孫偉

【摘 要】隨著全球能源需求量的不斷增加，海洋油氣的開發(fā)速度日益加快，勘探開發(fā)越來越向深水延伸。由于深水油氣的進入門檻高，投資回報高，一直是國際大石油公司的傳統(tǒng)優(yōu)勢領(lǐng)域，受其技術(shù)壟斷影響，國內(nèi)發(fā)展速度一直緩慢?；趪鴥?nèi)深海油氣資源開發(fā)的戰(zhàn)略需求，通過各種渠道對這些深海油氣開發(fā)裝備進行調(diào)研和分析，以期為國內(nèi)深水裝備的研發(fā)提供一定的信息性參考。

【關(guān)鍵詞】深海油氣；開發(fā)裝備；調(diào)研；前景

Investigate and Survey and Prospect Analysis on Deep Offshore Oil & Gas Develop Equipment

SUN Wei

（1.Qingdao Huanghai College， Qingdao Shandong 266520， China；

2.China University of Petroleum， Qingdao Shandong 266580， China）

【Abstract】With the continuous increasing of global energy requirement， offshore oil and gas developing becomes faster and faster， more and more in deep offshore developing. It is very difficult to enter the deep offshore oil and gas developing field， yet the return of investment is much higher accordingly， deep offshore developing is traditionally competitive area for those huge international oil companies. Because of technical monopoly， developing at home faces many difficulties. Base on the strategy requirement to develop deep offshore oil and gas， this title elaborates some investigating and surveying information about deep offshore oil and gas developing equipment， which is expected to be a valuable reference for national deep offshore developing equipment research.

【Key words】Deep offshore oil & gas； Develop equipment； Investigate and survey； Prospect

0 前言

全球海洋油氣儲量巨大，據(jù)統(tǒng)計，全球海洋油氣儲量為1000億噸至2500億噸油當量，占探明總儲量的34%，這個數(shù)據(jù)還不包括那些藏在深海未被勘探到的油氣儲量。從國際能源署公布的數(shù)據(jù)看，近10年，發(fā)現(xiàn)的超過1億噸儲量的大型油氣田中，海洋油氣占到60%，其中一半是在水深500m以上的深海。相對于淺海油氣開發(fā)來說，深海開發(fā)投入成本和技術(shù)難度高、風(fēng)險大，但是投資回報率也相應(yīng)較高，種種信息都將未來油氣最具投資價值的領(lǐng)域指向了藍色的深海。

我國管轄海域油氣資源非常豐富，有渤海、南黃海、東海和南海四個海上油氣產(chǎn)區(qū)，但油氣開發(fā)程度目前相對較低，國內(nèi)油氣資源供應(yīng)形勢十分嚴峻，供需矛盾十分突出，預(yù)計到2020年對外依存度將達到70%。目前，我國海洋石油開采多處于沿海大陸架200m水深以內(nèi)海域，由于沒有成熟的深水開發(fā)技術(shù)，蘊藏有豐富油氣資源的南海深水區(qū)的開發(fā)舉步維艱。南海是我國深海油氣資源開發(fā)的重中之重，現(xiàn)在已投入使用的半潛式鉆井平臺“海洋石油981”僅是海洋油氣開采前期的鉆井平臺，后續(xù)開采環(huán)節(jié)還需要各種生產(chǎn)平臺和設(shè)施。若要更好推進我國深海油氣資源的開發(fā)，需要深入研究世界深海油氣開發(fā)裝備的現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢，為油氣田開發(fā)方案的選擇提供方向性理論指導(dǎo)，從而有針對性研發(fā)適合我國深海油氣田開發(fā)用的裝備和技術(shù)。

1 概述

海洋油氣的開發(fā)基本概括為勘探、鉆井、采油、集輸?shù)纫幌盗羞^程，每個作業(yè)環(huán)節(jié)都有相應(yīng)的工程裝備，而石油平臺是海洋油氣開發(fā)裝備的統(tǒng)稱。目前，深海主要的鉆井平臺有半潛式鉆井平臺和鉆井船，主要的生產(chǎn)平臺有張力腿平臺（TLP）、柱式平臺（Spar）和浮式生產(chǎn)儲卸油系統(tǒng)[1]（FPSO），其中Spar平臺一般設(shè)計為鉆采一體平臺。下面從結(jié)構(gòu)特征、關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展前景等方面對這幾類重要深海石油裝備進行詳細系統(tǒng)的介紹。

2 深海鉆井平臺

2.1 半潛式平臺

半潛式平臺是順應(yīng)深水油氣開發(fā)而生的應(yīng)用前景最好的鉆井平臺之一。結(jié)構(gòu)上主要分為上部組塊、下部浮體、中間立柱三大部分（如圖1）。

上部組塊在任何時候都處在海面以上一定高度，下部浮體在航行狀態(tài)下是浮在海面上，浮體的浮力支撐著整個裝置的重量。在鉆井作業(yè)期間，下部浮體潛入海面以下一定的深度，躲開海面飛濺區(qū)的最強烈風(fēng)浪作用，只留部分立柱和上部組塊在海面以上。因在工作狀態(tài)時一半潛入海面以下的特點而被命名為半潛式平臺。這種鉆井平臺在水深較淺時也可以坐在海底進行鉆井。

目前，新型半潛式平臺一般都配有自航能力和動力定位系統(tǒng)。中國海洋石油（以下簡稱中海油）持有的“海洋石油981”是目前國內(nèi)建成的第六代超深水半潛式鉆井平臺（如圖2），中海油擁有船型設(shè)計知識產(chǎn)權(quán)。該平臺的建成投產(chǎn)是我國自主設(shè)計、研發(fā)和建造最先進深水半潛式平臺的重要里程碑。

半潛式鉆井平臺的優(yōu)點是適用海域范圍廣，特別是海況條件惡劣的深海海域，抵抗風(fēng)浪能力較大，穩(wěn)定性好。缺點是平臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高，自持能力稍差，機動性也稍差，自航速度低，有時需要拖航[2]。

半潛式平臺未來的發(fā)展方向是更大的工作水深，更穩(wěn)定的在位工況狀態(tài)，更優(yōu)良的安全防暴能力，更先進的鉆井設(shè)備以及更經(jīng)濟更安全的平臺主體設(shè)計。

2.2 鉆井船

鉆井船是從普通船體基礎(chǔ)上發(fā)展起來的移動式石油開采裝備。從外形結(jié)構(gòu)上看，船體與一般船舶無二，但是其內(nèi)部集成了實現(xiàn)石油開采功能的所有裝備。所有的鉆井設(shè)備、油氣處理集輸設(shè)備及生活區(qū)、直升飛機平臺等都集成在了船上（如圖3）。

鉆井船在海上只能進行浮式鉆井作業(yè)。作業(yè)期間，船體受到風(fēng)、浪、流的作用，會產(chǎn)生較大自由運動，例如，搖擺、升降和橫向漂移等，給鉆井作業(yè)帶來很大的影響，甚至使鉆井作業(yè)無法進行。所以，鉆井船需要設(shè)計穩(wěn)固的定位系統(tǒng)。常用的有錨泊系統(tǒng)定位和動力定位，近幾年，隨著傳感器及自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展，鉆井船的作業(yè)穩(wěn)定性取得了突破性發(fā)展。除了設(shè)計良好的定位系統(tǒng)外，通過增大船體噸位或做成雙體船外型等也是提高鉆井船抵抗風(fēng)、浪、流的能力及提高穩(wěn)定性的有效措施。目前，對深海鉆井船的研究熱點主要有總體動力響應(yīng)分析、錨泊系統(tǒng)的設(shè)計與分析、動力定位系統(tǒng)的研究以及月池、鉆井甲板等特殊結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析。

3 深海生產(chǎn)平臺

3.1 張力腿平臺（TLP）

前面介紹的半潛式平臺和鉆井船主要用于深海的鉆井作業(yè)，而深海的生產(chǎn)平臺目前主要是張力腿平臺（TLP）。張力腿平臺的英文全稱是Tension Leg Platform，簡稱TLP。顧名思義，張力腿平臺利用豎向繃緊狀態(tài)下的錨索鏈產(chǎn)生的拉力與平臺的剩余浮力相平衡來達到穩(wěn)定狀態(tài)。張力腿平臺采用錨泊定位，但與半潛式平臺錨泊系統(tǒng)不同，其所用錨索是緊繃成直線的，不是懸垂曲線，鋼索的下端與水底面幾乎垂直，用的錨是樁錨（即打入水底的樁作為錨）或重力式錨等，不是一般容易起出的轉(zhuǎn)爪錨。

張力腿平臺的重力小于浮力，所相差的力依靠錨索向下的拉力來補償，且此拉力應(yīng)大于波浪產(chǎn)生的力，使錨索上保持向下的拉力，起著緊繃平臺的作用，因此，張力腿平臺豎向位移最穩(wěn)定（如圖4）。

第一代張力腿平臺是從半潛式平臺發(fā)展過來的，因此兩種平臺主體結(jié)構(gòu)形式類似，差別在于：張力腿平臺的甲板一般呈正方形，半潛式平臺一般呈長方形；張力腿平臺的浮箱要相互連通，半潛式的浮箱可不連通。隨著平臺形式的改進，產(chǎn)生了包括單柱式TLP在內(nèi)的多種新型張力腿平臺（如圖5）。

TLP平臺一般應(yīng)用于300m-1500m水深范圍深海油氣開發(fā)，目前應(yīng)用最大水深為1580m，最淺為147m。身為深水平臺，張力腿式平臺對極端不良環(huán)境有較好的適應(yīng)能力，且經(jīng)濟性較好，深受油氣開發(fā)者青睞。與半潛式生產(chǎn)平臺相比，TLP平臺顯著優(yōu)點是可采用干式采油樹系統(tǒng)進行鉆完井和生產(chǎn)作業(yè)，這主要歸功于TLP平臺獨特的運動特點。

TLP平臺的研發(fā)方向是整體性能優(yōu)化和更為經(jīng)濟有效的結(jié)構(gòu)型式研究[3]，以適應(yīng)2500m以上的超深水海域和邊際油田的開發(fā)需要，另外對張力腿平臺系索系統(tǒng)的研究也是重要的課題，尤其是性價比更高的系索材料研究，對降低TLP隨水深增加的成本敏感度有積極重要的意義。

3.2 SPAR平臺

SPAR是在柱形浮標和張力腿平臺概念的基礎(chǔ)上提出的一種深水平臺。主體是單圓柱結(jié)構(gòu)，垂直懸浮于水中，特別適宜于深水作業(yè)，在深水環(huán)境中運動穩(wěn)定性、安全性良好，是極具發(fā)展前景的超深水海洋石油平臺類型。

SPAR平臺的主體可分為幾個部分，有的部分為全封閉式結(jié)構(gòu)，有的部分為開放式結(jié)構(gòu)，但各部分的橫截面都具有相同的直徑。由于主體吃水很深，平臺的垂蕩和縱蕩運動幅度很小，使得SPAR平臺能夠安裝剛性的垂直立管系統(tǒng)，承擔鉆探、生產(chǎn)和油氣集輸工作[4]。

SPAR平臺是深水平臺發(fā)展的前沿平臺類型，其強大的綜合處理能力和超深水工作特性也造就了其設(shè)計建造的施工難度，SPAR平臺作為世界深海油氣開發(fā)的主力研發(fā)裝備之一，也是我國今后南海深水海域油氣勘探開發(fā)系統(tǒng)裝備的重點選擇目標。目前，國內(nèi)僅處在SPAR平臺設(shè)計建造可行性研究階段（如圖6）。

3.3 FPSO

FPSO英文全稱為Float Production Storage and Offloading，中文是海上浮式生產(chǎn)儲卸油裝置。FPSO是對開采的石油進行油氣分離、處理含油污水、動力發(fā)電、供熱、原油產(chǎn)品的儲存和運輸，集人員居住與生產(chǎn)指揮系統(tǒng)于一體的綜合性的大型海上石油生產(chǎn)基地。FPSO是由船體和各種功能模塊構(gòu)成的集成體。其船體部分既可以按特定要求新建，也可以用油輪或駁船改裝（如圖7）。

FPSO采用單點系泊模式在海面上固定，有的有自航能力，有的則沒有。FPSO通常與采油平臺或海底采油系統(tǒng)組成一套完整的采油、原油處理、儲油和卸油系統(tǒng)，其作業(yè)原理是：通過海底輸油管線接收從采油平臺或水下采油井口中采出的原油，并在船上進行處理，然后儲存在油艙內(nèi)，最后通過卸載系統(tǒng)輸往穿梭油輪或通過外輸海底管線輸送至陸地終端。

與其他類型平臺相比，F(xiàn)PSO具有抗風(fēng)浪能力強、適應(yīng)水深范圍廣、儲/卸油能力大以及可轉(zhuǎn)移、重復(fù)使用的優(yōu)點，廣泛適合于遠離海岸的深海、淺海海域及邊際油田的開發(fā)，已成為海上油氣田開發(fā)的主流生產(chǎn)方式。近年來，F(xiàn)PSO呈現(xiàn)出建造技術(shù)模塊化特點，動力配置加大，生產(chǎn)能力加強，更涌現(xiàn)出如浮式液化天然氣生產(chǎn)儲油船（LNG/LPG FPSO）、浮式鉆探生產(chǎn)儲油船F(xiàn)DPSO等新概念船。

4 其他工程裝備

除了上述幾種石油平臺之外，還有海洋油氣開發(fā)的輔助裝備，比如，海洋油氣開發(fā)前期的物探船、勘察船、石油平臺安裝運輸用駁船、海上浮吊船、海洋油氣管線鋪管船、水下安裝維修監(jiān)測用機器人特種裝備等（如圖8）。

深海油氣田的開發(fā)必定會承擔巨大的經(jīng)濟、安全風(fēng)險，因此對諸如油氣田產(chǎn)量勘察與評估、海上生產(chǎn)過程安全性保障等所需的裝備也是研發(fā)的主要方向。

海洋油氣田開發(fā)選擇什么樣的平臺形式主要考慮平臺所處的水深，海底地質(zhì)條件，風(fēng)、浪、流等海洋環(huán)境[5]以及油氣外輸?shù)氖袌鲂枨蠛陀吞飬^(qū)塊開發(fā)經(jīng)濟效益整體評估等因素。

5 結(jié)論

本文以深海油氣資源開發(fā)的迫切需求為背景，系統(tǒng)性介紹了當前主流的深水油氣開發(fā)裝備。通過調(diào)研及特點分析可見，適用海域范圍廣、抗風(fēng)浪能力強、穩(wěn)定性好的半潛式鉆井平臺將成為100m以上到幾千米中深水海域油氣田開發(fā)的主要鉆井平臺類型；對于200m以上到幾千米的中深水海域，以TLP為主的生產(chǎn)平臺和水下生產(chǎn)井口逐漸成為主流開發(fā)裝備；FPSO作為油氣生產(chǎn)的中轉(zhuǎn)站，在大型油氣田區(qū)域化開發(fā)中逐漸成為主流裝備；隨著進軍深水及超深水步伐的加快，可以預(yù)見不久的將來，SPAR平臺將在超深水領(lǐng)域油氣開發(fā)中大展身手。

全球油氣產(chǎn)儲量的1/3來自海洋，且海洋油氣勘探開發(fā)越來越向深水延伸，近年來，全球重大油氣發(fā)現(xiàn)大部分都來自深水領(lǐng)域。深水勘探開發(fā)能力是國際大石油公司的傳統(tǒng)優(yōu)勢領(lǐng)域，無論油價漲落，他們都始終堅守著這一戰(zhàn)略高地。對深海油氣開發(fā)裝備進行必要的調(diào)研與前景分析，打破國外技術(shù)信息壁壘，對促進國內(nèi)深水裝備研發(fā)，保障國家能源安全具有現(xiàn)實意義。

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