东海边际气田开发总体方案设计研究

文/朱晓茵、陆文伟

东海边际气田开发总体方案设计研究

文/朱晓茵、陆文伟

充分挖掘东海海域整装油气田周边存在的大量边际气田中蕴藏的天然气资源，关键是寻找一种适合边际气田开发的经济有效方式。水下生产系统应用使得边际气田经济高效开发成为可能。

水下生产系统是一种海洋油气田开发新技术，与传统的海上油气田开发方式相比较，水下生产系统可以依托现有生产设施进行开发，具有开发成本低、建设周期短、开发效益高的特点。

通过调研国外水下生产系统发展现状，评估国内海洋工程设计、建设、施工能力，以系统的可靠性、安全性、经济性为前提，针对研究的难点与关键点，进行水下生产系统总体方案设计研究，特别就水下采油树、跨接管、水下控制系统和水下控制缆等关键技术进行认真的分析研究，提出了符合近海边际气田开发需求的解决方案。

研究意义

我国是一个人口众多、资源相对不足的发展中国家，能源短缺是制约我国经济发展的瓶颈之一。无论从供应总量，还是从多气源供应格局来看，确保上海市天然气安全供应是个长期的课题。

东海海域蕴藏着丰富的天然气资源，是我国海洋油气资源开发的重要基地之一。在整装油气田周边存在着大量单个构造预测储量5亿—15亿立方米的边际气田，传统的采用固定式导管架平台和干式采油树的开发工程方式将不能实现经济有效开发。因此，如何依托已有设施，以经济高效的工程方案进行边际气田的开发，降低勘探开发的经济门槛，是充分挖掘天然气资源的关键。

研究结果表明：水下生产系统是一种适合东海海况特点的边际气田开发的经济有效方式。

边际气田水下生产系统设计的难点与关键点

就边际气田水下生产系统设计来说，除了必须达到整装气田设计要求以外，还必须充分考虑以下难点与关键点：

·经济性。与整装气田设计思路不同，不仅需要充分考虑它的安全性和可靠性，还必须考虑它的经济性，将整个系统的成本压缩在一个可控范围，这样才能使得边际气田具有经济开发价值。

·可靠性。水下设备的选择必须是可靠的，同时尽可能做到优化、简便、轻量，提高集成度。

·灵活性。水下设备的安装具有灵活性，其安装、维修和维护要求可通过不同的船只完成。

·可扩展性。边际气田部署的井口数少、比较分散，而且往往采取滚动开发的方式，设计时必须注意其方案的可扩展性。

·一次性。为降低边际气田操作成本，减少维护的工作量，要求整个生产期实现不修井或少修井，需要在方案设计、完井作业，设备选型时系统考虑。

·可恢复性。必须充分考虑到东海台风多发的特点，在台风过后可使用小型船舶搭载安装维修系统（IWOCS）恢复对水下生产系统的控制。

关键技术研究成果

东海平湖水下生产系统总体设计方案主要包含以下关键技术研究：

1.水下采油树选型

目前国际上通用的水下采油树有水平采油树、双通道竖直采油树、单通道竖直采油树、简易采油树和泥线采油树等类型。

对比各种采油树的特性及技术的成熟度，水下泥线采油树是一种理想的选择。但是水下泥线采油树需使用自升式钻井船安装井口和采油树；若采用半潜式钻井船进行钻完井，则无法使用泥线采油树。

其他几种采油树中，简易采油树是更具竞争力的解决方案，但是到目前为止还没有工程应用实例，基于可靠性的原则，暂时不予使用。其余三种采油树技术都成熟可靠，从边际气田应用的经济性考虑，采用单通道竖直采油树为佳。

本项目研究结果：

1） 采用单通道竖直采油树。

2） 采油树上安装不可回收的水下油嘴阀。

3） 水下控制模块（SCM）安装于采油树上。

4） 由单通道完井立管或钻杆完成采油树的安装。

2.跨接管研究

跨接管，又称回接管，将产出的油气从采油树输送到海管终端。

跨接管从材料上可分为刚性管与柔性管。刚性跨接管由多个管段焊接而成，在两端安装相应的连接头。其优点是：可以根据现场测量结果确定或修改跨接管的长度和结构形式。相比柔性跨接管，刚性跨接管的交货时间要短很多，良好的工程设计可以简化安装。其缺点是：安装技术要求高，需要系列工程辅助操作设备和较大的船舶甲板空间。综合材料、制造、安装成本，刚性跨接管具有明显的经济性，故建议采用刚性跨接管。

跨接管从结构上可分为水平跨接管与竖直跨接管。水平跨接管对于保护结构的高度要求低，易于掩埋，并可以消除或削弱涡激振荡发生的可能性。与竖直跨接管相比，水平跨接管较少出现段塞流或其他沉积等流动保障方面的问题。考虑到较高的底流速度和气液两相井流，故建议采用水平跨接管。

跨接管连接系统（接头）可以分为法兰、机械连接器或液压连接器。近海边际气田最好的连接方案应是配置API标准旋转法兰、Grayloc®标准连接器或两者组合的水平刚性跨接管。作为一种灵活的安装方式，不使用ROV进行操作，可以大量节约设备及安装成本，该连接方式比较适合饱和潜水作业。这种连接采用金属－金属密封已通过实际的检验，但无法对单个连接器进行密封试验，必须对整个跨接管进行测试。

本项目研究结果：

1） 采油树与海管接入口之间采用刚性跨接管连接。

2） 选用水平跨接管以减少跨接管的高度，以方便对采油树和PLEM/ILT的进行保护。

3） 由潜水员完成系统的连接工作。

3.控制系统研究

水下控制系统模式，分别为直接液压（DH）式控制系统、电液复合（EH）式控制系统及两者混合的混合式控制系统。比较分析结果显示，EH控制系统在经济性、可靠性、可扩展性等各方面都表现突出，最适合边际气田使用。与其相匹配的水下控制模块可以采用简易控制模块，以获得更好的经济性。

一个典型的水下采油树系统可以拥有20多个远程控制阀，其控制一般由水下控制模块（SCM）来完成。边际气田因采油树远程控制阀门数量较少（6—10），可以采用更简单，体积更小的简易SCM，其优点如下：

·不需要水下控制模块安装基座，电缆／液压管跨接线直接与模块连接；

·潜水员或ROV安装；

·不需要专门工具；

·尺寸小，重量轻（一般为大尺寸SCM的1/5）；

·直液或电液IWOCS模式。

本项目研究结果：

1）采用电液复合控制系统。

由水面控制单元，控制缆和水下控制模块组成的系统对水下设施进行监测、控制和数据反馈。

2）水下控制模块中采用单电子模块。

3）冗余液压供应。

4）冗余电源和通信通道。

5）钻完井控制采用直接液压式。

6）当主控制缆控制失效时，可使用IWOCS作为备用系统。

4.水下控制缆选型

控制缆主要依据液态承载管道的材质分为钢管和热塑料管两种。其优缺点如下：

·费用：一般而言，同样的用途热塑管比不锈钢管节约20%—30%的费用。

·交/订货周期：热塑管制造快捷，无材料供应限制，而钢管控制缆交/订货周期取决于第三方供货商。

·重量：热塑管较轻，易运输、安装

·弯曲半径：热塑管储存或安装时，弯曲半径较小，选择卷管系统安装时可提供一定的柔性。

·防挤压/抗破坏：钢管可更好地抵抗深水中常见的挤压碰撞和破坏。

·腐蚀：钢管更适用于腐蚀性流体，超级双相不锈钢防腐性能更强。热塑管必须选用耐腐蚀合金用进行内层铠装，即使这样部分塑料材料仍与流体介质直接接触。

EH式控制缆能传输液压介质、甲醇、化学药剂以及电信号等。

针对应用项目的具体情况，研究分别对上述两种控制缆进行了液压分析，核对了两种控制缆的响应时间。结果表明，两种控制缆均可以满足油气田开发及电液复合式控制缆应用所要求的机械性能参数，若响应时间符合紧急关断的时间要求，建议使用热塑管控制缆。

（作者就职于上海石油天然气有限公司，文章有删节）