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2016-06

深水水下生產技術發展現狀與展望

發布時間 : 2016-06--06 點擊量 : 0
摘要:水下生產系統經歷了由潛沒式水下井口、半干半濕式水下井口到濕式水下井口的發展歷程,形成水下井口、水下采油樹、水下管匯、水下遠程控制系統等在內的功能配套的水下生產系統。截至2014年年底,已有約6400口井采用水下完井、320多個水下油氣田運行在世界各大海域,水下生產技術已成為深水油氣田開發的核心技術。自1996年我國南海流花11–1油田國內第一次應用水下生產技術進行油氣田開發以來,相繼建成了陸豐22–1、惠州32–5/26–1N、崖城13–4、荔灣3–1等10個水下油氣田,并實現水下管端件等設施國產化。本文簡要回顧了國內外水下生產技術的研究進展,提出了我國深水水下生產技術的發展思路?! ∫?、前言  水下生產技術是經濟高效開發邊際油田、深海油田的關鍵技術之一。隨著海上油氣田開發深度的不斷增加,該項技術以其顯著的技術優勢、可觀的經濟效益得到各石油公司的廣泛關注。自1947年美國第一次提出水下井口的概念以來,隨著各種新技術的應用,水下生產系統經歷了由淺?!猩钏?100~500m)→深水(500~1500m)→超深水(1500~3000m)、由有潛水作業→無潛水作業的不斷發展和完善的過程。20世紀50年代以“水下干式艙”技術為核心,60年代早期濕式無潛水員多井口系統得到發展,1975年位于英國北海、水深75m的阿格油田采用一艘半潛式生產平臺(SEMI–FPS)和水下生產系統進行開發,意味著水下生產技術由單純的水下完井系統向水下油氣生產系統的轉變?! ∵M入20世紀80年代后,水下關鍵設備如海底叢式井口,干式、濕式采油樹,多井管匯,海底計量裝置等得到開發,水下增壓、水下油氣處理等創新技術逐步進入現場試驗和工業化應用階段,水下遙控作業機器人作業水深達4000m,水下油氣田開發模式日益豐富,應用水深、水下油氣田回接距離的記錄快速刷新。截至2014年年底,全世界已有500多個油氣田應用水下技術,水下完井數達6400多口,從水深幾米到數千米、從海上大型油氣田到邊際油氣田,從北海、墨西哥灣到巴西乃至我國南海東部海域都有許多成功的案例。當前應用水下生產系統開發的油氣田水深記錄為墨西哥灣Peidido項目,最大水深2943m;同時應用全水下生產系統開發油氣田并通過143km的海底多相輸送管道直接回接到陸上終端已在挪威斯諾黑氣田成為現實。水下生產系統正在成為經濟高效地開發深水油氣田和海上邊際油氣田的重要技術手段之一?! ∥覈Q笫涂偣咀猿闪⒅?,就十分重視及時掌握國外海洋石油開發的各項新技術的應用成果。隨著海洋石油開發的目標由渤海等淺水海域轉向東海、特別是南海的中深水域,水下生產技術應用的重要性日益顯現。1996年我國通過對外合作采用水下生產系統實現了我國南海第一個深水油田流花11–1油田的開發。從1997年開始,我國相繼應用水下生產系統成功實現了陸豐22–1、惠州32–5、崖城13–4、番禺35–2、番禺35–3等海上油氣田的開發;2014年,我國第一個水深超過1000m的深水氣田荔灣3–1建成投產。目前我國已有10個水下油氣田建成投產,并正在開展水下井口設備、水下控制系統、水下管匯等關鍵設備的國產化,水下管端件等設備已在海上油氣田得到成功應用?! 《?、水下生產系統的基本組成及發展動態  (一)水下油氣田開發工程設施的組成  水下生產技術是相對于水面開采技術(如井口平臺、浮式生產設施)的一種海上油氣田開發技術。它主要通過水下完井系統、部分或全部安裝在海底的水下生產設施、海底管道等將采出的油、氣、水多相或單相流體回接到海上、水下依托設施或陸上終端進行處理。水下井口技術及系統發展歷程見圖1?! ?  應用水下生產技術進行開發油氣田工程系統包括水下生產設施、水面依托支持設施、海底管道和立管、安裝維護設施以及水下油氣處理系統等,水下生產系統開發油氣田的工程設施見圖2。具體如下?! ?  (1)水面依托支持設施主要包括水面控制單元,所依托油氣水處理設施,電力供應單元,所需化學藥劑注入單元等?! ?2)水下生產設施指在水下完井設備、海上控制技術基礎上逐步開展完善的水下生產系統的基本組成設備。包括水下井口、水下基盤,水下采油樹,水下管匯,水下控制系統等?! ?3)海底管道和立管主要包括生產管道,臍帶纜,海底電纜,注水、注氣管道?! ?4)安裝維護設施主要包括安裝水下井口采油樹等的鉆井平臺,遙控作業機器人,遙控作業工具(ROT),修井控制系統以及相應的安裝工具、測試系統等?! ?5)水下油氣集輸處理系統指在水面油氣集輸處理技術基礎上發展起來的水下油氣水分離技術,水下多相增壓技術和正在探索中的水下電力分配系統等?! ?二)水下生產技術的應用范圍  水下生產系統可用于海上油氣田生產,注水、注氣系統,也可用于將探井轉變為生產井,其主要應用領域如下?! ?.中深水域衛星油氣田、邊際油氣田  隨著淺水、中深水海域油氣田的大規模開發,相應的海上平臺、海底管道/管網等基礎設施已初具規模,依托已有設施、采用水下生產系統還是簡易井口平臺等進行這類海上油氣田的開發是工程方案比選的重點。通常在150m水深范圍內,采用水下生產系統還是簡易井口平臺需要綜合進行技術和經濟比較,一般取決于油氣田類型、人工舉升模式,如油田需要采用井下電潛泵時,比較的重點是修井方式費用等,最終決定因素為在技術可靠的前提下的經濟性?! ∮凸?BP)等專門針對北海海上油氣田開發工程做過比較,給出當地采用簡易平臺開發海上邊際油氣田的經濟門限如下:水深70m處至少設8口井;水深100m處至少設16口井;水深200m處至少設32口井[6]。水下生產系統已經成為邊際油氣田、衛星油氣田高效經濟開發的主要模式,目前在我國南海水深115m處的惠州26–1N油田、惠州32–5油田均采用該模式進行衛星區塊開發?! ?.深水、超深水油氣田開發  走向深水是水下生產系統應用的主要趨勢,一般固定平臺、深水浮式平臺費用隨水深呈指數增長,而水下生產系統費用隨水深呈直線增長。2000年66%的水下井口位于200m以內水深,2005年44%的水下井口位于460m以內。當水深超過1000m后,借助遙控作業機器人技術的迅速發展,水下生產系統在深水、超深水海域的技術和經濟優勢將更為明顯,據有關專家保守估計,此時水下完井數將占到總的完井數的55%~70%?! ∧壳八律a系統主要應用在世界深水油氣田開發的熱點區域,墨西哥灣、巴西、西非,各個海域應用情況見圖3。采用水下生產系統+浮式生產系統、水下生產系統回接到中深水固定平臺實現部分或全部深水油氣藏的開發已經成為深水油氣田開發的主要形式之一?! ?  (三)水下生產技術的特點及應用  應用水下生產系統進行海上油氣田開發具有以下特點?! ?1)采用水下生產技術可充分利用周邊已有或在建水面設施;  (2)深水、井數少或油藏較分散時,與深水平臺相比,采用水下生產系統具有建設周期短、初始投資低等優勢;  (3)采用水下井口油氣井布置較靈活:如叢式井不能鉆及的邊緣地區可采用水下衛星井完井形式;  (4)水下生產系統適用水深范圍從幾米到數千米,且可用于各種復雜海況,如海上冰區等;  (5)通過水下完井方式可將探井、評價井轉變為生產井,從而不致使探井報廢;  (6)水下生產設備可回收利用,在降低油氣田開發成本的同時還有利于海洋環境的保護和海上交通航行的安全;  (7)水下生產系統可用于不允許建立水面設施如固定平臺、深水浮式平臺的軍事禁區和航線?! ∧壳叭澜缫呀洶l現33個超過億噸級的大型油氣田,墨西哥灣、巴西、西非正在成為世界深水勘探的主要區域,與此同時深水技術研究已經取得了顯著成果,深水平臺的設計建造技術逐步完善、水下生產新技術不斷涌現,一大批深水油氣田建成投產,深水開發的記錄被快速刷新,其中水深最深的是位于墨西哥灣的MC990氣田,水深為2943m,鉆探水深記錄為3095m,見圖3。世界上已投產的凝析氣田回接距離最長的是由挪威國家石油公司(Statoil)作業的Snohvit氣田,回接距離為143km?! ?四)研究動態  水下生產系統是一個技術密集、綜合性很強的海洋工程高技術領域,設施從材料、加工、制造工藝、海上測試到完井、采油、生產設施和海底管道、遠程控制和維修作業等在內的多個學科領域和專業部門。世界上已投入運行的6400多套水下井口系統主要由5家公司壟斷(FMCTechnologies、AkerSolutions、Cameron、Dril-Quip、GEVetcoGrey)。目前從海上油氣田開發實際需求和技術發展總結其主流發展趨勢如下?! ?1)深水高溫高壓油藏水下井口設備。水下井口及管匯:水下井口和水下基盤優化、水下通鉆采油樹、海底電潛泵、多通閥連接、水下快速連接技術;高溫高壓材料:針對深水高溫高壓氣田,開發耐腐蝕、耐磨蝕、耐高溫高壓、絕緣性好的材料,最大限度地減少水下更換作業和停產損失;水下作業系統:深水隔水管、高溫高壓防噴器、水下快速連接器以及配套安裝工具?! ?2)水下控制和通信技術。全電氣控制系統技術:水下高壓濕式接頭、水密接插件、水下電氣控制的閥門、執行機構,增加水下遠距離控制半徑、減小控制臍帶纜直徑和液壓液泄漏風險;光纖通信技術和電力載波技術互補:新型水聲通信技術、光纖通信、復合電力載波通信和數值傳輸技術?! ?3)水下遠距離供電技術。水下輸配電技術:水下變壓器、水下變頻器、水下高壓濕式電接頭等;水下直流輸電技術:水下生產系統供電向水下高壓交直流供電方向發展?! ?4)水下油氣集輸處理技術。水下油氣水多相混輸增壓技術:多相泵轉子優化、水下壓縮技術、水下增壓工藝控制;水下油氣水分離技術:管道式在線分離技術、旋流分離技術以及油氣水砂分離及回注技術;水下多相計量技術:水下在線計量、數值傳輸等?! 〗洑v了60多年的發展,水下生產技術和裝備逐漸成熟,同時為了適應海洋石油向更深更遠的目標發展,水下生產技術正在發展與更深、更遠相適應的技術和裝備?! ∪?、國內水下生產技術發展狀況  (一)我國水下生產系統的發展階段  從1987年開始跟蹤國外水下生產技術方面的應用成果至今,我國海洋石油工業在水下生產技術方面已實現從無到有質的飛躍(見表1),主要經歷了以下三個階段?! 〉谝浑A段(1985―2002年):合作開發階段,這一時期最具標志性成果為1996年中國海洋石油總公司與阿莫科東方石油公司(AmocoOrientPetroleumCompany)采用水下生產技術聯合開發流花11–1水下油田;1996年,中國海洋石油總公司聯合挪威國家石油公司聯合開發我國南海東部陸豐22–1;2000年,與阿吉普聯合作業公司聯合開發惠州32–5、惠州26–1N水下油田?! 〉诙A段(2002―2010年):合作研究和自主設計并重,這一階段的主要成果為中國海洋石油總公司逐步具備了水下油氣田開發方案的自主研究能力、探索了海上自主搶修技術;標志性成果有:自主完成了陸豐22–1、崖城13–4、流花4–1、番禺35–1/35–2、流花19–5、文昌9–2/9–3等水下油氣田開發方案設計,形成自主的設計技術,制定了相應的設計規范和標準?! 〉谌A段:水下設備國產研制,這一階段的主要成果為國家科技重大專項、國家科技部“863”計劃、工業和信息化部、發展與改革委員會等在“十一五”“十二五”期間大力支持水下生產設備的國產化進程,開展水下鉆井設備、水下管匯、水下控制系統、水下多相計量、水下分離器、水下閥門等裝置的國產化研制計劃。2012年,中國海洋石油總公司聯合上海美鉆有限公司啟動了水下采油樹維修本地化,2015年年底,已經成功完成6棵水下采油樹的維修作業和海上安裝;同時,我國已經在崖城13–4、流花19–5等實現水下管匯和連接器的國產化?! ?二)我國水下油氣田開發現狀  我國水下油氣田開發進程如下:1996年與阿莫科東方石油公司開發了流花11–1;1996年與挪威石油公司合作開發了陸豐22–1;1998年、2000年采用水下生產系統開發了惠州32–5、惠州26–1N;2006―2007年自主修復310m深水流花11–1油
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