目前，我国已经探明的海洋油气主要分布在近海海域，其中很多边际小区块油田有待开发。对于这样的小区块边际油田，如果采用管道集输、固定储罐平台或者单井靠船的生产方式进行开发，则开发成本过高，出现入不敷出的窘况。因此出现了水下储油的生产方式，即将开采的原油直接储存在水下的储罐内，然后利用油轮集中输运。水下储油需要克服储罐所受的巨大浮力，主要有重力式平台水下储油和油水置换水下储油两种方式。重力式平台规模大、投资高，且储油量变化引起地基受力变化大，一般不适合边际油田采用。油水置换的储油方式虽然合适，但是容易造成海洋污染，限制了油水置换技术的应用。由此出现了隔离式无污染水下储罐。本研究在无污染水下储油技术的基础上，首先提出了无污染水下储油模式。针对海上石油开采、储存过程中可能出现的石油泄漏问题，提出了新型的水下漏油应急回收和储存装置，进行了相关的原理试验以及海上中间试验。主要完成的研究工作包括：提出了三种新型的无污染水下储油模式，即浅海固定式平台＋油罐模式、浅海沉垫水下储油平台模式、深海水下储油＋浮动卸油码头模式；进行了无污染水下储油的物模验证试验，包括工艺试验和保温性能测试两部分。分别选用柴油、凡士林油、含水柴油作为介质，开展油水置换工艺试验，试验显示，油水隔离成功地防止了油水的接触污染，证明了油水隔离水下储油工艺的可行性；选用涂塑玻璃纤维布作为保温内胆的制作材料，通过基于神经网络的软测量方法计算得到原油温度，进行了保温性能的定性、定量研究，结果表明：高凝原油在一定时间内温度变化不大，仍具有良好的流动性，水下储油系统存储高凝原油是可行的。海上石油的开采，一直与事故和风险相伴，由于管道破裂、平台损坏或者工作人员操作不慎等原因，在油气开采过程中可能会出现原油泄漏的事故，其对环境和生态的影响是巨大的。针对水下储油意外事故可能出现的原有泄漏问题，本文提出了一种新的水下漏油应急回收与暂存技术，并通过原理性的验证试验，模拟了水下漏油回收与暂存工作主要阶段和过程，分析了回收装置在原理实现方面可能遇到的问题和在波流作用下的锚系缆受力情况。试验结果证明，水下漏油收集和暂存技术在实际中是可行的。本文建立了波浪与漏油收集囊相互作用的CIP数值计算模型，对不同模型形式和尺寸及位置的收集囊的受力和运动响应进行了数值模拟。模拟结果表明，表面光滑的模型受波浪力较小，增大模型的高度会增加模型所受的力，把模型放置在水下可减少模型受波浪的影响。对上述模拟结果进行了频域分析，结果表明，同体积的漏油收集囊，软体囊的受力小于刚体囊。工程设计时，采用刚体囊进行计算，其结果是偏于安全的。另外，本文还对水下隔膜受波浪力的影响进行了模拟，结果表明水油隔膜受波浪力的影响较小。数值结果与试验结果的一致性表明，开发的数学模型对上述问题的研究具有较好的适用性。最后，介绍了基于无污染水下储油技术以及水下漏油回收与暂存技术所进行的示例工程设计和海上中间试验。针对胜利海上油田油藏、地质、集输等条件主要进行了1200方浅海水下储油平台总体及结构设计。计算表明，储油平台符合强度与稳定性要求。通过对上述的储油平台储油工艺流程进行设计，比选了各流程的相关方案；通过海上中间试验，测试水下储油的整套工艺及相关流程，验证水下储油防污染及保温关键技术的工程可行性，发现和解决各过程中存在的问题。本试验对无污染水下储油技术以及水下漏油回收与暂存技术的应用和推广，具有非常显著的参考价值和借鉴意义。