海上储油技术现状及水下无污染储油模式探讨

《装备制造技术》２０１１年第４期

我国已探明海洋油气储量主要是在近海海域，近海已经发现的一些边际小区块有待开发。这些小型区块如果采用管道集输、固定储罐平台或单井靠船生产方式，开发成本过高，为此提出了水下储油生产方式［１］，通过降低平台所受工作载荷及外部环境载荷，大幅降低边际油田油气集输环节成本。

水下储油需要克服水下储罐所受巨大浮力，主要有重力式平台水下储油和油水置换水下储油两种方式。重力式平台规模大，投资高，且储油量变化引起地基受力变化大，一般不适合边际油田采用。油水置换方式经济高效，但随之产生的污染问题及高凝原油保温问题，严重制约了油水置换技术的应用［２］。因此，急需探索无污染的水下储油模式，研发配套系统系统技术。

１国内外海上储油技术现状

１．１海上开发储油模式

目前在浅海油田开发中采用的储油装备，主要有带上部储罐的移动式试采平台或固定采油平台、间断性靠泊采油的储油轮、水下储油装置、浮式生产系统［３］。水面以上储罐使平台上部总质量大，平台结构、环境载荷及地基受力相应增大，难以采用大型储罐；储油轮生产受气象影响很大，其生产方式是间断性的；常规水下储油，一般采用油水置换，存在一定污染，目前应用较少。

深海油田开发主要采用浮式储油装置，典型的有浮式生产储油系统（ＦＰＳＯ）、半潜式生产平台、单柱式平台（ＳＰＡＲ）等［４］，其中浮式生产系统是目前应用最广泛的海上储油方式，其核心设施是单点系泊系统，国外垄断了该技术。ＦＰＳＯ储油量通常用于５万ｔ以上，但规模小则不经济，且受外部风浪、冰等影响很大。

１．２水下储油技术及发展

水下储油分为重力式储油和油水置换储油两种模式，一般采用油水置换工艺。利用油水重度差的原理，采用进油排水、进水排油的工艺流程。采用该工艺，由于罐体保持充满液体状况，还可省去常规储油方式所需的安全防爆系统装置［５］。

水下储油的缺点，是由于储罐长期浸泡于海水中，极易腐蚀，而且海上环境比较恶劣，常受风、浪、流和潮汐的影响，施工及维护管理条件较差。另外，如果罐体受风、浪、流的作用力较大，为了加强油罐的结构，仍将增加钢材的用量。不过，根据国外的实践经验表明，当海底油田离海岸较远时，采用水下油罐的储油方式，比用驳船或海底油管将采出的石油输往陆上油库，再经陆上油库外输的方式要经济得多［６］。

水下储罐多在岸上建造，然后拖运到预定罐位处充水下沉。

水下储油设施主要包括带环形底盘储罐、倒盘形储罐、双圆筒混凝土油罐、带防波墙的立式钢筋混凝土储罐、水下软体油罐等几种形式［７￣８］：

（１）带环形底盘的储罐。１９６７年首次建于墨西哥湾。储罐底部是环形底盘，也是储油容器的一部分，称为下部油罐。环形底盘上有３根斜支柱，用于支撑伸出海面的上部罐体。环形油罐靠开口沉箱固定于砂质海底。油罐搁置在水深约４０ｍ的海底，储油容积为３６５６ｍ３。

（２）倒盘形储罐。１９６９年首次建于波斯湾迪拜近海。储罐由内、外两罐组成。内罐呈瓶状，外罐下面圆筒体周边有混凝土凸缘，有锚栓穿过将储罐锚固于

海上储油技术现状及水下无污染储油模式探讨

初新杰１，２

（１．中国海洋大学，山东青岛２６６００３；２．胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东东营２５７０１７）

摘要：概括介绍了海上开发储油模式和水下储油技术发展现状，探讨了油水隔离置换水下无污染储油的几种模式，对近海边际油田的开发具有参考价值。

关键词：海上储油；水下储油；模式；无污染

中图分类号：ＴＥ８２３文献标识码：Ａ文章编号：１６７２－５４５Ｘ（２０１１）０４－０１４１－０３

收稿日期：２０１１－０１－１３

基金项目：国家８６３项目“水下储油防污染及保温关键技术研究”资助（２０１０ＡＡ０９Ｚ３０４）

作者简介：初新杰（１９６８—），男，山东东营人，，在读博士，高级工程师，主要从事海洋工程设计和试验研究。

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Equipment Manufactring Technology No.4，2011

海底；外罐圆筒体上面为球面壳体，与内罐下圆筒的上缘衔接。外罐底部开口。内外罐底缘用多根辐射状钢管连接，以增强储罐刚性。油罐露出海面的圆筒部分可用于系泊油轮，也可作建造海上操作平台的支柱。油罐搁置在水深约４９ｍ的海底，总容积为８万ｍ３。

（３）双圆筒混凝土水下油罐。油罐采用预应力钢筋混凝土建造，两卧式圆筒体有共同的分界壁，每个壳体又被一些横向壁板分隔成若干个舱室，以防油罐向海底下沉时罐内水面过分晃动。油罐放置于海底，当需要加大容积时，可将几个油罐平行排列，靠输油管相互连接。油罐搁置在水深约４８ｍ的海底，总容积为３．２万ｍ３。

（４）带防波墙的立式钢筋混凝土水下储罐。１９７３年首次建于北海埃柯菲斯克油田。油罐底面呈皱纹形，以增加同海底的摩擦力。罐体被“井”字形隔墙分隔为９个相互连通的舱，四周围绕着沉箱式多孔防波墙。储罐顶盖高于防波墙。多孔防波墙用于保护储罐免遭风浪冲击而破坏。储罐为预应力混凝土结构，始终充满水或油，重力大，稳定性好，不需桩栓固定。油罐建于水深约７０ｍ的海底，总容积为１５．８万ｍ３。

（５）椭球抛物面形、钟形水下混凝土油罐。油罐罐体用预应力钢筋混凝土建造，无底，油罐直接置于海底。１９６９年美国公布了水下椭球抛物面形混凝土油罐专利。油罐壁周面为椭球形，有轻便顶盖，全罐形成无底的椭球抛物面。罐内建有横向和纵向隔壁舱用于支撑顶盖，将全罐分为若干个相互连通的舱室。油罐总容积为４．７７万ｍ３。

１９７０年法国在比斯开湾建成无底钟形预应力钢筋混凝土油罐，分为多个相互连通的径向隔舱，隔舱壁的环肋对罐体起加固作用。油罐建于水深约１００ｍ的海底，总容积为０．８万ｍ３。

（６）带浮顶的立式圆柱形海中储罐。此类油罐已在日本应用。利用地上浮顶油罐和储油原理，在浅海区建造无底立式浮顶油罐，采用油水置换法收发油。油罐容积可达数十万ｍ３。

（７）水下软体油罐。１９３５年由苏联ＨＡ１波罗金斯基提出研制水下储存液体的软体容器的设想。进入上世纪５０年代后，瑞典科学家设计出几种“ＣＡＣＥＫ”型软体油罐。６０年代初，美国海军在墨西哥湾研制成功了容量为１９０ｍ３的软体油罐。软体油罐的壳体为涂以合成橡胶的两层尼龙纤维复合物结构。此类油罐分为带球状底部的圆筒形、枕头形和枕座形３种形式。油品在罐外海水压力作用下被压送到水面之上，装油时则需要泵送。对于容量较小的软体油罐，可用重物做锚，将油罐反吊于水底，对于容量较大的软体油罐，可用网状条带将其固定后置于

水底的框架上。

油水置换水下储油技术在墨西哥湾、北海等均有采用，经济性好，但存在一定程度的污染，我国尚未应用。

国内用于陆上实用的软体油囊，也形成了产品，最大容积达到５００ｍ３。

２无污染水下储油技术构思

２．１总体技术构思

常规油水置换储油技术原理，是油水不相溶，油密度低于水，自然形成明显的油水界面，但仍会有少量原油在油水置换过程中，随水排放到周围海水中，累积造成环境污染，不容忽视。水下储油通过穿梭油轮转运，由于置换式储油内外压差基本平衡，因而这种模式既可在浅海中应用，也可以在深海中应用［９］。

如果在水下储油罐中采用柔性材料，将原油和海水隔离开来，向储油罐内注油时油进水出，从罐内向外排油时水进油出，将完全避免油水直接接触，做到零污染水下储油。

水下储罐包括储罐主体、储油内胆（油水隔离布）、进排水口、注油管路、出油管路、充气管路、含油污水抽吸软管；油水隔离布边缘，固定于储罐主体边壁中部，进排水口在储罐主体侧壁油水隔离布下侧，注油管路、出油管路、充气管路、含油污水柔性吸管安装在储罐主体上油水隔离布上侧；油水隔离布由柔软水密耐油、耐热材料制成，形成变容积储油内胆，其容积不低于水下储罐容积的一半。

储罐拖航至预定位置，将各种管路与相应水上设施连接好之后，加压载将储罐沉入水下，外界水通过进排水口自动充满储罐主体。原油通过注油管路注入罐内，储油内胆随之扩张，将水排出罐外。由于油比水轻，油一直处于储罐主体上部。出油时，打开出油管路上的阀门，原油在外界水压力作用下流出（必要时可用泵抽吸），外界水自动充填原来空间。储存含水原油时，含水原油中的大部分游离水会沉降至底部，可通过含油污水抽吸软管吸出后处理。当因维修或油田衰竭需要移走水下储罐时，充气排水使罐体起浮后即可移位。

２．２油水隔离置换水下储油的优点

（１）水下储油由于位于水面以下，无油气呼吸损耗，具有天然的防爆性能；

（２）油罐置于水下，避开了波浪的主要作用，受外力小，在海况恶劣时，油井也可连续生产；

（３）与水上储油相比，水下油罐可节省昂贵的平台建造费用，而且储罐容量不受限制，具有巨大的储油能力；

（４）与浮式储油相比，具有自主知识产权，不需

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要依赖昂贵的国外单点系泊等技术，建设费用较低；

（５）相对于某些边际油田单井靠船生产转运方式，可以基本实现全天候生产，有效生产时间提高５０％以上，油轮利用率也将大幅提高；

（６）与传统水下储油工艺相比，采用油水隔离置换，除事故外不产生污染，满足零排放的要求，可以借用浮动卸油终端等成熟技术。

３水下无污染储油模式

３．１浅海固定式平台＋油罐模式

在浅海井口平台（通常为固定导管架平台）附近，设置油水隔离室水下储罐［９］。井口平台采出油气后，在平台上进行油气分离，然后原油注入水下储罐；穿梭油轮定期系泊在井口平台上，水下储罐中的原油通过管路输送到穿梭油轮，实现原油的水下无污染储存与转运。

３．２深海水下储油＋浮动卸油码头模式

在深水中也可以应用水下储罐。在生产区建设小型浮式系泊装置和水下储罐［９］，原油外输软管接到专门设置的系泊装置上，穿梭油轮定期停靠于系泊装置处；生产时先将来自海底井口的原油，通过管道储存到水下储罐中，然后再通过原油外输软管，转输至穿梭油轮，实现原油的储存和转运。

３．３沉垫储罐平台模式

浅海自升式平台的大沉垫，兼做油水隔离水下储罐原油舱，在自升式平台上部甲板上设置三相分离器、燃气净化模块和原油存储缓冲罐。原油处理产生的气体，一部分经燃气净化模块处理后，供可烧气的发电机组，其余部分燃烧排空，处理产生的生产水，经水处理模块处理合格后外排或注入地层。

原油通过井口阀进入油气处理系统，合格后的原油进入原油存储缓冲罐，通过油水置换的方式（此过程油进水出）将原油注入沉垫储罐原油舱内，通过原油智能压载控制系统，对各原油舱内的原油进行调拨。储存的原油，通过原油舱内的隔热保温材料以及加热装置进行保温。

沉垫内的原油，通过油水置换的方式（此过程水进油出）将原油抽到原油存储缓冲罐，再通过二级泵将原油存储缓冲罐内的原油泵出，经外输装置送至穿梭油轮。

４结束语

油水隔离置换水下无污染储油模式，防污染可靠性高，经济性好，但尚无工程应用先例。该项技术开发成功后，具有与浮式生产系统、固定储罐平台相当的功能，适用生产规模范围广，既适于浅海边际油田采用，也适于新油田滚动勘探开发，具有重复利用等优点，与现有钻井、修井、采油、处理与输运技术，能够良好结合，尤其适于边际油田开发，将具有良好的推广应用前景。

参考文献：

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［７］ＢｏｚｚｏＧＭ，ＣａｎｎａｖａｃｉｕｏｌｏＡ，ＦａｓｏＤ．ＤｅｓｉｇｎｏｆＡＮｅｗＣｏｎｃｅｐｔｏｆＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＯｉｌＳｔｏｒａｇｅＴａｎｋｉｎ３００ｍＷａｔｅｒＤｅｐｔｈｗｉｔｈＲｕｂｂｅｒｉｚｅｄＤｉａｐｈｒａｇｍ［Ｃ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＡｎｎｕａｌＯｆｆｓｈｏｒｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（Ｖｏｌ２），Ｈｏｕｓｔｏｎ，Ｔｅｘａｓ：ＰｒｅｓｓｏｆＴｅｘａｓＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，１９７９：９８９－１００１．

［８］ＪＴＧｒｉｍｅｓ，ＷＤＢａｃｃｉｇａｌｏｐｉ，ＭＭｃｅｌｒｏｙ．ＲｅｓｐｏｎｓｅＳｔｒａｔｅｇｉｅｓｔｏａＲｅｍｏｔｅＩｎｌａｎｄＯｉｌＳｐｉｌｌａｎｄＦｕｅｌＴｒａｎｓｆｅｒＡｆｔｅｒａＨｕｒｒｉｃａｎｅ．Ｅｗｉｎｇ［Ｃ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＯｉｌＳｐｉｌｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ＳａｎＤｉｅｇｏ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ：ＰｒｅｓｓｏｆＣａｌｉｆｏｒｎｉａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００８，９６９－９７２．［９］徐松森．油水隔离置换水下储油技术探讨［Ｊ］．船海工程，２００８，３７（４）：６２－６５．，

ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＳｔａｔｕｓｏｆＯｆｆｓｈｏｒｅＯｉｌＳｔｏｒａｇｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄ

Ｎｏｎ－ＰｏｌｌｕｔｉｏｎＯｉｌＳｔｏｒａｇｅＭｏｄｅＵｎｄｅｒｗａｔｅｒ

ＣＨＵＸｉｎ－ｊｉｅ１，２

（１．ＯｃｅａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，ＱｉｎｇｄａｏＳｈａｎｄｏｎｇ２６６００３，Ｃｈｉｎａ；２．ＤｒｉｌｌｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＳｈｅｎｇｌｉＰｅｔｒｏｌｅｕｍＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｖｅＢｕｒｅａｕ，ＤｏｎｇｙｉｎｇＳｈａｎｄｏｎｇ２５７０１７，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｐａｐｅｒｇｉｖｅｓａｇｅｎｅｒａｌｏｕｔｌｉｎｅｏｆｔｈｅｍｏｄｅｓｏｆｏｆｆｓｈｏｒｅｏｉｌＳｔｏｒａｇｅａｎｄｔｈｅｓｔａｔｕｓｏｆｏｉｌＳｔｏｒａｇｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ．Ｓｅｖｅｒａｌｍｏｄｅｓｏｆｏｉｌｓｔｏｒａｇｅｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｏｎｏｉｌ－ｗａｔｅｒｉｓｏｌａｔｉｏｎａｎｄｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｓｔｕｄｙｈａｓｒｅｆｅｒｅｎｃｅｖａｌｕｅｆｏｒｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｔｏｆｆｓｈｏｒｅｍａｒｇｉｎａｌｏｉｌｆｉｅｌｄｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｆｆｓｈｏｒｅｏｉｌｓｔｏｒａｇｅ；ｏｉｌｓｔｏｒａｇｅｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ；ｍｏｄｅｌ；ｎｏｎ－ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ

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