“這是迄今為止我國自主建設的地層溫壓最高、鉆井總井深最大、主要作業(yè)設施覆蓋海域面積最廣的深水氣田。”

據(jù)中國海油“深海一號”二期天然氣開發(fā)項目經(jīng)理劉康介紹，作為深水邊際油田，“深海一號”二期與一期相比，面臨單井產(chǎn)量低、井流高溫高壓、凝析油析蠟點高于環(huán)境溫度以及依托設施距離遠等多方面挑戰(zhàn)。

項目地層最高溫度達到140攝氏度；地層最高壓力超過69兆帕，相當于家用高壓鍋的1000倍；設計總井深超60000米，接近7座珠穆朗瑪峰的高度；主要生產(chǎn)設施地理距離跨度超過170公里，超過北京到天津的直線距離……

2022年4月10日下午，在海南考察的習近平總書記連線中國海油“深海一號”作業(yè)平臺，強調(diào)要“把裝備制造牢牢抓在自己手里，努力用我們自己的裝備開發(fā)油氣資源”?！吧詈Ｒ惶枴倍谔烊粴忾_發(fā)項目的正式投產(chǎn)，不僅為實現(xiàn)深水油氣裝備高水平自主化提供了堅實保障，更是對總書記殷殷囑托的最好回應。

設計亞洲第一、世界第八深水單管長輸方案

相比“深海一號”一期，二期項目面臨的自然條件更加復雜，水下工程作業(yè)量大幅增長，整體作業(yè)難度顯著增加。

“深海一號”二期采用與“深海一號”相同的水下生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)方式。不同的是，二期項目的回接處理設施距離115.5千米，是一期開發(fā)回接距離的4.5倍，國際上比這個距離長的深水油氣管道屈指可數(shù)。

面對極其復雜的技術挑戰(zhàn)，為了最大限度實現(xiàn)深海油氣資源高效經(jīng)濟開發(fā)，中海油研究總院研究團隊將國際上的深水傳統(tǒng)雙管輸送方案優(yōu)化為單管輸送。

這一技術創(chuàng)新伴隨著一系列亟須突破的流動安全難題：管道內(nèi)高達6000立方米積液如何在固定平臺上處理？清管段塞處理過程中全生產(chǎn)系統(tǒng)的壓力溫度如何控制在安全范圍內(nèi)？怎樣實現(xiàn)全生命周期內(nèi)采收率最大化？

…………

對于接踵而至的單管長輸技術難題，流動安全負責人李鵬程提出了建議：“能否用二期開發(fā)項目的高壓特征化解單管輸送模式帶來的流動安全技術風險？”

隨即，流動安全團隊全員開始廣泛調(diào)研國外大量深水油氣田開發(fā)案例，充分識別分析二期開發(fā)項目中建設、調(diào)試、投產(chǎn)到生產(chǎn)過程全生命周期的各種操作工況的風險，并有針對性地開展孿生仿真分析，形成完整的深水管線單管回接方案。其中，針對清管大段塞，采用“勒一下+各自歸位存儲”等措施，通過構建精細的水下生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對海底管道溫度、壓力、流量的精準調(diào)控；通過開展“油藏-井筒-海管-平臺”一體化流動安全保障分析，打破了國際上對于最小輸量理念的限制，有效助力累產(chǎn)提升。

經(jīng)過精密設計，項目研發(fā)團隊拿出了一套回接距離亞洲第一、世界第八的深水管線單管回接方案：氣田的水下生產(chǎn)系統(tǒng)由同樣位于深水區(qū)的“深海一號”能源站進行遠程操控，氣田所產(chǎn)的深水油氣則沿著超過115公里長的海底管道由深及淺“拾級而上”，進入位于淺水區(qū)的“四星連珠”海上平臺進行處理加工，最終流向海南島和粵港澳大灣區(qū)的千家萬戶。

這一技術方案，不僅為項目節(jié)省超11億元投資，還突破傳統(tǒng)深水雙管輸送模式，實現(xiàn)了技術創(chuàng)新與經(jīng)濟效益雙贏。

攻克深水海管超長、超大跨度世界級技術難題

海底管道是保障海洋油氣平穩(wěn)輸送的“生命線”?！吧詈Ｒ惶枴倍陧椖课惶幧钏邏簹馓?，并且所處區(qū)域最大水深近1000米，海管所處的海底陡坡段水深從200米急劇變化到800米，最大坡度超過25度，是國內(nèi)水深跨越幅度最大的海底管道，常規(guī)材質(zhì)的海管無法滿足生產(chǎn)需要。

針對這一情況，中海油研究總院在深水環(huán)境下首次應用“114公里深水大口徑無縫鋼管+1.5公里深水雙金屬復合管”組合方案，搭建起連接“深海一號”二期工程油氣輸送“主動脈”。

這也是海管結構設計團隊專為“高溫高壓強腐蝕油氣流混輸”量身定制的海底管道。管道設計壓力可達38.8兆帕，可輸送120攝氏度高溫的油氣流；管道最大壁厚達38毫米，創(chuàng)造了我國海管壁厚新紀錄。

38.8兆帕極端的海管設計壓力，對于海管結構設計團隊來說是一項前所未有的挑戰(zhàn)。如果通過增加壁厚來保證管道結構安全，會對本就復雜的海上焊接施工造成嚴重的影響。因此，找到強度安全與施工效率的平衡點，成為設計團隊必須攻克的“硬骨頭”。

“按照常規(guī)方法設計的壁厚設計超過35毫米，接近廠家制造極限，不利于制造和安裝，能否考慮逐年參數(shù)變化進一步優(yōu)化方案？”海管專家賈旭的一席話，給陷入困惑的設計團隊照亮了前行的路。

在他的啟發(fā)下，海管結構設計團隊成功實施了“時空壓分段精細化設計策略”，將長達115.5千米管道的壁厚從原本的34.9毫米“瘦身”至平均31.9毫米。僅這項定制化設計，便為項目節(jié)省了高達5000萬元的管材成本，并極大地降低了制造與安裝難度。

一道難題解決，但新挑戰(zhàn)隨之而來。二期項目海管路由存在近40處懸跨，最大懸跨陡坎達13米。這近4層樓的水深跨越幅度，給工程設計、船舶裝備能力及海上安裝技術等都帶來嚴峻挑戰(zhàn)。

為了更精準地規(guī)劃海管路徑，二期項目副經(jīng)理賈魯生帶領海管結構設計團隊首次利用勘探設計一體化等技術，構建起精細的三維海床模型，深入研究海底管道跨越陡坎邊坡的穩(wěn)定性問題。

通過大量計算分析，設計團隊在部分管段設置VIV渦激振動抑制裝置，延長管道的疲勞壽命，確保管道在復雜地形長期穩(wěn)定運行。簡而言之，就是給管道穿上了一層“防護鎧甲”。

二期項目團隊還自主研發(fā)了國內(nèi)首套大管徑大壁厚海管全自動焊接裝備工藝，實現(xiàn)10余項技術突破；首次成功應用國內(nèi)深水大口徑厚壁無縫鋼管，創(chuàng)造了單日2.65千米的20英寸深水海管鋪設速度紀錄；解決了超長超高懸跨等一系列世界級海底管道工程技術難題。

建成全球首套、千米級深水自動發(fā)球管匯

作為海上油氣田的“主動脈”，海底管線在保障海洋油氣平穩(wěn)輸送的過程中，有可能出現(xiàn)“血栓”阻塞或“斑塊”腐蝕等問題。而發(fā)球管匯集海洋油氣“樞紐站”和 “血管疏通器”等功能為一體，能夠遠程控制實施深水海管清管作業(yè)，是深水油氣田開發(fā)的核心裝備之一。

雖然“深海一號”二期項目的外輸海管口徑大到足以容納一名成年人在其中爬行，但由于長期在低溫高壓環(huán)境下運行，依舊非常容易出現(xiàn)水合物和石蠟沉積的情況，進而影響管道輸送效率和生產(chǎn)系統(tǒng)運行安全。

為保證海管的安全暢通，必須定期開展“通球”清管作業(yè)，清理海管在運行過程中產(chǎn)生的沉積物和積液，同時查看管線內(nèi)部情況。

然而，在千米深的海底完成清管球發(fā)球作業(yè)難度大，且動用深水工程船施工作業(yè)費用極高。對此，中國海油研究總院項目團隊經(jīng)過無數(shù)次的模擬試驗，完成了全球首個水下發(fā)球管匯總體設計方案和亞洲首套千米水深級水下自動清管裝置基本設計方案。

按照設計方案，二期項目發(fā)球管匯搭載水下控制模塊、液壓控制閥門等關鍵控制和監(jiān)測設備，在發(fā)球裝置中預埋6枚清管球，可根據(jù)遠程指令在海底“悄無聲息”地完成清管球發(fā)射入管和清管的全部操作。

這項技術不僅降低了海管清管對海上作業(yè)的依賴，清理效率提升50%，還減少了巨額投入，每年可節(jié)省操作費約5000萬元。

另外，二期項目高壓井如果采用常規(guī)全壓設計，將導致水下管匯及115.5千米長輸管線的設計壓力和重量提高、安裝難度增大以及投資成本增加。

對此，項目水下技術團隊提出利用深水高完整性壓力保護系統(tǒng)（HIPPS）建立首個水下降壓設計模式。

基于HIPPS對突發(fā)超壓工況的風險識別靈敏度和水下運行安全性要求更高的特征，技術團隊就深水HIPPS全生命周期工藝設計、加強段計算、總體布局設計和安全完整性等級（SIL）分析一體化設計開展攻關工作，形成了國內(nèi)首套深水HIPPS設計技術體系，為高壓井降壓運行、降低生產(chǎn)管匯重量和海管壁厚提供了安全保障，有效降低了項目投資。

項目團隊還自主研發(fā)了28種焊接新工藝，形成了7項世界首創(chuàng)技術；攻克了深水智能控制、自動發(fā)球等多項難題，系統(tǒng)掌握了深水發(fā)球管匯自主設計、制造、測試和工程應用成套關鍵技術；建成了全球首套千米級深水自動發(fā)球管匯等關鍵設施，填補了多項國內(nèi)技術空白。

實現(xiàn)超深水油氣田自主、高效開發(fā)新跨越

生產(chǎn)一線始終是科研工作的出發(fā)點和落腳點。

中海油研究總院長期致力于打造“前期研究-基本設計-產(chǎn)能建設技術支持-開發(fā)項目后評估”的開發(fā)生產(chǎn)技術閉環(huán)，從2014年開始，聯(lián)合“深海一號”百余家建設單位組建了5000余人的技術攻關團隊，聚焦多種技術難題，全面啟動“深海一號”超深水大氣田開發(fā)工程設計研究。

自2023年初二期項目開工建設以來，中國海油研究總院派遣了多位技術專家和流動安全專業(yè)技術人員深入一線，全程為現(xiàn)場決策及施工提供技術支持，有力保障了項目按期投產(chǎn)。

“從20米到千米深水，27年的攻堅實踐，加上‘深海一號’項目中積累的寶貴經(jīng)驗，我有足夠的信心為二期按期投產(chǎn)站好每一班崗”，“深海一號”的海上“巾幗指揮官”侯靜，再次肩負起二期項目的重擔，帶領項目團隊每天活躍在建造施工現(xiàn)場。

今年9月初，是“深海一號”二期項目準備投產(chǎn)的關鍵時期。然而，突如其來的第11號臺風“摩羯”迫使海上施工人員緊急撤離，導致20英寸海管的排水干燥作業(yè)被迫中斷，后續(xù)工期本就緊張的海管預調(diào)試工作也不得不向后推遲。

在這爭分奪秒的關鍵時刻，海管工藝工程師朱振宇積極與現(xiàn)場操作人員溝通交流，迅速構思論證一系列應急措施。

“我們立即籌備平臺反充天然氣的應急方案，這一舉措大幅縮短了現(xiàn)場充壓時間，為氣田按期投產(chǎn)爭取到了寶貴時間”，朱振宇回憶道。

為了保障水下設備設計、建造、安裝、調(diào)試總體進度按照既定時間節(jié)點推進，水下儀控資深工程師尹豐在詳細設計伊始便主動請纓加入工程項目組，全程開展技術支持工作，每天都“泡”在工程現(xiàn)場。

臺風“摩羯”肆虐過后，尹豐帶領團隊克服前置條件不足和工期緊張等雙重挑戰(zhàn)，連續(xù)奮戰(zhàn)40多個小時，高質(zhì)量地完成了二期項目所有通訊鏈路調(diào)試工作。

今年9月底，隨著二期項目全面投產(chǎn)，“深海一號”整體的天然氣年產(chǎn)量預計將增長到45億立方米以上，相當于海南省2023年天然氣消耗總量的1.67倍。

隨著“深海一號”一期、二期等一批深水油氣田建成，我國水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)已完成了從簡單到復雜、從淺水到超深水、從全部依靠進口到大范圍國產(chǎn)化的跨越，創(chuàng)新的開發(fā)模式和技術成果也為未來深水油氣田的高效開發(fā)奠定了更為堅實的技術基礎。

編輯/車玉龍 統(tǒng)籌/溫季煜