從2014年下半年開始，國際油價的持續斷崖式下跌給全球石油工業帶來了沉重的打擊，除了出售油氣資產、削減投資、裁員降薪等措施外，各大石油公司也不約而同地採取了以科技創新推進公司降本增效的相關舉措。就開發成本較高的深海油氣資源而言，追求更經濟高效的新技術成為跨越開發屏障的必由之路，“海底工廠”這一新生事物也在此時應運而生。
初識海底工廠
挪威國家石油公司是“海底工廠”這一新概念的提出者，也是海洋油氣開發海底化的先驅，其進行的項目涵蓋了海底開發的所有主要類型。“海底工廠”是利用水下設備對從地層產出的流體在海底進行分離處理，以提高油氣最終採收率，減少海面生產處理設施的投入，減少對環境產生的影響，從而實現海洋油氣經濟高效開發。它是一個集油氣水三相分離技術、水下增壓技術、處理後的原油存儲海底以及產出處理後進行回注於一體的“水下油氣處理廠”。從某種意義上講，“海底工廠”可以看做是傳統的水下生產系統的技術升級版。
相較於傳統的水下生產系統，“海底工廠”有4項關鍵技術的突破，分別是海底增壓系統、海底氣體壓縮系統、海底分離與產出水回注系統、海底輸配電系統。海底增壓系統是海底工廠的核心，可將海底採出來的油氣舉升至海上平臺；海底氣體壓縮系統是實現挖潛剩餘油氣資源、提高氣藏最終採收率的關鍵；海底分離系統可在海底實現油、氣、水的分離；海底輸配電系統的高可靠性對於未來海底工廠的成功應用具有非常關鍵的作用。
“海底工廠”的分類
“海底工廠”將成為深水、北極和離海岸線更遠的油氣田開發的有效手段。為了能夠適用於多種類型的海上油氣田，挪威國家石油公司2013年將海底工廠分為3類：褐色油田海底工廠，綠色油田海底工廠和麵向市場的海底工廠。褐色油田海底工廠旨在提高老油田的採收率、維持或提高產量，海底增壓與壓縮是最為關鍵的技術。綠色油田海底工廠旨在實現海洋油氣開發向更遠、更深和更冷領域拓展。要做到這一點，需消除油氣從海底到處理工廠的瓶頸，通過流動保障技術實現油氣長距離輸送。此外，綠色油田工廠中的新技術還包含海底分離、天然氣處理與增壓、高黏度泵送及冷油傳輸等處理技術。面向市場的以需求為導向的油氣處理和輸送海底工廠，在符合市場規範的情況下，根據不同開發對象對模塊進行靈活組合，以滿足不同類型油氣田開發需求。面向市場的海底工廠可以應用於北極油氣開發和利用現有氣體輸送系統的油田開發，2020年之後將可能成為現實。
“海底工廠”的應用前景
我國南海油氣資源極其豐富，石油地質儲量約在230～300億噸之間，70%蘊藏於深海，但深水區域特殊的自然環境和複雜的油氣儲藏條件決定了深水油氣勘探開發具有高投入、高回報、高技術、高風險的特點。“海底工廠”可節約更多的能源，從而提高能源效率。由於它對於水深的要求不敏感，且不受海面惡劣風浪環境的影響，其安全性高，適用範圍廣，是深水和惡劣環境下油氣田開發技術的一個重大突破，在未來極地冰區的海洋油氣開發中也有廣闊的應用前景，將成為北極等惡劣環境、深水衛星油田開發的有效手段。
“海底工廠”或將為我國深水油氣田經濟高效開發提供一個不錯的選擇，但它的成功應用需要石油公司與設備製造廠商的共同合作。目前，國外在這方面已經取得了一些階段性成果，而我國在這方面才剛剛起步，石油企業應通過加強國際交流與合作，學習借鑑國外的成熟經驗，加快該領域的研究步伐。
繞不開的四大關鍵
“海底工廠”涉及4項關鍵技術，分別是海底增壓系統、海底氣體壓縮系統、海底分離與產出水回注系統、海底輸配電系統。目前，這4項技術已有不同程度的發展。
海底增壓系統。按照流體特性，海底增壓系統可分為增壓泵和壓縮機。水下增壓泵是較為成熟的水下生產工藝設備。目前，水下增壓泵最深的安裝紀錄是英國石油公司在墨西哥灣的king油田，水深約1670米。通過應用水下增壓泵，預計該油田產量可提高20%，採收率可提高7%，油田的經濟壽命可延長5年。世界上第一臺水下溼氣壓縮機用於挪威的Ormenlange氣田，將井口產出氣體直接輸送至120公里以外的陸上終端。
海底氣體壓縮系統。挪威國家石油公司聯合眾多供應商共同研發，歷時10年，花費了大約1100萬個工時，採用了超過40項新技術，終於在2015年建成了全球首個海底天然氣壓縮系統。該技術應用於挪威海的一座氣田(水深約300米)，打開了石油公司在遠離海岸更深水域進行油氣開發的新機會。與傳統平臺壓縮相比，該技術除了能提升回收能源的效率外，還能顯著降低能源消耗和二氧化碳的排放。
海底分離與產出水回注系統。多家石油公司已成功應用該技術，使一些採用常規生產系統無法開採的油藏變得經濟可採。巴西國家石油公司在坎坡斯盆地Marlim油田900米水深部署了用於分離深水海底重質油和水的分離系統，首先進行氣液分離，再進行油水分離，打破了浮式生產裝置處理能力有限的瓶頸。該系統採用水力旋流技術進行油水分離，並將產出水回注油藏，保持油藏壓力。同時，在管狀分離器的出口端安裝砂液噴射系統，除去水中的砂粒，防止損壞注水系統，傷害儲層，產出砂與原油一起輸送至地面進行處理。
海底輸配電系統。安裝水下生產工藝設備需要較多的電力支持，因此必須採用高壓輸配電的方式，有水下電力分配設備的支持，包括水下的電力降壓變壓器、中壓開關櫃以及變頻器。與水面上的同類設備不同，這些設備均要考慮水下的特殊環境，並滿足在水下進行快速連接操作和無需維護的要求。
挪威國家石油公司與瑞士ABB公司合作，開發適應3000米水深、距離超過600公里的輸電、配電和電力轉換系統，為大型海底泵和氣體壓縮機提供高達100兆瓦的電力供應。海底輸配電系統採用單一的電源電纜供電，承受多種電力負載，相比現有的每個負載採用一根電纜，可大幅降低成本。該技術處於研發階段，尚未應用。
海油水下技術發展現狀
傳統的水下生產系統是二十世紀六十年代發展起來的，它利用水下完井技術結合固定式平臺、浮式生產平臺等設施組成不同的海上油田開發形式，可避免建造昂貴的海上採油平臺，節省大量建設投資，受災害影響較小，可靠性強。
近年來，中國海油在水下生產系統研究方面，依託國家科技重大專項課題、國家863課題以及總公司綜合科研課題等形式，突破了多項水下生產系統設計關鍵技術，具備了水下生產系統總體方案及概念設計能力，基本具備水下生產系統基本設計能力，開展了水下生產系統的設計和樣機研製，初步完成了水下生產系統通用設計體系文件編制，相關設計成果已經在荔灣3-1氣田、流花4-1油田、文昌10-3氣田等多個油氣田開發中得到了應用。
雖然中國海油已擁有50多套水下生產系統，但深水及超深水相關設計經驗還相對缺乏，電力系統設計、控制系統設計等關鍵技術仍需進一步攻克，水下生產系統設計技術體系尚不完備，還需進一步健全。
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