SHPGX导读：5月11日，我国首套国产化深水水下采油树在海南莺歌海海域完成海底安装，该设备是中国海油牵头实施的水下油气生产系统工程化示范项目的重要部分，标志着我国深水油气开发关键技术装备研制迈出关键一步。此次中国海油实施的500米级水下油气生产系统工程化示范应用项目，项目开发设计方案由中海油研究总院自主研究完成，标志着我国具备了成套装备的设计建造和应用能力。
5月11日，我国首套国产化深水水下采油树在海南莺歌海海域完成海底安装，该设备是中国海油牵头实施的水下油气生产系统工程化示范项目的重要部分，标志着我国深水油气开发关键技术装备研制迈出关键一步。
此次中国海油实施的500米级水下油气生产系统工程化示范应用项目，项目开发设计方案由中海油研究总院自主研究完成，标志着我国具备了成套装备的设计建造和应用能力。
要想南海开发深水油气，水下生产系统是深水油气开发的首要模式。时间倒退回2018年，中国海油主动作为，大胆提出需要采用自主研发500米级水下装备开发深水油气，加快推动深水关键核心技术突破。
在同一个项目中集中实现水下采油树、水下控制系统、水下井口、水下管汇等自主研制的深水高端装备示范应用，是我国从未挑战过难度。
500米水深的水压相当于约50倍的大气压力，面对海底低温和复杂地貌等错综复杂的环境、20年免维护的苛刻条件，水下设备的密封强度、材料的承压能力、工艺质量等面临严峻的技术挑战，没有试错的机会，任何纰漏都可能造成无法挽回的巨大损失。放眼国际，掌握水下设备集成制造技术的厂家也仅有5家，水下生产系统的自主研发攻关道路充满了风险与挑战。
即便如此，研究总院院长米立军认为，水下生产系统是中国走向深海进程中的重要一环，我们已经积累了十余年的水下设计经验，用自主技术开发南海深水油气，是我们海油人义不容辞的责任！
坚持源头把控 做自主可靠的设计
要实现水下装备自主化，就必须先实现水下设计技术的自主能力。然而，自主开展水下生产系统设计何谈容易，一是国内水下技术团队处于刚刚起步的阶段，具有深水工程经验的人才屈指可数；二是国内水下装备技术成熟度普遍较低，尚未形成完整的水下生产系统装备产业链；三是缺少系统性的技术体系。
在大多数人还在望洋兴叹的时候，研究总院的科研人员不怕艰辛，鼓足干劲，坚定地走上了一条基于自主设计水下生产系统的道路。
为了从源头把控自主设计水下生产系统的可靠性，研究总院在设计阶段开展了Hazop（危险与可操作性）分析和SIL（安全完整性等级）分析，在设计源头全面摸排、充分识别了水下生产系统方案风险。
但是，国际上通用的分析方案是基于成熟零部件的水下生产系统，而本项目普遍采用自主研制的零部件——如何把控首台套产品应用风险，依靠原有常规技术手段非常有限。
为保障自主研发示范工程顺利实施和运行，研究总院在充分消化吸收国际上水下产品标准和技术管理的基础上，因地制宜，开发了一套基于自主研发水下生产系统的技术成熟度评价体系，从技术成熟度TRL和技术风险度TRC两个维度，基于系统-设备-关键零部件的三个层级，对每个设备的几百件关键零部件进行“庖丁解牛”般的逐项分析，最终评估合格后才能进行应用，以确保产品的高可靠性，从源头上把控首台套产品的实施风险。
通过技术成熟度评价，研究总院团队又发现水下控制及通讯系统的可靠性至关重要。国际上，水下电力载波通讯经常发生不可预见性的信号干扰，成为长期困扰水下通讯质量的难题。为此，团队升级设计，首次在国际上采用“电力载波+光纤”双冗余的水下通讯技术。原本光纤是作为水下环境监测产生大数据的通讯链路，科研人员们充分利用了光纤通讯技术作为电力载波通讯的备用链路通道。通过优化设计，在不增加投资的前提下，可以实现水下通讯系统双网双待，可谓“一箭双雕”。
经过团队工程师们的反复设计和计算验证，双网通信结构最终顺利地通过了陆地测试，强化了原本脆弱的水下通信链路，为水下生产系统全生命周期运维提供了充足保障。研究总院水下控制系统技术负责人孙钦说到，“信号干扰的不可预测性带来通讯链路的脆弱，我们做到了主动作为，变弱为强，挫折打不败我们，困难将使我们更强大。”
深耕核心技术 攻克水下“四大金刚”
本次攻克的水下采油树、水下控制系统、水下管汇、水下井口，被誉为水下“四大金刚”。水下采油树是水下生产系统的“心脏”，水下控制系统是水下生产系统的“大脑”，水下井口是水下生产系统的“咽喉”，而水下管汇是水下生产系统的“躯体”。
要实现自主研发水下装备的应用，除了按照国际上最严苛的产品标准进行研制和测试外，必须得到国际权威第三方机构的全程见证和准入认可。因此，照搬国外水下装备技术肯定是行不通的，必须采用自主攻关来获得国际准入认可。
在水下控制系统的研发过程中，研究总院完成了总体方案设计，实现了六大核心关键技术的突破，为产品研制奠定了基础。为了保障产品研制和测试顺利进行，团队多次派遣科研人员轮流进驻装备制造企业进行现场技术指导。仅水下控制模块SCM出厂测试环节，权威第三方机构全程见证了冲击试验、振动试验、温度试验、电磁兼容性试验、环境应力筛选试验、内部静水压测试、液压功能测试、通讯功能测试、500m水深级高压舱测试、可安装与可回收界面测试等大大小小各类测试200余项，研制的成功标志着水下控制系统彻底打破技术垄断，实现与国际产品同等适用的准入条件。
在水下井口历时18个月的研发过程中，实现了三大高性能技术革新，开展81项工厂测试和28项陆地水环境扩展测试，充分验证了可靠性和功能性，并也顺利取得了国内和国外船级社的双证认可。
通过历时三年多的技术攻关，中国海油已攻克实现了水下“四大金刚”的自主研发。以本项目研制的水下采油树为例，包括各类阀组、控制模块等零部件数量多达2591件，自主研发率高达90%以上。
守卫水下系统的“生命线”
要实现水下生产系统装备自主研发的应用落地，还需要解决水下控制技术难题，才能真正把设备串接起来。水下控制系统是水下设施的“生命线”，水上与水下之间传递的指令不容有一丝错误，否则会产生误关断或该关断时不动作的严重后果。
本项目水下控制最大的挑战是兼容性问题，即国内首次采用两套不同协议的自主研发水下控制模块SCM，分别负责控制和传输水下采油树和水下管汇上的阀门控制、温压等数据，然后共用一根9公里的水下脐带缆回接到依托平台的主控站MCS——不同厂家的系统就像是不同语言的两对人在同时说话，说话的“噪音”相互影响。
为了解决两套设备的适应性，打通自主制造的最后一公里，研究总院设计团队与厂家一起展开多次交流、研究，提出了一种考虑绞合结构脐带缆的串扰计算方法，并定量分析排列组合出各种可能出现的问题，最终得出结论将四线星绞结构等效为每1/4个绞距处的线芯突然换位结构，可将串扰影响降到最低。
然而，在实缆测试过程中却发生了一个小插曲，脐带缆厂家测试结论是信号串扰大，无法正常通信！
当时所有人的心都提到了嗓子眼，总院技术人员第一时间奔赴现场查找原因，经过多轮测算，终于发现了测试时连接的4芯量的相位差异。在一次次的设计、测试、优化后，项目组成功实现了两套自主研发水下控制模块的协同作用，解决了深水通讯串扰的大难题。
科研道路没有一帆风顺，这只是研发过程对每个技术细节孜孜不倦地潜心攻关、对每个试验的不懈验证的一个缩影，唯有脚踏实地、攻坚克难，才能真正守卫首台套水下装备的成功自主研发。
目前，我国首个500米级全水下生产系统已经顺利完成海试和集成测试，即将进入到海上安装阶段，预计2022年底前实现示范运行。
研究总院的每一个科研人员将扎实推进水下关键核心技术攻关，持续提升深海油气资源开发技术能力，努力用我们自己的装备开发油气资源，坚决打好深水油气攻坚战，为保障国家能源安全、建设海洋强国，贡献海油力量！
本文来源 | 中海油研究总院
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