濕式靜態集束海纜在渤海油田的應用

金 秋，戴國華，薄 昭，郝 銘，高 陽

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300459)

0 引 言

供電方案的設計是海上油氣田開發工程建設項目前期工作的重要組成部分[1]，直接影響平臺規模，進而對施工資源和工程投資造成影響。

渤中26-3油田共有3座平臺，分別為BZ26-2WHPA、BZ26-3WHPA和BZ26-3WHPB。渤中26-3油田擴建項目擬新建2座平臺，分別為動力處理平臺BZ26-3PAPD和井口生產平臺BZ26-3WHPC。BZ26-3PAPD與BZ26-3WHPA采用棧橋連接，BZ26-3WHPC距BZ26-3PAPD平臺約4.4 km。根據BZ26-3PAPD平臺為BZ26-3WHPC供電方式的不同，目前有常規單束海纜供電和集束海纜供電兩種方案。

本文對集束海纜進行深入研究并對2種供電方案進行詳細對比，最終確定渤中26-3油田采用濕式靜態集束海纜供電方案技術可行，經濟最優。

1 海纜概況

資料顯示國際海纜廠家(普睿司曼、JDR和耐克森等)將海底電纜按照結構形式不同分為干式結構、半干式/半濕式結構和濕式結構等3種。干式結構海纜指帶金屬護套(一般為鉛護套)的海纜；半干式或半濕式結構海纜指在金屬屏蔽層外有聚乙烯護套的海纜；濕式結構海纜指在金屬屏蔽層外連聚乙烯護套都省去的海纜。2018年4月國際大電網會議發布TB722對海纜的結構形式進行重新定義，規定海纜只分為濕式海纜和干式海纜兩種結構，之前的半干式和半濕式結構通過相關測試都可歸結為這2種結構[2]。

根據上述定義，目前海洋平臺使用的絕大部分海纜是帶鉛護套的干式海纜。浮式生產儲卸油裝置與平臺之間連接的動態海纜使用少量濕式海纜?，F常用抗水樹交聯聚乙烯作為濕式結構的絕緣材料。該材料在海纜25 a生命周期內的可靠性是濕式結構海纜應用的關鍵。截至2020年底，國內已有3家海纜廠家先后在第三方見證下通過為期2 a的以抗水樹交聯聚乙烯為絕緣材料的海纜的濕老化試驗[3-5]。測試及推算表明抗水樹交聯聚乙烯絕緣能力滿足25 a海水使用環境要求。

根據構成海纜線芯數量的多少，海纜又分為單束海纜和集束海纜。在海纜內部，每3根線芯構成1束，用來輸送一路三相交流電。海纜內部只有1束線芯的稱之為單束海纜，這是最常見的海纜結構形式，在通常情況下，所說的海纜均為單束海纜。海纜內部有多束線芯的稱為集束海纜，這種海纜主要用于油田水下井口及邊際油田簡易平臺上。

1.1 單束海纜實例

單束海纜分為干式和濕式兩種。干式單束海纜推出時間早，技術成熟，應用廣泛，目前海上油田使用帶鉛護套的干式海纜占比九成以上。干式單束海纜又細分為分相鉛包和統包結構[6-8]。分相鉛包指每一芯線絕緣層外(精確位置是半導電阻水帶外)都有1個鉛護套，共計3個鉛護套(見圖1)。統包結構則是用1個鉛護套包裹3根芯線(見圖2)。干式海纜中95%以上為分相鉛包結構。

圖1 典型的分相鉛包結構海纜截面示例

圖2 典型的統包鉛套結構海纜截面示例

渤海海域的綏中36-1油田、墾利3-2油田和渤中28-3/4油田等使用的均是分相鉛包的干式單束海纜。在中海油早期項目中使用過少量的統包結構海纜。目前僅有潿洲11-4項目和春曉項目使用統包干式海纜。

濕式海纜生產制造技術長期由國外公司掌握，費用較高，國內起步較晚，應用較少，國內海纜廠家大規模生產的前提條件是需要完成前文提到的為期2 a的濕老化測試。濕式單束海纜主要應用在東海海域的上海平北黃巖一期和二期項目上，從2014年開始累計使用約150 km的以聚乙烯護套+抗水樹交聯聚乙烯為絕緣材料的濕式單束海纜。截至2020年10月底，上述濕式單束海纜狀況良好。隨著國內廠家逐步介入濕式海纜的生產，濕式海纜的價格快速下降，在與干式海纜的價格對比中也具有優勢。

1.2 集束海纜實例

隨著油田開發的需求及海纜制造工藝的進步，在單束海纜的基礎上衍生出集束海纜，集束海纜也分為干式集束海纜和濕式集束海纜。濕式集束海纜主要應用于深海的水下井口。在南海應用如下：流花4-1油田于2012年使用3條14 km，6/10 kV，3×(3C×70 mm2)(3C表示3根線芯，70 mm2表示每根線芯的截面積為70 mm2，3×表示3束，即3束3C×70 mm2的纜芯)動態集束海纜給8臺功率為265～620 kW的電潛泵供電；流花16-2油田于2019年使用3條23.1 km，6/10 kV，3×(3C×120 mm2)動態集束海纜給8臺功率約500 kW的電潛泵供電。這6條集束海纜均使用聚乙烯護套+抗水樹交聯聚乙烯為絕緣材料的濕式海纜，且均為國外廠家生產。

干式集束海纜主要應用于渤海邊際油田的簡易平臺：BZ34-3WJ和BZ34-5WJ平臺于2006年分別使用4.5 km和3.0 km，3.6/6 kV，2×(3C×35 mm2)+1×(3C×10 mm2)的靜態集束海纜給2臺約100 kW電潛泵供電；JZ9-3WHPB平臺于2009年采用1條1.73 km，3.6/6 kV，5×(3C×25 mm2)的靜態集束海纜給4臺約100 kW電潛泵供電。這3條海纜均為分相鉛包結構的干式集束海纜[9-12]，為國內廠家生產。

1.3 渤中26-3項目海纜選型

渤中26-3項目屬于渤海的邊際油田(一般指儲量小、效益差的小型油田)，可采用單束海纜供電，也可采用集束海纜供電。由于單束海纜和集束海纜在本質并沒有差異，因此重點討論渤中26-3項目中集束海纜的選型，所得出的結論可推廣至單束海纜的選型。

渤中26-3項目擬使用的集束海纜有3種類型，分別是統包鉛套的干式集束海纜、分相鉛包的干式集束海纜和濕式集束海纜。對3種類型的集束海纜進行分析對比。

由于早期生產成本及制造工藝的限制，中海油早期少數干式單束海纜采用統包鉛套防水結構，目前尚無用于集束海纜的實例。這種海纜結構的最大特點是縱向不防水，理論上一旦鉛套破損，水會沿著纜芯的縱向滲透至整條海纜中，存在無法維修的可能。但是，其最大的優點是能大幅降低鉛的使用量，減小海纜的截面積、重量，降低成本。

分相鉛包結構在靜態干式單束海纜中廣泛使用，在靜態干式集束海纜中也有少量應用。這得益于鉛護套具備良好的防水和耐腐蝕性，大量的實踐證明這是最可靠的結構。但是這種結構有兩大弊端：一是鉛的用量特別大，對于常規干式單束海纜可能影響有限，但是對于集束海纜，例如7束21芯的海纜，則需要21個鉛護套；二是金屬鉛的疲勞性質決定其無法應用于動態海纜中，動態海纜會隨著海水不斷移動，金屬護套在這個過程中較易疲勞開裂。

聚乙烯護套+抗水樹交聯聚乙烯防水結構的濕式集束海纜則彌補了干式集束海纜的上述缺點，在同等條件下具備更小的截面積、更輕的重量、更低的費用和更好的動態性能。唯一不足的是使用時間相對較短，理論上滿足使用要求，但是還需要經過水下使用時間(海纜設計壽命一般不低于25 a)的進一步驗證。

渤中26-3油田擴建項目所需集束海纜基本參數為3.3 kV，4.4 km，7×(3C×35 mm2)，實際采購需求如下：長度為4.8 km，電壓等級為3.6/6 kV，不允許中間有接頭。結合渤中26-3油田擴建項目所需集束海纜基本參數，按照結構形式對分相鉛包結構、統包鉛套結構和濕式結構等3種集束海纜方案進行對比研究。各方案優缺點、船舶資源、應用實例、后期維護和價格對比如表1所示。

表1 渤中26-3油田擴建項目3種集束海纜方案對比

由表1可知，分相鉛包和統包鉛套兩種干式結構方案均落后于濕式結構方案。綜合分析南海動態濕式集束海纜的使用情況、東海靜態濕式單束海纜的使用情況和以抗水樹交聯聚乙烯材料為絕緣層的濕式海纜的濕老化試驗報告，可確定以抗水樹交聯聚乙烯材料為絕緣層的靜態濕式集束海纜及濕式單束海纜技術成熟，可在渤海油田進行應用。

2 方案對比

按照BZ26-3PAPD平臺為BZ26-3WHPC供電方式的不同，渤中26-3油田項目分為常規單束海纜供電方案(方案1)和集束海纜供電方案(方案2)。在2種方案技術都可行的情況下，從供電方案對整個項目方案經濟性影響進行對比研究。

2.1 常規單束海纜供電方案

BZ26-3WHPC平臺上不設主電站，其主電源引自新建BZ26-3PAPD平臺。通過1條4.4 km，10.5 kV，3×95 mm2復合海底電纜連接。

BZ26-3WHPC平臺上設置1臺10.5/0.4 kV，2 000 kVA變壓器為平臺上400 V低壓設備以及電潛泵供電。

BZ26-3WHPC平臺的中低壓配電盤、主變壓器、電潛泵變壓器、電潛泵變頻器等需放置在本平臺上。BZ26-3WHPC平臺需設置多個配套房間，包括主開關間/電潛泵控制間、主變壓器間/電潛泵變壓器間、中控間、二氧化碳間、電池間。常規單束海纜供電示例如圖3所示。

圖3 常規單束海纜供電示例

2.2 集束海纜供電方案

常規單束海纜中只有1束3芯的纜芯集中給平臺上的所有設備供電。與其供電形式不同，集束海纜含有多束3芯的纜芯，每束3芯纜芯分別給每口井的電潛泵供電。

BZ26-3WHPC平臺設有6口生產井，采用一對一中壓變頻器供電。通過BZ26-3PAPD平臺400 V配電盤，經中壓電潛泵變頻器一對一變頻后，經過3.3 kV，4.4 km，7×(3C×35 mm2)集束海纜為BZ26-3WHPC平臺供電，其中6束3芯纜芯為6口生產井供電，1束3芯纜芯給除電潛泵外的設備供電。

采用集束海纜供電方案可最大限度利用BZ26-3PAPD平臺的能力，僅需在BZ26-3PAPD平臺上新增1個電氣間，用于布置電潛泵的中壓變頻器，這對平臺的影響非常有限。在BZ26-3WHPC平臺上則可取消暖通設備、大部分電氣儀控設備及配套房間，僅留下生產管匯、注水管匯、照明伴熱等少量設備，這將顯著減少平臺上部組塊的面積和重量。7束21芯集束海纜供電示例如圖4所示。

圖4 集束海纜供電示例

2.3 海纜供電方案選擇

針對BZ26-3WHPC平臺的2種供電方案(方案1為單束海纜供電方案，方案2為集束海纜供電方案)，從電氣房間、電氣設備、海纜費用和后期維護等方面對2種方案進行對比，具體如表2所示。

表2 不同海纜供電方案對比

由表2可知：方案1需要在BZ26-3PAPD平臺新增1臺2 000 kVA主變壓器，方案2需要在BZ26-3PAPD平臺新增1個中壓變頻器間，這2種方案對BZ26-3PAPD平臺的甲板面積、結構、重量、施工資源、費用的影響幾乎一致，可認為在2種方案下BZ26-3PAPD的費用相同。2種方案的差異主要體現在海纜費用和BZ26-3WHPC平臺規模上。方案2的海纜費用比方案1多1 150萬元，但是，方案2僅25 a生命周期內節約的電費達3 500萬元(電費按照0.8元/(kW·h)計算，電負荷源自表2 PAPD+WHPC負荷)，因此方案2優于方案1。方案2還有以下優點：(1)電氣儀控設備明顯減少，無暖通設備；(2)無房間，大幅減少上部組塊面積和重量，對施工船舶資源要求降低，大幅降低前期投資；(3)后期機械、電氣和儀表基本無運維工作。因此，選擇方案2作為BZ26-3WHPC平臺的供電方案。

通過上述研究可知，BZ26-3WHPC平臺采用集束海纜供電方案優于常規單束海纜供電方案，項目的投資收益率有較大提升。

3 結 論

基于渤海油田某工程實際項目，對海纜各項參數進行具體研究并確定以抗水樹交聯聚乙烯材料為絕緣層靜態濕式集束海纜用于該項目技術可行，并且通過將該集束海纜供電方案與常規單束海纜供電方案進行對比確定該項目使用集束海纜供電方案經濟更優。

采用集束海纜供電方案可優化平臺規模，降低工程投資。本項目實現靜態濕式集束海纜在渤海油田的應用，對渤海邊際油田的開發有重要意義。