边际油田开发新型平台及水下储油研究

周宝勇，余建星，杜尊峰，张中华，许华力

(1.天津大学港口与海洋工程教育部、天津市重点实验室，天津300072；2.国家海洋技术中心，天津 300112)

边际油田开发新型平台及水下储油研究

周宝勇1，余建星1，杜尊峰1，张中华2，许华力1

(1.天津大学港口与海洋工程教育部、天津市重点实验室，天津300072；2.国家海洋技术中心，天津 300112)

针对渤海海域众多浅水无依托边际油田开发存在的投入成本过高问题，通过技术论证提出新型移动式多功能简易海洋平台概念方案，并对水下沉垫储油的油气置换工艺进行了设计与优化，采用内部收益率、盈亏平衡分析与敏感性分析相结合的方法分析边际油田开发的经济效益与风险承受能力。成功将新型平台概念运用到BZ3-2边际油田项目开发中，并与歧口、涠洲及番禺油田项目的经济效益相比较，结果显示新型平台具有很好的应用前景。

边际油田；新型平台；盈亏平衡分析；油气置换

引言

虽然我国石油储量居世界第八，但发现海上大型整装油田可能性越来越小，仅渤海湾地区已探明尚未动用的小油田就有近50个，总地质储量达4.3亿t[1]。这些油气田绝大多数正是所谓的边际中小油田，主要集中在我国渤海海域。上述边际油田依托条件差，储量小、丰度低、产量不大，油田生产年限较短，环境条件各异[2]。由此直接导致常规的油田开发方式效益不高，甚至没有效益[3]，这是目前我国能源发展战略亟需解决的难题。

当前，国内外边际油田的开发模式包括平台群开发和“蜜蜂式”开发。平台群开发方式[4]多用于依托条件好的边际油田，国内也称为“三一模式”，通过依托已开发油田生产设施，实现经济型开发。平台群开发方式应用实例很多[5]，相对成熟，如绥中36-1、锦州20-2、旅大10-1/5-2/4-2项目。“蜜蜂式”开发模式主要适用于无依托的封闭式边际油田，距离已有工程都较远。其开发方式就像蜜蜂采蜜一样，采完一个小油田就转移到另外一个小油田，使得一套开发设施的投资从多个油田中得到回收，从而降低边际油田的开发投资。

“蜜蜂式”开发的方案主要有两种：简易井口平台+小型FPSO+系泊系统+穿梭油轮；移动式多功能平台+穿梭油轮。但小型FPSO[6]干舷普遍较小，恶劣海况下的油气分离效果差，且不宜在冰区作业，而传统移动式多功能平台的造价太高，不适合边际油田的开发。因此，迫切需要对“蜜蜂式”开发方式进行研究，实现这种能够有效降低投资费用、提高经济效益的开发方式。

通过技术论证探讨对浅水无依托边际油田的开发进行研究，提出新型移动式多功能简易海洋平台概念方案，并对其水下储油工艺进行详细设计与优化，最大限度的降低投资成本、提高经济效益，解决目前边际油田开发面临的最大问题。

1 新型平台技术论证

由于边际油田开发时间相对较短，约为3～5 a时间，为此把寿命设计引入到平台设计中，使平台的使用寿命与边际油气田的开发年限相适应，最大限度的进行平台的重复利用。因此具备移动式功能将是新型平台的首选。小型FPSO的特点注定其不适合在我国渤海海域进行推广，为此选择自升式平台作为油气处理设施载体。

但传统自升式生产储油装置储油量所限，这主要是储油舱容积不可能制作太大，且升降装置能力也不能无限加大；另外自升式平台的甲板面积有限，一般长宽尺度多为50 m×40 m，或者稍再大一些。进一步加大甲板面积、扩大储油舱容积与提高升降能力等做法不是没有可能性，而是不经济，也失去了边际油田开发的意义。因此，在自升式生产储油平台上引入水下储油概念[7]，以解决传统自升式生产储油装置面临的问题。

因此采用自升式集合水下储油概念作为新型移动式多功能简易海洋平台概念方案的出发点，对其进行功能的完善和结构简化，达到集“自采自储自输”和“自拖航自安装自浮起”为一体，并最大限度的降低投资成本，新型平台结构如图1所示。

图1 移动式多功能简易海洋平台结构图

新型移动式多功能简易海洋平台的总体性能如下：

（1）多功能：平台可以直接作为井口+生产平台，用于一般的采油作业；也可以用作早期开发或延长测试。

（2）移动性：依靠沉垫和船体的浮力，加设辅助措施便可完成起拔作业，并可采取整体拖航方案，降低拖航成本，可在多个油田进行采油作业，重复利用性强。

（3）自储油：引入水下沉垫储油技术。沉垫内设有储油舱，具备1 500 m3的储油能力，增强了平台的储油功能；采用沉垫储油，较水上储油具有明显的优越性，可减少平台的负荷并减小桩腿的尺寸，且存在较高的安全性。同时沉垫适用于软土地基，提高承载力和抗倾稳定性；

（4）自安装自升降：采用拖轮进行整体自浮拖航，不需要起重船等设施便可完成安装作业，降低安装成本。平台设置液压式升降装置，可适用于多个不同水深的油田。

（5）采用自升降主动抗冰减震装置[8]。这种抗冰装置不但可以自适应潮差变化，最大限度减小冰激振动而且还通过释放变形能起到辅助破冰、降低冰排的堆积与爬坡现象的作用，有效地保护冰区海域海洋工程结构物。

（6）采用吸力式防滑桩，不但提高平台整体结构的抗滑性，另外防滑桩具有可重复利用性，较好地控制了投资成本。

新型平台降低投入成本的控制措施如下：

（1）在简化流程的基础上，将总体和工艺的简化技术与标准化功能模块技术相结合，对工艺进行优化设计，设计出既符合油田生产需要，又使工艺流程最简化、设备轻型化、一体化与撬装化，达到经济效益最大化。

（2）针对平台结构开展结构系统可靠性分析与优化，考虑极限荷载作用下、动力荷载作用下及结构的疲劳等因素的失效，对平台做基于可靠性约束下总体造价的优化计算，最大限度的降低投资成本。

（3）针对我国高凝原油特点，引入油气置换工艺以克服油水置换过程中油水界面如何保持稳定，置换过程中的热量损失等问题。并对水下沉垫储油的油气置换工艺进行了设计与优化。

在保证功能完备前提下，设计出的新型概念平台方案的结构虽比传统的简易平台稍复杂，但又比传统多功能平台简单得多。该平台能够广泛应用于渤海海域无依托浅水边际油田，并能实现使用一个平台对多个油田进行开发的采油模式，从而使平台投资由多个油田分摊，最大化地降低小油田的开发成本，为我国边际油田“蜜蜂式”开发方式提供了强有力的技术支撑，具有很高的推广应用前景。

2 水下沉垫储油研究

边际油田的开发面临的最主要问题还是成本效益之间的矛盾，在确定平台结构形式并保证功能完备的前提下，通过上节提出的措施来最大限度地控制和降低投资成本。但由于篇幅有限，在此仅对新型平台的水下沉垫储油工艺进行详细的设计和优化。

水下沉垫储油的工作原理：油气处理设施布置于自升式平台的主甲板之上，将经处理合格原油输送至沉垫中存储，同时主甲板上的热站通过管系向沉垫中的原油加温，使原油保持一定温度，在原油存储一定量后，将其泵出输送给穿梭油轮，实现原油外运。

水下储油一般可采用油气置换或油水置换工艺，但我国石油资源主要属高凝原油，而油水置换过程中还有很多问题需进一步研究，如油水界面如何保持稳定等，不适合应用于新型平台。因此采用油气置换，并对水下油气置换工艺的流程进行详细设计和优化，以降低投入成本，提高竞争力，详细流程见步骤（1）～（4）。

2.1 初始状态

沉垫就位完成后，压载舱内装满压载水，油舱内为空气，在投入生产前，采用“等压置换法”将油舱内的空气全部置换为氮气，以降低投资成本。

2.2 进油过程

进油过程如图2所示。具体说明如下：

1）原油进入沉垫储油罐：原油通过生产立管进入三相分离器，分离完成后进入原油沉降舱，再通过进油管①进入沉垫储油舱。当原油液面距沉垫底面达到一定高度时，即储油舱内油量达到外循环加热所需最小油量时，开始进行外循环加热。

2）外循环加热：启动原油提升泵，部分原油经油管②和④进入换热器进行加热，加热完成后经油管⑤回输至沉垫储油舱。随着储油舱内油量不断的增加，按照这样的循环过程不断进行加热，循环油量约为每小时300 m3，以保持原油温度。此过程中，外输油管③上的阀门关闭。

3）排出氮气（进油的同时进行排气）：储油舱内氮气经排气管⑦排入大气。需要注意，在输入原油的同时，应启动压载泵，排出沉垫压载舱中与注入原油等重量的压载水。

2.3 出油过程

出油过程如图2所示，具体说明如下：

当进行外输时，打开外输油管③上的阀门。在外输过程中，同时进行以下三个流程：

1）原油外输：原油提升泵将原油经油管②、③进行外输。当沉垫储油舱内原油液面高度到达压载舱高时，关闭原油提升泵和外输油管③上的阀门，停止外输。

图2 沉垫储油舱进出油过程示意图

2）外循环加热：启动原油提升泵将部分原油经油管②、④进入换热器进行加热，加热完成后经油管⑤回输至沉垫储油舱。随着外输的进行，沉垫储油舱内油量不断减少，当原油液面高度低于外循环加热所需最小油量高度时，关闭油管④上的阀门，停止外循环加热。

3）充入氮气（外输的同时进行充气）：制氮间产生的氮气经进气管⑥进入沉垫储油舱。充气过程中关闭排气管⑦上的阀门，并随时监测氮气浓度，当外输完成后，监测氮气浓度达到要求时，停止充入氮气。

2.4 排空状态

沉垫储油舱排空状态如图3所示，储油舱底部留有压载舱高的原油，即在桩腿所在四个油舱的底部留有压载舱高的原油，油舱其余部分充满氮气。原油排出过程中，应启动压载泵，向沉垫压载舱内注入与排出原油等重量的压载水。

随着生产的进行，按照2.1～2.4的步骤不断重复沉垫储油舱储油、外输的过程。

图3 沉垫储油舱排空状态示意图

3 经济评价与风险评估

海洋石油的开发需要相当大的初始投资，各种平台的建造和安装费用是很高的。以固定式平台为例，其造价高达上亿美元，投资费用是海上油田开发费用的主要部分，是影响海上油田开发经济性的重要指标。尤其是对边际油田来说，投资费用是制约油田开发的关键因素，准确评价整个油田开发项目的经济指标与风险性就显得尤为重要。

在考虑资金的时间价值下，将净现值法和内部收益率法相结合，对这两方面综合考虑，科学考察边际油田开发项目的经济性。采用敏感性分析和动态盈亏平衡分析相结合的方法，分析其风险问题。

单因素敏感性分析[9]的步骤与内容如下：

1)选择需要分析的不确定因素，设定其变动范围；

2)确定分析指标；

3)计算方案的经济效果指标变动结果；

4)确定敏感因素，对方案的风险情况做出判断。

动态盈亏平衡[10]需要考虑资金的时间价值，寻找项目的平衡点。为了计算方便，我们做简化处理，根据实际情况，项目的操作费相差不大，可以用理想的平均操作费代替。则动态平衡方程：

式中：qmax为油田最大年产量；C为平均操作费；ηt=qt/qmax；P为石油价格；I为油田开发投资，包括总投资和平台安装费；t为时间；i为利率；B为税金，包括增值税和所得税，增值税按5%实物缴纳，所得税按累计正值利润的30%缴纳。

4 算例

以BZ3-2边际小油田为例，油田的环境条件如下：水深40 m；设计风速36 m/s；设计波高6.1 m，周期8.5 s；流速表层1.23 m/s，中层 1.10 m/s，底层 0.83 m/s；50 a 一遇平整海冰厚度为35 cm，最大重叠冰厚度为60 cm。

将移动式多功能简易海洋平台概念引入BZ3-2油田项目开发中，平台的主要技术指标如下：平台型式：沉垫自升式。平台主尺度：42 m×30 m×5.0 m。沉垫主尺度：42 m×38 m×3.5 m，中部设10 m×10 m翻泥孔。桩腿（四根）：φ2.0 m×65 m，圆柱壳体型结构。排水量：空船4 900 t，自浮拖航6 750 t，正常工况7 250 t，自存工况8 750 t。产量：5.0万m3/a，150 m3/d。 井口数：4～6 口。 设计寿命：25 a。

平台的投资估算依据[11]包括：开发项目的各工程量；海上油气田开发工程项目投资估算、概算编制指南；合作油气田对外费用编制指导价格；BZ25-1南油田总体开发方案。

以总投资、原油价格（原油产量）和操作费为敏感因素，敏感性分析结果见表1，经济指标见表2。将BZ3-2油田的经济指标与其它已开发的边际油田经济指标进行对比，包括歧口17-2、涠洲12-1、番禺5-1，结果如表2所示。另外将新型平台概念运用到该三个项目中，结果如表3所示。

表1 敏感性分析结果表(万元)

由表1分析可得，原油价格和产量对本油田的经济性影响最大，是最敏感因素，其次是开发投资，最小的是操作费。而且，原油价格和产量的不确定性很大，风险比较高，因此应该对它们的变化给予充分关注。但从分析中又可以看出，在变化范围内，油田都有一定的经济效益。这说明采用新型平台开发方案，油田的经济性较好，风险较小。

项目平衡点为 C=8 325.375万元，qmax=6.986万 m3，p=43.214美元/桶。 根据表2结果显示，项目的平均操作费为2 834.36万元，油田预计年产量最高9.7万m3，初步选取的石油价格为60美元/桶。与相应的平衡点相比较，差距都比较大，说明该边际油田开发风险性小，油田的经济效益比较好。同时分析数据可得，油田产量和石油价格的平衡点与原数据相差相对较小，说明它们对风险的影响相对比较大，而且它们在油田开发中的不确定性发生概率比较大，在风险评估中应充分考虑其变化。

表2 与已开发边际油田的经济效益对比表

表3 将新型平台概念运用到已开发项目的结果表

由表2可以看出，BZ3-2油田的经济效益是最好的，以内部收益率为标准，采用的移动式多功能平台技术明显要高于已开发边际油田效益。从表3中可以看出，将新型概念平台运用到三个已开发项目中，都在不同程度上提高了该项目的经济效益。证明了新型平台即移动式多功能简易海洋平台技术最大限度地降低了平台初始投资，为油田创造了很大的利润空间，从而使原本盈利性很低或濒临亏损的边际油田的开采变得有利可图。

5 结论

在总结国内外相关技术的基础上，通过技术论证探讨提出了移动式多功能简易海洋平台概念方案。这种新型概念平台特色鲜明：集“自采自储自输”和“自拖航自安装自浮起”为一体，虽形式相对简单，但功能较为完备。将寿命设计引入到轻型平台设计中，使平台的使用寿命与边际油气田的开发年限相适应，从而克服一般边际油气田开采期短的缺点，最大限度的进行平台重复利用，并对水下沉垫储油油气置换工艺流程进行了详细设计和优化，很好地控制了边际油气田开采的成本投入。采用内部收益率、盈亏平衡分析与敏感性分析相结合等手段分析边际油田开发的经济性及风险承受能力，通过与已开发边际油田经济效益的对比结果可知，移动式多功能简易海洋平台能够降低投资成本，提高经济收益，具有很好的应用前景。

[1] 俞学礼.渤海边际油田开发综合研究[J].中国海上油气，1998，10（2）：4-12．

[2]杨致政，张瀛，胡启国.近海边际油田勘探开发中若干关键问题探讨[J].特种油气藏，2005，12（5）：5-13．

[3]孙宝江，李昊，曹式敬，等.近海边际油田开发项目风险评估技术研究[J].中国造船，2005，46(special):526-528．

[4]刘震.海上边际油田群综合开发策略研究[J].中国造船，2003，44(special):57-64.

[5]方华灿.我国海上边际油田采油平台选型浅谈[J].石油矿场机械，2005，34（1）:24-26．

[6]范模.八角形FPSO关键技术与应用[J].中国造船，2007，48(special):214-220．

[7]Anon.Mobile production unit with storage[J].World Oil,2005，226（4）:134-135．

[8]余建星，杜尊峰，张中华，等.一种自升降主动抗冰减震装置[P]：中国，200810052053.2，2008．

[9]余建星，杜杰.工程经济[M].北京：中国建筑工业出版社，2004．

[10]余建星.工程风险评估与控制[M].北京：中国建筑工业出版社，2009．

[11]国家发展改革委、建设部.建设项目经济评价方法与参数[S].北京：中国计划出版社，2006．

Research on New Platform and Underwater Oil Storage for Marginal Oil Field Development

ZHOU Bao-yong1,YU Jian-xing1,DU Zun-feng1,ZHANG Zhong-hua2,XU Hua-li1
（1.Key Lab of Port and Ocean Engineering,Ministry of Education and Tianjin,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China）

To address the issues of the exorbitant cost problem of many independent shallow marginal oil field development in Bohai sea,the concept of mobile multi-function simple offshore platform was proposed through technical demonstration.The design and optimization of oil-gas replacement of underwater mat oil storage was applied and analysis of economic benefit and bearing ability of risk was established by using internal rate of return and sensitivity analysis combining the break-even analysis.The new platform has been used in the project development of BZ3-2,which is proved to be more effective and has greater application prospects compared to the economic benefit of Qikou,Weizhou and Panyu project.

marginal oil field;new platform;break-even analysis;oil-gas replacement

P75

A

1003-2029（2010）04-0071-05

2010-07-28

国家高技术研究发展计划（863）资助项目（2008AA09Z307）；国家科技重大专项资助项目 (2008ZX05026-005,2008ZX05026-006);上海交通大学海洋工程国家重点实验室研究基金资助项目。

周宝勇（1986－），男，博士研究生，主要研究大型工程结构物可靠性分析与优化、风险评估与控制等。余建星（1958－），男，教授，博士生导师，主要研究方向为大型工程结构可靠性分析与优化、风险评估与控制。