【正文】 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、由簡易到復雜的發(fā)展過程。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。 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。 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。 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％。 1980 年達 億噸，占總產(chǎn)量的 ％， 1990 年 億噸，占總產(chǎn)量的 ％。 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。 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。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。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。 [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”。 [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。 20xx年年產(chǎn)原油 2350 萬噸。 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。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。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。 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％。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。 [6] 據(jù)預計，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。我們應該清醒地認識到：我國目前的海洋油氣開發(fā)主要集中在近海和淺海。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。 [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，特別是復式油藏盆地構(gòu)造復雜，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暴和內(nèi)波等災害性環(huán)境條件，這些都是世界石油領域面臨的難題，也是我國海洋石油資源難于開發(fā)的原因之一。作為國家建設的接班人，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提供足夠的能源。目前，全世界已有 2300 多套水下生產(chǎn)設施、 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。 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)設施。 圖 22 典型水下 生產(chǎn) 系統(tǒng)設計構(gòu)思圖 深水系統(tǒng)的組成 當前海洋油氣開發(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)。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)。 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。 ? 20xx 年，挪威的 Hydro’ s Troll Pilot 項目在挪威的 Troll C 油田進行分離和水回注的實驗。這種分離器被稱作垂直環(huán) 形分離和泵送系統(tǒng)，最初的想法在 1980 年起源于英國石油公司。 ? 1994 年，殼牌石油公司在挪威的 Draugen 油田安裝了 Framo 的螺旋同軸液壓泵。 ? 20xx 年，?？松梨谑凸驹诔嗟缼變?nèi)亞的 Topacio 安裝了 Framo螺旋同軸電動泵。 [10] 深水系統(tǒng)的優(yōu)勢 深水系統(tǒng) 具有很多常規(guī)海上生產(chǎn)系統(tǒng)所不具有的優(yōu)勢，它們是： （ 1）由于不再使用價格昂貴的海上平臺，尤其對于深水區(qū)，極大地節(jié)省了油田開發(fā)總投資，同時在一定程度 上可以縮短施工建設時間，早日投產(chǎn)以盡快收回投資，因此在追求最大利 益的今天具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢。同時，深水系統(tǒng)避免了 海面上各種惡劣氣候環(huán)境因素如風暴、海冰等的威脅，提高了系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性，減少 了 停運時間，增加 了 經(jīng)濟效益。 （ 4） 在海底進行水的脫除不但減少或避免了水面上水處理設備的數(shù)量，還降低 了 海底管線的流量 ，這就允許使用小管徑管線 ，降低了設備 的投資 。 （ 5）海底污水處理回注系統(tǒng)可以把以處理 后 的生產(chǎn)污水直接回注，大大有利于環(huán)境的保護，同時減少水面上的注水泵、 FPSO 上的旋轉(zhuǎn)通道和輸水管線等設備，節(jié)約了設備的投資。 （ 6）深水系統(tǒng)使開發(fā)邊際油田變得具有經(jīng)濟效益，這無形中增加了世界可開采油氣資源的量。深水中的靜水壓力很高，所以容積式容器需要很高的抗壓強度。 （ 2）由于海底環(huán)境的惡劣以及海底一旦發(fā)生事故時對環(huán)境造成污染的第 2章 深水系統(tǒng) 13 嚴重性，怎樣設計更加緊湊，更加穩(wěn)定的生產(chǎn)系統(tǒng)依然是一個技術(shù) 難題。惡 劣的海洋條件例如風、波浪、洋流等，通常無法掌握其情況，數(shù)據(jù)極少。這給深水油氣集輸工藝設計和生產(chǎn)安全帶來許多難題。 （ 5）由于人類潛水深度的限制，水 深超過一定界限以后，水下設備的安裝必須使用水下機器人進行。 （ 6）由于深水 系統(tǒng)的 設備容器等均安裝在海底，一般情況下不可能經(jīng)常性地移動到海面或在海底進行維護 ，這對集輸系統(tǒng)提出了一個要求：必須能長時間不間斷運行且數(shù)年無需維護。傳 統(tǒng)的離岸開發(fā) 是在 淺水中 建設擁有固定腿的平臺 。 但是就目前而言，長距離接合現(xiàn)有 浮式生產(chǎn)設施的井的廢棄井口壓力高達 2MPA，因為沒有使用海底分離和海底加壓 設備 ，當井的產(chǎn)量 降低到 5000桶 /天時即被 遺棄。海底 分離將 避免舉升大量需要處理和回注的水到海面。 海底分離設備與陸地分離設備有明顯的不同。 圖 31 一種海底重力式分離器 海底重力分離器的設計制造是非常廉價的。 但是，重力分離器的設計也有很多缺點。 第 3章 緊湊型分離設備 15 ? 對于高壓力系統(tǒng)和高水深區(qū)域的開發(fā)，重力分離器所承受的壓力等級將要求它們擁有 很 高 的 壁厚，因此變得笨重和昂貴。 [11] 由于常規(guī)海底重力式分離器的上述缺點，它們在海底生產(chǎn)系統(tǒng)中并沒有得到廣泛的應用，而應用最多的是海底 緊湊型 分離器，下面將著重介紹幾種海底緊湊型分離設備 。 整個 SSBIS 系統(tǒng)包括跨接管匯、注水樹、海底分離增壓和注水 (SSBI)站。 SSBI 站采用獨立的基礎結(jié)構(gòu)來支撐總成模塊、分離模塊以及其它一些組件，基礎結(jié)構(gòu)采用 4 個吸力錨 (每個角上 1 個 )來進行定位和找水平。 SSBIS 站分離模塊 結(jié)構(gòu) 如圖 32 所示，采用了 CDS 緊湊式分離器，海底分離器 中的入口旋流器首先將油井產(chǎn)出物中的大部分氣體分離出來，并通過1 個獨立管線送出分離罐外，從而減小了分離罐的尺寸。較重的水相經(jīng)注水泵增壓后直接通過注水樹的套管后回注到地層，油和氣重新混合后通過 1 臺多相泵增壓后輸送到 Gullfaks C 平臺。 圖 32 SSBI 站分離模塊結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖 1— 氣液旋流分離器 。3— 油 水 砂沉降分離器； 4— 供水管線； 5— 液體分布組件 圖 33 SSBI 站分離器剖面圖 分離模塊作為 1 個獨立裝置，可以對其回收。被沖刷走的砂子轉(zhuǎn)移到 1 個重力除砂模塊，與注入水混合后重新注入 到 注水泵下游的地層中。 離心式注水泵和螺旋軸流式多相泵分別采用標準的 Framo 泵型，都是通過來自 Gullfaks C 平臺上的電纜為驅(qū)動電動機供電，都可用 1 個獨立的工具回收。分離罐中還安裝有液位檢測計來監(jiān)測水 油 氣三相之間的界面，這些界面信息用來控制注水泵和多相泵的轉(zhuǎn)速。 [12] SSBI 站的優(yōu)勢 與傳統(tǒng)的水面分離方式相比， SSBI 站具有以下幾點明顯的優(yōu)勢： ? 因為安裝了全面的海底分離設施， Tordis 油田的最終采收率從 49%提高到 55%，將會多生產(chǎn)三千五百萬桶原油。 ? 除去井流中的水， 提高注水能力，改善停產(chǎn)和再啟動條件 ， 改善管道輸送條件，同時避免了多相輸送容易 出現(xiàn)的問題（例如形成水化物、段塞）；流動更加穩(wěn)定，輸送的體積可 少，允許使用小尺寸 的 管子 。 垂直環(huán)形分離泵送系統(tǒng) 垂直環(huán)形分離泵送系統(tǒng) VASPS（ Vertical Annular Separation and Pumping System，簡稱 VASPS）是目前存在的另一種典型海底分離系統(tǒng)，它位于巴西海上的 Marimba 地區(qū)，氣液兩相分離器于 20xx 年投入運轉(zhuǎn)。外層套管（承壓套管）有各種標稱的接頭，共有 6 節(jié)，其直徑為 ，總長度為 3070m。內(nèi)層套管為液體排出管，直徑為， 位于螺旋管中間，提供液體排出通道，并在螺旋管中間形成內(nèi)第 3章 緊湊型分離設備 18 層氣體環(huán)空。在系統(tǒng)內(nèi)部，液體在螺旋水道的導向下直接進入分離器的底部，通過產(chǎn)生的離心力提高分離效果。氣體經(jīng)出口排出系統(tǒng)自然流入地面處理裝置，進行二級或三級分離。 VSAPS 可實現(xiàn)良好的氣液分離，使液體中氣體的含量降到最低限度， 因此可以使用單相泵及測量系統(tǒng)。該導管由 12m 長的標準件組合而成，每個的外徑均為 。 第 3章 緊湊型分離設備 19 ? VASPS 頂部組件：該系統(tǒng)的頂部構(gòu)件包括分離器頂部氣體膨脹腔、節(jié)流閥、液體及氣體出口連接件、液體入口連接件、過程檢測設備 、 ROV 接口板、穿電源設備及測試管線。 圖 35 VASPS 系統(tǒng)組成圖 ? VASPS 分離器：包括承壓套管及其內(nèi)部構(gòu)件 —— 螺旋、液體排出管 ? （ LDP）、電潛泵（ ESP）組件和液面控制的靜止井 。 ? 螺旋分離器接頭：由外層焊有螺旋板的中心管制成 。 ? 靜止插孔：在分離器內(nèi)部是一個由頂部插頭懸掛的靜止插孔，以提供測量 VASPS 液面的通道 。壓蓋可以電動斷開，并與 LDP 和 ESP 一起從 VASPS 系統(tǒng)中完全脫離開。 [15] VASPS 系統(tǒng)的優(yōu)勢 圖 36 VASPS系統(tǒng)運行的簡要說明 因為 VASPS系統(tǒng)主要安裝在海上平臺或者浮式系統(tǒng)以下， 如圖 36所示，多相井流一直到這里才進行分離，所以 VASPS 系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢： ? 系統(tǒng)能夠方便和及時地進行維修，因為分離和增 壓系