人类伟大工程 深海油气开发(1)知识量巨大、烧脑、慎入!


发布时间: 2015-09-21 关注度: 3125

历史上的今天:1931年9月18日“九一八”事变爆发,日军全面侵华

▲勿忘国耻!


       只有科技与工业的强大,才可以让中华民族实现伟大复兴!

    ======== 进入正题:深海油气开发 ========



       当你搭乘液化天然气出租车在城市中穿梭时,你可曾想到?有一座巨大的海上油气加工厂伫立在波涛汹涌的南海,以重达32000吨的坚实身躯,抵御着南海的狂风巨浪。它最初只是为了将埋藏深海海底的天然气唤醒,却不经意间成为了亚洲最大的深海油气处理平台,让我们来一起了解那些不为人知的奥秘吧!


============== 故事背景 ==============



       记忆中的香港阳光明媚,风景如画,可如今风景真成了“画”


▲使用清洁能源已成为必然

       天然气作为比煤炭和石油更为清洁的能源,集中分布在我国的西北部,但经济发达的东南沿海地区天然气储量小。为解决沿海地区天然气供应不足的问题,我国开工建设了著名的“西气东输”工程。


▲西气东输线路示意图


       该工程在一定程度上缓解了沿海地区天然气供应不足的局面,但考虑到运输和储存成本,越在线路的末端,其气源成本越高。
       以广东珠海为例,目前珠海地区天然气价格为4.9元/立方米,而处在线路中端的陕西仅为3-3.5元/立方米,两者价格相差接近50%。(太贵辣!)
       因此,就近寻找海上油气资源是解决这一问题的最佳途径。
       幸运的是2006年4月在距离深圳200km的地方,成功钻探了荔湾3-1-1井,预测天然气地质储量可达1000亿立方米至1500亿立方米,年产量可望达到50亿立方米至80亿立方米(什么概念?可以满足全北京居民全年的用气量)

       好消息接踵而来,2009和2010年,在荔湾3-1气田东北方向,相继钻获流花34-2、29-1气田,测试获得日产天然气分别为150万立方米和160万立方米。


▲荔湾3-1及周围已发现气田位置图


       荔湾3-1区域有望成为中国最大的深海气田,开发后可以极大的缓解珠江三角地区能源紧缺的局面。然而,在这个区域进行开发,难度远超常人想象!


========= 工程和技术难度详解 =========


<  挑战一:开发方案难以确定 >


      难题:开发荔湾3-1气田需要跨越巨大的陡坡!


▲荔湾3-1气田地理位置图


       荔湾3-1气田,处于深海和浅海的交替区域。水深从200米的浅海,突然跨入海平面以下1500米的深海(陡坡对应的落差是1300米)。油气输送距离超过79公里,同时跨越这么陡的坡,非常非常困难!

       

< 难题:如何兼顾经济效益——要照顾周边气田开发 >


       荔湾3-1气田周围有番禺34-1/35-1/35-2浅水气田,流花29-1/34-2深水气田,还有已经在生产的番禺30-1和惠州21-1。因为深海油气开发投资非常大(几百亿人民币)!所以荔湾3-1的开发方案要兼顾以上所有气田。


▲荔湾3-1地理位置及周边气田分布图


▼补充知识▼


       深海油气开发,根据气田所处水深不同,开发方案也大有不同。一是建造海上油气平台;二是建造水下生产系统。


▲海洋油气钻采/生产装置水深范围


< 海上油气平台 >


       1.深水半潜式平台可以兼做钻井及采油平台。

       底部浮箱实现沉浮,因浮箱沉于较深海水中,再加上锚泊系统,故稳定性好。


▲深水半潜式平台


2.张力腿平台(TLP)

       拴在海底的气球张力腿式平台的重力小于浮力,所相差的力可依靠锚索向下的拉力来补偿,且此拉力应大于波浪产生的力,使锚索上经常有向下的拉力,起着绷紧平台的作用。简单说,张力腿平台就像一个气球,把绳子拴在海底,它就不随便跑了。


▲张力腿平台


3.Spar(深吃水柱桶式平台)平台

       海洋平台中的加长悍马Spar的理念源自于浮标,结构的大部分都是浮筒。由于主体吃水很深,在深水环境中运动稳定、安全性良好,特别适宜于深水作业。


▲三代Spar平台


       水下生产系统水下生产系统包括油井、井口头、采油树、接入出油管系统和控制油井的操纵设备。井口头和采油树都在海底。对比海上平台,水下生产系统不会受到海况和水深的影响。


▲水下生产系统


< 综合考虑各种因素,开发团队提出了四种方案 >


      方案1:水下生产系统直接外输到陆上终端


方案一示意图


       经过深入分析:南海海底地形复杂,气田处于陡坡下方,有巨大的深度差,自然压力不足以驱动油气越过陡坡到达陆地终端。(排除)

       方案2:Spar/张力腿平台/半潜直接外输到陆上终端


▲方案二示意图


       深水浮式油气处理平台从设计到建成至少需要3年以上时间,满足不了气田尽快投产的需要,并且成本较高,是固定式平台的2-3倍,且技术相对并不成熟。(排除)

方案3:Spar/张力腿平台/半潜式回接到浅水平台后外输到陆上终端


▲方案三示意图


       需要建设两座油气处理平台及全部的生产管线,投资太大,经济效益低。(排除)

方案4:水下生产系统回接到浅水平台后外输到陆上终端


▲方案四示意图


       因为南海海况恶劣,台风频发,采用更稳定的固定式浅水平台是一个理想的选择。

       因此开发团队决定采用:将深水回接到浅水、周边回接到中心平台的总体开发方案。


▲荔湾3-1总体开发方案


       荔湾3-1气田开发分为深海、浅海和陆地三部分,也就是在1500米的深海建水下生产系统,在200米的浅海建油气中心平台,在陆地建终端处理厂。



       荔湾3-1采用合作开发的模式。深水生产设施由Husky担任作业者;浅水设施及陆上终端由CNOOC担任作业者。(你不知道Husky?那总听说过李嘉诚吧,他就是Husky的大BOSS)



▲Husky深水工程经验丰富;CNOOC浅水工程技术成熟。


< 挑战二:设计和建造难度大! >


       荔湾3-1平台不仅要处理深海10个生产井输送的天然气,同时还要兼顾已发现的番禺、流花天然气田以及该区域潜在的油气资源。


▲荔湾3-1气田整体开发方案


       因此,荔湾3-1中心平台的设计年处理量达到80亿方/年。我国陆地最大的天然气处理厂——苏里格气田第二处理厂,年处理量为50亿方/年,可以想象荔湾3-1平台的体量需要多巨大。


▲想尽办法控制面积,但单层甲板依然比足球场还要大。


▲想方设法“瘦身”,但还是比5个埃菲尔铁塔重。


       各种低调,也无法阻挡它成为亚洲最大的深海天然气中心处理平台。

       为了支撑如此庞大的身躯,导管架注定庞大。导管架高度达到190米(60多层楼的高度),高度太高就不能采用常规的立式建造,只能采用卧式建造(就是躺着)。


▲导管架建造方式


       在深水低温高压状态下,为了防止水合物堵塞管道,往往需要向井口注入乙二醇,以抑制海底管道中水合物的生成(原理:乙二醇通过降低冰点来抑制水合物的生成,效果取决于注入量(浓度)与天然气是否混合均匀)。

        但是平台组块已经太重了,额外布置大规模的乙二醇储罐显然是不明智的。那该肿么办呢?

        最后想出一个办法——将乙二醇储存在导管架腿中,导管架腿“兼任”常压容器,这下就简单啦!


▲导管架建造现场


▲石油工人真辛苦


▲完成最后一个结构件的吊装


▲抵达预定安装位置


▲滑移入水


▲水上漂浮


▲入水扶正


       我们已经胜利在望了吗?O(∩_∩)O,但就像闯关一样,大怪总在后面!


< 挑战三:平台导管架安装问题 >


       海洋平台的安装需要安装导管架后将平台组块与其对接。导管架可以通过滑移入水的方式来定点安装。


▲导管架滑移入水安装方法

 

      但是平台组块和导管架的对接却是一个大难题:

       组块安装通常有浮吊和浮托两种方式,但到目前为止,世界上没有任何一艘起重船能吊起荔湾3-1,所以整体浮吊行不通。


▲世界最大的单臂起重船“蓝鲸”号,最大起重量7500吨,荔湾3-1上部组块32000吨。


       既然如此,那是否可以将组块拆分成若干部分再浮吊呢? 
       现实是海上组装不仅耗时长,对各工种的协同要求也高,而且海上作业受天气和海洋环境的影响很大,这都极容易造成工期延长。海上作业成本高,日费少则几十万美元,多则上百万美元。一旦工程进度不顺利,有可能带来上亿或者几十亿的损失,那就亏大了!
       因此,该方案风险不可控,PASS掉!
       那32000吨的平台如何安装到预定位置呢?

       只能选择浮托法进行安装。然而现实是国内没有哪条驳船能够完全满足这个项目的要求。


▲浮托安装


       荔湾3-1组块重量是普通平台组块的两倍,但是导管架的间距却没有增加,满足要求的驳船太宽,根本无法进入,但稍小一些的驳船又无法承载三万多吨的重量。
       大船进不去,小船HOLD不住。
       怎么办呢?最后决定改造世界第二大的驳船“海洋石油229”。(世界第一大驳船荷兰HEERE-MA公司的H-851船工期排满了)


▲“海洋石油229”驳船改造方案


       将船体前100米的宽度减小至42米,便于进入导管架内;为了保证浮力,把后100米的船体宽度拓宽到65米(船东老板心痛不?)。
       终于,驳船改造完成,平台和导管架对接在即!


▲上部组块成功装船


▲平台组块抵达导管架处,即将开始浮托安装


▲组块安装作业现场,工作人员争分夺秒


▲庞大组块与导管架对接处


▲成功安装,击掌庆祝


▲荔湾3-1屹立在南海


       大功告成了吗?NO!NO!NO!

       挑战四:平台建好了天然气出不来

       荔湾3-1平台坐落在190米水深处,但是生产井口却在海平面下1480米的海底,并且两者之间有79公里的海底陡坡。


▲输送距离长,坡度大,好难爬!(要爬三个东方明珠)


       最后一道难关——如何将油气输送到中心平台呢?

       这需要水下生产系统和双海管技术来实现。

       产出的油气通过两条管线输送到平台,两条管线并行并可以任意切换。


▲典型双海管系统


       未来油气输送还会有问题吗?当然!
       采出的油气是混合物( 天然气、油水、蜡、砂石等) ,日久天长这必然会逐渐堵塞管道。有两条管道输送而且可以任意切换,那么我们就可以在未来清洗管道时不影响油气正常生产啦!


▼补充知识▼


       双海管清洗知识:
       首先,推动清管球的动力主要来自上部增压装置,流量和压力可以进行现场调节。此外,当清管球发生卡堵时,可进行反向推动。
       采用双海管环路清洗,当一条海管出现故障时,另一条还可以继续保持生产,灵活性较好。当后期产量降低时,可将其中一条海管停运,经济效益佳O(∩_∩)O

       对于深海气田而言,双管方案单根海管直径更小,因此积液量少,流动会更加稳定,有利于延长整个油气田的生产周期。此外,当管线内出现水合物时,可以对堵塞部位两端同时降压,有利于水合物的分解。


============ 华丽的总结 ============


▲成功采气啦!


▲清洁能源点亮城市文明


       面对一个个挑战,石油工作者逐个击破。历时7年,该项目终于实现了商业供气!不仅解决了珠三角地区对清洁能源的需求,更为区域的能源安全提供了有力保障。

       毛主席说:“上可九天揽月,下可五洋捉鳖。”油气行业是可以比肩航空航天工业的人类伟大工程,石油工人好牛B!为了表达对他们的敬意,请将此文章分享到朋友圈!


延伸阅读 


▲CCTV纪录片——四两拨千斤(上)



▲CCTV纪录片——四两拨千斤(下)


       视频纪录了亚洲最大的深海油气平台——荔湾3-1平台上部组块装船、驳船改造以及浮托安装过程。
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