石油被稱為工業的血液，但更左右著世界經濟。目前持續的低油價沉重打擊了世界經濟的復蘇，中國經濟也受到嚴重沖擊。

高額的利潤和財富爭奪著石油資源，石油和龐大的相關產業繁榮著世界經濟。眾所周知，世界石油的增量在海上，而海洋石油的增量主要在深海。油價走低壓榨著利潤空間，使得依靠高投入維系高產出的海洋石油、特別是伴隨高風險的深海油氣日益艱難，更加使得包括更多高端產業的經濟鏈條徹底崩斷，世界經濟如大廈傾覆，蕭條不可避免。打破這個僵局的方式之一，就是降低油田開發成本，換取低油價下足夠的利潤空間，從而繼續原有產業鏈，并可能形成新的高端產業。

深水油氣田開發的技術核心是水下系統及其生產裝備，包括水面以下直至海底井口的全部裝置，其中與生產相關的統稱水下生產系統（Subsea Production System，簡稱SPS）。SPS主要包括水下井口、采油樹、海底管匯、水下閥門、分離器、增壓器、回注系統、水下電力單元、連接器、跨接管、管線及管匯終端、計量器、臍帶纜、管線與立管系統等。在國家科技部、工信部、發改委、國家海洋局和中海油等央企的大力支持下，上述裝備的國產化之路已經走了整整10年，但離中海油的工業化應用還需要更長的時間。我們面臨的最直接的問題，看起來是個簡單的打破國外壟斷、實現這些裝備的國產化。水下技術與裝備不僅悠關深水油氣田開發，也危及我國海上軍事安全，可以設想，海底布滿敵人的裝置，且不說海洋信息系統了，潛艇的一舉一動就在敵人眼皮底下。所以，無論如何，水下系統裝備必須全部國產化。有如我們的核武器，僅僅擁有就夠了嗎？對于深水油田來說，水下生產系統的方案設計不僅涉及水下系統裝置本身，更涉及整個油田的投資和運行成本，如設備的測試、運輸、安裝、檢測、監測、維護、修理、應急、拆除等等，每個環節都涉及巨大的投資和風險。按照國家科技體制改革的要求，如何從緊跟國際前沿、努力實現跨越和趕超，到完全實現引領，這就是國家重點研發計劃所追求的終極目標。

新一代水下生產系統要實現引領全球，必須提出全新的概念和思想，根本性地解決深水油氣田開發的2個核心的問題，即“如何提高水下裝置的安全可靠性以及通過更加創新的方案降低油田開發成本”。為此，針對3000 米極深水和極地冰區環境，提出“高度集成、高度智能、完全水下和完全流動保障”四個方面的思想，將傳統海底平面分散布置的水下裝備集成到垂直的深水功能艙，形成基于大數據全面智能化和全水下立體空間布局的新一代水下生產系統的創新性完整方案，使其具有如下功能:

（1）創建基于深水功能艙的全干式和半干半濕式的緊湊型垂直水下布局，大幅降低水下系統裝備成本并減少水下連接設備及其使用成本；

（2）創建以懸浮式水下叢式管匯為中心的全空間布局方案，大幅降低水下裝備安裝與拆除成本；

（3）實現基于納米薄膜理論的油氣水砂混輸完全流動技術，大幅降低流動保障成本；

（4）實現基于大數據、云計算等信息技術和納米智能材料的系統全智能化，大幅提高其安全可靠性。

二、項目研究內容與原始創新

本項目的指導思想：通過油氣生產工藝與技術的研究，在深水油氣田整體開發方案的指引下提出新一代水下生產系統的概念與指標體系；基于深水空間站提出緊湊型空間垂直布置的整體式全水下系統概念，避免了水下各裝備的單體安裝與水下連接；通過集鉆、修、生產與控制于一體的新型水下采油樹概念及油氣水三相高效分離的緊湊型分離增壓器方案，實現水下井口以上生產裝置的高度集成，進而形成大幅降低開發成本的水下生產全系統空間布局的創新方案；利用納米智能材料及其自修復與智能傳感器技術，在大數據背景下實現水下系統全生命周期的健康監測、檢測與預警技術，提高系統安全可靠性與服役壽命；通過開發各種梯級微觀結構的自調控智能材料，研究基底表面構造微米/納米薄膜材料的薄膜超疏油/超疏水技術，實現油氣水砂混輸的完全流動。

為此，提出了6個重大基礎科學問題（深水巨型功能艙壓潰屈曲及抗屈曲機理，復合夾層管閥結構流、固、熱、腐蝕等多場耦合的基礎理論，全生命周期大數據管理的可靠性計算理論，水下井口穩定性及功能艙承載機理，復合夾層結構抗剪切與疲勞損傷粘結技術及強度理論，水動力性能研究與井口穩定性理論）和6個主要核心關鍵技術（極深水功能艙進出艙與定位安裝技術，智能制造監測與材料、智能傳感器與預警及自修復，事故應急智能處理及多體功能艙連接技術，水下供配電全自動控制及油氣水完全分離技術，海底能量轉化的自俘能技術，油氣水砂混輸完全流動納米薄膜制備技術）。

圍繞提高系統安全可靠性，重點研究：智能制造、監測與預警技術，納米智能自修復及材料技術，巨型深水功能艙式水下系統整體精確定位安裝方案及參數控制技術，深水功能艙進出艙技術，段塞流等復雜流態下空間叢式管匯與漂浮軟管耦合計算理論，基于完全流動的超疏油/超疏水管道氣液固混輸理論與工藝，自主決策智能控制技術。

圍繞降低油田開發成本，重點研究：水下生產全系統集成整體功能艙垂直布置方案，同時滿足鉆修井、油氣生產與安全控制的鉆通型采油樹系統方案，基于多場耦合多效協同的油氣水三相高效分離技術及緊湊型分離增壓器方案技術，多體功能艙快速連接與解脫技術，大幅降低成本的極深水油田水下生產系統全空間布局解決方案，實現油氣水砂完全流動的納米薄膜加熱材料與工藝。

設置了如下8個課題：

課題1：水下生產系統方案研究

課題2：固定式深水功能艙式新一代水下生產系統關鍵技術研究

課題3：水上生產系統電力與智能控制全水下解決方案及關鍵技術研究

課題4：水下生產系統油氣水砂混輸完全流動解決方案及納米薄膜技術研究

課題5：新一代水下生產系統智能材料與智能傳感器關鍵技術研究

課題6：新一代水下生產系統全追溯智能制造及測試技術研究

課題7：基于大數據和云計算的新一代水下生產系統全生命周期監測技術和智能管理

課題8：新一代水下生產系統關鍵力學基礎科學的理論研究

本項目的原創性主要體現在“基于大數據、云計算等信息技術和納米智能材料的全智能化深水水下系統技術”，“基于深水功能艙全水下生產系統的集約式一體化技術”，“基于納米薄膜理論的流動完全保障的油氣水砂混輸技術”和“水下生產系統全空間布局的高可靠性與低成本的新一代深水油氣田開發解決方案”等四個方面，這些概念和思想及相關創新技術必將引領全球：

? 將傳統海底水平布置的水下裝備集成到基于深水功能艙的“ 整體垂直布置”， 避免了水下各裝備的單體安裝與水下連接；

? 形成基于大數據全面智能化和全水下立體空間布局的新一代水下生產系統的創新性完整方案，徹底改變了深水油氣工程開發方案；

? “ 完全流動”概念的提出，徹底避免了流動安全保障帶來的事故、風險和巨大投資；

? “全生命周期的全智能化”概念的引入，保障了油田從概念設計到水下生產系統設計、制造、測試、運輸、安裝、檢測、監測、維護、修理、應急、拆除全生命周期的安全；

? 智能材料、智能傳感器、自修復、自加熱等相關概念和技術的實現更將顛覆 傳統水下生產系統的設計理念。

三、預期成果和效益

項目牽頭單位參與承擔了國家科技重大專項、發改委及工信部海工專項、973 及 863 重點項目、國家自然科學基金等幾乎所有水下裝備關鍵技術的研究，其中采油樹、管匯、連接器、閥門等已研制出樣機，相關技術及裝備已部分實現工業化應用。聯合申報單位中海油研究總院是我國海洋石油行業深水裝備與技術研發的規劃、組織與實施單位和深水油氣田開發的設計單位，領導和組織了中海油一系列水下系統的研發工作。同時聯合中船重工702研究所、上海交通大學、清華、北大、中國科學院力學所等國內頂級研究機構和重慶前衛科技集團等國內水下生產系統主要制造企業，組織由國家杰出青年科學基金獲得者等多學科攻關隊伍，跨地區和行業協同創新，實現新一代水下生產系統引領全球的戰略目標。