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◀海洋石油装备▶ 深海空间站在海上油气田开发中的应用 ∗ 秦 蕊1 李清平1 姜 哲2 李迅科1 (1 中海油研究总院 2 上海海洋大学深渊科学与技术研究中心) 摘要 为了实现海上油气田的全生命周期开发, 提出了一种采用深海空间站的新型海上油气 田的开发模式。 分析了采用深海空间站的概念开发方案开发海上油气田的优势, 通过调研国内外 深海空间站的发展现状, 提出了深海空间站应用于海上油气田开发所面临的技术挑战, 如深海耐 压壳体的设计、 深海空间站与水下穿梭装置的水下对接技术、 水下供电模式的选择以及水下供热 模式等。 对深海耐压壳体的设计和水下对接技术的技术难点进行了详细分析。 最后指出, 深海空 间站将成为开发利用深海资源和开展深海科学研究的有利平台。 关键词 深海空间站; 深水; 发展现状; 技术挑战 中图分类号 TE53 文献标识码 A doi 10 16082/ j cnki issn 1001-4578 2016 01 011 Application of the Deepwater Workstation in Offshore Oil and Gas Field Development Qin Rui1 Li Qingping1 Jiang Zhe2 Li Xunke1 (1 CNOOC Research Institute; 2 Hadal Science and Technology Research Center, Shanghai Ocean University) Abstract To realize the full life cycle development of offshore oil and gas fields, a new offshore oil and gas field development model using deepwater workstation is proposed The advantages of offshore oil and gas field devel⁃ opment using the deepwater workstation concept have been analyzed By researching the worldwide development sta⁃ tus of the deepwater workstation, the technical challenges of the deepwater workstation application on the offshore oil and gas development have been presented, such as deepwater pressure hull design, the underwater interfacing technology for deepwater workstation and subsea shuttle device, underwater power mode selection as well as under⁃ water heating mode Detailed analyses have been focused on the technical difficulties of the deepwater pressure hull design and the underwater interfacing technology The deepwater workstation will be a favorable platform for the deepwater resources exploitation and deepwater scientific research Key words deep water workstation; deepwater; development status; technical challenge 0 引 言 我国深水海域蕴含丰富的油气藏资源, 尤其是 南海, 石油、 天然气及天然气水合物资源都非常丰 富, 有 “第二个波斯湾” 的美称[1]。 近年来, 随 着海洋石油勘探技术和装备技术的不断发展, 深海 油气田的勘探和开发数量迅速增加, 在全球油气勘 探中占的比重也迅速加大, 人类一次又一次创造着 深水油气田开发的记录。 目前, 深水油气田有多种 开发模式, 如 TLP/ SPAR+外输管道的开发模式、 FPSO+水下生产系统的开发模式、 SEMI-FPS+水下 生产系统的开发模式、 SEMI-FPS+ FPSO 的开发模 式、 水下生产系统+外输管道的开发模式以及 TLP/ SPAR+水下生产系统+外输管道的开发模式等[2]。 但是, 无论采用哪种开发模式, 在海上施工阶段或 者正常生产阶段, 都无法避免海洋环境的影响。 随 着海上油气田开发数量、 开发规模和水深的不断增 15 2016 年 第 44 卷 第 1 期 石 油 机 械 CHINA PETROLEUM MACHINERY ∗基金项目 国家科技重大专项 “深水流动安全保障和水合物风险控制技术” (2011ZX05026-004)。 加, 海洋环境对油气田开发的影响逐渐成为制约油 气田收益的重要因素, 因此, 如何避免台风和内波 等恶劣环境影响, 实现海上油气田的全生命周期开 发这个问题应运而生。 基于深海空间站的海上油气 田开发模式就是解决此问题的方法之一。 但是目 前, 世界范围内深海空间站技术在军事和民用上仅 有极少的应用, 在海上油气田的开发中还没有应 用, 属于前沿技术。 笔者拟在此主要介绍深海空间站的优势及国内 外深海空间站的发展现状, 探讨在海上油气田开发 中采用深海空间站的开发模式所面临的技术挑战。 1 深海空间站的优势 深海空间站, 顾名思义就是在海底建立一种类 似太空空间站的基地, 可以实现人员的驻留, 可以 长周期、 全天候在深海海域直接操控油气田开发的 作业工具与装置, 进行水下工程作业、 资源的探测 与开发。 在海上油气田的开发中, 采用深海空间站 的开发模式主要有以下 2 方面的优势 一是因深海 空间站的装置和设备全在水下, 海面上没有任何设 备, 所以海上油气田的生产作业可不受台风等恶劣 环境条件的影响; 二是深海空间站中自含水下电 站、 水下热站和水下控制中心等模块, 可缩短水下 生产系统的供电距离。 下面分别详细阐述。 在海上油气田的开发中, 台风是影响油气田生 产和钻井作业的重要因素之一。 如在墨西哥湾, 以 2005 年的卡特里娜飓风 (Katrina) 和丽塔 (Rita) 飓风为例, 其影响涉及 4 000 座墨西哥湾平台中的 3 050 座, 53 108 km 管线中的 35 405 km, 导致 92%的原油生产和 83%的天然气生产停产, 造成巨 大的经济损失[3]。 中国南海 6 月到 10 月多台风, 对于正处于海上施工安装阶段的油气田来说, 因其 只有 20~32 周的有效工作时间, 从而严重制约了 海上油气田的施工和投产时间; 对于已投产的海上 油气田来说, 因台风期间需要避台, 从而导致油气 田在一段时间内需要停产, 极大影响油气田的产 量。 目前, 在现有的深水油气田的开发模式中, 大 多依托深水浮式平台 (TLP、 SPAR 或者 SEMI) 或 浅水固定平台进行开发。 不论浮式平台还是固定平 台, 均为水面平台, 受海洋环境条件的影响较大; 相对水面平台而言, 深海空间站在水中或水下作 业, 不受天气条件的制约, 在作业安全性和时效性 上具有一定优势。 在海上油气田的开发中, 随着离岸距离和水深 的进一步增加, 水下动力供给、 水下设施的维修及 检测等都面临着诸多问题和技术挑战, 成为制约深 远油气田开发可行性的重要因素。 目前, 世界上已 投产的最长供电距离的海上油气田是挪威的 Snhvit 气田, 水深 250 ~ 345 m, 回接距离为 143 km, 其开发模式为全部水下设施加 143 km 的海底 混输管道回接到陆上终端[4]。 深海空间站中自含 动力供给系统, 可以为水下生产系统提供动力源, 大大缩短了与水下生产控制中心之间的供电距离。 因此, 采用基于深海空间站的开发模式, 为超深、 超远海油气田的开发提供了解决方案。 综上所述, 如将深海空间站应用于海上油气田 的开发中, 将会产生很好的经济效益, 但是由于技 术水平的限制, 深海空间站的研究还停留在起步阶 段, 功能和结构都较为简单, 有待进一步完善。 2 国外发展现状 目前, 世界上对 “深海空间站” 的公开宣传 并不多, 但世界上海洋强国和军事强国都高度重视 这类深海作业装备技术的研究, 并已经超前应用于 军事目的和国家权益的拓展和维护。 早在 20 世纪 60 年代, 美国就提出水下工作站的概念, 并开始 进行研制。 到 20 世纪 90 年代, 继美国之后, 俄罗 斯及挪威等国家也开始进行水下工作站的研究和制 造。 水下工作站也称为深海空间站, 其主要目的和 用途可以从军事、 科学研究和民用搭载 3 方面来 讲。 在军事上, 可以实现隐蔽空间和全天候的作 业; 在科学上, 综合治海, 成为海洋科学研究的水 下平台; 在能源及其他民用工业领域, 可以作为深 水水下维修、 检测和作业的搭载或支持平台。 下面 列举国外几个 “深海空间站” 的实例。 2 1 美国的 NR-1 型深海空间站 美国 1969 年成功研制了一艘核动力研究潜艇 NR-1 号[5-6], 主要用于海洋工程和科学研究, 担 负水下搜索与回收、 海底地质调查、 海洋科学研究 以及水下设备的安装与维护等任务。 NR-1 号核动力潜艇艇长约 44 m, 高约 44 m, 宽约 3 6 m, 水下排水量 393 t, 成员 7 人, 工作深 度达 724 m, 水下航速为 6 5 km/ h, 据称具有无限 水下续航力。 船体中央为 HY-80 高强度钢制造的 圆筒形耐压壳, 前后为非耐压整形壳体, 前部⅟为 操纵控制、 观测和居住区, 其结构如图 1 所示[7]。 NR-1 号核动力潜艇于 2008 年停止使用, 自 服役以来, 已完成了水下固定声纳系统的安装与维 25 石 油 机 械2016 年 第 44 卷 第 1 期 护、 飞机和潜艇残骸的打捞等任务, 如 1986 年对 挑战者号航天飞机残骸的海底回收, 1995 年对不 列颠尼亚沉船的残骸搜索。 目前美国正在加紧研制 NR-2 型军民两用深海作业装备。 1、 11弹丸压载舱; 2后推进器; 3后轮; 4可变压载; 5 前轮;6机械手;7观察垫;8取样装置;9工 作模块;10前推进器;12艇控制站;13电视摄像机。 图 1 NR-1 号核动力潜艇的结构示意图 Fig 1 Structural schematic of the NR -1 nuclear⁃powered submarine 2 2 俄罗斯的深海空间站 20 世纪 90 年代开始, 俄罗斯联合多国, 包括 挪威在内, 围绕北极开展了海洋油气开发新装备体 系的论证与研究, 研制了三型具有核动力的深海空 间站, 其主要功能为运送人员、 设备部件和作业工 具等, 同时可为水下设施的检查和维修提供作业平 台。 3 种深海空间站的相关参数如表 1 所示。 表 1 俄罗斯的 3 种深海空间站 Table 1 Russia’s three kinds of deep water workstations 相关参数 第 1 种第 2 种第 3 种 工作潜深/ m 6004501 500 水下航速/ (kmh -1 )11 518 514 8 水下作业时间/ d 60215 俄罗斯的三型深海空间站的基本功能模块如 下 ①核动力深海探测及作业平台; ②核动力水下 供能平台; ③核动力水下钻井装备; ④核动力水下 补给及作业平台; ⑤核动力水下天然气转运平台。 除了美国、 俄罗斯和挪威等国外, 日本于 2014 年提出了 “海底城市” 的概念, 此构想由清 水建设公司联合东京大学和日本独立行政法人海洋 研究开发机构等多家单位进行研究, 计划 2030 年 建成移动的海底城市。 法国则专门针对水下核电站 进行了深入的设计和研发, 为解决 “深海空间站” 的动力供给问题奠定了技术基础。 3 国内发展现状 20 世纪 90 年代初, 我国开始在深海空间站技 术领域开展相关论证和关键技术研究。 2005 年, 中国工程院曾恒一院士提出要开发新型能源的深海 空间站, 其对深海空间站的具体描述为 在深海 3 000 m 的海底建立一座人宜居住的生活环境, 电 站、 热战与控制中心正常运转的工作环境, 油气水 处理工艺全在水下完成, 通过海管送至陆上终端; 采用一批智能型 ROV 和 AUV 作为交通、 运载与作 业工具[8-9]。 在 “十二五” 期间, 以开发深海资源、 进行 长周期、 全天候、 全海域海洋科学研究为目标, 中 船重工 702 所将深海空间站课题进行了立项, 并开 展了相关的研发工作[10]。 2012 年 5 月 23 日, 在北 京科博会上首次展出了中船重工 702 所 “深海空 间站” 的研究成果 小型深海移动工作站模型, 如图 2 所示。 图 2 702 所的小型深海移动工作站模型 Fig 2 The small deep⁃sea mobile workstation model by 702 institute 该小型深海移动工作站外形类似一艘小型潜 艇, 其工作潜深可达 1 500 m, 采用电池提供动力, 可以在水下连续逗留 15~18 d, 水下航速 7 4 km/ h, 最多载员 12 人, 正常排水量 260 t, 长 24 m, 可以携带多种水下机器人、 大型多功能作业机械手 和重型水下起吊装置等。 目前, 中船重工 702 所已 经完成了试验型深海移动工作站的试制, 并开展了 试验研究。 4 实现深海空间站面临的技术挑战 深海空间站包括水下生活区、 水下电站、 水下 热站和水下控制中心等多个模块, 是一个高度复杂 的工程系统, 涉及结构力学、 水动力学和材料科学 等多个学科领域, 需要将不同学科领域的技术有效 地融合, 最终实现深海空间站的实际建造与应用。 深海空间站作为深海装备技术发展的前沿, 其在海 上油气田开发中应用面临着诸多的技术挑战, 如深 海耐压壳体的设计、 深海空间站与水下穿梭装置的 352016 年 第 44 卷 第 1 期秦 蕊等 深海空间站在海上油气田开发中的应用 水下对接技术、 水下供电模式的选择 (核电、 特 殊电缆等) 以及水下供热模式 (电热、 气热、 水 热等) 等。 下面仅对深海耐压壳体的设计和水下 对接技术的技术难点进行详细分析。 4 1 深海耐压壳的设计 深海空间站工作在深海海底, 由于水深不同, 其承压和水温均会不同。 对于深海空间站来说, 其 外部可能需要承受几十到几百不等的大气压, 并处 于 4 ℃以下的海水温度中, 这样的高压低温环境对 深海空间站耐压壳体的设计及材料选择提出了严峻 的考验。 此外, 由于功能需要, 空间站的耐压壳体 尺度要大于现有载人潜水器, 因此, 大尺度耐压结 构的设计和制造以及结构密封都存在较大难度。 4 2 水下对接技术 在深水中进行对接作业的难度并不亚于太空中 的对接作业, 要实现深水空间站与外界的对接, 首 先要有水下穿梭运载装置。 “蛟龙” 号载人潜水器 的成功研制及其 7 000 m 海试的成功使得它成为水 下穿梭运载装置的不二选择, 为水下对接技术的进 一步研究奠定了基础。 此外, 中船重工 702 所正在 牵头研制的 4 500 m 级载人潜水器以及上海海洋大 学深渊科学与技术研究中心正在研制的 11 000 m 级载人潜水器也为深海空间站在不同海深作业提供 了更多选择。 现在, 实现水下对接作业的研究重点 是如何实现水下穿梭运载装置与深海空间站的对 接。 水下对接应为无缝对接, 即同时保证深海空间 站与水下穿梭运载装置的整体密闭性能, 此外, 还 需考虑整体的舱体平衡问题等。 水下对接过程应快 速、 准确, 使得水下穿梭运载装置不仅可以成为人 员、 物资和工具的运输载体, 还可以成为应急救援 的支持平台。 在海底如此特殊的环境中, 这种对接 技术的实现困难重重。 5 结束语 随着深水勘探开发的不断推进, 水下生产及处 理系统的应用将不断增加, 包括水下增压泵、 水下 分离器和水下湿气压缩机等水下油气处理设施。 相 对于这些技术的实现和推广应用, 深海空间站技术 的实现和应用更为困难。 虽然, 在载人下海领域, 我国的深海装备已达到世界的前沿水平, 为在海上 油气田开发中采用深海空间站的开发模式奠定了基 础, 但在水下作业时间、 能源动力和作业能力等方 面与美、 俄等发达国家还有很大的差距, 在深海空 间站其他方面的技术上与国外也还有相当大的差 距。 深海空间站的设计与研制不是一蹴而就的事 情, 需要几代人不懈的努力, 攻坚克难, 如能解决 深海空间站研制中的关键技术, 使得在海上油气田 开发中采用基于深海空间站的开发模式, 那么将极 大提高深水油气田开发的施工效率, 降低开发和投 资成本, 同时可以有效增加海上油气田的生产作业 天数, 提高油气田的产量。 毋庸置疑, 深海空间站 将成为开发利用深海资源和开展深海科学研究的有 利平台。 参 考 文 献 [1] 秦蕊, 李清平, 罗晓兰, 等 深海水下采油树结构 的强度计算 [J] 海洋工程, 2011, 29 (2) 25 [2] 海洋石油工程设计指南 编委会 海洋石油工程 设计指南 [M] 北京 石油工业出版社, 2011 11-14 [3] 船舶与海洋工程网 中海油研建深海空间站 [EB/ OL] [2012-11-20] http ∥www shipoffshore cn/ newsshow asp id=8509 [4] Anon Offshore technology, Snhvit gas field, Norway [EB/ OL] http ∥www offshore⁃technology com/ pr⁃ ojects/ snohvit-field/ [5] 郭亚东 神秘怪异的 NR-1 [N] 环球军事, 2009 -05 [6] 吉雨冠, 程荣涛 深海空间站导航技术初探 [J] 船舶, 2011 (1) 49 [7] 中国飓风 世界上唯一一艘核动力研究潜艇 “NR- 1” 号 [EB/ OL] [2012-08-31] http ∥bbs m eyet com/ thread-335695-1-1 html [8] 中国新闻周刊网 曾恒一 中国也应建深海空间站 [EB/ OL] [2012-06-25] http ∥politics inews⁃ week cn/20120625/ detail-54092-all html [9] 曾恒一, 李清平, 吴应湘 开发深海资源的海底空 间站技术 [J] 中国造船, 2006, 47 (增刊 1) 2 -3 [10] 佚名 我国深海空间站研发已立项 [J] 军民两 用技术与产品, 2012 (5) 29 第一作者简介 秦 蕊, 女, 工程师, 生于 1985 年, 2012 年毕业于中国石油大学 (北京) 机械设计及理论专 业, 获博士学位, 研究方向为海洋石油设施的设计方法与 理论。 地址(100028)北京市朝阳区。 E⁃mailqinrui2009@ 163 com。 收稿日期 2015-08-25 (本文编辑 刘 峰) 45 石 油 机 械2016 年 第 44 卷 第 1 期
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