目前，全球深水油氣資源領域已成為國際著名油氣公司爭相開拓的新領域。尤其是2018年以來，南美洲北海岸和北美墨西哥灣等海域相繼在深水獲得多處重大油氣勘探突破，因而更使深水油氣勘探開發成為全球油氣行業聚焦的“熱點”。從2019年來看，全球油氣新探明儲量創2015年以來的新高，油氣當量超過一億桶的油氣田就有26個，其中超過一半的重大發現來自于深水。
 
中國油氣勘探開發要向深水區挺近
 
從我國來看，油氣勘探開發向深水發展的必要性與重要性，筆者認為可以概括為“三個需要”。
油氣戰略接替資源的需要。油氣資源直接關系到國家的能源供給和經濟安全，我國迫切需要發現油氣戰略接替資源，但相當困難。然而，我國南海蘊藏著豐富的油氣資源。整個南海盆地群石油地質資源量約230億至300億噸，天然氣總地質資源量約16萬億立方米，占我國油氣總資源量的三分之一，其中70%蘊藏于153.7萬平方公里的深海，尚未得到有效開發。因此，開辟新的戰略接替領域，南海深水油氣資源開發已成為我國的必然選擇。 
 
充分利用國外資源的需要。目前，全球深水油氣資源勘探開發蓬勃發展，方興未艾，為我國提供了難得的利用國外資源機遇。據悉，部分油氣資源國已放寬了深水油氣資源對外合作的財稅條款，并增加了對國際石油公司的招投標活動，這就為我國利用國外資源，創造了有利條件。例如中海油參股加拿大尼克森公司25%的圭亞那的深水區塊，已連續獲得重大發現，不僅在儲量和產量兩個方面，我國的權益均有保障，而且還可以有機會學習、積累和借鑒國外先進經驗。
 
提高科學技術水平的需要。深水海洋環境復雜，油氣勘探開發所需的技術與裝備，較之淺水、近海及陸上均要求高、難度大，因而，通過深水油氣勘探開發必然會驅動相關科學技術水平的提高，以我國南海深水油氣田勘探開發為例，從2008年開始，國家立項“海洋深水油氣田開發工程技術”，組織攻關開展科研。十多年來，已經研制出了全球領先的世界上最新第六代半潛式鉆井平臺“981” 等先進浮式裝備，建成了以“海洋石油981”和“海洋石油201”鋪管船等組成的“五型六船”深水作業船隊，并自主研制成水下工程關鍵設備近二十套，與此同時，開發出了幾十種理論模型、設計方法及其專用軟件和標準指南，還建立了深水工程監測系統及試驗系統十數套，從而實現了我國海洋油氣工程技術與裝備從300m水深到1500m的跨赿式發展，大大提高了我國深水海洋工程的科技水平。 
 
深水油氣田開發離不開水下生產系統的應用，盡管目前國內外深水油氣田的開發模式因地制宜，已采用的有多種模式，諸如水下生產系統＋半潛式生產平臺＋浮式生產儲卸油裝置、水下生產系統＋淺水生產平臺＋陸上天然氣處理終端、水下生產系統＋FPSO等，但也是水下生產系統。因此，水下生產系統可以說是深水油氣田開發的必備生產設施，我國要發展深水油氣田開發，必須要掌握水下生產系統的核心技術，能夠自主設計制造其關鍵裝備。但是，目前中國與世界先進水平仍有較大差距。
 
中國急需研發的水下生產系統裝備
 
氣液處理設施的水下化。目前深水油氣田開發采用的水下生產系統如圖1所示，一般其組成為：水下井口、水下采油樹、管匯系統、化學藥劑注入系統、生產控制與監視系統、臍帶纜、海底管道、立管等，見圖1所示。
 

當今常規的設計方案均將液氣處理設施，包括油氣水分離裝置、輸液增壓泵裝置、輸氣堉壓的壓縮機裝置等安裝在水面設施上。但目前新的發展趨勢是將其水下化，即將它們移入到水下，由水下分離器、水下增壓泵、水下壓縮機等組成水下油氣水處理系統及海底增壓系統，從而實現油氣水的水下處理及外輸。水下油氣水處理系統將極大節省水面上設施的空間，降低對其載荷的要求，同時也將有利于提高油氣田的采收率，延長油氣田壽命。國外，目前巴西國家石油公司(Petrobras)已經在兩個水下生產系統采用了水下增壓系統來提高油氣傳輸的壓力，還在Marlim油田裝設了水下油水分離及再注系統。另外，法國道道爾(Total)公司也在Pazflor油田采用了水下氣液分離和增壓技術，而菏蘭殼牌(Shell)公司則在Perdido油田采用了水下氣液分離技術。



圖2、圖3、圖4分別為水下增壓泵、水下壓縮機、水下氣液分離器，圖5為巴西Petrobras公司的水下油水分離及再注系統。
     

我國南海深水已建成的流花11-1油田、荔灣3-1油田和2020年新建的流花16-2油田群及2021年新建的陵水深水一號氣田，雖然都應用了水下生產系統，但尚未實現氣液處理設施的水下化，因此，我國應及早開展水下增壓泵、壓縮機、氣液分離器等高質量裝備的研制。
 
海底控制系統的全電化。傳統的水下生產系統的海底控制系統均采用電液復合式控制方式，但當今的發展趨勢是轉向全電式控制方式。電液復合式控制需要從水面上提供液壓液作為動力源，因而會帶來液壓液的排海對環境造成的污染，同時液壓系統可能帶來的任何泄漏，都會產生嚴重故障，并造成對海洋環境的污染，顯見，缺點甚多。全電控制系統傳輸的是電信號，控制距離更遠，響應時間更短，且無污染環境問題，還省去了控制系統中的液壓組件所需的費用，減小了傳輸液壓液管線的臍帶纜的直徑，極大地降低了臍帶纜的費用。當然，如果同時采用液壓系統作為水下生產系統的備份控制，采用冗余設計，也可進一步提高整個水下生產系統的控制系統的可靠性。
 
目前，全球挪威率先推行水下生產系統的海底控制系統的全電化，圖6為他們研發的世界上第一座全電控制的水下采油樹， 2008年已安裝于挪威北海的K5F油田投產，到目前為止，運行良好。我國在這方面尚屬空白，因此，高質量研制水下生產系統，需要考慮采用全電式海底控制系統，并潛心研發相關的電器元件。 


供電配電設備的海底化。將原來位于水面平臺上的供電配電設備安裝在海底，這是水下生產系統的另一項新的發展趨勢。由于大型水下氣液處理裝置所需功率常達幾十兆瓦，傳統的低壓供電技術與設備已無法滿足用電需求。因此，水下高壓交直流供電所需要的關鍵電氣設備包括水下變壓器、水下開關等都將成為未來的研發“熱點”。以水下高壓斷路器(自動開關)為例，國外挪威已經將其研發出的產品應用于位于北海海域 ,離岸100km平均水深885m的Ormen Lange大氣田(天然氣儲量約3000億方)的水下生產系統的水下壓縮機的供電系統中。
 
近年來，挪威又開始了海底配電系統的研發，他們自2017年開始研究，目前正在海上進行測試。他們的創新理念是實施模塊化，即將用于中壓配電、電源轉換、自動化輔助電源等設備，都安裝在一個水下密閉罩中，形成一個海底模塊化的配電系統，直接驅動海底的泵、壓縮機以及其它工藝設備。這樣即可省去傳統的自水上平臺為每臺設備單獨配備的電纜，而且配電系統距離供電設備也近，可以節約大量投資。目前研發的海底配電系統可以提供高達100兆瓦(MW)的電力，并可在600公里范圍內供電，它可用于超深水3000米水深，并確保工作30年無需維修。正由于這些條件的極其苛刻，可靠性的要求也非常嚴格，因而該配電系統中包括海底控制系統、不同電壓配電系統、海底不同電壓開關設備以及海底不同電壓變速驅動器等組件，均需重新設計、研制，再加上海上全尺寸的測試，包括溫度、振動、壓力測試及加速壽命測試等，既要嚴格按照規范標準，又要保證數據精準，困難大，費時多，故研發成功尚需時日，預計2023年在國外可投入使用。圖7為挪威Aker公司近年研制的用于Ormen Lange氣田深水水下供電設備斷路器，圖8為該公司正在研發的模塊化配電系統。我國目前尚屬空白，需要自主研制這些高質量水下供電配電電器。 


水下通信系統的最優化。這里所說的最優化指的是要與時俱進，跟上現代的步伐，采用當今最先進的技術與裝備。首先，由于現代通信要求系統的各個接口要實現標準化， 這樣才有利于第三方設備的接入，使得整個通信系統的可擴展性大大增強。因此，對于水下生產系統來說，其通信接口包括水下主控站 （MCS）與分散式控制系統（DCS）的通信接口、 水下各種監測儀表的通信接口、水下控制系統的水面上設備與水下設備的通信接口等，都要實現標準化，以滿足現代通信的要求。
 
其次，由于現代通信要求帶寬大，而光纖通信帶寬大，已逐漸取代電力載波，成為當今主要信號傳輸方式。而水下生產系統目前應用的各種監測和檢測儀表以及井底儀表赿來赿多，且對信息傳輸的要求不斷增加，再加上油氣田生產優化也要求它將水下各種數據盡快傳到水面上來，因此，采用光纖通信，擴大通信帶寬，應用以太網，已成為當今水下生產系統通信系統的發展趨勢。總之，這些現代通信的最優化要求，我國的深水水下生產系統的通信系統均應滿足。
 
 
綜合上述，我國需要大力發展深水油氣田的勘探開發，而水下生產系統以其高適應性、高經濟性成為深水油氣田開發模式中必不可缺的組成部分，因此，高質量研制水下生產系統己成為我國開發深水油氣田的一項重要任務。