我國是油氣資源消耗大國，2019年石油對(duì)外依存度超過70%，天然氣對(duì)外依存度超過45%。我國油氣對(duì)外依存度持續(xù)攀升，而我國南海深水區(qū)油氣資源豐富，加大國內(nèi)勘探開發(fā)力度，加快我國南海深水油氣田開發(fā)的步伐，不僅是全力保障國家能源安全的戰(zhàn)略需求，也是我國石油工業(yè)自身發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需要。中國海油經(jīng)過30多年的發(fā)展，特別是近10年，已經(jīng)建成了以“奮進(jìn)號(hào)”“海洋石油201”為代表的五型六船深水作業(yè)船隊(duì)，初步具備了深水油氣勘探和開發(fā)的能力。國內(nèi)荔灣3-1深水氣田群和流花16-2深水油田群的成功投產(chǎn)以及即將投產(chǎn)的陵水17-2深水氣田，拉開了我國深水油氣田開發(fā)的序幕。但應(yīng)該看到，我國在深水油氣田開發(fā)工程技術(shù)方面的研究起步較晚，深水油氣田開發(fā)處于初期階段。國外水下采油樹最大作業(yè)水深2934m，國內(nèi)最大作業(yè)水深僅1480m;國外浮式生產(chǎn)裝置最大作業(yè)水深2895.5m，國內(nèi)作業(yè)最大水深僅330m;國外氣田最長回接海底管道距離149.7km，國內(nèi)僅80km;國外有各種類型的深水浮式生產(chǎn)設(shè)施300多艘，國內(nèi)在役的僅有13艘浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置和1艘半潛式平臺(tái)。以上數(shù)據(jù)表明無論在深水油氣田開發(fā)工程技術(shù)還是裝備方面，我國均與國外領(lǐng)先水平存在巨大差距。此外，南海在深水油氣田開發(fā)方面面臨著比其他海域更大的挑戰(zhàn)，如惡劣的海洋環(huán)境條件(內(nèi)波和臺(tái)風(fēng))、復(fù)雜的海底地形和工程地質(zhì)條件(大高差)、離岸距離遠(yuǎn)(遠(yuǎn)距離控制和供電)、復(fù)雜的油氣藏特性(高溫、高壓)、高壓和低溫的深水環(huán)境、海上突發(fā)事故的應(yīng)急救援以及南海中南部油氣開發(fā)遠(yuǎn)程補(bǔ)給問題等，均需要通過系統(tǒng)而深入的技術(shù)研究逐一解決。

為了縮小與國外的技術(shù)差距，2008年，由中海油研究總院牽頭，聯(lián)合國內(nèi)多家科研院所和高校， 啟動(dòng)了國家科技重大專項(xiàng)“海洋深水油氣田開發(fā)工程技術(shù)”項(xiàng)目。項(xiàng)目分為3期，共涉及7個(gè)方向：深水鉆完井工程技術(shù)、深水平臺(tái)工程技術(shù)、水下生產(chǎn)技術(shù)、深水流動(dòng)安全保障技術(shù)、深水海底管道和立管技術(shù)、大型 FLNG/FDPSO 關(guān)鍵技術(shù)以及深水半潛式起重鋪管船及配套工程技術(shù)。在“十一五”期間，主要開展了深水鉆完井、深水浮式平臺(tái)、水下生產(chǎn)系統(tǒng)、深水流動(dòng)安全保障、深水海底管道和立管等深水工程核心技術(shù)的攻關(guān)，建立了深水工程相關(guān)的實(shí)驗(yàn)手段，并具備了深水油氣田開發(fā)工程總體方案設(shè)計(jì)和概念設(shè)計(jì)的能力。在“十二五”期間，持續(xù)開展了深水工程核心技術(shù)的攻關(guān)，開展了水下閥門、水下連接器、水下管匯以及水下控制系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備和保溫輸送軟管、濕式保溫管、國產(chǎn) PVDF(復(fù)合聚氨酯)材料等產(chǎn)品的國產(chǎn)化研發(fā)，具備了深水油氣田開發(fā)工程基本設(shè)計(jì)能力。在“十三五”期間，完成了深水油氣田開發(fā)工程應(yīng)用技術(shù)的攻關(guān)，深化了關(guān)鍵設(shè)備和產(chǎn)品的國產(chǎn)化研發(fā)，建立了深水油氣田開發(fā)工程技術(shù)體系，基本實(shí)現(xiàn)了深水工程關(guān)鍵技術(shù)的體系化、設(shè)計(jì)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化、關(guān)鍵設(shè)備和產(chǎn)品的國產(chǎn)化、科研成果的工程化。

本文主要介紹國家科技重大專項(xiàng)“海洋深水油氣田開發(fā)工程技術(shù)”項(xiàng)目歷經(jīng)3個(gè)“五年計(jì)劃”攻關(guān)取得的研究進(jìn)展，重點(diǎn)介紹深水油氣田開發(fā)工程設(shè)計(jì)技術(shù)體系、深水工程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、深水工程關(guān)鍵設(shè)備及產(chǎn)品、深水工程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等4方面的研究進(jìn)展，并對(duì)我國海洋深水油氣田開發(fā)工程技術(shù)的未來研究方向提出了建議。

1 深水油氣田開發(fā)工程設(shè)計(jì)技術(shù)體系

從2008年開始，“海洋深水油氣田開發(fā)工程技術(shù)”項(xiàng)目以突破1500m深水油氣田開發(fā)工程關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建深水油氣田開發(fā)工程設(shè)計(jì)技術(shù)體系為目標(biāo)，形成了涵蓋水面、水中和水下，包括深水鉆完井工程、浮式生產(chǎn)裝置、水下生產(chǎn)系統(tǒng)、深水流動(dòng)安全、深水海管及立管等系列化和一體化的設(shè)計(jì)技術(shù)體系(圖1)，形成了包括南海內(nèi)波流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型等10余種理論模型、柔性立管設(shè)計(jì)方法等20余種設(shè)計(jì)方法;形成了包括浮式生產(chǎn)系統(tǒng)、張力腿平臺(tái)、深水立管和流動(dòng)安全保障等10余套設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和指南;自主開發(fā)了近40套涵蓋深水鉆完井、深水浮式平臺(tái)、水下生產(chǎn)系統(tǒng)、深水流動(dòng)安全以及深水海管和立管等專業(yè)的設(shè)計(jì)軟件。相關(guān)技術(shù)成果已成功應(yīng)用于荔灣3-1及周邊氣田群、流花16-2油田群和陵水17-2深水氣田的前期研究和工程設(shè)計(jì)中，有效支持了南海深水油氣田的開發(fā)工程項(xiàng)目，使我國初步具備了1500m深水油氣田開發(fā)工程技術(shù)能力，實(shí)現(xiàn)了我國海洋工程技術(shù)從300m到1500m的跨越式發(fā)展。項(xiàng)目構(gòu)建的深水油氣田開發(fā)工程設(shè)計(jì)技術(shù)體系已應(yīng)用于我國南海20余口井、10余個(gè)油氣田以及海外5個(gè)油氣田方案研究及設(shè)計(jì)中。

2 深水工程實(shí)驗(yàn)技術(shù)及實(shí)驗(yàn)體系

通過3個(gè)“五年計(jì)劃”的攻關(guān)，突破了深水工程實(shí)驗(yàn)技術(shù)，構(gòu)建了4大類共16項(xiàng)深水工程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，形成了國內(nèi)深水工程實(shí)驗(yàn)技術(shù)及實(shí)驗(yàn)體系(表1)，為深水工程技術(shù)研究、設(shè)計(jì)、設(shè)備及產(chǎn)品研發(fā)等提供了實(shí)驗(yàn)手段。本章對(duì)典型的實(shí)驗(yàn)裝置和相關(guān)技術(shù)做簡要介紹。

2.1 浮式生產(chǎn)裝置水動(dòng)力性能實(shí)驗(yàn)裝置及技術(shù)

開展了SPAR、TLP、SEMI、深水不倒翁平臺(tái)、FLNG、FDPSO等浮式生產(chǎn)裝置的深水水池試驗(yàn)(圖2)，掌握了深水生產(chǎn)裝置水動(dòng)力性能實(shí)驗(yàn)?zāi)M技術(shù)，建立了一套各類型浮式生產(chǎn)裝置水動(dòng)力性能試驗(yàn)、渦激運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)和內(nèi)波與浮式平臺(tái)相互作用的實(shí)驗(yàn)方法，形成了各類型浮式生產(chǎn)裝置水動(dòng)力性能實(shí)驗(yàn)指南，驗(yàn)證了SPAR、SEMI、TLP、FLNG、FDPSO和深水不倒翁等新型浮式平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案。

2.2 水下生產(chǎn)系統(tǒng)測(cè)試及試驗(yàn)系統(tǒng)

水下生產(chǎn)系統(tǒng)測(cè)試及試驗(yàn)系統(tǒng)主要用于測(cè)試和驗(yàn)證自主研制的水下關(guān)鍵設(shè)備過程質(zhì)量檢驗(yàn)、 性能鑒定測(cè)試、工廠驗(yàn)收測(cè)試、集成測(cè)試，檢測(cè)其功能、質(zhì)量和性能指標(biāo)等是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。主要包括：水下閥門及執(zhí)行機(jī)構(gòu)專用試驗(yàn)系統(tǒng)、水下控制模塊SCM測(cè)試平臺(tái)、水下多相流量計(jì)壓力測(cè)試系統(tǒng)、水下連接器和安裝工具工程樣機(jī)測(cè)試系統(tǒng)等。

建成了國內(nèi)首套完整的水下閥門及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的專用測(cè)試系統(tǒng)，并完成了相關(guān)產(chǎn)品測(cè)試。該系統(tǒng)主要包括ROV模擬液壓馬達(dá)深水測(cè)試連接工裝、高低溫負(fù)載循環(huán)試驗(yàn)裝置、深海高壓艙負(fù)載循環(huán)試驗(yàn)裝置、閥門推力及扭矩測(cè)試裝置等，具體技術(shù)參數(shù)指標(biāo)見表2，部分試驗(yàn)系統(tǒng)見圖3。

2.3 FLNG液化工藝試驗(yàn)系統(tǒng)

自主研發(fā)了適用于南海目標(biāo)深水氣田FLNG裝置的丙烷預(yù)冷雙氮膨脹液化新工藝?；谠摴に嚱ǔ闪颂烊粴庖?guī)模為2000Nm3/d的小型FLNG液化裝置和20000Nm3/d的FLNG液化中試裝置(圖4)。該中試裝置可實(shí)現(xiàn)丙烷預(yù)冷雙氮膨脹液化工藝、丙烷預(yù)冷單氮膨脹液化工藝和雙氮膨脹液化工藝等3套制冷循環(huán)的獨(dú)立測(cè)試。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該液化工藝在南海深水氣田FLNG裝置中具有較好的適應(yīng)性，液化率高于85%、能耗低于0.45(kW·h)/m3，裝置自動(dòng)化程度高、快速啟動(dòng)和停止性能強(qiáng)，具有海洋環(huán)境適應(yīng)性好、抗晃蕩性能優(yōu)等優(yōu)點(diǎn)。

2.4 深水海管和立管實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

突破了深水立管渦激振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)M技術(shù)，成功研制出了可模擬最大相對(duì)流速為4.5m/s的均勻來流和剪切來流的深水立管渦激振動(dòng)試驗(yàn)裝置(圖5)，為深水立管設(shè)計(jì)提供了實(shí)驗(yàn)?zāi)M手段。

深水海底管道在一定的外部靜水壓力作用下，容易發(fā)生屈曲破壞，本項(xiàng)目突破了深水海底管道屈曲模擬關(guān)鍵技術(shù)，成功研制出可模擬4300m水深壓力環(huán)境下的大管徑、實(shí)尺度深水海底管道屈曲試驗(yàn)裝置(圖6)(最大工作壓力43MPa、壓力艙外徑1.6m、長度11.5m)，并完成了軸向力和水壓作用下的管道局部屈曲、管道屈曲傳播和帶有止屈器管道的屈曲穿越等3類全尺寸試驗(yàn)，為深水海底管道設(shè)計(jì)提供了實(shí)驗(yàn)?zāi)M手段。

3 深水工程關(guān)鍵設(shè)備及產(chǎn)品

3.1 自主研制的水下關(guān)鍵設(shè)備已部分實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用

自主研制的3大類共18套深水工程關(guān)鍵設(shè)備(表3)，打破了國外的技術(shù)封鎖和壟斷，部分實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化應(yīng)用。

3.1.1 深水鉆完井關(guān)鍵機(jī)具和設(shè)備

研制的深水鉆完井關(guān)鍵機(jī)具和設(shè)備主要包括深水棄井切割工具和連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)。所研制的深水棄井切割工具主要用于實(shí)施深水水下井口系統(tǒng)的切割回收：即在實(shí)施永久棄井前，必須清除泥線以上的構(gòu)筑物，應(yīng)將水下井口系統(tǒng)從泥線以下4m左右進(jìn)行切割，并從海底清理回收到平臺(tái)上。其主要技術(shù)參數(shù)：額定工作壓力：20.68MPa，伸縮節(jié)伸縮距：0.50m，切割扭矩：22500kN·m。所研制的連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)接立柱、起下鉆、劃眼等工況下的連續(xù)循環(huán)鉆井，有效控制當(dāng)量循環(huán)密度，減少井下復(fù)雜情況，提高鉆井效率。連續(xù)循環(huán)鉆大位移井實(shí)際效果：完鉆井深5000～7000m，當(dāng)量循環(huán)密度波動(dòng)壓力2.4%～4.5%(非連續(xù)循環(huán)鉆井波動(dòng)壓力大于6.3%)，巖屑運(yùn)移效率>90%，攜屑效果好，無巖屑床和沉砂阻卡問題，順利過斷層，無漏、垮、卡問題發(fā)生，循環(huán)泵壓和旋轉(zhuǎn)扭矩均小于設(shè)計(jì)值，下尾管一趟到底，中途無任何阻卡發(fā)生。所研制的水下井口切割回收工具已在LH27-1-1和LH30-1-1井等10口井進(jìn)行了海上現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和工程應(yīng)用，購置成本較 國外同類產(chǎn)品低50%。研制的連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)降低了當(dāng)量循環(huán)密度波動(dòng)壓力，提高了井眼清潔程度，已完成海試，具備產(chǎn)業(yè)化條件，已在番禺10-5/8油田、EP23-7-A1井等大位移井取得了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

3.1.2 水下關(guān)鍵設(shè)備

1)水下閥門及配套執(zhí)行機(jī)構(gòu)

國內(nèi)首次完成了深水大口徑、高壓力等級(jí)、多種材料方案、ROV和液壓雙操作方式的國產(chǎn)化水下閥門研制(圖7a)。完成了所有產(chǎn)品的測(cè)試，并通過了國際權(quán)威第三方DNV認(rèn)證，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際同等產(chǎn)品水平，即將進(jìn)行海試。技術(shù)指標(biāo)參數(shù)：參考標(biāo)準(zhǔn)：API 17D、API 6A、API 6DSS;設(shè)計(jì)水深：1500m;壓力等級(jí)：34.47MPa;公稱通徑：閘閥為130.18mm，球閥為304.80mm;可液壓及ROV操作的單作用形式;執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓控制壓力：34.47MPa;ROV操作要求符合ISO13628-8 4級(jí)。

2)水下控制模塊

國內(nèi)首次完成了深水高壓力等級(jí)、可回收式水下控制模塊及其水下安裝工具產(chǎn)品的研制(圖7b)。建立了一套完整的水下控制模塊專用測(cè)試系統(tǒng)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際同等產(chǎn)品水平。SCM(水下控制模塊)正在開展DNV第三方認(rèn)證，即將進(jìn)行海試。技術(shù)指標(biāo)參數(shù)：設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)API 17F ;SEM(水下電子裝置模塊)冗余配置;設(shè)計(jì)水深：1500m。

3)水下多相流量計(jì)

國內(nèi)首次完成了深水緊湊式、高壓力等級(jí)、關(guān)鍵部件可更換式國產(chǎn)化水下多相流量計(jì)產(chǎn)品研制(圖7c)。已通過國際權(quán)威第三方DNV認(rèn)證，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際同等產(chǎn)品水平。技術(shù)指標(biāo)如下：設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)API 17S;設(shè)計(jì)水深：1500m;設(shè)計(jì)壓力：34.47MPa。水下多相流量計(jì)已在流花16-2油田和流花29-2氣田項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用。

4)海上水合物專用取心工具

突破了水合物保溫保壓取心技術(shù)，自主研制了水合物保溫保壓取樣裝置(圖8)，主要包括繩索打撈回收系統(tǒng)、鎖定釋放系統(tǒng)、保溫保壓系統(tǒng)、壓力補(bǔ)償系統(tǒng)、閥門密封、控制及溫壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、取樣系統(tǒng)。該取心工具分別在“奮斗5號(hào)”和“海洋石油708”勘察船進(jìn)行了海上取樣試驗(yàn)，在2017年5月利用該工具成功獲取了海洋天然氣水合物品，并在全球范圍內(nèi)首次成功實(shí)施了海洋淺層非成巖水合物固態(tài)流化試采作業(yè)并點(diǎn)火成功。技術(shù)指標(biāo)參數(shù)：單次取心長度≥1m;4小時(shí)內(nèi)，巖心保持壓力不低于原始?jí)毫Φ?0%，溫度不高于原始溫度10℃。

3.2 自主研制的水下關(guān)鍵產(chǎn)品已部分實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用

自主研制的3大類共17種深水工程產(chǎn)品(表4)，打破了國外的技術(shù)封鎖和壟斷，部分實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用。

5 結(jié)論及建議

由于我國在深水油氣田開發(fā)工程技術(shù)方面研發(fā)起步較晚，深水油氣田開發(fā)產(chǎn)業(yè)才剛剛起步。無論是在深水油氣田開發(fā)工程技術(shù)還是在深水工程裝備方面，我國與國外先進(jìn)水平相比仍存在較大差距。同時(shí)，中國南海還面臨與國外其他海域不同的環(huán)境條件和技術(shù)挑戰(zhàn)。因此，我國深水油氣田開發(fā)工程裝備和技術(shù)的研發(fā)仍然任重道遠(yuǎn)，需要繼續(xù)加大科技投入，充分發(fā)揮國內(nèi)外科技資源的作用，以產(chǎn)、學(xué)、 研、用協(xié)同攻關(guān)的模式，大力提升原始創(chuàng)新能力，進(jìn)一步突破尚未攻克的深水工程關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品。

因此，本文就深水油氣田開發(fā)工程的未來研究和發(fā)展方向，提出以下5點(diǎn)建議：1)加強(qiáng)深水工程卡脖子裝備和技術(shù)的基礎(chǔ)研究。我國在深水油氣田開發(fā)工程技術(shù)和裝備領(lǐng)域落后國外10～15年，根本原因在于基礎(chǔ)研究比較薄弱，必須加強(qiáng)基礎(chǔ)理論、實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法、工程設(shè)計(jì)軟件等方面的科研攻關(guān)。

2)大力提升深水工程裝備和技術(shù)自主創(chuàng)新能力。重點(diǎn)開展：深水鉆完井裝備(采油樹、防噴器、水下井口、隔水管等)，深水水下生產(chǎn)系統(tǒng)(水下控制系統(tǒng)、深水動(dòng)態(tài)臍帶纜、全電水下設(shè)備、高效水下油氣處理、濕氣增壓設(shè)備等)，深水浮式平臺(tái)(深水單點(diǎn)系泊系統(tǒng)、浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置、新型深水浮式生產(chǎn)平臺(tái)等)等方面的研究突破。

3)加快推進(jìn)核心零部件及高端材料的自主研發(fā)。重點(diǎn)開展高精度的監(jiān)/檢測(cè)傳感器和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、高可靠性的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、大型軸承和滑環(huán)堆棧、深水立管柔性接頭/張緊器等關(guān)鍵配件和核心零部件研發(fā)，開展低溫、抗腐蝕、抗高溫和高壓等高端材料的研發(fā)。

4)著力提高國產(chǎn)裝備及產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性。重點(diǎn)開展深水工程核心裝備、關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵產(chǎn)品的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、第三方認(rèn)證和檢驗(yàn)，提高裝配及產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。

5)推動(dòng)深海裝備、設(shè)備及油氣田數(shù)字化、智能化發(fā)展。重點(diǎn)開展：智能化鉆井裝置、海底鉆機(jī)、海洋無鉆機(jī)鉆井裝備，數(shù)字化、智能化浮式生產(chǎn)平臺(tái)， 智能化、長距離全電水下生產(chǎn)系統(tǒng)，智能高效水下生產(chǎn)系統(tǒng)及油氣處理設(shè)施，海洋工程裝備智能制造工廠等方面的研究。