石油被称为工业的血液，但更左右着世界经济。目前持续的低油价沉重打击了世界经济的复苏，中国经济也受到严重冲击。

高额的利润和财富争夺着石油资源，石油和庞大的相关产业繁荣着世界经济。众所周知，世界石油的增量在海上，而海洋石油的增量主要在深海。油价走低压榨着利润空间，使得依靠高投入维系高产出的海洋石油、特别是伴随高风险的深海油气日益艰难，更加使得包括更多高端产业的经济链条彻底崩断，世界经济如大厦倾覆，萧条不可避免。打破这个僵局的方式之一，就是降低油田开发成本，换取低油价下足够的利润空间，从而继续原有产业链，并可能形成新的高端产业。

深水油气田开发的技术核心是水下系统及其生产装备，包括水面以下直至海底井口的全部装置，其中与生产相关的统称水下生产系统（Subsea Production System，简称SPS）。SPS主要包括水下井口、采油树、海底管汇、水下阀门、分离器、增压器、回注系统、水下电力单元、连接器、跨接管、管线及管汇终端、计量器、脐带缆、管线与立管系统等。在国家科技部、工信部、发改委、国家海洋局和中海油等央企的大力支持下，上述装备的国产化之路已经走了整整10年，但离中海油的工业化应用还需要更长的时间。我们面临的最直接的问题，看起来是个简单的打破国外垄断、实现这些装备的国产化。水下技术与装备不仅悠关深水油气田开发，也危及我国海上军事安全，可以设想，海底布满敌人的装置，且不说海洋信息系统了，潜艇的一举一动就在敌人眼皮底下。所以，无论如何，水下系统装备必须全部国产化。有如我们的核武器，仅仅拥有就够了吗？对于深水油田来说，水下生产系统的方案设计不仅涉及水下系统装置本身，更涉及整个油田的投资和运行成本，如设备的测试、运输、安装、检测、监测、维护、修理、应急、拆除等等，每个环节都涉及巨大的投资和风险。按照国家科技体制改革的要求，如何从紧跟国际前沿、努力实现跨越和赶超，到完全实现引领，这就是国家重点研发计划所追求的终极目标。

新一代水下生产系统要实现引领全球，必须提出全新的概念和思想，根本性地解决深水油气田开发的2个核心的问题，即“如何提高水下装置的安全可靠性以及通过更加创新的方案降低油田开发成本”。为此，针对3000 米极深水和极地冰区环境，提出“高度集成、高度智能、完全水下和完全流动保障”四个方面的思想，将传统海底平面分散布置的水下装备集成到垂直的深水功能舱，形成基于大数据全面智能化和全水下立体空间布局的新一代水下生产系统的创新性完整方案，使其具有如下功能:

（1）创建基于深水功能舱的全干式和半干半湿式的紧凑型垂直水下布局，大幅降低水下系统装备成本并减少水下连接设备及其使用成本；

（2）创建以悬浮式水下丛式管汇为中心的全空间布局方案，大幅降低水下装备安装与拆除成本；

（3）实现基于纳米薄膜理论的油气水砂混输完全流动技术，大幅降低流动保障成本；

（4）实现基于大数据、云计算等信息技术和纳米智能材料的系统全智能化，大幅提高其安全可靠性。

二、项目研究内容与原始创新

本项目的指导思想：通过油气生产工艺与技术的研究，在深水油气田整体开发方案的指引下提出新一代水下生产系统的概念与指标体系；基于深水空间站提出紧凑型空间垂直布置的整体式全水下系统概念，避免了水下各装备的单体安装与水下连接；通过集钻、修、生产与控制于一体的新型水下采油树概念及油气水三相高效分离的紧凑型分离增压器方案，实现水下井口以上生产装置的高度集成，进而形成大幅降低开发成本的水下生产全系统空间布局的创新方案；利用纳米智能材料及其自修复与智能传感器技术，在大数据背景下实现水下系统全生命周期的健康监测、检测与预警技术，提高系统安全可靠性与服役寿命；通过开发各种梯级微观结构的自调控智能材料，研究基底表面构造微米/纳米薄膜材料的薄膜超疏油/超疏水技术，实现油气水砂混输的完全流动。

为此，提出了6个重大基础科学问题（深水巨型功能舱压溃屈曲及抗屈曲机理，复合夹层管阀结构流、固、热、腐蚀等多场耦合的基础理论，全生命周期大数据管理的可靠性计算理论，水下井口稳定性及功能舱承载机理，复合夹层结构抗剪切与疲劳损伤粘结技术及强度理论，水动力性能研究与井口稳定性理论）和6个主要核心关键技术（极深水功能舱进出舱与定位安装技术，智能制造监测与材料、智能传感器与预警及自修复，事故应急智能处理及多体功能舱连接技术，水下供配电全自动控制及油气水完全分离技术，海底能量转化的自俘能技术，油气水砂混输完全流动纳米薄膜制备技术）。

围绕提高系统安全可靠性，重点研究：智能制造、监测与预警技术，纳米智能自修复及材料技术，巨型深水功能舱式水下系统整体精确定位安装方案及参数控制技术，深水功能舱进出舱技术，段塞流等复杂流态下空间丛式管汇与漂浮软管耦合计算理论，基于完全流动的超疏油/超疏水管道气液固混输理论与工艺，自主决策智能控制技术。

围绕降低油田开发成本，重点研究：水下生产全系统集成整体功能舱垂直布置方案，同时满足钻修井、油气生产与安全控制的钻通型采油树系统方案，基于多场耦合多效协同的油气水三相高效分离技术及紧凑型分离增压器方案技术，多体功能舱快速连接与解脱技术，大幅降低成本的极深水油田水下生产系统全空间布局解决方案，实现油气水砂完全流动的纳米薄膜加热材料与工艺。

设置了如下8个课题：

课题1：水下生产系统方案研究

课题2：固定式深水功能舱式新一代水下生产系统关键技术研究

课题3：水上生产系统电力与智能控制全水下解决方案及关键技术研究

课题4：水下生产系统油气水砂混输完全流动解决方案及纳米薄膜技术研究

课题5：新一代水下生产系统智能材料与智能传感器关键技术研究

课题6：新一代水下生产系统全追溯智能制造及测试技术研究

课题7：基于大数据和云计算的新一代水下生产系统全生命周期监测技术和智能管理

课题8：新一代水下生产系统关键力学基础科学的理论研究

本项目的原创性主要体现在“基于大数据、云计算等信息技术和纳米智能材料的全智能化深水水下系统技术”，“基于深水功能舱全水下生产系统的集约式一体化技术”，“基于纳米薄膜理论的流动完全保障的油气水砂混输技术”和“水下生产系统全空间布局的高可靠性与低成本的新一代深水油气田开发解决方案”等四个方面，这些概念和思想及相关创新技术必将引领全球：

Ø 将传统海底水平布置的水下装备集成到基于深水功能舱的“ 整体垂直布置”， 避免了水下各装备的单体安装与水下连接；

Ø 形成基于大数据全面智能化和全水下立体空间布局的新一代水下生产系统的创新性完整方案，彻底改变了深水油气工程开发方案；

Ø “ 完全流动”概念的提出，彻底避免了流动安全保障带来的事故、风险和巨大投资；

Ø “全生命周期的全智能化”概念的引入，保障了油田从概念设计到水下生产系统设计、制造、测试、运输、安装、检测、监测、维护、修理、应急、拆除全生命周期的安全；

Ø 智能材料、智能传感器、自修复、自加热等相关概念和技术的实现更将颠覆 传统水下生产系统的设计理念。

三、预期成果和效益

项目牵头单位参与承担了国家科技重大专项、发改委及工信部海工专项、973 及 863 重点项目、国家自然科学基金等几乎所有水下装备关键技术的研究，其中采油树、管汇、连接器、阀门等已研制出样机，相关技术及装备已部分实现工业化应用。联合申报单位中海油研究总院是我国海洋石油行业深水装备与技术研发的规划、组织与实施单位和深水油气田开发的设计单位，领导和组织了中海油一系列水下系统的研发工作。同时联合中船重工702研究所、上海交通大学、清华、北大、中国科学院力学所等国内顶级研究机构和重庆前卫科技集团等国内水下生产系统主要制造企业，组织由国家杰出青年科学基金获得者等多学科攻关队伍，跨地区和行业协同创新，实现新一代水下生产系统引领全球的战略目标。