研究总院基本建成深水工程设计体系纪实

  学习中创新实践中提升
  [中国海洋石油报2018-07-13]
  世界深海油气资源丰富，探明储量约为500亿吨油当量，而目前的开发程度仅占总产量的8%，究其原因，主要是技术水平较低，开发成本较高。随着一些高技术含量平台的陆续投运，中国海油在深水油气资源勘探开发方面取得了一些重要突破，如启动开发水深约1500米的陵水17-2大气田。如何将深水地质储量转变为产能呢？中海油研究总院有限责任公司用他们在深水工程方面的一项项设计成果，为这一过程提供着技术保障。本期专题就为大家介绍他们的深水工程设计能力以及技术攻关的心路历程。
  今年，中海油研究总院有限责任公司（下称研究总院）圆满完成陵水17-2气田群开发和流花16-2/20-2/21-2油田开发两大深水工程设计项目，其设计成果一次性通过有限公司专家审查会和投资委员会的审查。历经二十年磨砺，研究总院基本建成深水工程设计体系，为我国深水油气资源开发提供了坚实的技术保障。
  创新无止境，浮式生产装置设计全面开花
  “谈到研究总院浮式生产装置的设计，那就要先从秦皇岛32-6油田的‘渤海世纪’号FPSO和文昌13-1/13-2油田的‘南海奋进’号FPSO说起。”集团公司海洋工程专家、研究总院工程研究设计院浮体首席工程师范模的话把我们带回了上世纪90年代。
  1998年，研究总院同时承担秦皇岛32-6油田开发项目和文昌13-1/13-2油田开发项目的前期研究工作，油田开发方案采用固定平台+FPSO的模式。在两艘FPSO的设计及后续建造调试中，研究总院派出大批技术骨干，边干边学，迈出大型FPSO设计的第一步。
  时任生产研究中心副主任的吴植融调任文昌13-1/13-2项目经理，他首次将FPSO的设计标准由以船舶行业为主转为以海洋工程行业为主，准确定义了FPSO各设计阶段的工作范围和深度要求，为后来的FPSO设计项目树立了典范。在单点系泊系统设计中，他和项目组成员对多家单点公司的方案进行反复讨论，提出了一套适合南海台风特点、集各家技术优势的设计方案，成为后续单点系泊系统设计学习的标杆。
  随着FPSO在我国油气田开发项目中的广泛应用，从“海洋石油111”FPSO到“海洋石油116”FPSO，在中国海油每个新建FP-SO的工程项目中，总能找到研究总院技术骨干的身影，他们在为各个项目贡献聪明才智的同时，也推动着研究总院FPSO设计水平的发展。
  2012年，在恩平24-2油田开发工程设计项目中，研究总院迎来了FPSO的设计首秀。针对项目特点，他们提出10多项技术创新，获得“一种新型海上浮式储油生产装置”专利授权，有效降低工程投资约7000万元和年节约生产操作费用约8800万元。为何能在首次FP-SO设计中实现这么多的技术创新呢？集团公司海洋工程专家、研究总院海洋工程首席专家周晓红的一句话为我们揭开了谜底：“设计本身就是一个不断优化的过程，这种思想在研究总院技术人员的头脑中已经根深蒂固，我们在做每个项目时都会去考虑是否还有优化的空间。”
  2017年，在流花16-2项目中，研究总院首次自主完成了水深幅度大、管缆连接众多且功能多样的FPSO基本设计工作，进一步提升了FPSO的设计水平。有了丰富的FPSO设计经验作基础，研究总院依托近年来的油气田开发项目需求，独立完成了某气田FLNG（浮式液化天然气生产储卸装置）方案的概念设计，得到了世界同行的认可。
  在陵水17-2项目中，研究总院提出了世界上首座带凝析油储存和外输功能的半潜平台的型式，获得了美国船级社的型式认可证书，并联合国外设计公司共同完成了半潜式生产平台和系泊系统的设计工作，填补了浮式平台设计领域的空白，实现了研究总院FPSO、FLNG和浮式平台等三大类浮式生产装置设计的全覆盖。
  大胆创新小心求证，管缆系统设计取得新突破
  “在海底管道的设计上，研究总院经过多年的实践，可以说已经接近世界先进水平了，但对于立管和脐带缆的设计还缺乏经验。”集团公司海洋工程专家、研究总院工程研究设计院副院长贾旭说。
  研究总院的立管设计源于2008年的国家863课题“深水立管设计关键技术研究”。通过3年多的研究，研究总院掌握了1500米水深内TTR（顶张紧立管）、SCR（钢悬链线立管）系统工程设计基础共性技术，研制出了具有自主知识产权的高性能、低成本立管涡激振动抑制装置和立管系统工程设计软件平台，并在文昌10-3项目中得到了应用。通过恩平24-2项目，研究总院自主完成了首个立管设计项目，积累了宝贵的立管设计经验，为后续的深水立管设计打下坚实的基础。
  2015年，在陵水17-2项目中，研究总院开始了深水立管的研究设计工作。为了确定立管的型式，海管结构专业团队搜集了71根深水浮式生产装置的SCR和73个FPSO的柔性动态管缆构型，几乎将世界上在役的管缆系统情况都摸了个遍。通过分析研究，结合业界的工程经验，他们选定了SCR。但是，从现有的工程实例来看，半潜式生产平台SCR应用的最浅水深也达到了1700米，而陵水的水深只有1500米。能不能用？“我们做了非常全面的分析计算，考虑到了各种设计工况，也经过了多轮专家论证。”贾旭对SCR的应用充满了自信。在FEED设计阶段，通过与国外知名设计公司的合作，这种立管型式的技术可行性进一步得到了验证。
  流花16-2项目是研究总院做的第一个深水柔性立管设计项目。柔性立管构型就像是我们盖房子时的结构形式，如果选择不当，将会给项目带来致命的安全隐患。在项目初期，是否沿用上阶段的构型引起了大家的争论。海管结构专业团队兵分三路，一路对标英国北海类似的项目，一路广泛征求国外技术专家的意见，其他人则集中精力开展计算分析。最终，他们采用的新立管构型不但得到了世界顶尖设计公司的技术验证，还节省了约3000万元的工程投资。
  十年攻坚，全面建成水下生产系统设计体系
  2007年，研究总院完成了番禺34-1气田和流花4-1油田的水下生产系统方案研究，并在2009年完成的总体开发方案中确定采用水下生产系统的开发模式。在随后的基本设计阶段，首次主导完成了水下生产系统的设计工作，标志着研究总院正式进军水下生产系统设计领域。
  2010年，番禺35-1/35-2项目又给了研究总院一次实战机会。“在这个项目中，凭借不断的学习钻研，我们已经可以在国外设计公司面前主张我们的设计原则，找出他们设计中存在的问题。最重要的是，通过总结这个项目的经验，我们初步建立起了研究总院的水下生产系统设计体系。”集团公司海洋工程专家、研究总院工程研究设计院院长洪毅的话语中充满自信。
  2014年，在文昌10-3油田开发工程基本设计项目中，研究总院终于开启水下生产系统自主设计的大门。由于水下生产系统设计是一个多专业协同的工作，第一次做的时候有些专业界面分不清，对于一些图纸报告该由哪个专业完成大家常常争得面红耳赤，最终还是时任研究总院海洋工程总师的李新仲出马，才解决了分歧。虽然研究总院购买了专业设计软件也做了很多练习，但由于很多参数在练习时都是假设，还没有真正在生产项目中检验。在建立模型、选取工况、排除错误等具体的工作中，设计人员遇到的困难不计其数，每一次都要经过多方咨询、反复求证，才敢将最终的结果写进报告。
  研究总院的水下生产系统设计水平又迈上了一个新的台阶：在流花16-2项目中，他们攻克了世界最长的电潜泵直接供电、水下井口多而分散、管缆数量多、控制系统复杂等诸多设计难题；在陵水17-2项目中，他们通过开展1500米水深的安装专题研究，保证了设计方案的可靠性。两大深水水下生产系统设计工作的顺利完成，标志着研究总院深水工程设计三大体系之一的水下生产系统设计体系全面建成。
  应用成果
  2017年，研究总院深水工程设计技术迎来了一次大考，陵水17-2气田和流花16-2油田群两大深水工程设计项目同时开工。重任在肩，在有限公司工程建设部的指导下，有限公司深圳分公司、有限公司湛江分公司和海油工程设计公司等兄弟单位合力帮助，研究总院设计人员勇往直前、敢于亮剑，凭借多年积累的技术经验和200多个日日夜夜的顽强拼搏，攻克了两大深水项目的多项技术难题，向集团公司交出了一份优异的答卷。
  案例：陵水17-2气田
  陵水17-2气田水深约1500米，采用半潜式生产平台+钢悬链线立管+水下生产系统的开发模式。在FEED设计中，由研究总院自主发明并享有知识产权的半潜式生产平台是世界上首座带凝析油储存和外输功能的半潜平台，获得了美国船级社的型式认可证书。多项技术为国内自主完成且首次采用，包括：从井下、水下生产系统以及深水立管一体化的水下生产系统设计，深水钢悬链立管系统、缓波构型动态脐带缆和柔性管道的设计，聚酯缆的系泊系统设计，深水气田直接回接浮式平台的流动安全分析，水下分离增压方案和抑制剂设计，深水星形网络架构电力载波通信方案设计。此外，研究总院还在设计中采用了热渗锌紧固件，提高紧固件抗腐蚀性能，降低后期维护费用；将海底管道水下隔离阀（SSIV）安装于半潜平台的的浮箱上，节省了一根动态控制缆。
  案例：流花16-2油田群
  流花16-2油田群开发项目水深约400米，采用FPSO+动态管缆系统+水下生产系统的开发模式。研究总院不但按时高效地完成了全部设计工作，还取得了多项技术突破和创新。首次完成了国内最复杂的单点系泊系统设计，单点系泊系统管缆悬挂和滑环数量之多在世界上都较为罕见；首次自主完成长距离水下供电系统设计，位于FPSO上的变频器经长距离（26.7公里）复合动态电缆束直接驱动井下电潜泵；自主完成中深水大型油田群水下生产系统基本设计，18根管缆设计，项目工程量大、系统复杂，相关成果得到独立第三方认可；自主完成了高温海底管道侧向屈曲分析和缓解措施设计；自主完成了动态管缆耦合分析，完成了中国海油目前深水管缆数量最多的干涉分析。