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揭秘深水油氣開發有多難

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深海油氣開采系統的技術裝備難度堪比航天工程,在追趕國際先進水平時,僅憑“一家之力”是難以達到的,需要聚集各個國家、各個公司、各個行業的中堅力量,方可實現追趕甚至突破。

作者 | 郭永峰

俗話說,“上天容易入海難”,1969年7月人類首次登上距地球38萬公里的月球;但潛入地球最深處——太平洋的“馬里亞納海溝”,卻困難重重,直到2019年5月,美國探險家維克托·韋斯科沃在馬里亞納海溝打破人類最深潛水紀錄,下潛深度10928米。

另外,以首次中國載人航天與載人下潛年份比較來看,中國第一次載人航天實現于2003年,而中國第一次載人下潛太平洋“馬里亞納海溝”7,062米深處的時間為2012年,這從某種角度也足以說明,深海作業的技術難度至少與航天工程相差無幾。

在這樣高的難度下,深水油氣是如何從開采出來的呢?由于深水油氣開采涉及面較廣,本文將從深水油氣開采的核心——水下開采系統來展開,并以非洲尼日利亞OML130區塊為例,帶領讀者一同探秘深水油氣開采。

01. 深水標準

從一般性定義來說,海上油田分為淺海、深海以及超深海3類。一般所指的超深海,是指水深為1500 m以深的海洋。而區別淺海與深海有2套標準,即挪威標準與歐美標準。

根據挪威標準,淺海是指水深為300 m以淺的海洋,深海是指水深從300 m至1500 m的海洋。而歐美國家的淺海與深海區分標準,則是以水深500 m為界,即500 m以淺為淺海,500 m以深為深海。

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我國由于深海油氣開發啟動較晚,國內標準不太統一。一部分業內人士使用挪威標準,另一部分業內人士使用歐美標準。國內媒體報道中則較多采用挪威的深海標準。

目前,世界上擁有深水油氣開采能力的國家,有美國、英國、法國、意大利、挪威、荷蘭、澳大利亞、中國,以及俄羅斯、巴西等10多個國家。截止2019年6月,世界上深水鉆井的最深紀錄,是水深3174 m;而水下油氣開采作業的最深作業紀錄,是水深2943 m。


02. 深水油氣開采的核心——水下開采系統

正如文章一開始所提到的,深水作業的技術難度與航天工程相差無幾。從全球大型機械裝備的設計、研制與應用方面來看,深水油氣田的水下生產系統,或者稱水下開采系統,堪稱與航空、航天工程一樣,可以列為當代人類科技成果的頂峰。如此“高精尖”,其造價當然也不菲。當前,世界上建造一套深水水下油氣開采系統,平均造價約20億美元。

此外,由于深水油氣開采裝備與海洋軍事裝備具有通用性,這使其更具有“神秘”色彩??梢钥吹?,目前世界上擁有深水油氣開采能力的國家有美國、英國、法國、意大利、挪威、荷蘭、澳大利亞、中國,以及俄羅斯、巴西等10多個國家。而這些國家也正是全球擁有海軍“超能力”的10個國家?;蛘邷蚀_說,能夠從事深水油氣開發的國家,本身都擁有名列世界前茅的“一流”海軍。

美國海軍戰略理論家與海洋歷史學家馬漢(Alfred Thayer Mahan, 1840-1914) 于1890年出版其重要著作《海權論》,提出“誰擁有海洋,誰就擁有世界”的觀點。這一觀點影響了100多年來的歐美政府首腦。在“海權論”影響下,世界各強國政府,爭相發展本國海軍,包括擴大海軍規模與更新海軍裝備,并盡可能促使海軍裝備“尖端化”,或者在世界各海域“無可匹敵”。

而世界各國的海軍裝備的“白熱化”競爭,導致的結果之一,是使得海洋油氣開采的各種設備(包括深水海域油氣開采的各種相關裝備)及相應的研究、設計與制造工藝與數據,均處于嚴格保密狀態。

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例如,美國政府對于中國大陸地區實行100 HP (馬力)以上的大型與重型水下機器人(ROV,Remotely Operated Vehicle)的“禁售與禁止設計制造技術轉讓”政策,至今沒有“松動”。而我國東北遼寧的某國家研究所,已試制出中型水下機器人(ROV)樣機,但尚未正式投入海洋作業當中去。

歐美國家對于我國進行大馬力水下機器人(ROV)技術封鎖,原因是ROV不僅可以應用在深海鉆井與水下油氣開采,還可以應用在海洋水下軍事設施建造,以及在重要軍事港口或航道上布設重型水雷,對潛艇或者核潛艇實施水下救援等重要軍事作業中。特別是戰爭時期,大馬力水下機器人(ROV)還擔負對于遭到戰火輕微損壞的水面艦艇,實施水下快速修理與補救。


03. 尼日利亞深水案例

為了更好地介紹深水水下開采系統,我們以西非國家尼日利亞的OML130區塊深水油田水下開采系統為例介紹深水水下開采系統,包括深水水下生產的構成、關鍵設備性能與功能,以及主要作業工藝等。

1.OML130深水油田概況

尼日利亞著名的OML130區塊深水油田水下開發項目,是由法國Total (道達爾)公司作為作業者設計與施工的。Total公司在全世界各海域進行過多項深海油田水下油氣開發項目作業,擁有豐富的深海油氣開采工程經驗。

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OML130深水油田,作業水深為1300m至1450 m,位于尼日利亞著名港口城市HarCournt以南200公里海域。油田總面積為1259平方公里,共設計開發井44口,全部安裝濕式井口采油樹,可采原油儲量為15億桶。

該深水油田共包括4個子油田,其中Akpo子油田油藏埋深2950 米 ~3750米,已于2009年4月投產,目前日產原油18萬桶。Akpo子油田有5個主要產油層,采出原油性質為輕質凝析油。井口最高溫度為116℃,最大關井壓力為400 bar。

OML130深水油田預安裝2套IWOCS(Installation and Workover Control System, 修井與完井系統),為油田完井作業,以及油田未來修井作業使用。

2.OML130深水油田的油氣開采系統組成

尼日利亞OML130深水油田的油氣開采系統,共包括3個工程系統:

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其一,FPSO(Floating Production Storage and Offloading, 浮式存儲油系統)。FPSO的功能是“浮式生產儲油卸油裝置”;為深海油氣開采之后,在海面上實現原油的儲油、卸油,以及外運與外輸功能。

尼日利亞OML深水油田使用的FPSO的規模,相當于一艘40萬噸的油輪。其儲油能力為200萬桶,處理原油能力為每天18.5萬桶,注水能力為每天42萬桶,氣體外輸能力為每天3.2億標準立方英尺;注氣能力為2.15億標準立方英尺。

上部模塊總重量(干重)為4萬噸;發電能力為6×28兆瓦;船體尺寸為310m×61m×30m;總噸位為30萬噸;總排水量405,000噸;錨鏈設計長度為2340 m/根;設計原則為“駁船式”,“雙側單底”;FPSO(浮式存儲油系統)模塊分為4級,分別為8 bar,24 bar,9bar,以及2bar。在井口內天然氣高壓的緊急情況下,所有裝置具有減壓功能。

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該項目的FPSO主要有3個方面的設計特點:

1)FPSO(浮式存儲油系統)的作業人員住宿為人數為160人,最大容量為240人。此為法國Total (道達爾)公司在全球深海油田水下生產系統統一標準。一般作業條件下,不需要作業方提供額外住宿生活支持駁船。

2)由于尼日利亞OML130深水油田的天然氣產量很高,理論上每天火炬燃燒量最高達100百萬立方米。故作業者在FPSO(浮式存儲油系統)上設計建造全球最高的天然氣燃燒火炬,總高度為128 m。而且還專門設計與安裝火炬周圍的高等級的防止熱輻射裝置。

3)FPSO(浮式存儲油系統)采用“全電”設計;即FPSO(浮式存儲油系統)的每個模塊,都采取電驅動操作與控制,排除各種形式的“液壓控制”,因而控制與運作速度快,效率高。此外,FPSO的每個模塊,選擇分散式電器儀表間方式配置,即配備與安裝有專門獨立的電器儀表操作間,故作業者可以從海上與陸地針對各個模塊進行調試與運行。

其二,FET (Floating Export Terminal, 浮式外輸終端系統),負責深海油氣開采過程中的原油與天然氣,通過海底管線進行外輸時相關運行,包括相關儀器與儀表控制與操作。浮式外輸終端系統包括卸油油罐,以及卸油浮筒。

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其三,SPS (Subsea Production System, 水下生產系統)。深海水下生產系統,包括海床油井、海床氣井、海床注水井、海床注氣井、海床注水管線、海床注氣管線、海床原油輸送管線、海床天然氣輸送管線、水下生產系統控制管纜。此外,還有油氣開采初期測試系統設施,也就是早期生產系統。

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OML130深水油田管匯基座 (重量110噸;共10個)

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OML130深水油田管匯 (重量105噸;共10個)

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該深水油田的SPS(水下生產系統)的設計參數:

1)擁有44口水下井口與采油樹,包括22口采油井、2口注氣井,22口注水井;

2)SPS(水下生產系統)擁有9個水下油氣開發管匯(包括20%的備用容量),1個注氣管匯。此外,還裝備有65 km動態與靜態控制纜,若干水下跨接短管,以及170個水平接頭。

3)SPS(水下生產系統)有1套水下生產控制系統,主體安裝在FPSO;并與FPSO的生產控制系統相連接。水下生產控制系統的各個控制模塊安裝在各個采油樹,以及油氣開發管匯。

4)SPS(水下生產系統)擁有2套IWOCS(Installation and Workover Control System, 修井與完井系統),安裝在水下生產開發模塊。

3.水下開采系統的大型裝備

尼日利亞的OML深水油田水下開采系統的FEED(Front End Engineering Design,前端工程設計),就體現較為前沿的技術理念。主要體現在FPSO(浮式存儲油系統)的“全電設計”,“環保設計”等。

大型裝備主要有以下部分:

1)水下ICSS系統,即Integrated Control & Safety System (綜合控制及安全系統)。
2)透平(Turbine, 渦輪)發電機;選擇6臺(5+1)Rolls-Royce(羅爾斯羅伊斯,或勞斯萊斯)RB211雙燃料發電機組(此為多種波音飛機,如波音747與波音757,以及空客飛機的發動機)作為集中電站。其中4臺發電機安裝有廢熱回收裝置(WHRU, Waste Heat Recovery Units),所回收的廢熱用于原油進入FPSO(浮式存儲油系統)前的加熱處理需要,從而取消了原來設計安裝天然氣加熱器的需求,減少了二氧化碳與VOC((volatile organic compounds, 揮發性有機化合物)的排放。
3)氣體壓縮機;
4)外輸油泵;
5)注水泵;
6)主柴油發電機;
7)應急柴油發電機。

04. 我國深水油氣開采系統現狀

我國的深水油氣田開發工程著手較晚。2004年我國開始著手深海鉆井作業的前期工作,不久后就開始建造世界聞名的深水半潛式鉆井平臺——海洋石油981平臺。2006年著手深水油氣開采作業的前期工作,從2010年開始著手進行深水油氣田的水下生產系統作業項目。

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由此也可以看出,與歐美發達國家相比而言,我們在深水油氣生產方面,起步較晚,因此也必然面臨不足之處。

1.人才短缺

從接觸深海技術的人員數量來看,由于深水鉆井平臺、深海采油平臺,以及FPSO(浮式存儲油系統)等深海油氣開采裝備的自動化程度高,需要人工干預少,因而接觸這項技術的人也少。從國內來看,真正涉及深水油氣田生產系統的作業人員,數十人而已,而這其中,還有相當部分是國外公司的外籍人員。

從國內擔負培養深水水下油氣開發系統人才的院校分布與構成來看,院校數量較少,每年培養人才數量也有限。目前,國內開設與深海油氣開發工程相關課程的院校,有石油大學(北京)、石油大學(華東)、西南石油大學、哈爾濱工程大學,以及天津大學等。

由于我國的深海油氣開發系統與工程剛剛開始,這些院校的相關課程所涉及內容還較為初步,這也導致學生修完課程后,所面臨的生產實習環境不足。這些初步開設深海水下油氣開發工程的院校中,哈爾濱工程大學所開設的課程較有特點,是偏重FPSO(浮式存儲油系統)設計與建造。

當前國內還有院校開設過本科學生班,培養過若干屆定向研究方向的本科生。學生定向分配給中石化、中海油,從事初步的海上水下油氣開采工程的設計與建造。用人單位反映良好。但是無奈海洋油氣開采,特別是深海水下油氣開采,技術層面太窄,學生出路不多,為后續培養這方面學生造成一定障礙。

2.技術攻關任重道遠

從實際情況看,我國的深海油氣田水下生產系統的裝備研制與安裝,還處在起步階段,更準確地說處于“入門”階段。

自從2016年初以來,國內較有影響力的媒體多次提到我國深海水下生產系統的裝備制造,完成“從無到有”的轉變歷程,“打破了西方發達國家在這一領域的技術壟斷”。實際上這樣說還“言之過早”。

當前國內有計劃研制深深水水下采油樹、深水水下管匯等深海水下生產系統裝備的廠商不到10家,其中少數幾家設計標準為海水深度300 m至400 m的海洋使用環境,但沒有一家將設計環境設定為水深500 m以深。然而,在全球石油界對于深海油氣田的認定,除了挪威之外,均認為水深超過500 m才算得上“深水油氣田”。在這種條件下生產出的合格設備與世界上多數國家認可的真正意義上的“深?!痹O備相比,依然存在較大差距。

我國相關廠商有志于研制與生產深海油氣開采系統裝備,但真正打破西方國家對于深海水下生產系統的壟斷,還有很長的路要走。對此,要有足夠思想準備。


05. 尼日利亞深水案例的啟示

深海油田水下生產系統設計與研制,代表全球機械電子行業最高技術水準,世界上還沒有任何一個國家能夠自主全部制造,應有技術合作,取長補短的思想準備。

1.深海水下生產裝備制造難度超出常人想像

深水油氣田的水下生產系統設計與制造,擁有異常嚴格的制造工藝與技術要求。其研制工藝之嚴格,制造過程之繁雜,需要制造廠商技術積淀之深厚,是不看到實物或者親臨制造車間產品線,僅憑想像所難以想像出來的。深水油氣田的水下生產系統裝備性能之卓越,作用之奇妙,僅憑一人之力或一廠之力,都是難以達到的。

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由于深海油氣開采的環境特點是水深“涌”急,條件惡劣,加之深海油氣開采過程中,若發生事故而對于全球生態系統所產生的巨大危害,以及深海油氣開采設備與現代海軍裝備的“天然”聯系,所以深海水下生產系統的全部設備與施工工藝,都是經過作業人員“精雕細刻”,“千錘百煉”設計與研制出來的。更準確地說,深水油田水下油氣生產系統,凝聚世界上各種“頂尖”技術與工藝。

2.關鍵設備研制與仿制均存在較大困難

深海水下生產系統的“水下快速聯接器”(MQC, Maine Quick Connection),是整個系統中的關鍵設備之一。其外形與陸軍的多管聯排“火箭發射器”差不多。某種型號的共20個孔,并有20根軸可以與孔相連接。

“水下快速聯接器(MQC)”使用時,在數百米的水下,利用水下機器人(ROV)將20根“聯排”軸輕輕一推,全部軸就平穩插入20個孔中,實現“鋼對鋼”絕對密封,瞬時接通海面控制系統與海床所有裝備,例如水下采油樹,水下管匯等的水、電(動力電流與信號電流)、液壓油,以及氣(動力氣)等20路作業媒介;還能在300個大氣壓下,保證不漏水、電、油與氣等。

而工作結束后,經過水下機器人(ROV)輕輕一拉,“水下快速聯接器(MQC)”的20根軸則可以輕易離開20個孔,實現各作業媒介的全部中斷。其工作原理,類似于如今盛行的“電動汽車”充電過程,只不過“電動汽車”只需接通動力電源,而且是在常規大氣條件下,而“水下快速聯接器(MQC)”工作在數百米以及數千米的水下,承受幾百個大氣壓的壓力。

僅從機械制造難度角度說,“水下快速聯接器(MQC)”是深海水下生產系統研制最困難的機械裝備之一。根據當前掌握的信息,至今國內生產廠商的研制“水下快速聯接器(MQC)”進展仍是較為緩慢。

一位陸地油田工程師曾感慨地說,如今常用的地面液壓吊車,在大氣環境,使用橡膠圈密封,還經常發生漏油問題,而“水下快速聯接器(MQC)”在深海那么大壓力下,依靠“純鋼”密封,竟然不漏、不滲,真難以至信。

3.取長補短,合作共進

當前國際上深海水下生產系統的重要設備,都是屬于“萬國制造”,沒有任何一臺關鍵設備,是由某個國家單獨制造的。這一特點應是深海油氣田設備及其他少數尖端行業和技術的特點。

目前我國“試水”深海裝備的廠商,包括上海、陜西、山東,以及河南的廠商,都在力圖以“一廠之力”攻克深海油氣田水下生產系統關鍵設備難題,但是這些廠商很少關注深海設備很少是由一個國家單獨完成設計與制造的規律。

例如,近百年來,世界技術界對于美國科技力量的宏大與強健多有評述,但事實上,美國的本土機械加工精度多年來達不到世界平均線以上的水平。甚至可以說美國的機械加工精度從來沒有達到過較好的水平。所以,深海油氣田的水下生產系統關鍵設備的機械加工,基本上都是在美國本土以外完成的。例如,德國,意大利,挪威,英國,瑞典等。

多年前,當作者赴德國進行深海裝備的定購與產品驗收時,曾問過德國工程師,為何深海裝備的精密機械加工件,無一件是在美國加工的。這位德國工程師回答說,一樣的設計圖紙,只要拿到美國加工,制造出來就達不到使用要求。這已經成為歐美機械行業的共識??梢钥吹?,美國機械行業只有總裝,沒有加工。

眾所周知,占世界上大型客機商業市場“半壁江山”的波音(Boeing)飛機是美國生產的,構成美國出口各國的“拳頭”產品。但對于超過50%比例的波音飛機的關鍵設備——飛機發動機,則是由英國Rolls-Royce(羅爾斯羅伊斯,或勞斯萊斯)公司生產的。

對于此文介紹的尼日利亞的OML130深水油田的水下生產系統而言,其主體發電動力使用的是英國Rolls-Royce公司生產的RB211雙燃料發電機組。此發動機是多種波音飛機與空客飛機配備的發動機,是世界機械行業最高技術結晶。同時也是遍布全世界的深海油氣田水下生產系統的主要裝備選擇。其優點是在FPSO有限的甲板面積上,產生更大油氣開采動力。

由此看來,深海油氣田的水下生產系統的關鍵設備的設計與制造,都是歐美各國互相協作,取長補短的結果。例如何德國機械廠擅長制造軸孔類部件,意大利機械廠擅長制造閥類部件,而挪威與瑞典機械廠擅長制造相對運動類部件……

4.加強信息交流

世界深水油氣田的水下生產系統,具有常人無法想象的設計難度與作業復雜程度,也具有我們普通民眾無法想象的極端惡劣水下工作條件。其設備運行要求極端可靠,因為一旦出現事故,對自然環境與公共社會環境所造成無法逆轉的危害。

所以,國內涉及深海油氣田水下生產系統的各行各業,無論民企或國企,應加強深海油田水下生產系統的安裝工藝與裝備研制的信息交流,開辟平等公平的國內深海水下生產系統研制使用市場,早日實現我國深海水下生產系統的高效與低成本運作。

相信在不遠的將來,在國內各行業的同心協力支持,以及海洋石油員工的積極努力下,我國深海水下生產系統會取得更大輝煌的成就,為中國的能源事業創造更令世人矚目的業績。

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