樹內(nèi)部液壓驅(qū)動(dòng)的閥門數(shù)量更加精簡,僅將生產(chǎn)主閥(PMV)、環(huán)空壓力控制閥(AMV)、可回收節(jié)流油嘴(Choke)、化學(xué)藥劑注入閥(CIV)和井下安全閥(SCSSV)設(shè)計(jì)為液控閥門并配備失壓關(guān)斷功能,其余均設(shè)計(jì)為手動(dòng)閥門。手動(dòng)閥門在正常生產(chǎn)中無需操作,僅在應(yīng)急工況下需潛水員下水操作。

圖2 淺水采油樹外形和結(jié)構(gòu)簡圖

水下井口產(chǎn)出的油氣通過跨接管匯總至水下管匯,再通過海底管道輸送至受限區(qū)外的在生產(chǎn)平臺(tái)。根據(jù)目標(biāo)海域的土壤條件和環(huán)境數(shù)據(jù),深水水下管匯的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)形式通常設(shè)計(jì)為吸力樁或打入樁式,淺水管匯的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)通常設(shè)計(jì)為防沉板式。對比3種結(jié)構(gòu)形式,防沉板結(jié)構(gòu)形式的水下管匯具有更好的海上安裝效率和經(jīng)濟(jì)性,如表2所示。

表2 管匯結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)形式對比

水下控制模塊(subsea ciontrol module, SCM)作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的大腦,其內(nèi)部的水下電子模塊可以采集水下設(shè)施傳感器的信息并上傳到水上主控站,也可以接收來自水上主控站的控制命令。通過電磁閥控制其內(nèi)部的方向控制閥(direction control valve, DCV)動(dòng)作,對水下液控閥門的控制管路進(jìn)行加泄壓操作,實(shí)現(xiàn)對水下液控閥門動(dòng)作的控制[16-17]。水下控制模塊設(shè)有機(jī)械對中機(jī)構(gòu)用于完成本體的就位,底部液壓接頭的局部浮動(dòng)結(jié)構(gòu)用于與安裝基座的精準(zhǔn)對接,楔塊式鎖緊機(jī)構(gòu)用于可靠鎖緊,如圖3所示。相比深水控制模塊,淺水控制模塊控制的液壓回路數(shù)較少,設(shè)計(jì)裕量充足。在水下系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)宜選用多液壓回路、“一個(gè)控制模塊具備控制多個(gè)采油樹”能力的設(shè)計(jì)方案,將控制模塊獨(dú)立于采油樹布置在水下管匯內(nèi),通過水下電液飛線與采油樹連接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制,減少水下控制模塊的總數(shù)量。通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),國產(chǎn)淺水控制模塊的總體吊裝質(zhì)量在3 t以下,滿足小型起重船的吊裝要求,不需動(dòng)用大型起重船檢修。與深水控制模塊相比,淺水控制模塊的使用成本和總體經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。

圖3 水下控制模塊分解

2 淺水水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

淺水水下生產(chǎn)系統(tǒng)對環(huán)境的影響主要考慮海底油氣泄露和污染的防護(hù),淺水水下生產(chǎn)系統(tǒng)的工藝管道壓力等級(jí)采用全壓設(shè)計(jì),即按照最大關(guān)井壓力設(shè)計(jì),確保極端工況下水下設(shè)施無油氣泄漏。液壓控制系統(tǒng)采用閉式回路,液壓油采用了化學(xué)毒性、降解能力等指標(biāo)均達(dá)到國際權(quán)威機(jī)構(gòu)如英國環(huán)境漁業(yè)與水產(chǎn)養(yǎng)殖科技中心、美國環(huán)保局和挪威環(huán)保局允許排放的海洋化學(xué)品要求的水基液壓油,將對環(huán)境的影響降到最低。

淺水水下生產(chǎn)系統(tǒng)對漁業(yè)的影響主要考慮漁網(wǎng)拖拽和落物沖擊,淺水海域的漁業(yè)作業(yè)密集,易對水下結(jié)構(gòu)物造成影響,國際標(biāo)準(zhǔn)ISO13628-1明確要求水深小于750 m的水下結(jié)構(gòu)物應(yīng)設(shè)置防護(hù)結(jié)構(gòu)[18]。參照ISO13628-1標(biāo)準(zhǔn)推薦的漁網(wǎng)和落物載荷,淺水水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)置了符合要求的防護(hù)結(jié)構(gòu),如表3所示。落物沖擊載荷20 kJ,該結(jié)構(gòu)外表面平滑,四周平面與水平面的夾角小于58°,漁網(wǎng)從不同方向均可順利滑過,屬于漁業(yè)友好型防護(hù)結(jié)構(gòu)。

表3 漁網(wǎng)拖拽及落物沖擊載荷

淺水水下生產(chǎn)系統(tǒng)對通航的影響主要考慮由船舶航行產(chǎn)生的高頻次拋錨落物和小概率沉船沖擊的防護(hù)[19]。目前國內(nèi)外尚在無通航區(qū)設(shè)置水下生產(chǎn)系統(tǒng)的工程經(jīng)驗(yàn)。在水下設(shè)施防護(hù)研究領(lǐng)域:中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司和中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)了一種防護(hù)型水下隧道,在水下隧道頂部設(shè)置圓形或拱形防護(hù)罩,可抵抗沉船和錨擊。朱春麗等[20]設(shè)計(jì)了一種帶非對稱開孔頂蓋的水下沉箱結(jié)構(gòu)來防護(hù)水下生產(chǎn)系統(tǒng),并對頂蓋可能受到的撞擊損傷進(jìn)行了數(shù)值模擬。理論研究的結(jié)果顯示,將水下生產(chǎn)系統(tǒng)全部設(shè)置在海床泥面以下,并使用沉箱防護(hù)結(jié)構(gòu),可有效減少落物沖擊的影響,是比較適合通航區(qū)水下油氣田開發(fā)的方案,如圖4和圖5所示。國內(nèi)對水下沉箱用于水下生產(chǎn)系統(tǒng)防護(hù)的研究目前正處在方案論證階段,沉箱形式、基坑開挖、安裝方式、管纜回接、接口設(shè)計(jì)等技術(shù)細(xì)節(jié)正在完善和驗(yàn)證中。

圖4 漁網(wǎng)可滑過的水下防護(hù)結(jié)構(gòu)

圖5 泥下水下生產(chǎn)系統(tǒng)示意

3 淺水水下生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵進(jìn)口零部件國產(chǎn)化技術(shù)研究

3.1 水下濕插拔電連接器

水下電連接器用于水下儀器設(shè)備的電信號(hào)及電能連接傳輸。配合電纜形成組件,由水下機(jī)器人或潛水員操作,可以通過公、母插頭插合與分離的方式,在水下環(huán)境中實(shí)現(xiàn)水下電纜的連接與斷開[21-22]。其關(guān)鍵技術(shù)主要包括水下動(dòng)態(tài)插拔密封技術(shù)、高電壓絕緣技術(shù)、多重壓力平衡補(bǔ)償技術(shù)和機(jī)械承壓技術(shù)等。目前國外公司所生產(chǎn)的水下濕插拔電連接器產(chǎn)品已應(yīng)用于水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備。美國ODI公司生產(chǎn)的深海電連接器額定工作電流25～30 A,可承受最大環(huán)境壓力64 MPa,設(shè)計(jì)壽命30 a,如圖6所示。圖7所示為2種水下電連接器。德國Siemens公司Digitron3系列水下電連接器額定工作電流20～40 A,可承受最大環(huán)境壓力30 MPa。德國GISMA公司80系列水下電連接器額定工作電流20 A,可承受最大環(huán)境壓力30 MPa,設(shè)計(jì)壽命25 a。

圖6 ODI深海電連接器

圖7 2種系列水下電連接器

國內(nèi)水下濕插拔電連接器需突破的難點(diǎn):1)電接頭在帶壓插拔、混水液體插拔和水下多次插拔條件下的絕緣強(qiáng)度下降;2)水下濕插拔電連接器接頭關(guān)鍵零件加工工藝;3)充油纜成纜工藝。

3.2 水下濕插拔液壓連接器

水下濕插拔液壓連接器用于水下控制模塊、液壓飛纜(hydraulic flying line, HFL)和采油樹穿越器等關(guān)鍵設(shè)備與水下液壓系統(tǒng)的連接,其核心部件為水下液壓接頭。一套水下液壓接頭由公、母接頭組成。公、母接頭插合后,兩端液壓接頭管路相互導(dǎo)通;公、母接頭脫離后,兩端液壓接頭管路分別關(guān)閉[23]。其關(guān)鍵技術(shù)主要包括:液壓接頭浮動(dòng)導(dǎo)向?qū)χ屑夹g(shù)、液壓多重動(dòng)密封技術(shù)和關(guān)鍵密封件制造技術(shù)。國內(nèi)水下濕插拔液壓接頭研發(fā)尚處在起步階段,產(chǎn)品的耐腐蝕性,密封性,可靠性等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)有待驗(yàn)證。目前國外水下濕插拔液壓接頭技術(shù)相對成熟,有大量的工程應(yīng)用。

圖8所示為4種水下液壓連接器。Morgrip公司生產(chǎn)的水下濕插拔液壓連接器工作壓力5 000～15 000 psi,操作溫度-18 ℃～121 ℃,可承受最大環(huán)境壓力30 MPa。Hunting公司生產(chǎn)的水下濕插拔液壓連接器具有金屬密封和彈性體密封2種形式。Walther Pr?zision公司生產(chǎn)的HR系列水下濕插拔液壓連接器工作壓力10 000～14 503 psi,DD系列水下濕插拔液壓連接器工作壓力5 000 psi。

圖8 4種水下液壓連接器

國內(nèi)濕插拔水下液壓連接器需突破的難點(diǎn):1)公母接頭對接允許偏差小;2)低背壓自密封能力低;3)渾濁液環(huán)境動(dòng)密封能力差。

3.3 節(jié)流閥

水下節(jié)流閥位于水下采油樹油嘴出口,用于控制水下井口的流量和壓力。水下節(jié)流閥通過步進(jìn)式液壓驅(qū)動(dòng)器操作閥桿組件上下運(yùn)動(dòng),通過改變節(jié)流孔道的面積實(shí)現(xiàn)對流量的控制[24-25]。步進(jìn)式液壓驅(qū)動(dòng)器采用棘輪往復(fù)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu),一次打壓齒輪前進(jìn)一齒牙,可精確控制閥門開度和流量。該驅(qū)動(dòng)器配備液壓驅(qū)動(dòng)和水下機(jī)器人(remote operated vehicle,ROV)驅(qū)動(dòng)接口,當(dāng)選用ROV操作時(shí),液壓棘輪部件完全不參與傳動(dòng),可大大提高液動(dòng)棘輪傳動(dòng)部件的使用壽命。其關(guān)鍵技術(shù)主要包括:高完整性密封技術(shù)、閥芯耐沖刷技術(shù)、精確步進(jìn)式驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵技術(shù)、回收工具設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵技術(shù)、壓力補(bǔ)償技術(shù)等。目前性能優(yōu)良,技術(shù)先進(jìn)的水下節(jié)流閥主要有如圖9所示美國Baker Hughes公司產(chǎn)品、英國Koso Kent Introl公司的75系列水下節(jié)流閥。

圖9 2種節(jié)流閥

國內(nèi)水下節(jié)流閥需要突破的難點(diǎn):1)精確步進(jìn)式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造;2)閥芯耐沖刷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料攻關(guān);3)閥位指示傳感器的設(shè)計(jì)及選型。

3.4 淺水水下生產(chǎn)系統(tǒng)的應(yīng)用

按照“先易后難,先氣后油,分步實(shí)施”的原則,淺水水下生產(chǎn)系統(tǒng)預(yù)計(jì)2023-2024年實(shí)現(xiàn)在我國近海海域的工程示范應(yīng)用。通過實(shí)際應(yīng)用情況驗(yàn)證國產(chǎn)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性,并持續(xù)完善和優(yōu)化設(shè)計(jì),健全材料加工制造產(chǎn)業(yè)鏈,預(yù)計(jì)2026-2028年進(jìn)入批量化應(yīng)用,2030年實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

4 結(jié)論

1)提出的國產(chǎn)淺水水下生產(chǎn)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案,使淺水設(shè)備與深水相比在單體重量、作業(yè)方式、維護(hù)檢修方面更加經(jīng)濟(jì)。

2)提出滿足受限區(qū)海域開發(fā)要求的環(huán)境友好型設(shè)計(jì),滿足了受限區(qū)開發(fā)的要求。

目前部分水下關(guān)鍵零部件仍依賴進(jìn)口產(chǎn)品,存在交貨期長、維修困難等問題制約著淺水油氣田開發(fā),需持續(xù)加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),爭取實(shí)現(xiàn)突破。