水下多相流油氣自動開采技術(shù)

1、水下多相流油氣自動開采技術(shù)水下多相流油氣自動開采技術(shù)文/李清平中海石油研究中心技術(shù)研究部一,刖吾水下多相流油氣自動開采技術(shù)是相對于水面開采技術(shù)(如井口平臺,浮式生產(chǎn)設(shè)施)的一種海上油氣田開發(fā)技術(shù).它通過水下井口,部分或全部放置在海底的水下生產(chǎn)設(shè)施,以及海底管線和電纜,將油井生產(chǎn)的油氣混合物輸送至較遠的處理平臺或岸上油氣處理進行海上油氣田的開采.這一技術(shù)具有以下特點:可以避免就地建造昂貴的海上采油平臺和衛(wèi)星井井口平臺,從而節(jié)省大量建設(shè)投資,為經(jīng)濟,高效地開發(fā)邊際油田,衛(wèi)星油田,特別是深水油田提供了可能;水下生產(chǎn)系統(tǒng)適用的水深范圍從數(shù)百米到千余米,而且經(jīng)過優(yōu)化組合的設(shè)計方案可以適合各種海況的海域,

2、生產(chǎn)連續(xù)性好,安全可靠性高;采用水下多相流油氣自動開采與遠距離混輸技術(shù),可以避免采用油氣分離設(shè)備,通過降低井口背壓,提高油田的采收率,使距中心平臺或油輪較遠的衛(wèi)星油田得到經(jīng)濟開發(fā);水下生產(chǎn)系統(tǒng)的大部分設(shè)備具有可回收,重復(fù)利用性.因此,在降低油田開發(fā)成本的同時,還有利于海洋環(huán)境的保護和海上交通航行的安全.正是由于水下生產(chǎn)系統(tǒng)的以上特點,因而得到越來越廣泛的應(yīng)用.二國外水下生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與動態(tài)1.發(fā)展概述從1947年第一個水下井口在美國艾利湖安裝開始,隨著各種新技術(shù)的應(yīng)用,水下生產(chǎn)系統(tǒng)經(jīng)歷了由淺海一中深水域(100-500米)一深水(5001500米)一超深水(1500-3000米),由有潛水作

3、業(yè)一無潛水作業(yè)的不斷發(fā)展和完善的過程,特別是20世紀(jì)70年代以后,一些關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備,如海底叢式井口,干式與濕式采油樹,多井管匯,海底計量裝置等在水下油田的成功應(yīng)用,為這一技術(shù)在更深,更復(fù)雜海域的應(yīng)用提供了可能,目前水下作業(yè)機器人(ROV)的作業(yè)海域已經(jīng)超過水深4000米.從北海,墨西哥灣,西非及北大西洋紐芬蘭海域的Asgard,TerraNorva,Madim等處,水深400米1J2407米開采周期較長的大型油氣田,IJLF221,Cannemara(OffshoreIreland)等井?dāng)?shù)少,開采周期也較短的小型油田,水下生產(chǎn)系統(tǒng)已廣泛地應(yīng)用于世界各大海域.這一方面緣于海上油氣田開發(fā)深度的不

4、斷增加,另一方面也充分證明:高技術(shù)在水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的應(yīng)用,是有效地降低水下油田的開發(fā)成本的關(guān)鍵.正是基于這一點,早在20世紀(jì)8O年代初,許多國家就采取以科研機構(gòu),石油公司,設(shè)備公司三方合作的方式,投入大量的人力,物力,開始進行一系列與水下油田開發(fā)相關(guān)的新技術(shù)的研究,如著名的海神計劃,海王星計劃,以及巴西的PROCAP研究計劃,這些項目包括深水勘探開發(fā),深水鉆完井,深水工程等在內(nèi)的系統(tǒng)工程技術(shù)研究.目前,全世界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)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(qū)域,與此同時深水技術(shù)研究已經(jīng)取得了顯著成果,深水平臺的設(shè)計建造技術(shù)逐步完善,水下生產(chǎn)新技術(shù)不斷涌現(xiàn),一

5、大批深水油氣田建成投產(chǎn),深水開發(fā)的記錄被快速刷新,到2007年,運行在世界各大海域的水下井口3600多套,已經(jīng)投產(chǎn)的油氣田最大水深為2407米,鉆探水深記錄為3095米.遠距離油氣多相混輸技術(shù)在水下生產(chǎn)技術(shù)中的應(yīng)用是該項技術(shù)發(fā)展的主要方向.其中海神計劃最具代表性,它投資2000萬英磅,研究內(nèi)容涉及油氣多相混輸泵及輔助系統(tǒng)的開發(fā)研制,多相計量裝置的開發(fā)研制,多相管流的動態(tài)模擬技術(shù)的研究,水下動力供應(yīng)問題以及深水遙測遙控技術(shù)等七個方面.迄今為止,海神計劃的主要成果油氣多相混輸泵已進入工業(yè)化應(yīng)用,陸上應(yīng)用已較為成熟,世界各地有幾十臺泵在運行,水下多相增壓也已進入現(xiàn)場實驗階段,其他方面的研究也取得了較

6、大的進展.其項目研究進度見表2.在深水技術(shù)的開發(fā)方面,巴西是不惜重金的,開發(fā)的目標(biāo)已經(jīng)到達了2000米水深的油田,CamposBasin海域的Albacora,Marlim油田均是水下生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)用的典范,其中MarlimSUL油田是迄今為止世界上最深的海上油田,水深達1750米,全部采用水平井進行開發(fā).初步勘探表明:目前巴西有64%左右的油藏儲存在中深水域,其中37%在4001000米之間,27%在2000米水深以上的海域,1995年巴西24%的產(chǎn)量來N400米水深的油田,1J2003年約達1J63%,這與巴西在深水技術(shù)方面的一系列投入是密切相關(guān)的.2008年12月高科技與產(chǎn)業(yè)化372.研究動

7、態(tài)水下生產(chǎn)系統(tǒng)是一個技術(shù)密集,綜合性很強的海洋工程高技術(shù)領(lǐng)域,而且其研究內(nèi)容幾平涉及到與水下技術(shù)相關(guān)的各個領(lǐng)域,如水下井口及設(shè)備,海底管線,水下作業(yè)及監(jiān)控等.下面以當(dāng)前研究的重點一水下遠距離多相混輸為主,簡單介紹國外在多相混輸泵,多相計量,水下遙控,遙測及水下技術(shù)其他方面的主要研究動態(tài).(1)多相輸送與多相計量?油氣多相混輸泵研制:關(guān)鍵在于優(yōu)化泵內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),使水下多相泵的運行壽命達2-3年;水下動力源:開發(fā)信號電源(弱電源)技術(shù),大功率燃氣發(fā)電技術(shù),柴油機發(fā)電技術(shù);多相計量技術(shù):研制安全性好,結(jié)構(gòu)緊湊的多相計量儀和應(yīng)用軟測量技術(shù)的多相計量儀;水下多相流油氣管輸送:難點在于管輸多相流動態(tài)仿真模擬

8、軟件的開發(fā)和單管輸送的停輸再啟動技術(shù).(2)水下遙測,遙控和信號傳遞方面水下遙控方面:發(fā)展全電氣控制系統(tǒng)技術(shù),以適應(yīng)水下長距離操作控制,避免使用復(fù)雜的水下液壓機械設(shè)施;?在信號轉(zhuǎn)換,傳輸方面:研究新型,無線,水聲技術(shù),數(shù)字信號的傳輸技術(shù).(3)水下生產(chǎn)技術(shù)的其他方面水下井口及管匯:開發(fā)緊湊型井口,水下電潛泵和采油樹及多通閥連接技術(shù);水下作業(yè):發(fā)展無人遙控探潛器,表1我國水下生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r檢測水下設(shè)施運行狀態(tài)和水下石油工程作業(yè)技術(shù);?水F工程設(shè)施的設(shè)計和工程安裝技術(shù)方面:研究整體配置,地基參數(shù)探測和施工,安裝體系模塊化,整裝化,標(biāo)準(zhǔn)化;水下材料:耐腐蝕,耐磨蝕,耐汽蝕,耐高溫高壓,絕緣性好的材

9、料的開發(fā)研制,以延長水下轉(zhuǎn)動部件,易損件的使用壽命,最大限度地減少水下更換作業(yè)和停產(chǎn)損失.由上可知,國外對水下生產(chǎn)技術(shù)中一系列新技術(shù)的開發(fā)研究是十分重視的,這些研究成果對水下生產(chǎn)技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用是十分重要的,也是值得我們學(xué)習(xí)和借鑒的.三,國內(nèi)水下生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r1.水下生產(chǎn)技術(shù)的實際應(yīng)用我國海洋石油總公司自成立之初,就十分重視及時掌握國外海洋石油開發(fā)的各項新技術(shù)的應(yīng)用成果,隨著海洋石油開發(fā)的目標(biāo)由渤海等淺水海域轉(zhuǎn)向東海,特別是南海的中深水域,水下生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用的重要性日益顯示出來.從1987年開始跟蹤國外水下生產(chǎn)技術(shù)方面的應(yīng)用成果至今,我國海洋石油工業(yè)在水下生產(chǎn)技術(shù)方面已實現(xiàn)從無到有的質(zhì)

10、的飛躍(見表1),目前有關(guān)的研究工作正在深入進行中.2.多相輸送與計量由于陸上油田對多相混輸與多相計量的需求,我國石油工作者很早就開始關(guān)注油氣多相混輸技術(shù),早在20世紀(jì)60年代大慶油田,勝利油田就曾對三螺桿,單螺桿式混輸泵進行過開發(fā)研制,但都因技術(shù)難度大或這樣那樣的原因,未能繼續(xù)深入研究.進入90年代以來,我國各大石油公司本著引進與開發(fā)研制相結(jié)合的原則,一方面引進國外較成熟的設(shè)備在陸上油田或海上平臺進行應(yīng)用研究,一方面與科研院所聯(lián)合進行多相泵,多相計量裝置等方面的研究工作.表2,表3給出我國目前在該領(lǐng)域的研究進展.除此之外,我國各院校和研究單位在多相管流輸送的仿真模擬方面,水下作業(yè)和控制技術(shù)與

11、設(shè)備方面也取得部分實際應(yīng)用成果.目前我國海洋工程單位,中國科學(xué)院,高等院校已有多種潛水器,水下機器人,機械手,水下電視監(jiān)測器等,有的已用于海洋石油水下作業(yè).盡管如此,我國在水下生產(chǎn)計劃與多相混輸方面還處于起步階段,與國外先進水平還存在很大差距.在水下生產(chǎn)技術(shù)方面,我國還處于合作開發(fā)使用階段,離真正獨立掌握應(yīng)用這一技術(shù)還有很大差距;在多相混輸方面,國外已有陸上應(yīng)用的工業(yè)化產(chǎn)品,水下應(yīng)用也進入試驗階段,而我國雖取得一些初步的研究成果,但與國外成熟的產(chǎn)品之間存在很大差距,水下研究方面還是一片空白.四,水下生產(chǎn)技術(shù)在我國海洋石油開發(fā)中的實際應(yīng)用自1995年海洋石油總公司與阿莫科東方石油公司(Amoco

12、OrientPetroleumCompany)采用水下生產(chǎn)技術(shù)聯(lián)合開發(fā)流通過與外國公司合作的方式進行南海東部水下油田的開發(fā)國內(nèi)外水下生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)用研究與初步開發(fā)方案的提出(包括水下生產(chǎn)設(shè)施,管匯,多相泵輸,多相計量,遙控遙測等方面)38HIGHTECHNOLOGYANDlNDUSTRlALIZ蘆-T10NDEC2008逐步實現(xiàn)獨立設(shè)計并進行國產(chǎn)化探索表2油氣多相混輸泵使用地點廠家大慶油田采油二廠大慶油田l實驗站勝利油田渤QK17-3平臺Bornemann(德國)Bornemannili(德國)囊|lBornemann(德國)輸送介質(zhì)研究單位_Letitz德國)油,水天然氣油,水,天然氣曩油水,天

13、然氣原油天然氣船舶工業(yè)總公看上海研究所天津工業(yè)泵廣疊天津科技投入公司.西安交大壓縮中心一.聾天津科技投入蘭州奈茨工業(yè)公司蔓警等曩一ll清華大學(xué)水力系石油大學(xué)流體機械工程中心曩花11-1水下油田(LH11-1)以來,我國南海東部已經(jīng)相繼開發(fā)了陸豐221(LF221),惠JJJ11325水下油田(HZ325),水下生產(chǎn)系統(tǒng)的使用適應(yīng)了我國南海油藏儲層較深,氣候條件復(fù)雜(夏季的強熱帶風(fēng)暴,頻繁的臺風(fēng),強勁的冬季季風(fēng))以及南中國海特有的內(nèi)波流構(gòu)成的復(fù)雜的海況條件,為這些油田的成功開發(fā)提供了保證.由于這三個油田的大小,井?dāng)?shù)及分布等各不相同,所以開采方式和總體開發(fā)方案也各不相同,見表4.下面對這三個油田的

14、水下生產(chǎn)技術(shù)方案和特點作一簡單介紹.1.LH11-1油田水下生產(chǎn)技術(shù)LH11-1油田位于香港東南大約200公里的南中國海,是迄今為止中國南海最大的油田,也是我國第一個采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)的油田,水深310米,整個油田共有26口生產(chǎn)井,于1996年3月投產(chǎn),建設(shè)費用約622億美元.在流花油田的開發(fā)中,貫穿項目開發(fā)始終的主導(dǎo)思想是利用高新技術(shù)降低油田的開采成本,為此,曾考慮過多種技術(shù)方案,最終采用被稱為組塊搭接式控制體系的水下井口生產(chǎn)系統(tǒng)與電潛泵人工舉升相結(jié)合的總體開發(fā)方案,如圖1.總體表3多相計量裝置的開發(fā)研制江漢油田設(shè)計院三相分離計量儀振動式多相質(zhì)量計量儀蘭州海星鬻表4我國目前水下生產(chǎn)系統(tǒng)的應(yīng)用情

15、況及基本形式水深310米333米115米ll釜合作外方AOPCSt8toilCACT開發(fā)方案包括一個永久系泊在那里的浮式生產(chǎn)系統(tǒng)(FPS),在FPS正下方310米水深處是水下井口,FPS_以原油作燃料的發(fā)電系統(tǒng)分別為井下的電潛泵提供動力,并具有移位功能,便于完成鉆井,修井作業(yè).各井井液由海底電潛泵增壓后匯集到總管匯,經(jīng)兩條海底管線直接輸送到浮式生產(chǎn)儲油裝置(FPSO)上,FPSO采用2008年12月高科技與產(chǎn)業(yè)化39_._一I】:永久性單點系泊.LHll一1油田的成功開發(fā),主要得益于一些高新技術(shù)的使用,主要有:首次全部使用水平井進行油田開發(fā);?首次將電潛泵與水下井口生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)合進行油田開發(fā);首

16、次使用ROV作為水下作業(yè)維修的工具;在南中國海首次在FPS,FPSO系泊設(shè)計中采用永久性系泊系統(tǒng);將濕式電接頭技術(shù)用于水下生產(chǎn)系統(tǒng);采用集中的水下生產(chǎn)系統(tǒng),應(yīng)用臥式采油樹,跨接管測量制作回收技術(shù)(MIR);采用液壓控制系統(tǒng)實現(xiàn)水下生產(chǎn)系統(tǒng)控制.2.LF22-1油田深水邊際油田成功開發(fā)的典范LF221油田位于香港東南265公里的南中國海,水深333米,由挪威國家石油有限公司(StatoilOrientInc.)和中國海洋石油南海東部公司(COONEC)聯(lián)合開發(fā),是目前亞洲最深的海上油田.在LF221油田的開發(fā)過程中,長期租用一艘小巧的半沉式STP浮筒與多功能旋轉(zhuǎn)接頭相結(jié)合的單點系泊系統(tǒng)的FPSO

17、,配以全自動控制水下井口生產(chǎn)系統(tǒng),以及世界石油界首次在采油樹上使用泥線增壓泵相結(jié)合開發(fā)油田的新構(gòu)思,挽救了這個水深333米,幾經(jīng)易手的小邊際油田,僅用不到1.5億美元的前期投入,一年半時間就投產(chǎn)了aLF221油田水下系統(tǒng)按61:1井設(shè)計,目前共有5口生產(chǎn)井,全部為水平井.海底井口布置成相對緊湊的扇形,各口井的原油從采油樹匯集到位于正中的主管匯,然后經(jīng)海底生產(chǎn)管線送至FPSO(如圖2,3);控制系統(tǒng)采用復(fù)合電,液壓控制相結(jié)合的方式實現(xiàn);FPSO采用可解脫式單點系泊系統(tǒng),具有動力定位功能,立管,電纜,電/液壓控制管纜懸掛在單點浮筒上,整套海底管線采用柔性管線如圖3所示.在LF221油田的開發(fā)系統(tǒng)中

18、,與眾不同之處在于無生產(chǎn)平臺(FPS),所以不具備修井能力,但可以起下增壓泵,全部水下作業(yè)由ROV進行.在LF221油田的開發(fā)中,使用了一系列的創(chuàng)新技術(shù)(圖3),包括:?裝配多功能標(biāo)準(zhǔn)工藝模塊的油輪FPS0;靈巧的新型單點系泊系統(tǒng)sTPBUOY;多功能旋轉(zhuǎn)接頭與STP-RC組塊的結(jié)合;折疊式組合鉆井底盤H0ST;海底管線縱向垂直重力接頭TDFt深水吸力錨;雙定位水下臥式采油樹;二二.-II-l/圈1流花油田總體開發(fā)方案40HIGH.TECHNOLOGYANDINDUSTRIALIZATIONDEC2008泥線增壓電泵;?全水平井開發(fā),超過2000米的水平段沿斷層拐彎鉆進;?電液轉(zhuǎn)換控制水下生產(chǎn)

19、系統(tǒng).3.Hz325油田水下生產(chǎn)技術(shù)在衛(wèi)星井開發(fā)中的應(yīng)用HZ325油田位于HZ261生產(chǎn)平臺東南約4公里,是一個只三口分散衛(wèi)星井的小油田,水深約115米,在這個油田的開發(fā)中采用:衛(wèi)星井水下氣舉井口+海底管線,控制管_+HZ26.1生產(chǎn)平臺的水下生產(chǎn)系統(tǒng),見圖4.其基本生產(chǎn)流程是:各井的生產(chǎn)液,氣舉氣混合后經(jīng)海底管線輸送到HZ261生產(chǎn)平臺處理,分離出的氣經(jīng)凈化后做氣舉氣循環(huán)使用.HZ32.5油田采用復(fù)合電液壓控制系統(tǒng),由混合導(dǎo)向閥/帶生產(chǎn)翼閥的直接液壓控制.HZ325油田的水下生產(chǎn)系統(tǒng)的特點在于采用了水下管纜終端控制模塊,水下氣舉氣量調(diào)控閥,水下單井防護攔,井口裝置,電液壓復(fù)合控制模塊等.位于

20、南中國的LHl11,LF221,HZ325海上油田的成功開發(fā),充分說明了水下生產(chǎn)技術(shù)在我國海上油氣田開發(fā)中的重要性,也再一次證明了新技術(shù)的使用是降低投資費用,提高油田采收率的有效途徑,這三個油田的成功開發(fā),為后繼油田的開發(fā)和我們深入了解,掌握,應(yīng)用和進一步研究開發(fā)這一領(lǐng)域潛在的高新技術(shù)提供了實際經(jīng)驗.無潛水員潛水作業(yè)圖2LF221總體開發(fā)方案圖3LF221系泊和水下生產(chǎn)系統(tǒng)五,思考從世界海洋石油的發(fā)展來看,水下生產(chǎn)技術(shù)是當(dāng)代海洋石油工程技術(shù)方面的前沿性技術(shù)之一,因為它是順應(yīng)海洋石油向中,深海發(fā)展的趨勢,有著廣闊的應(yīng)用前景,能夠帶來顯著的經(jīng)濟效益;從我國的實際情況來看,一方面:我國有近300萬平

21、方公里的藍色國土,約有360多億噸的石油資源儲量,而且大部分在中深海域;另一方面,隨著我國海洋石油工業(yè)從淺海向中深海域發(fā)展,以及水下生產(chǎn)系統(tǒng)在LH11-1,LF221,HZ325油田的成功應(yīng)用,這一技術(shù)在中深海域油田開發(fā)中的技術(shù)優(yōu)勢,可觀的經(jīng)濟效益已得到證實.所以,水下生產(chǎn)技術(shù)在國內(nèi)外海上石油開發(fā)中具有十分廣闊的應(yīng)用前景.隨著海洋石油向深海的發(fā)展,水深達500-3000米,油氣遠距離混輸距離在5O公里以上的水下多相流油氣自動開采技術(shù),已經(jīng)成為今后這一技術(shù)的主要研究方向,這正是當(dāng)前海神計劃的主要研究目標(biāo);而我國在水下生產(chǎn)系統(tǒng)與多相混輸技術(shù)的研究和應(yīng)用方面還處于起步階段,與國外存在相當(dāng)大的差距,就

22、目前應(yīng)用的水下生產(chǎn)系統(tǒng)而言,存在輸送距離較短(8004000米),水深較淺(110-333米)的特點.所以針對我國的實際情況,跟蹤海神計劃的最新研究進展,兼顧引進與創(chuàng)新,集國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)之優(yōu)勢,聯(lián)合攻關(guān),研究開發(fā)適合我國油田特色的水下多相流油氣自動開采技術(shù),縮短與國外先進技術(shù)之問的差距,達到或超過國外同類技術(shù)水平,使這項高技術(shù)盡快服務(wù)于我國海洋石油開發(fā)工程是當(dāng)務(wù)之急.針對我國南有臺風(fēng),北有海冰的惡劣環(huán)境,以及我國海上油田高凝固點,高粘度,油氣比變化大的特征,以水下多相流油氣混相開采與多相增壓技術(shù)是研究重點之一,關(guān)鍵技術(shù)如下:1.水下多相流混輸泵技術(shù)研究海神計劃等的研究成果表明:轉(zhuǎn)子的設(shè)計和加工,油氣多相密封系統(tǒng),遠距離水下高壓電力變頻技術(shù),輔機配套技術(shù),多