我國是油氣資源消耗大國，2019年石油對外依存度超過70%，天然氣對外依存度超過45%。我國油氣對外依存度持續(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“奮進號”“海洋石油201”為代表的五型六船深水作業(yè)船隊，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。但應該看到，我國在深水油氣田開發(fā)工程技術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)設施300多艘，國內(nèi)在役的僅有13艘浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置和1艘半潛式平臺。以上數(shù)據(jù)表明無論在深水油氣田開發(fā)工程技術還是裝備方面，我國均與國外領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)波和臺風)、復雜的海底地形和工程地質(zhì)條件(大高差)、離岸距離遠(遠距離控制和供電)、復雜的油氣藏特性(高溫、高壓)、高壓和低溫的深水環(huán)境、海上突發(fā)事故的應急救援以及南海中南部油氣開發(fā)遠程補給問題等，均需要通過系統(tǒng)而深入的技術研究逐一解決。

為了縮小與國外的技術差距，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， 啟動了國家科技重大專項“海洋深水油氣田開發(fā)工程技術”項目。項目分為3期，共涉及7個方向：深水鉆完井工程技術、深水平臺工程技術、水下生產(chǎn)技術、深水流動安全保障技術、深水海底管道和立管技術、大型 FLNG/FDPSO 關鍵技術以及深水半潛式起重鋪管船及配套工程技術。在“十一五”期間，主要開展了深水鉆完井、深水浮式平臺、水下生產(chǎn)系統(tǒng)、深水流動安全保障、深水海底管道和立管等深水工程核心技術的攻關，建立了深水工程相關的實驗手段，并具備了深水油氣田開發(fā)工程總體方案設計和概念設計的能力。在“十二五”期間，持續(xù)開展了深水工程核心技術的攻關，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)等關鍵設備和保溫輸送軟管、濕式保溫管、國產(chǎn) PVDF(復合聚氨酯)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)工程基本設計能力。在“十三五”期間，完成了深水油氣田開發(fā)工程應用技術的攻關，深化了關鍵設備和產(chǎn)品的國產(chǎn)化研發(fā)，建立了深水油氣田開發(fā)工程技術體系，基本實現(xiàn)了深水工程關鍵技術的體系化、設計技術的標準化、關鍵設備和產(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“海洋深水油氣田開發(fā)工程技術”項目歷經(jīng)3個“五年計劃”攻關取得的研究進展，重點介紹深水油氣田開發(fā)工程設計技術體系、深水工程實驗系統(tǒng)、深水工程關鍵設備及產(chǎn)品、深水工程監(jiān)測系統(tǒng)等4方面的研究進展，并對我國海洋深水油氣田開發(fā)工程技術的未來研究方向提出了建議。

1 深水油氣田開發(fā)工程設計技術體系

從2008年開始，“海洋深水油氣田開發(fā)工程技術”項目以突破1500m深水油氣田開發(fā)工程關鍵技術，構建深水油氣田開發(fā)工程設計技術體系為目標，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)、深水流動安全、深水海管及立管等系列化和一體化的設計技術體系(圖1)，形成了包括南海內(nèi)波流場數(shù)學模型等10余種理論模型、柔性立管設計方法等20余種設計方法;形成了包括浮式生產(chǎn)系統(tǒng)、張力腿平臺、深水立管和流動安全保障等10余套設計標準和指南;自主開發(fā)了近40套涵蓋深水鉆完井、深水浮式平臺、水下生產(chǎn)系統(tǒng)、深水流動安全以及深水海管和立管等專業(yè)的設計軟件。相關技術成果已成功應用于荔灣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計中，有效支持了南海深水油氣田的開發(fā)工程項目，使我國初步具備了1500m深水油氣田開發(fā)工程技術能力，實現(xiàn)了我國海洋工程技術從300m到1500m的跨越式發(fā)展。項目構建的深水油氣田開發(fā)工程設計技術體系已應用于我國南海20余口井、10余個油氣田以及海外5個油氣田方案研究及設計中。

2 深水工程實驗技術及實驗體系

通過3個“五年計劃”的攻關，突破了深水工程實驗技術，構建了4大類共16項深水工程實驗系統(tǒng)，形成了國內(nèi)深水工程實驗技術及實驗體系(表1)，為深水工程技術研究、設計、設備及產(chǎn)品研發(fā)等提供了實驗手段。本章對典型的實驗裝置和相關技術做簡要介紹。

2.1 浮式生產(chǎn)裝置水動力性能實驗裝置及技術

開展了SPAR、TLP、SEMI、深水不倒翁平臺、FLNG、FDPSO等浮式生產(chǎn)裝置的深水水池試驗(圖2)，掌握了深水生產(chǎn)裝置水動力性能實驗模擬技術，建立了一套各類型浮式生產(chǎn)裝置水動力性能試驗、渦激運動試驗和內(nèi)波與浮式平臺相互作用的實驗方法，形成了各類型浮式生產(chǎn)裝置水動力性能實驗指南，驗證了SPAR、SEMI、TLP、FLNG、FDPSO和深水不倒翁等新型浮式平臺的設計方案。

2.2 水下生產(chǎn)系統(tǒng)測試及試驗系統(tǒng)

水下生產(chǎn)系統(tǒng)測試及試驗系統(tǒng)主要用于測試和驗證自主研制的水下關鍵設備過程質(zhì)量檢驗、 性能鑒定測試、工廠驗收測試、集成測試，檢測其功能、質(zhì)量和性能指標等是否符合相關標準的要求。主要包括：水下閥門及執(zhí)行機構專用試驗系統(tǒng)、水下控制模塊SCM測試平臺、水下多相流量計壓力測試系統(tǒng)、水下連接器和安裝工具工程樣機測試系統(tǒng)等。

建成了國內(nèi)首套完整的水下閥門及執(zhí)行機構的專用測試系統(tǒng)，并完成了相關產(chǎn)品測試。該系統(tǒng)主要包括ROV模擬液壓馬達深水測試連接工裝、高低溫負載循環(huán)試驗裝置、深海高壓艙負載循環(huán)試驗裝置、閥門推力及扭矩測試裝置等，具體技術參數(shù)指標見表2，部分試驗系統(tǒng)見圖3。

2.3 FLNG液化工藝試驗系統(tǒng)

自主研發(fā)了適用于南海目標深水氣田FLNG裝置的丙烷預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)。該中試裝置可實現(xiàn)丙烷預冷雙氮膨脹液化工藝、丙烷預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)的獨立測試。通過實驗驗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性，液化率高于85%、能耗低于0.45(kW·h)/m3，裝置自動化程度高、快速啟動和停止性能強，具有海洋環(huán)境適應性好、抗晃蕩性能優(yōu)等優(yōu)點。

2.4 深水海管和立管實驗系統(tǒng)

突破了深水立管渦激振動試驗模擬技術，成功研制出了可模擬最大相對流速為4.5m/s的均勻來流和剪切來流的深水立管渦激振動試驗裝置(圖5)，為深水立管設計提供了實驗模擬手段。

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，本項目突破了深水海底管道屈曲模擬關鍵技術，成功研制出可模擬4300m水深壓力環(huán)境下的大管徑、實尺度深水海底管道屈曲試驗裝置(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，為深水海底管道設計提供了實驗模擬手段。

3 深水工程關鍵設備及產(chǎn)品

3.1 自主研制的水下關鍵設備已部分實現(xiàn)工程應用

自主研制的3大類共18套深水工程關鍵設備(表3)，打破了國外的技術封鎖和壟斷，部分實現(xiàn)了國產(chǎn)化應用。

3.1.1 深水鉆完井關鍵機具和設備

研制的深水鉆完井關鍵機具和設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施深水水下井口系統(tǒng)的切割回收：即在實施永久棄井前，必須清除泥線以上的構筑物，應將水下井口系統(tǒng)從泥線以下4m左右進行切割，并從海底清理回收到平臺上。其主要技術參數(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，有效控制當量循環(huán)密度，減少井下復雜情況，提高鉆井效率。連續(xù)循環(huán)鉆大位移井實際效果：完鉆井深5000～7000m，當量循環(huán)密度波動壓力2.4%～4.5%(非連續(xù)循環(huán)鉆井波動壓力大于6.3%)，巖屑運移效率>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)泵壓和旋轉扭矩均小于設計值，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口井進行了海上現(xiàn)場試驗和工程應用，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)降低了當量循環(huán)密度波動壓力，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)場應用。

3.1.2 水下關鍵設備

1)水下閥門及配套執(zhí)行機構

國內(nèi)首次完成了深水大口徑、高壓力等級、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)品的測試，并通過了國際權威第三方DNV認證，各項技術指標達到國際同等產(chǎn)品水平，即將進行海試。技術指標參數(shù)：參考標準：API 17D、API 6A、API 6DSS;設計水深：1500m;壓力等級：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)行機構液壓控制壓力：34.47MPa;ROV操作要求符合ISO13628-8 4級。

2)水下控制模塊

國內(nèi)首次完成了深水高壓力等級、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試系統(tǒng)，各項技術指標達到國際同等產(chǎn)品水平。SCM(水下控制模塊)正在開展DNV第三方認證，即將進行海試。技術指標參數(shù)：設計標準API 17F ;SEM(水下電子裝置模塊)冗余配置;設計水深：1500m。

3)水下多相流量計

國內(nèi)首次完成了深水緊湊式、高壓力等級、關鍵部件可更換式國產(chǎn)化水下多相流量計產(chǎn)品研制(圖7c)。已通過國際權威第三方DNV認證，各項技術指標達到國際同等產(chǎn)品水平。技術指標如下：設計標準API 17S;設計水深：1500m;設計壓力：34.47MPa。水下多相流量計已在流花16-2油田和流花29-2氣田項目實現(xiàn)了工程應用。

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，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)、壓力補償系統(tǒng)、閥門密封、控制及溫壓監(jiān)測系統(tǒng)、取樣系統(tǒng)。該取心工具分別在“奮斗5號”和“海洋石油708”勘察船進行了海上取樣試驗，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)首次成功實施了海洋淺層非成巖水合物固態(tài)流化試采作業(yè)并點火成功。技術指標參數(shù)：單次取心長度≥1m;4小時內(nèi)，巖心保持壓力不低于原始壓力的70%，溫度不高于原始溫度10℃。

3.2 自主研制的水下關鍵產(chǎn)品已部分實現(xiàn)工程應用

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

5 結論及建議

由于我國在深水油氣田開發(fā)工程技術方面研發(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)工程技術還是在深水工程裝備方面，我國與國外先進水平相比仍存在較大差距。同時，中國南海還面臨與國外其他海域不同的環(huán)境條件和技術挑戰(zhàn)。因此，我國深水油氣田開發(fā)工程裝備和技術的研發(fā)仍然任重道遠，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、 研、用協(xié)同攻關的模式，大力提升原始創(chuàng)新能力，進一步突破尚未攻克的深水工程關鍵技術和產(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點建議：1)加強深水工程卡脖子裝備和技術的基礎研究。我國在深水油氣田開發(fā)工程技術和裝備領域落后國外10～15年，根本原因在于基礎研究比較薄弱，必須加強基礎理論、實驗模擬方法、工程設計軟件等方面的科研攻關。

2)大力提升深水工程裝備和技術自主創(chuàng)新能力。重點開展：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)、深水動態(tài)臍帶纜、全電水下設備、高效水下油氣處理、濕氣增壓設備等)，深水浮式平臺(深水單點系泊系統(tǒng)、浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置、新型深水浮式生產(chǎn)平臺等)等方面的研究突破。

3)加快推進核心零部件及高端材料的自主研發(fā)。重點開展高精度的監(jiān)/檢測傳感器和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、高可靠性的執(zhí)行機構、大型軸承和滑環(huán)堆棧、深水立管柔性接頭/張緊器等關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。重點開展深水工程核心裝備、關鍵設備、關鍵產(chǎn)品的現(xiàn)場測試、第三方認證和檢驗，提高裝配及產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。

5)推動深海裝備、設備及油氣田數(shù)字化、智能化發(fā)展。重點開展：智能化鉆井裝置、海底鉆機、海洋無鉆機鉆井裝備，數(shù)字化、智能化浮式生產(chǎn)平臺， 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)及油氣處理設施，海洋工程裝備智能制造工廠等方面的研究。