【正文】 00m 為深海，1500m 以上為超深海。 [1]在如此深的海底進行深水油氣開發(fā)面臨著許多環(huán)境上和技術(shù)上的困難，但是深水油氣資源對世界又有著巨大的誘惑力，因此越來越多的國家和公司投入 巨大的人力物力來研究深水開發(fā)技術(shù)，如挪威的Demo 20xx、巴西國家石油公司等。 深水開發(fā)技術(shù)經(jīng)歷了從無到有的過程，雖然已經(jīng)出現(xiàn)了商業(yè)化運作的深水生產(chǎn)系統(tǒng)，但是深水開發(fā)技術(shù)在很多方面還不成熟，仍然就有很大的提升空間。深水分離系統(tǒng)作為深水開發(fā)系統(tǒng)的重中之重更是需要我們將其緊湊性、穩(wěn)定性和高效性提高到一個 新 的檔次。本課題著重研究各種緊湊型海底分離設(shè)備的原理、結(jié)構(gòu)和優(yōu)缺點，以期在橫向 和縱向的對比中獲得海底緊湊型 分離器設(shè)計的最新理念。 世界海洋油氣資源及開發(fā) 世界海洋油氣資源分布 全球海洋油氣 資源豐富。據(jù)估計，海洋石油資源量約占全球石油資源總量的 34％，累計獲探明儲量約 400 億噸，探明率 30％左右，尚處于勘探早第 1章 前 言 2 期階段。據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局 (USGS)評估，世界 (不含美國 )海洋待發(fā)現(xiàn)石油資源量 (含凝析油 )548 億噸，待發(fā)現(xiàn)天然氣資源量 萬億立方米，分別占世界待發(fā)現(xiàn)資源量的 47％和 46％。因此，全球海洋油氣資源潛力巨大，勘探前景良好，為今后世界油氣勘探開發(fā)的重要領(lǐng)域。 研究和實踐表明，海洋油氣資源主要分布在大陸架，約占全球海洋油氣資源的 60％，但大陸坡的深水、超深水域的油氣資源潛力可觀，約占 30％。從區(qū)域看，海上石油勘探開發(fā)形成三灣、兩海、兩湖的格局?！叭秊场奔床ㄋ篂?、墨西哥灣和幾內(nèi)亞灣；“兩?！奔幢焙：湍虾?；“兩湖”即里海和馬拉開波湖。其中，波斯灣的沙特、塔爾和阿聯(lián)酋，里海沿岸的哈薩克斯坦、阿塞拜疆和伊朗，北海沿岸的英國和挪威，還有美國、墨西哥、委內(nèi)瑞拉、尼日利亞等，都是世界重要的海上油氣勘探開發(fā)國。世界主要深水區(qū)油氣儲量見表 11。 [2] 表 11 世界主要深海區(qū)油氣資源量 國家 海域 油氣儲量（億噸當(dāng)量） 石油（億噸） 天然氣（億立方米） 美國 墨西哥灣北部 21 15 6000 巴西 東南部海域 4100 西非 三角洲、下剛果 4100 澳大利亞 南北陸架 13100 東南亞 婆羅洲 2 3300 挪威 挪威海 4000 埃及 尼羅三角洲 —— 4800 中國 南海北部 1 —— 1000 印度 東部海域 —— 1600 世界海洋油氣資源開發(fā)歷 史 在陸地油氣開發(fā)的高潮過去之后，海洋油氣的勘探開成為世界關(guān)注的焦第 1章 前 言 3 點，它經(jīng)歷了一個由淺水到深海、由簡易到復(fù)雜的發(fā)展過程。 1887 年，在美國加利福尼亞海岸數(shù)米深的海域鉆探了世界上第一口海上探井，這是海洋石油工業(yè)開始的標志。上世紀 40 年代之前，海洋石油勘探開發(fā)處于初始階段，主要采用土木工程技術(shù)建造木結(jié)構(gòu)平臺和人工島，只能在近岸的海邊和內(nèi)湖開發(fā)石油資源，作業(yè)水深低于 10m。 5060 年代，隨著世界經(jīng)濟復(fù)蘇，海洋油氣勘探開發(fā)迅速發(fā)展，出現(xiàn)了移動式鉆井裝置、浮式生產(chǎn)系統(tǒng)及海底生產(chǎn)系統(tǒng)，作業(yè)海域范圍不斷擴大，水深不斷加大，至 60 年代末，作業(yè)水深已超過 200m，勘探開發(fā)領(lǐng)域開始向大陸架深水區(qū)延伸。 7080 年代，隨著平臺和鉆井技術(shù)的發(fā)展，海 洋油氣勘探開發(fā)水域范圍進一步擴大，作業(yè)水深超過 500m，成功開發(fā)了北海和墨西哥灣大陸架深水區(qū)油氣資源。 90 年代，成功解決了溫帶海域油氣開采面臨的鉆井、采油、集輸和存儲等技術(shù)問題，而且高寒水域的平臺和管線技術(shù)難題也取得重大突破，海洋油氣勘探開發(fā)取得巨大進步，作業(yè)水深不斷刷新， 1999 年已近 20xxm，作業(yè)范圍已從北海、墨西哥灣等傳統(tǒng)地區(qū)擴展到西非、南美及澳大利亞大陸架等海域。 世界海洋油氣產(chǎn)量 隨著海上石油勘探開發(fā)向大陸架和深水區(qū)發(fā)展，海上油氣生產(chǎn)不斷擴大，產(chǎn)量不斷增加。 20 世紀 40 年代末，海上石 油產(chǎn)量僅 4000 萬噸，占世界石油總產(chǎn)量的 7％。 50 年代末，海上石油產(chǎn)量突破億噸，達 億噸，占世界石油總產(chǎn)量的 10％。 60 年代末，達 億噸，占世界總產(chǎn)量的 ％，20 年增加了 8 倍。 1980 年達 億噸，占總產(chǎn)量的 ％， 1990 年 億噸，占總產(chǎn)量的 ％。近年來，在高油價的驅(qū)動下，世界海洋油氣開采飛速發(fā)展，石油產(chǎn)量快速增長，在全球石油產(chǎn)量中所占比例不斷上升。 1995年海上石油產(chǎn)量 億噸， 20xx 年則增至 億噸．約占世界石油產(chǎn)量的 34％，年均增長 ％，遠高于全球石油產(chǎn) 量年均 ％的增長速率，如圖 11 所示。 [3] 第 1章 前 言 4 0481216億噸1950 1960 1970 1980 1990 20xx 20xx （年） 圖 11 半個世紀以來的世界海洋石油產(chǎn)量 據(jù)英國道格拉斯統(tǒng)計，到 20xx 年海上石油與天然氣的產(chǎn)量分別占總產(chǎn)量的 39%和 34%。 我國海洋油氣資源 我國海洋油氣資源分布 我國海岸線長度、大陸架和 200 海里專屬經(jīng)濟區(qū)面積均在世界前 10 位，管轄海域總面積近 300 萬平方公里。在 萬平方公里的大陸架上查明含油氣盆地面積近 70 萬平方公里，已圈定大中型新生代油氣盆地 16 個。這些盆地石 油資源量為 150 億 200 億噸，天然氣資源量約 萬億立方米。 經(jīng)初步估計，整個南海的石油地質(zhì)儲量大致在 230 億 300 億噸之間，約占中國總資源量的三分之一，屬于世界四大海洋油氣聚集中心之一，有“第二個波斯灣”之稱，僅在曾母盆地、沙巴盆地、萬安盆地的石油總儲量就將近 200 億噸，是世界上尚待開發(fā)的大型油藏之一，其中有一半以上的儲量分布在中國海域。在我國南海已勘探的 16 萬平方公里海域中，發(fā)現(xiàn)的石油儲量有 億噸，天然氣儲量有 12 萬億立方米。南海油氣資源在未來 20年內(nèi)只要開發(fā) 30％，每年可為中國 GDP 增 長貢獻 12 個百分點。 [4] 1966 年聯(lián)合國亞洲及遠東經(jīng)濟委員會 經(jīng)過對包括釣魚島列島在內(nèi)的我國東部海底資源的勘查，得出的結(jié)論是： 東海大陸架可能是世界上最豐富的第 1章 前 言 5 油田之一，釣魚島附近水域可能成為“第二個中東”。據(jù)我國科學(xué)家 1982年估計，釣魚島周圍海域的石油儲量約 30 億 70 億噸，其他資料反映，該海域海底石油儲量超過 100 億噸。 [5] 我國海洋油氣資源的開發(fā) 我國海洋石油天然氣勘探開發(fā)工作起步于 20 世紀 50 年代，至 1971 年在渤海發(fā)現(xiàn)了具有開采價值的海四油田，建設(shè)了 2 座開發(fā)平臺，建成了我國第一個海 上油田，自此進入了我國海洋油氣勘探開發(fā)的快車道。 1982 年成立中國海洋石油總公司（中海油），至 20xx 年中國海域探明石油儲量約 22億噸、天然氣儲量 3 000 億立方米，油氣資源當(dāng)量約占全國的四分之一。 20xx年年產(chǎn)原油 2350 萬噸。截至 20xx 年底，中國海油已建成投產(chǎn) 50 個海上油氣田，年生產(chǎn)油氣 4033 萬噸油當(dāng)量。 20 世紀 80 年代，我國近海石油、天然氣勘探工作也獲得重大進展，先后在渤海、黃海、東海和南海的珠江口、北部灣、瓊東南等海區(qū)發(fā)現(xiàn)了 65個含油、氣構(gòu)造，探明了 87 億噸石油資源和 l 300 多億立方米天然氣 資源。20 世紀末，我國發(fā)現(xiàn)了迄今為止我國的整狀海上油田 —— 渤海大油田。然而該區(qū)的勘探開發(fā)程度仍然較低， 20xx 年產(chǎn)量只有 560 萬噸，通過“十五”期間大規(guī)模的勘探開發(fā)，到“十五”計劃末可望形成年產(chǎn) 2100 萬噸石油的生產(chǎn)能力，將成為我國東部石油穩(wěn)產(chǎn)的重要基地，為國民經(jīng)濟發(fā)展作出重大貢獻。 開發(fā)我國深水資源的意義 據(jù)《世界深水報告》資源預(yù)測，未來的 44％油氣儲量在深水中，而現(xiàn)在僅占 3％，可見其潛力之大開發(fā)前景之好。世界水深 500 米或超過 500 米的深海油氣勘探開發(fā)始于上個世紀 70 年代，至 20xx 年底，已發(fā)現(xiàn) 470 億桶石油。據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局和國際能源機構(gòu)估計，全球深海區(qū)最終潛在石油儲量有可能超過 1000 108桶。 20xx 年深海石油產(chǎn)量約可滿足全球石油需求的5％， 20xx 年深海原油產(chǎn)量可達 850 萬桶／年 ( 108噸／年 )，可滿足第 1章 前 言 6 全球石油需求的 9％。全球水深 5001500 米的油氣勘探已變成了多數(shù)海洋油氣經(jīng)營者重要戰(zhàn)略資產(chǎn)的組成部分。如墨西哥灣，其深水區(qū)油、氣占有量從 1990 年的 4％和 l％， 10 年后快速升到 64％和 36％，發(fā)展速度較快。20xx20xx 年將是深海油氣勘探的活躍期。 [6] 據(jù)預(yù)計，未來 10 年，全球海洋油氣勘探開發(fā)及經(jīng)營的年均總投資將從目前的 1110 億美元逐步增加至 1440 億美元，累計投資可達 萬億美元，其中深水投資年均將超過 150 億美元。 在海洋資源開發(fā)愈演愈烈的今天，我國也必須加快前進的步伐，以便能在世界能源大戰(zhàn)中獲得有利的地位。我們應(yīng)該清醒地認識到：我國目前的海洋油氣開發(fā)主要集中在近海和淺海。隨著近海油氣不斷開發(fā)，其后續(xù)發(fā)展能力明顯不足，開辟深水油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域是當(dāng)前面臨的主要任務(wù)。但相比之下，我國深水海域油氣資源仍處在勘探開發(fā)的初期，勘探程度非常低，目前只對其中 10％ 的 海域進行了 勘探。深水勘探 (鉆探 )能力及開發(fā)作業(yè)能力遠落后于世界記錄 ,如表 12 所示 。 [7] 表 12 我國深水區(qū)開發(fā)與世界先進水平對比 項目 世界先進水平 我國水平 鉆探最大水深，米 3050 505 投產(chǎn)油田最大水深，米 2192 333 鋪管最大水深，米 2202 150 起重能力，噸 14000 3800 在地質(zhì)構(gòu)造、油氣成藏特征和環(huán)境條件等方面，我國海域油氣藏存在眾多急需解決的技術(shù)難點，特別是復(fù)式油藏盆地構(gòu)造復(fù)雜，油層埋藏淺，儲層疏松，井下出砂嚴重，高粘、高凝、高含蠟等復(fù)雜原油物性，海況、灘涂環(huán)境惡 劣，以及海冰、海侵、南海特有的強熱帶風(fēng)暴和內(nèi)波等災(zāi)害性環(huán)境條件，這些都是世界石油領(lǐng)域面臨的難題，也是我國海洋石油資源難于開發(fā)的原因之一。 第 1章 前 言 7 我國深海油氣開發(fā)技術(shù)上的空白以及我國海洋環(huán)境的惡劣使我們清楚地認識到我國深水開發(fā)事業(yè)任重而道遠。作為國家建設(shè)的接班人，我們必須突破國外對我們的技術(shù)封鎖，開創(chuàng)和發(fā)展我的深水開發(fā)事業(yè)，為我國的社會主義建設(shè)提供足夠的能源。 第 2章 深水系統(tǒng) 8 第 2 章 深水系統(tǒng) 隨著海上油氣開發(fā)的不斷發(fā)展，海洋石油工程技術(shù)發(fā)生著日新月異的變化，在深水油氣田開發(fā)中，傳統(tǒng)的導(dǎo)管架平臺和重力式平臺正逐步被深水浮式平 臺和水下生產(chǎn)系統(tǒng)所代替（圖 21），各種類型深水平臺的設(shè)計、建造技術(shù)不斷完善。目前，全世界已有 2300 多套水下生產(chǎn)設(shè)施、 204 座深水平臺運行在全世界各大海域，最大工作水深張力腿平臺（ TLP）已達到 1434m，SPAR 為 2073m、浮式生產(chǎn)儲油裝置（ FPSO）為 1900m、多功能半潛式平臺達到 1920m 以上、水下作業(yè)機器人（ ROV）超過 3000m，采用水下生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)的油氣田最大水深為 2192m，最大鉆探水深為 3095m。 [8] 圖 21 各類深水油氣田開發(fā)設(shè)施 挪威專家 Einar Holmefjord 先生在題為《挪威邊際油田開發(fā)研究活動現(xiàn)狀 —— DEMO 20xx》的演講中指出，“昨天，我們采用重力基礎(chǔ)的平臺進行鉆井和生產(chǎn)，今天，我們采用浮式生產(chǎn)系統(tǒng)，明天，我們將井流物從海底直接輸送上岸處理，不需要任何海 面 設(shè)施” 。 Einar Holmefjord 先生的話簡明第 2章 深水系統(tǒng) 9 地概括了國外海上石油技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和 趨勢，隨著時間的推移，我們將最終選用水下生產(chǎn)系統(tǒng)而避免使用昂貴的海面生產(chǎn)設(shè)施。 圖 22 為就是典型的水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計圖。 圖 22 典型水下 生產(chǎn) 系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)思圖 深水系統(tǒng)的組成 當(dāng)前海洋油氣開發(fā)中的水下生產(chǎn)系 統(tǒng) 組成 分為以下五大 部分 ：海底多相流泵增壓系統(tǒng)、海底原海水注入系統(tǒng)、海底氣 液分離和液體增壓泵送系統(tǒng)、海底產(chǎn)出水分離和回注系統(tǒng)、海底濕氣壓縮系統(tǒng)。當(dāng)然，從系統(tǒng)工程的角度來看，整個水下生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)該還包括海底高集成度壓力保護、海底電能供應(yīng)與分布等配套子系統(tǒng)。但是水下生產(chǎn)系統(tǒng)最 重要 的是海底增壓泵送系統(tǒng)和海底分離系統(tǒng)。 [9]圖 23 和圖 24 就是現(xiàn)實中存在的海底增壓用的氣體壓縮機和海底分離系統(tǒng)。 第 2章 深水系統(tǒng) 10 圖 23海底氣體壓縮機 圖 24 Tordis 海底分離系統(tǒng) 深水系統(tǒng)的發(fā)展史 海底分離技術(shù)的發(fā) 展 關(guān)于海底分離技術(shù)幾個里程碑事件是： ? 1970 年，英國石油公司在阿拉伯聯(lián)合酋長國的首都阿布扎比的 Zakum油田進行海底分離的實驗 ? 1987 年，德士古公司的海底分離器和液塞捕集器被安裝在北海第 2章 深水系統(tǒng) 11 Highlander 油田的 Tartan 平臺上。 ? 1989 年，英國海洋工程技術(shù)公司在北海的 Argyll 油田進行分離器的實驗。 ? 20xx 年，挪威的 Hydro’ s Troll Pilot 項目在挪威的 Troll C 油田進行分離