湿式静态集束海缆在渤海油田的应用

金 秋，戴国华，薄 昭，郝 铭，高 阳

(中海石油(中国)有限公司 天津分公司，天津 300459)

0 引 言

供电方案的设计是海上油气田开发工程建设项目前期工作的重要组成部分[1]，直接影响平台规模，进而对施工资源和工程投资造成影响。

渤中26-3油田共有3座平台，分别为BZ26-2WHPA、BZ26-3WHPA和BZ26-3WHPB。渤中26-3油田扩建项目拟新建2座平台，分别为动力处理平台BZ26-3PAPD和井口生产平台BZ26-3WHPC。BZ26-3PAPD与BZ26-3WHPA采用栈桥连接，BZ26-3WHPC距BZ26-3PAPD平台约4.4 km。根据BZ26-3PAPD平台为BZ26-3WHPC供电方式的不同，目前有常规单束海缆供电和集束海缆供电两种方案。

本文对集束海缆进行深入研究并对2种供电方案进行详细对比，最终确定渤中26-3油田采用湿式静态集束海缆供电方案技术可行，经济最优。

1 海缆概况

资料显示国际海缆厂家(普睿司曼、JDR和耐克森等)将海底电缆按照结构形式不同分为干式结构、半干式/半湿式结构和湿式结构等3种。干式结构海缆指带金属护套(一般为铅护套)的海缆；半干式或半湿式结构海缆指在金属屏蔽层外有聚乙烯护套的海缆；湿式结构海缆指在金属屏蔽层外连聚乙烯护套都省去的海缆。2018年4月国际大电网会议发布TB722对海缆的结构形式进行重新定义，规定海缆只分为湿式海缆和干式海缆两种结构，之前的半干式和半湿式结构通过相关测试都可归结为这2种结构[2]。

根据上述定义，目前海洋平台使用的绝大部分海缆是带铅护套的干式海缆。浮式生产储卸油装置与平台之间连接的动态海缆使用少量湿式海缆。现常用抗水树交联聚乙烯作为湿式结构的绝缘材料。该材料在海缆25 a生命周期内的可靠性是湿式结构海缆应用的关键。截至2020年底，国内已有3家海缆厂家先后在第三方见证下通过为期2 a的以抗水树交联聚乙烯为绝缘材料的海缆的湿老化试验[3-5]。测试及推算表明抗水树交联聚乙烯绝缘能力满足25 a海水使用环境要求。

根据构成海缆线芯数量的多少，海缆又分为单束海缆和集束海缆。在海缆内部，每3根线芯构成1束，用来输送一路三相交流电。海缆内部只有1束线芯的称之为单束海缆，这是最常见的海缆结构形式，在通常情况下，所说的海缆均为单束海缆。海缆内部有多束线芯的称为集束海缆，这种海缆主要用于油田水下井口及边际油田简易平台上。

1.1 单束海缆实例

单束海缆分为干式和湿式两种。干式单束海缆推出时间早，技术成熟，应用广泛，目前海上油田使用带铅护套的干式海缆占比九成以上。干式单束海缆又细分为分相铅包和统包结构[6-8]。分相铅包指每一芯线绝缘层外(精确位置是半导电阻水带外)都有1个铅护套，共计3个铅护套(见图1)。统包结构则是用1个铅护套包裹3根芯线(见图2)。干式海缆中95%以上为分相铅包结构。

图1 典型的分相铅包结构海缆截面示例

图2 典型的统包铅套结构海缆截面示例

渤海海域的绥中36-1油田、垦利3-2油田和渤中28-3/4油田等使用的均是分相铅包的干式单束海缆。在中海油早期项目中使用过少量的统包结构海缆。目前仅有涠洲11-4项目和春晓项目使用统包干式海缆。

湿式海缆生产制造技术长期由国外公司掌握，费用较高，国内起步较晚，应用较少，国内海缆厂家大规模生产的前提条件是需要完成前文提到的为期2 a的湿老化测试。湿式单束海缆主要应用在东海海域的上海平北黄岩一期和二期项目上，从2014年开始累计使用约150 km的以聚乙烯护套+抗水树交联聚乙烯为绝缘材料的湿式单束海缆。截至2020年10月底，上述湿式单束海缆状况良好。随着国内厂家逐步介入湿式海缆的生产，湿式海缆的价格快速下降，在与干式海缆的价格对比中也具有优势。

1.2 集束海缆实例

随着油田开发的需求及海缆制造工艺的进步，在单束海缆的基础上衍生出集束海缆，集束海缆也分为干式集束海缆和湿式集束海缆。湿式集束海缆主要应用于深海的水下井口。在南海应用如下：流花4-1油田于2012年使用3条14 km，6/10 kV，3×(3C×70 mm2)(3C表示3根线芯，70 mm2表示每根线芯的截面积为70 mm2，3×表示3束，即3束3C×70 mm2的缆芯)动态集束海缆给8台功率为265～620 kW的电潜泵供电；流花16-2油田于2019年使用3条23.1 km，6/10 kV，3×(3C×120 mm2)动态集束海缆给8台功率约500 kW的电潜泵供电。这6条集束海缆均使用聚乙烯护套+抗水树交联聚乙烯为绝缘材料的湿式海缆，且均为国外厂家生产。

干式集束海缆主要应用于渤海边际油田的简易平台：BZ34-3WJ和BZ34-5WJ平台于2006年分别使用4.5 km和3.0 km，3.6/6 kV，2×(3C×35 mm2)+1×(3C×10 mm2)的静态集束海缆给2台约100 kW电潜泵供电；JZ9-3WHPB平台于2009年采用1条1.73 km，3.6/6 kV，5×(3C×25 mm2)的静态集束海缆给4台约100 kW电潜泵供电。这3条海缆均为分相铅包结构的干式集束海缆[9-12]，为国内厂家生产。

1.3 渤中26-3项目海缆选型

渤中26-3项目属于渤海的边际油田(一般指储量小、效益差的小型油田)，可采用单束海缆供电，也可采用集束海缆供电。由于单束海缆和集束海缆在本质并没有差异，因此重点讨论渤中26-3项目中集束海缆的选型，所得出的结论可推广至单束海缆的选型。

渤中26-3项目拟使用的集束海缆有3种类型，分别是统包铅套的干式集束海缆、分相铅包的干式集束海缆和湿式集束海缆。对3种类型的集束海缆进行分析对比。

由于早期生产成本及制造工艺的限制，中海油早期少数干式单束海缆采用统包铅套防水结构，目前尚无用于集束海缆的实例。这种海缆结构的最大特点是纵向不防水，理论上一旦铅套破损，水会沿着缆芯的纵向渗透至整条海缆中，存在无法维修的可能。但是，其最大的优点是能大幅降低铅的使用量，减小海缆的截面积、重量，降低成本。

分相铅包结构在静态干式单束海缆中广泛使用，在静态干式集束海缆中也有少量应用。这得益于铅护套具备良好的防水和耐腐蚀性，大量的实践证明这是最可靠的结构。但是这种结构有两大弊端：一是铅的用量特别大，对于常规干式单束海缆可能影响有限，但是对于集束海缆，例如7束21芯的海缆，则需要21个铅护套；二是金属铅的疲劳性质决定其无法应用于动态海缆中，动态海缆会随着海水不断移动，金属护套在这个过程中较易疲劳开裂。

聚乙烯护套+抗水树交联聚乙烯防水结构的湿式集束海缆则弥补了干式集束海缆的上述缺点，在同等条件下具备更小的截面积、更轻的重量、更低的费用和更好的动态性能。唯一不足的是使用时间相对较短，理论上满足使用要求，但是还需要经过水下使用时间(海缆设计寿命一般不低于25 a)的进一步验证。

渤中26-3油田扩建项目所需集束海缆基本参数为3.3 kV，4.4 km，7×(3C×35 mm2)，实际采购需求如下：长度为4.8 km，电压等级为3.6/6 kV，不允许中间有接头。结合渤中26-3油田扩建项目所需集束海缆基本参数，按照结构形式对分相铅包结构、统包铅套结构和湿式结构等3种集束海缆方案进行对比研究。各方案优缺点、船舶资源、应用实例、后期维护和价格对比如表1所示。

表1 渤中26-3油田扩建项目3种集束海缆方案对比

由表1可知，分相铅包和统包铅套两种干式结构方案均落后于湿式结构方案。综合分析南海动态湿式集束海缆的使用情况、东海静态湿式单束海缆的使用情况和以抗水树交联聚乙烯材料为绝缘层的湿式海缆的湿老化试验报告，可确定以抗水树交联聚乙烯材料为绝缘层的静态湿式集束海缆及湿式单束海缆技术成熟，可在渤海油田进行应用。

2 方案对比

按照BZ26-3PAPD平台为BZ26-3WHPC供电方式的不同，渤中26-3油田项目分为常规单束海缆供电方案(方案1)和集束海缆供电方案(方案2)。在2种方案技术都可行的情况下，从供电方案对整个项目方案经济性影响进行对比研究。

2.1 常规单束海缆供电方案

BZ26-3WHPC平台上不设主电站，其主电源引自新建BZ26-3PAPD平台。通过1条4.4 km，10.5 kV，3×95 mm2复合海底电缆连接。

BZ26-3WHPC平台上设置1台10.5/0.4 kV，2 000 kVA变压器为平台上400 V低压设备以及电潜泵供电。

BZ26-3WHPC平台的中低压配电盘、主变压器、电潜泵变压器、电潜泵变频器等需放置在本平台上。BZ26-3WHPC平台需设置多个配套房间，包括主开关间/电潜泵控制间、主变压器间/电潜泵变压器间、中控间、二氧化碳间、电池间。常规单束海缆供电示例如图3所示。

图3 常规单束海缆供电示例

2.2 集束海缆供电方案

常规单束海缆中只有1束3芯的缆芯集中给平台上的所有设备供电。与其供电形式不同，集束海缆含有多束3芯的缆芯，每束3芯缆芯分别给每口井的电潜泵供电。

BZ26-3WHPC平台设有6口生产井，采用一对一中压变频器供电。通过BZ26-3PAPD平台400 V配电盘，经中压电潜泵变频器一对一变频后，经过3.3 kV，4.4 km，7×(3C×35 mm2)集束海缆为BZ26-3WHPC平台供电，其中6束3芯缆芯为6口生产井供电，1束3芯缆芯给除电潜泵外的设备供电。

采用集束海缆供电方案可最大限度利用BZ26-3PAPD平台的能力，仅需在BZ26-3PAPD平台上新增1个电气间，用于布置电潜泵的中压变频器，这对平台的影响非常有限。在BZ26-3WHPC平台上则可取消暖通设备、大部分电气仪控设备及配套房间，仅留下生产管汇、注水管汇、照明伴热等少量设备，这将显著减少平台上部组块的面积和重量。7束21芯集束海缆供电示例如图4所示。

图4 集束海缆供电示例

2.3 海缆供电方案选择

针对BZ26-3WHPC平台的2种供电方案(方案1为单束海缆供电方案，方案2为集束海缆供电方案)，从电气房间、电气设备、海缆费用和后期维护等方面对2种方案进行对比，具体如表2所示。

表2 不同海缆供电方案对比

由表2可知：方案1需要在BZ26-3PAPD平台新增1台2 000 kVA主变压器，方案2需要在BZ26-3PAPD平台新增1个中压变频器间，这2种方案对BZ26-3PAPD平台的甲板面积、结构、重量、施工资源、费用的影响几乎一致，可认为在2种方案下BZ26-3PAPD的费用相同。2种方案的差异主要体现在海缆费用和BZ26-3WHPC平台规模上。方案2的海缆费用比方案1多1 150万元，但是，方案2仅25 a生命周期内节约的电费达3 500万元(电费按照0.8元/(kW·h)计算，电负荷源自表2 PAPD+WHPC负荷)，因此方案2优于方案1。方案2还有以下优点：(1)电气仪控设备明显减少，无暖通设备；(2)无房间，大幅减少上部组块面积和重量，对施工船舶资源要求降低，大幅降低前期投资；(3)后期机械、电气和仪表基本无运维工作。因此，选择方案2作为BZ26-3WHPC平台的供电方案。

通过上述研究可知，BZ26-3WHPC平台采用集束海缆供电方案优于常规单束海缆供电方案，项目的投资收益率有较大提升。

3 结 论

基于渤海油田某工程实际项目，对海缆各项参数进行具体研究并确定以抗水树交联聚乙烯材料为绝缘层静态湿式集束海缆用于该项目技术可行，并且通过将该集束海缆供电方案与常规单束海缆供电方案进行对比确定该项目使用集束海缆供电方案经济更优。

采用集束海缆供电方案可优化平台规模，降低工程投资。本项目实现静态湿式集束海缆在渤海油田的应用，对渤海边际油田的开发有重要意义。