深海油气输送分离一体化立管

胡永利

上海交通大学海洋研究院博士生

黄柱林

上海交通大学海洋研究院硕士生

连　琏

上海交通大学海洋研究院教授

姚宝恒

上海交通大学海洋研究院硕士生导师

曾　铮

上海交通大学海洋研究院助理研究员

1　概述

1.1　意义和必要性

传统的海洋油气开采是依托水下生产系统，通过水下完井、部分或全部安装在海底的水下生产设施、海洋立管等将采出的油气水多相或单相流体输送到海上依托设施或陆上终端进行油气水分离处理处理，这种开采分离方式要求在海面有平台或储油依托设施，增大了储藏和海陆之间的输运成本，而且在陆上进行油气分离还会造成环境污染。近些年新兴的海底油气分离技术——“海底工厂”，可以避免传统油气开采的一些弊端，但这种海底分离技术由于其海底设备布放和维修难度较大，实际应用有很大局限性。

为了解决海洋油气开采分离过程中出现的以上问题，避免油气分离造成的污染、降低油气储存输运成本，集油气水输运和分离一体的、依托特殊分离材料的海洋新型立管的研制显得特别有意义。

1.2　技术实现途径

深海油气输送分离一体化立管是一种通过内部结构的特殊构造，结合特殊分子分离材料，来实现油气分离的深海立管。这种立管是双层腔体的三段式细长体，底部接口连接海底管汇，接口处布置有增压机，可以调控油气的输送速度。整个分离过程分四个阶段完成。

（1）第一阶段（见图1和图2）：此阶段是用来分离油气中的水，立管管壁及内层中空处布满吸附和传导水分子能力极强的特殊材料管线，管线吸附的水汇聚到外层中空处的水专用输送管道排出立管。

图1　第一阶段立管示意图

图2　第一阶段原理示意图

图3　第二阶段立管示意图

图4　第二阶段立管原理示意图

图5　第三阶段立管示意图

图6　第三阶段原理示意图

（2）第二阶段（见图3和图4）：此阶段是用来分离油气中的油，此部分立管主要在内层中空处布放多梯度高分子有机膜结构，这种膜结构只允许体积更小的气体分子通过，而较大的油粒就会附着和汇聚到膜周围，再通过外层中空处的油专用输送管道输送至海面平台。

（3）第三阶段（见图5和图6）：此阶段是用来分离油气中的空气，此部分立管类似第二阶段的原理，利用特殊膜结构吸附空气分子，再通过外层中空处的空气专用输送管道排出立管。最后输送至海面平台的只剩天然气和油，然后再进行分类储存或输运。

1.3　技术实现难点

（1）海底增压技术：该技术的关键是海底实现压力调控，用于解决油气输送分离过正中的输送速度，也用于把分离的油气输送至海面。该技术目前已经接近成熟，在“海底工厂”中已经运用广泛，但压力调控精度还需要进一步突破。

（2）高分子有机膜结构技术：该技术的关键是吸附油或特定分子大小的特殊高分子膜结构，主要用于在油气输送过程中的油、天然气和空气的梯度分离。该技术目前取得实验室突破，未来重点是攻克膜结构在细长结构体中的梯度布置和高效应用，特别是在细长体密闭结构内保持长时间有效吸附。

（3）油气分离后的输送技术：该技术的关键是把分阶段分离后的水、空气排出立管和分离后的油输送至海面，主要依赖于立管内部结构的特殊构造，为油气分离后的输送提供有效的保障。该技术目前在细长体内的实现还没有成熟，或有待未来在特殊分离材料吸附油或水后的怎么样汇聚上重点攻克或完善。

（4）多功能立管的安装和维护技术：该技术的关键是多功能立管在海底和海面两端与终端设备的有效连接和分离腔体的定期维护清理，为长时间安全地进行海洋油气开采提供支撑。立管的安装技术目前已经足够成熟，但对于多功能立管的安装还需要更多的实践和完善；立管油气分离腔体的维护技术目前还没有充分的开采，未来需要对这项技术开发完善。

2　应用意义与前景

深海油气输送分离一体化立管的开发研制可实现海底油、天然气、空气和水在输送过程中的自动分离，节省了海面或海底独立分离系统的制造成本和油气海面运输成本，增加深海油气开采利润；由于开采至海面的是所需要的石油和天然气，没有多余成分，提高了油气开采的效率；油气的分离在输运过程中完成，避免了海面分离可能造成的环境污染，从而提高了海洋油气田的经济效益。深海油气输送分离一体化立管可以节省更多能源，提高能源效率，将会成为深水和恶劣环境下油气田开发技术的一个重大突破，将成为北极等恶劣环境、深水卫星油田开发的有效手段。

未来“深海油气输送分离一体化立管”会在材料技术和安装技术发展的基础上，成为“新能源时代”深海油气开发的基础工程之一，对人类深海能源开发产生重要的作用。