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4 国外海洋工程装备水下施工技术的进展与状况

海洋油气开发的水下施工技术，至今已经历了半个多世纪的发展。回顾20世纪50、60年代，海上油气开发主要在北美墨西哥湾和欧洲北海的较浅水域进行。虽说最早的海底油井1961年已在墨西哥湾得到应用（壳牌公司（Shell）），但海洋油气工程的水下施工仍以导管架安装、海底油气管道的铺设作业为主。受制于当时的制造能力和技术水平，水下施工作业主要通过常规空气潜水、混合气潜水或饱和潜水进行。为完成海底完井设备的水下安装，美国洛克希德公司（Lockheed Missiles & Space Co.）曾开发过一种可在400米水深用于海底完井及生产系统作业的工作舱（1969）。这是一套高3米，直径2.5米，重约150吨的载人压力容器，可载2－3名潜水人员。作业时，靠自身推进器的动力和定位装置找到海底井位，并与井口罩耦合；然后由潜水人员在作业舱内安装水下井口装置，连接出油管线并进行调试；作业完毕后，工作舱脱离井位返回工作船。^[7]

到1970、80年代，海洋工程作业中出现了近海平台及海底管道的水下检测、维修任务，作业以潜水员、单人常压铠装潜水服（ADS）（如JAM型、WASP型等）或无人遥控潜水器（ROV）为主。1973年前后，欧洲开始研究评估在北海油田水深超出潜水员作业能力的条件下，由无人遥控潜水器（ROV）操作和控制的深水海底管道维修系统。^[8] 同时还出现了能够实现远程遥控的海底管道铺设开沟机械、海底管道自动连接、焊接和安装系统等众多大型水下施工作业装备。这也是饱和潜水技术理论和应用最为活跃的时期。

20世纪80年代末至90年代，随着南美巴西、西非等深海油气资源的开发，出现了工作深度已大大突破人类所能承受生理极限的海底油气生产系统。埃索（Esso）等油气公司联合水下工程公司研发无需潜水员辅助作业的海底生产系统。^[9] 水下施工任务扩展到包括海底采油树、管汇中心、海底油气分离生产设施，以及海底管道、脐带电缆铺设等在内的水下安装、维护和修理作业。工作水深已从400-500米迅速向1000米、2000米的大深度，以及2500米至3500米的超深水发展。对于这些设施的水下作业，主要通过无人遥控潜水器（ROV）技术来完成。

20世纪末以来，海上油气开发的最大水深已达到3000多米，出现了各种置于海底的水下油气处理生产设施（包括：油气增压泵送、海底气液分离、原始海水注入及气体压缩系统等）。壳牌（Shell）、英国石油（BP）等大型海洋油气公司，纷纷研发应对在水深2000m及以深安装海底生产系统必要的重型水下设备的技术挑战。在挪威托迪斯（Tordis）油田实现了世界上第一套商业规模的海底分离设施（集成海底分离、增压及注水系统）的应用。在奥尔曼·兰格（Ormen Lange）气田出现了海底压缩系统的应用。该气田是挪威北海大陆架的第二大天然气田，位于水下800至1100米的海底，亦是迄今世上水深最大的天然气田。^[10]

21世纪初的最近10年多来，国外对于3000米水深的水下生产系统设计、建造、安装技术已经比较成熟。水下施工及海底检查、维修和保养（IRM）的作业任务，涵盖了所有的海底硬件设备系统。随着海底处理技术和油气传输距离越来越远离海岸，海底生产设施采用水下电∕液压控制的弊端渐现（比如：水下液压设备的故障率高、液压流体泄漏影响环境的风险、反应控制不及电气灵敏精确、在脐带中需设液压管路，以及开发成本高等），出现了更具优势的全电动控制海底设备。比如：法国道达尔公司（Total）在北海（荷兰区域）K5F油田安装的全电动井口装置，^[11] 挪威国家石油公司（Statoil）在达莉亚（Dalia）油田中采用的全电动海底采油树等。^[12]

在水下施工作业方面，目前世界领先的石油公司、作业公司已经形成了3000米的深水作业船队。海底油气生产的水下干预服务，主要由全球知名的水下工程企业通过特种船舶、无人遥控潜水器（ROV）来完成。这些企业（比如：法国Technip公司，意大利Saipem公司，美国McDemott公司和英国Subsea 7公司等），经历了长期的海洋油气资源开发实践，形成大量的技术专利和技术储备，以及丰富的海上工程实践经验，基本垄断了海洋工程装备运输与施工、水下生产系统安装和深水铺管作业任务，并在海洋工程实践中创下许多新的记录。比如全球最大知名水下工程企业——海底7公司（Subsea 7），在水深超过3000米的海底成功安装世界上最深的井口采油树；在超过2500米的水下，为巴西国家石油公司的“级联和奇努克海底开发”项目（C&C Subsea Development）完成世界上最深的海底管汇和增压泵站安装（2009年）等。

5 我国海洋工程装备水下施工技术现状与挑战

我国的海上石油勘探和开采始于20世纪60年代的渤海湾，50多年来在东海、南海水域的油气勘探和开采亦取得初步成效。尤其最近10多年来，国内新增石油产量的53％来自海上，到2010年该比例已接近80％。根据国家海洋油气开发的预期目标：2010-2015年形成深水勘探开发技术和能力，2020年将成为海洋油气开发大国。^[13]

目前我国海上油气勘探和开采主要集中在沿海大陆架区块。自1995年前后，在南海东部流花（LH11-1，310m）、陆丰（LF22-1，330m）、惠州（HZ32-5，115m）等油气田开发中开始应用水下生产系统，最大水深在330m左右。对于深水油气资源的开采，尤其在南海的大部分水域，采取“海底采油系统＋水下集输管线＋中央生产平台”，不失为一种经济有效的开发方式。据最新报道，在南海珠江口盆地，荔湾3-1气田将是我国采用水下生产系统开发的第一个真正意义上的深水油气田（水深约1350m～1500米）。^[14]-[16]

资料显示，在海洋油气工程装备及水下施工技术方面，虽说近几年来国内已着手海洋油气开发水下装备的研究，比如：水下井口、井控设备、防喷器组及控制系统等的研究和样机制造，但大多属于探索性或单项技术研发。国内至今还没有海上油气田水下生产系统配套设备供应商，亦缺乏专业全面、综合能力强的海洋油气装备和水下施工技术研究机构。海上油气开发工程主要由合资油田的外方作业商主导，海洋油气开发的水下生产系统、水下工程作业设备（如海底管道埋管开沟犁、无人遥控潜水器（ROV）、单人常压潜水系统（ADS）及金刚石线切割器等）几乎全部依赖于国外引进。

根据我国海洋油气工程装备及水下施工技术的现状，借鉴国际海上油气资源开发的工程实践经验，可以预见未来十年，将是我国海洋工程装备和水下施工技术及产业快速发展的关键时期，机遇与挑战并存。预期在今后的5～10年，我国将会在钻井隔水管、水下防喷器、水下井口采油树、水下管汇等单项技术上取得突破，并有望在10～20年内实现海洋水下装置的国产化。^[17]-[18] 海洋油气开发对水下施工技术的实际需求（挑战）将主要体现在两大方面：⑴海底勘探、生产系统设备安装的水下支持作业，⑵海底系统和设备运营的水下检测、维修及保养（IRM）作业。因此，从我国海油工程装备水下施工技术的角度，亟待加强和投入的重点领域在于：⑴兼顾水下安装、维护及遥控操作的海洋油气开发水下装备的研制；⑵水下起重和部署装备设施与技术工艺的研究（如水面部署施工船舶、水下吊装设备等）；⑶海上水下施工潜水作业技术装备及团队建设。

6 发展海洋工程装备水下施工技术的基本对策

1）国家政策层面

深海油气开发涉及到许多传统产业和新兴产业，分散发展难以形成技术优势。政府支持并引导创建区域“海洋工程及水下施工技术集群”（产业集群），促进国内分散的水下作业公司（服务商）与海洋油气公司（运营商）和设备制造公司（供应商）联合起来，围绕开发海底油气生产设备和水下施工技术服务，参与发展大型海洋服务和水下系统、作业装备的制造等，逐渐形成产业规模和优势。

在国际上，自20世纪90年代初迈克尔·波特发表《国家的竞争优势》（1990年）以来，各国日趋关注产业集群（Industrial Cluster）与经济成功之间的联系。通过区域集群，企业可以与客户、供应商、研究或教育机构，以及更广泛的商业社区形成有益的关系，从而提高公司绩效，增加业务率，形成知识创新并吸引外来投资。在美、英等西方国家，集群已经成为一种被广泛采用的区域发展战略。典型的成功案例有：英国阿伯丁的海洋工程、技术及服务集群，苏格兰近海风能产业集群，加拿大纽芬兰的海洋技术集群，挪威卑尔根的海底技术集群等。这些成功经验，值得我国在发展海洋工程装备及水下施工技术过程中参考和借鉴。

2）产业技术层面

研究国外深海油气开发工程经验，要实现大深度水下油气生产（包括钻探开发井和完井、水下设备和控制，以及海底回接浅水平台等），深潜水作业的技术支持（包括有人饱和潜水和无人遥控潜水器（ROV）潜水）是必不可少的前提条件。因此，在产业技术层面上，未来需要解决的重点问题应包括：

——水下开采、施工、检测、维修设备，比如：大型海洋平台吊机、水下生产设备和系统、水下设备安装及维护系统、海底铺管/铺缆设备等。其中，深水作业、长距离回接、水下分离及海水回注、远程无人遥控，以及全电动化等，都是需要解决的关键技术。

——水下作业辅助设备（比如：水下定位测量、水下安装导向、水下监控等系统），相关水下设备的辅助安装工具，深海工程装备水下施工的风险控制技术等。

——培养造就拥有一定的深水施工设备条件，且熟悉深水工程作业的水下安装施工专业技术队伍，研究制订相应的资质条件、培训要求、作业规范和安全标准，以及如何应对深海水下工程作业突发事件等问题。

参考文献

（略）

原文发表于：《上海市船舶与海洋工程学会2013年学术年会》，2013年9月17日，P7～13。