水下储油系统设计及实施方案研究

才忠杰

摘  要：随着全球石油能源市场波动不定，加之我国陆地石油生产量逐年减少，我国在海洋石油生产的投入不断增加。海上石油的储存是海上钻井平台产出石油的关键环节，也是对石油生产质量和防止海洋环境受到污染的重要保障。文章论述了水下储油系统设计及实施方案的研究，为我国海上石油生产开发过程中油量储存提供参考。

关键词：水下储油;油水置换;海上储油系统;方案研究

中图分类号：TE95 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）10-0086-02

Abstract： With the fluctuation of the global oil and energy market and the decrease of China's land oil production year by year， China's investment in offshore oil production is increasing. The storage of offshore oil is not only a key link of oil production by offshore drilling platforms， but also an important guarantee for the quality of oil production and prevention of pollution to the marine environment. This paper discusses the design and implementation scheme of underwater oil storage system， which provides a reference for oil storage in the process of offshore oil production and development in China.

Keywords： underwater oil storage; oil-water replacement; offshore oil storage system; scheme study

1 概述

目前，随着新能源技术成熟度不高并持续发展，汽车、传统生产设备对石油资源的依赖程度仍然较高。虽然我国地大物博，但是陆地石油资源日渐枯竭，于是我国将能源开发转移到了海上。我国拥有全世界排名第四长度的海岸线，约1.8万公里，加之拥有近300万平方公里的海洋国土资源，其海上油气资源十分丰富。我国已经在南海、东海等海域搭建了一定数量的石油钻井平台，而石油在海上的储存与陆地相比，差异较大、难度较高，因此，海上石油生产中水下储油技术十分关键。

2 水下储油系统的组成和系统方案

2.1 水下储油系统的组成

如图1所示，一般情况下的水下储油系统包含：海底井口、钻井生产平台、水下储油装置、水下油泵撬块、单片系泊装置和负责运输的穿梭邮轮。通过海底井口生产出来的石油原油直接或经加热将原油处理后，直接在水下的储油装置中进行储存，再通过小型浮式单点系泊装置将原油输送到海面，最终由负责运输的穿梭邮轮，将原油转运至陆地进行后期石油产品的加工。

2.2 水下储油系统方案

国际上常用的水下储油装置从外形划分，可分为圆柱体储油装置、立方体储油装置和长方体储油装置，这三种外形储油装置具有在海底较易固定的特点，并且稳固性强。在深水作业海域中一般水下储油设备最大深度不超过三十五米，从海底压力、油罐滑移能力、油罐抗倾稳定性、倾覆力矩及用钢量等方面考虑，水下储油罐多采用圆柱体形式。

如图2所示为圆柱形储油罐，其装置主要包括：（1）钢制储罐，采用H36船用板，厚度18mm;（2）柔性储油袋（油水隔层），采用橡胶+尼龙帘子布;（3）进水口，来至平台的海水接口;（4）出水口，海水出口接平台缓冲柜和海水监测处理系统;（5）注油管路，即原油主入口，兼做热油进口;（6）出油管路，冷油出口接平台;（7）污油水抽吸管;（8）充气管路。

2.3 两个圆柱体钢制储油罐设计参数

根据实际海上水下储油项目需求，制作2个钢制储油罐装置，以满足海上石油钻井平台5000立方米石油储量的需求。每个储油罐设计储量约为2800立方米，储油罐形式采用包含底面的单壳钢质结构。圆柱形储油装置直径约20米，储油罐高度约10米，采用筒体外板厚度为18mm的H36钢材尺寸，其屈服强度不低于355MPa。每个储油罐的空罐质量约为360吨。为了防止储油罐钢制结构在海水中长期浸泡发生结构性腐蚀，故在储油罐内外壁安装牺牲阳极，以增强储油罐的抗腐蚀性。其储油袋采用柔性储油袋，采用柔软水密性强、耐热、耐油并且具有极强耐腐蚀性材料作为储油袋材料。

2.4 储油装置的海上安装

储油装置设计完毕后，一般采用七步法将其在海面上向海平面之下沉降安装。第一步：在陆地区域将储油装置建造安装完毕，随后用拖拽船（半潜驳运或拖轮）将储油装置运送至钻井平台指定地点，准备下沉安装。第二步：用半潜驳将储油罐连接在吊缆上，进行半潜驳下沉;第三步：将储油装置下沉至海中一部分后，储油装置进入自动漂浮状态，此时半潜驳船可以撤离;第四步：向储油装置内部的空气舱内注入海水，使储油装置缓慢下沉;第五步：随着海水在储油装置的空气舱内逐渐增多，使其重力大于浮力时，储油装置上层的吊缆随即拉紧，再通过浮吊装置将储油装置下沉至预定的位置。第六步：当储油装置在海水底部放置平稳后，根据海水深度不同，可以根据实际需求进行底部水泥加固固定操作，然后进行管线的連接，随即进行生产;第七步：当作业完毕后，若储油装置需要进行移动至另一海域底部进行操作时，先解除储油装置在海底部分的加固装置，然后吊起储油装置并安放于转移船舶中，排空内部海水至储油装置处于漂浮状态，随后运行至需要海域再按以上步骤进行固定。该设计方法可以使储油装置反复利用，节省了资源和项目开支，符合可持续发展和节能减排的理念。

3 油水置换法储油的原理及油水置换水下储油的工作模式

3.1 油水置换法储油的原理

油水不相溶且油的密度低于水;储油时，原油以较低的速度从舱顶注入初始时充满海水的储油舱，油会浮在水的上面，相同体积的海水则从油舱底部被慢慢排出舱外，同时，油和水在舱内会自发地形成一个油水界面;卸油时，从舱顶以较高的速度抽取原油，由于储油舱底部的海水与外界海水连通，海水受静水压力的作用从舱底进入储油舱并填充原油空间。在进油排水和进水排油的储卸油过程中，油水界面上下移动，不断调整舱内原油和海水的相对体积，使储油舱始终保持充满液体状态。

根据水下储油舱内原油和海水是否直接接触，可以把油水置换进一步分为油水直接接触置换和油水隔离置换这两类，后者对隔离材料的要求极为严格，而且长期的储卸油操作产生的油水界面凝油乳化层和舱壁凝油层也可能会导致隔离层失效，因此，油水隔离置换模式从未被石油公司采用。

3.2 原油加热及保温系统

来至海底井口的原油或经过上部平台处理过的原油，利用上部平台的原油换热系统，将加温后（约70摄氏度）的原油，通过管线注入水下储油装置的柔性储油袋中或利用水下的加压泵注入储油袋。同时储油袋中冷却的原油回至上部平台重新加热，进行换热循环，保持储油袋中油温在60摄氏度。

3.3 原油注入过程

原油经加热后泵入柔性储油袋中，储油袋开始膨胀;与此同时储油罐内部的海水则被膨胀的储油袋，从油罐底部经过管线，挤入上部平台的海水缓冲柜中，通过外排海水监测处理系统对收集的海水进行含油量的检测，判断柔性储油袋是否存在泄漏情况;海水检验合格即可外排。

3.4 卸油过程

从油罐顶部抽取原油，可利用设置在储油装置附近的水下油泵撬块抽油，储油袋开始收缩;同时打开储油罐底部的通海阀，海水受静水压力进入油罐底部并填充原油空间;储油罐内始终保持充满液体状态;原油通过水下油泵撬块，加压经小型单点系泊装置输出至海面，再由穿梭油轮实现原油的转运。

3.5 储油装置充气和排污系统

利用上部平台的压缩空气系统，对柔性储油袋充气，从油罐顶部的油污水接口抽出沉淀在储油袋底部的油渣、凝油脂及可能的泥沙和水等。

3.6 水下储油装置及相关配套设备/系统设计关键技术

水下储油装置及相關配套设备/系统设计关键技术主要包括：计算钢质罐体结构强度;设计柔性储油袋;计算储油装置的倾覆力矩、抗滑系数、抗倾系数、滑移力以及抗倾稳性;根据当地海床地质情况分析储油装置入泥情况;计算确定水泥压载物大小;水下油泵撬块和海底阀门的远程遥控。

3.7 水下储油装置防掏空技术

由于仿生水草的柔性黏滞阻尼作用，使海水流速得到降低，减缓了水流对海床的冲刷。同时由于流速的降低和仿生水草的阻碍，使水流中携带的泥沙在重力作用下不断的沉积在仿生水草安装基垫上，逐渐形成一个海底沙洲，从而抑制了海物质对海床的冲刷和掏空。

胜利油田在地处黄河口滩海交界的埕岛油田海底管线悬空治理，就是采用了仿生水草防冲刷技术，解决了海底管道及构基物悬空、掏空等问题。据检测其淤积深度达20-50cm，实现了埕岛油田海底管道悬空治理难题。

4 结束语

水下储油系统的设计与实现，填补了我国海上石油钻井生产平台的技术空白，丰富了我国海上石油生产、储存和转运技术经验，为今后我国进行大规模海上钻油平台发展打下了坚实基础。随着新能源时代的到来，油气能源的地位依然不会降低，未来，我国石油、天然气能源开采将向300万平方公里的领海区域迈进。

参考文献：

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[3]初新杰.海上储油技术现状及水下无污染储油模式探讨[J].装备制造技术，2011（4）：141-143.