深水油氣田開發(fā)工程中的基礎(chǔ)應(yīng)用探討

王麗勤，侯金林，龐 然，劉冬雪

(1.中海油研究總院，北京 100027;2.海王星海上工程技術(shù)有限公司，天津 300384）

深水油氣田開發(fā)工程中的基礎(chǔ)應(yīng)用探討

王麗勤1，侯金林1，龐 然2，劉冬雪2

(1.中海油研究總院，北京 100027;2.海王星海上工程技術(shù)有限公司，天津 300384）

在對國內(nèi)外深水油氣田開發(fā)中的張力腿平臺(tái)(TLP）、深水柱筒平臺(tái)(SPAR）、半潛式生產(chǎn)平臺(tái)、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置(FPSO）和水下生產(chǎn)系統(tǒng)(SBS）所采用的基礎(chǔ)型式進(jìn)行較詳細(xì)調(diào)研的基礎(chǔ)上，討論了常見的基礎(chǔ)型式的特點(diǎn)，考慮其實(shí)際應(yīng)用情況并結(jié)合我國南海深水油氣開發(fā)中可能采用的工程開發(fā)模式，探討我國深水油氣田開發(fā)適用的基礎(chǔ)型式，為我國深水油氣田工程設(shè)施及基礎(chǔ)的前期研究和工程設(shè)計(jì)提供參考。

深水油氣田;浮式生產(chǎn)系統(tǒng);水下生產(chǎn)系統(tǒng);基礎(chǔ)型式

海洋工程界通常認(rèn)為300 m以上為深水，1 500 m以上為超深水。目前世界上最深的海洋油氣田開發(fā)已超過2 500 m。開采水深的逐年推進(jìn)，使得各類平臺(tái)和采油設(shè)施不斷創(chuàng)新以適應(yīng)新的發(fā)展趨勢。要想將這些平臺(tái)設(shè)施長時(shí)間、較精確的保持在環(huán)境更惡劣的深水預(yù)定位置，這無疑對錨泊系統(tǒng)提出了更高的要求。深水錨泊問題也因此倍受學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的關(guān)注。

目前我國南海深水區(qū)域尚有很大的開發(fā)潛力，深水工程設(shè)施的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)將是我們需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文通過較詳細(xì)的調(diào)研，了解世界上深水油氣田開發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)應(yīng)用情況，探討適合我國南海油氣開發(fā)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式，對于推動(dòng)我國深水油氣田工程設(shè)施及基礎(chǔ)的前期研究和工程設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

1 深水油氣田開發(fā)工程中常用的基礎(chǔ)型式

深水中的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是將海上浮體或水下生產(chǎn)系統(tǒng)系留在預(yù)定水域的專用工程設(shè)施，可能貫入海底一定深度，也可能直接座在海床泥面。目前國內(nèi)外深水油氣田開發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)采用的錨基礎(chǔ)型式主要包括抓力錨、樁基礎(chǔ)、吸力式基礎(chǔ)、法向承力錨(VLA）、吸力埋入式板錨(SEPLA）和魚雷錨等。

1.1 抓力錨

抓力錨是比較傳統(tǒng)的基礎(chǔ)型式，通過被水平拖曳埋入泥面以下。其最大的特點(diǎn)是便于安裝，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，易于回收，可重復(fù)利用。由于抓力錨在水平拖拉埋入泥面過程中，位置和深度難以準(zhǔn)確確定，且主要承受水平力，通常應(yīng)用于水深較淺的海域。

1.2 樁基礎(chǔ)

樁基是固定式海洋平臺(tái)最常用的基礎(chǔ)型式 (通常300 m以內(nèi)），也可用作錨樁系泊各種海上設(shè)施。如圖1所示，樁基礎(chǔ)長徑比相對較大，其承載力的計(jì)算和安裝技術(shù)成熟可靠。樁基礎(chǔ)一般采用水下打樁錘進(jìn)行打入，也可以通過鉆井船鉆入。由于打樁錘在水深達(dá)到2 000 m以上時(shí)對船舶要求很高，整體造價(jià)較高，而鉆入樁的承載力由于其安裝方式而受到影響，所以樁基礎(chǔ)在超深水的應(yīng)用受到一定程度的限制。

圖1 打入樁工程圖片F(xiàn)ig.1 An example of driven pile

1.3 吸力式基礎(chǔ)

吸力式基礎(chǔ)貌似倒置的水桶，頂端封閉、下端敞開，見圖2。吸力式基礎(chǔ)應(yīng)用范圍廣泛，既可以用于固定式平臺(tái)的基礎(chǔ)或浮式生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的系泊錨，又能作為水下生產(chǎn)設(shè)施的支撐結(jié)構(gòu)。系泊纜可采用懸鏈線式和拉緊式。與樁基相比，其外徑較大。吸力式基礎(chǔ)安裝主要依靠壓力差原理，安裝方法簡單，安裝位置、方位、深度較易控制，且具有重復(fù)利用的可能性。其安裝時(shí)需要有一定起吊能力的工程船和水下機(jī)器人輔助完成。吸力式基礎(chǔ)在國外深水中的應(yīng)用技術(shù)相對比較成熟。

1.4 法向承力錨

法向承力錨(VLA），如圖3所示，通過一個(gè)稱為錨爪的大的承載板，調(diào)動(dòng)周圍土體的剪切強(qiáng)度來提供承載力，其抗拔承載力能夠達(dá)到錨自身重量的100倍以上。

圖2 吸力式基礎(chǔ)工程圖片F(xiàn)ig.2 An example of suction pile

圖3 VLA工程圖片F(xiàn)ig.3 Vertical loaded anchor

VLA的安裝過程與抓力錨相似，也具有施工方法簡單、易操作、回收方便等優(yōu)點(diǎn)。由于VLA可以承受垂直于承載板的垂向力，其承載力得以提高，可采用深水拉緊式系泊系統(tǒng)。

1.5 吸力埋入式板錨

吸力埋入式板錨(SEPLA，Suction Embedded Plate Anchor）在安裝之前，將板錨插入用于輔助安裝的吸力錨的底部縫隙中(圖4），借助吸力錨的貫入插入泥中，安裝完成后可回收吸力錨，板錨留在設(shè)計(jì)深度。此方法多被用于系泊移動(dòng)式鉆井裝置。

圖4 SEPLA工程照片F(xiàn)ig.4 Suction embedded plate anchor

SEPLA安裝時(shí)間相對吸力樁增加了30%，但由于吸力錨為輔助設(shè)施，經(jīng)濟(jì)性較好。與抓力錨相比，SEPLA的安裝地點(diǎn)和入泥深度都是事先確定的，安裝的精度比較高。

1.6 魚雷錨

魚雷錨屬于動(dòng)力嵌入錨，呈圓柱形管狀，內(nèi)部有填充物，吊耳位于錨頂部，錨底部通常是圓錐形，使得錨可以在自由落下后通過自重動(dòng)力定位完全埋入泥中。錨體本身可以帶鰭也可以不帶，如圖5所示。此類錨目前只在巴西海域有工程實(shí)例，用于系泊柔性立管、移動(dòng)式鉆井裝置和浮式生產(chǎn)設(shè)施。

圖5 魚雷錨的型式(不帶鰭型和帶鰭型）Fig.5 Torpedo pile

2 深水油氣田開發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)應(yīng)用情況

傳統(tǒng)的固定式平臺(tái)難以適應(yīng)深水油氣開發(fā)的需要，在過去的20多年中，張力腿平臺(tái)(TLP）、深水柱筒平臺(tái)(SPAR）、半潛式平臺(tái)、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置(FPSO）、水下生產(chǎn)系統(tǒng)(SBS）等結(jié)構(gòu)型式被運(yùn)用于深水油氣田開發(fā)，如圖6所示。

深水基礎(chǔ)的選擇和設(shè)計(jì)需要綜合考慮平臺(tái)選型、海底土質(zhì)、工作水深、環(huán)境荷載、系泊方式等多種因素，另外還需要考慮安裝的難易程度及支持設(shè)備費(fèi)用。土質(zhì)條件、基礎(chǔ)類型和基礎(chǔ)尺寸等直接決定了錨基礎(chǔ)的極限承載力。

圖6 深水油氣田開發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)示意圖Fig.6 Deepwater system types

2.1 張力腿平臺(tái)的基礎(chǔ)應(yīng)用

截至2010年初，世界范圍內(nèi)已投入使用的張力腿平臺(tái)共24座，其水深范圍147～1 425 m［1］。平臺(tái)的基礎(chǔ)型式主要是重力式基礎(chǔ)(含吸力式）和樁基礎(chǔ)。這些基礎(chǔ)被認(rèn)為是能夠抵抗長期拉力荷載較有效的基礎(chǔ)型式。

采用重力式基礎(chǔ)的平臺(tái)有3座，分別是Hutton TLP(147 m）、Snorre A TLP(335 m）［2］和 Heidrun TLP(345 m）。主要是由于重力式基礎(chǔ)在深水適用性受到限制。

另外的21座(占TLP平臺(tái)總數(shù)的88%）均采用了樁基礎(chǔ)［1，3－5］。平臺(tái)可以通過基盤與樁基連接(水深較淺），也可以直接跟樁基連接。以位于美國墨西哥灣海域1 311 m水深處的Marco Polo為例，此平臺(tái)屬于新型的TLP，平臺(tái)通過8根張力腿直接與樁基相連，基礎(chǔ)直徑1.93 m，長119 m;Magnolia TLP是世界上應(yīng)用水深最大的張力腿平臺(tái)，位于墨西哥灣，水深1 425 m，樁基直徑2.44 m，長 103 m［5］，樁重433 t。

2.2 SPAR平臺(tái)的基礎(chǔ)應(yīng)用

SPAR平臺(tái)具有良好的動(dòng)力穩(wěn)定性，能夠很好地滿足深度為500～3 000 m水域中石油的生產(chǎn)和儲(chǔ)存，已經(jīng)逐漸變成最具有吸引力和發(fā)展?jié)摿Φ钠脚_(tái)型式之一。

截至2011年初，全球的SPAR平臺(tái)共有17座，其水深范圍588～2 383 m［6］，除了Kikeh位于馬來西亞外，其余的均在墨西哥灣服役。平臺(tái)的基礎(chǔ)型式主要是吸力錨和樁基礎(chǔ)。

采用樁基礎(chǔ)的SPAR平臺(tái)有10座(59%），絕大多數(shù)集中在水深1 500 m以內(nèi)。Constitution平臺(tái)水深1 515 m，是采用樁基水深最大的SPAR平臺(tái)，其通過9個(gè)錨鏈與樁基礎(chǔ)相連，基礎(chǔ)直徑為2.13 m，長69.5 m。

另外的7 座平臺(tái)采用了吸力錨(41%）［7－9］，其應(yīng)用水深相對較大，分布在1 324～2 383 m。Holstein SPAR平臺(tái)工作水深1 324 m，平臺(tái)通過16條傳統(tǒng)的“鏈—鋼纜—鏈”式系泊纜索動(dòng)態(tài)定位，基礎(chǔ)長7.9 m，直徑5.5 m;Perdido SPAR平臺(tái)工作水深2 383 m，是世界上應(yīng)用水深最大的SPAR平臺(tái)。平臺(tái)采用了直徑為5.5 m、長為 26.5 ～31.4 m 的吸力錨［10］?？梢?，在超深水中應(yīng)用的SPAR，其基礎(chǔ)型式已經(jīng)逐步用吸力式基礎(chǔ)取代了打入樁。

2.3 半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的基礎(chǔ)應(yīng)用

截至2011年初，世界范圍內(nèi)已服役的半潛式生產(chǎn)平臺(tái)約29座(含F(xiàn)PU），應(yīng)用于水深300 m以上，其中7座位于超深水(1 500 m以上）［11］。

位于深水區(qū)的平臺(tái)，有10座(45%）采用吸力錨作為系泊基礎(chǔ)［12，13］，5 座(23%）采用了抓力錨，4 座(18%）采用了 VLA［14］，1座采用了魚雷錨，1座采用了SEPLA。我國位于流花11－1油田的南海挑戰(zhàn)號(330 m）的錨基礎(chǔ)是Bruce FFTS Mk4，屬于VLA。

在超深水服役的平臺(tái)，除了P－52(水深1 795 m，位于巴西的Roncador油田）采用了魚雷錨(由16個(gè)魚雷錨錨固在海底），除Thunder Hawk(1 739 m）采用了打入樁之外，其余5座全部采用吸力錨基礎(chǔ)［15］。Independence Hub(2 413 m）位于墨西哥灣，是目前世界上水深最大的半潛式生產(chǎn)平臺(tái)，采用12根聚酯系泊纜與直徑5.48 m、長27.43 m 的吸力錨連接［16］;Atlantis(2 156 m）是世界上第二系泊水深的半潛式生產(chǎn)平臺(tái)，也采用了吸力錨;Thunder Horse(1 849 m）平臺(tái)位于墨西哥灣，是世界上最大的FPU，通過16個(gè)直徑5.49 m、長28.65 m的吸力樁錨固在海底泥面上。Thunder Hawk(1 739 m）是目前世界上水深最大的采用打入樁為錨泊基礎(chǔ)的FPU，樁基直徑2.134 m，長65.5 m。

上述可見，吸力式基礎(chǔ)在半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的系泊基礎(chǔ)中占了很大的比重，且水深越大其優(yōu)勢越明顯。抓力錨作為生產(chǎn)式半潛平臺(tái)的系泊基礎(chǔ)，多用于幾百米水深以內(nèi)，由于抓力錨主要承受水平荷載，不太適宜用張緊或半張緊型錨泊線，所以其在深水的應(yīng)用受到了限制。盡管相對于TLP和SPAR平臺(tái)，半潛式平臺(tái)的地域分布性更廣一些，應(yīng)用的基礎(chǔ)類型也相對較多。但是目前魚雷錨只有在巴西海域的應(yīng)用實(shí)例，SEPLA是專利產(chǎn)品?？傮w看來，吸力錨的應(yīng)用目前也是半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的主流基礎(chǔ)趨勢。

2.4 FPSO的基礎(chǔ)應(yīng)用

FPSO(Floating Production Storage and offloading）即浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油系統(tǒng)，是海上油氣開發(fā)的一種重要設(shè)施。

截至2010年年中，世界范圍內(nèi)改造和服役的FPSO約160多艘。其中約70艘服役水深超過300 m，包括6艘位于超深水［17］。據(jù)查到的資料顯示，服役的 FPSO 有 24艘(34%）采用了吸力錨［18－23］，4 艘采用了打入樁，4艘采用了抓力錨，2艘采用了VLA，2艘采用了魚雷錨。

其中位于我國海域陸豐22－1油田的奎寧號(330 m）采用了吸力式基礎(chǔ)，位于流花11－1的南海勝利號采用了拖曳埋入式抓力錨。BW Pioneer FPSO是美國墨西哥灣的首座FPSO，也是迄今為止全世界水深最大的FPSO，達(dá)到了2 600 m，其錨泊基礎(chǔ)采用吸力式基礎(chǔ)。

與半潛式生產(chǎn)平臺(tái)類似，VLA和魚雷錨還沒有得到大范圍的應(yīng)用。而吸力式基礎(chǔ)幾乎遍布了石油資源較豐富的海域，如巴西、西非、墨西哥灣、北海、亞洲東海岸、澳大利亞等。

2.5 水下生產(chǎn)系統(tǒng)

水下生產(chǎn)系統(tǒng)是通過水下井口、水下生產(chǎn)設(shè)施以及海底管線和電纜，將油氣混合物輸送至處理平臺(tái)或岸上油氣處理廠來實(shí)現(xiàn)海上油氣田開發(fā)的［24］。水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備中的管匯、海管終端、泵站、回接支撐等，都需要有一定的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)將它們固定在海底。

常用的除了類似于平臺(tái)的防沉板結(jié)構(gòu)的支撐框架直接放置于海床外，在深水絕大多數(shù)都是采用吸力式基礎(chǔ)來固定［25－28］，目前應(yīng)用水深超過了2 000 m。例如 Blind Faith［29］的海管終端采用了直徑 4.88 m、長27.83 m的吸力式基礎(chǔ)(圖7），安裝水深2 103 m;Shell Perdido［30］項(xiàng)目中將直徑 5.49 m、長度 24.4 m的吸力式基礎(chǔ)用于管匯，水深2 383 m;Cascade and Chinook油田的管匯和泵站都用了吸力式基礎(chǔ)，管匯的基礎(chǔ)直徑4.88 m，長21.8 m，泵站的基礎(chǔ)尺度相對較大，直徑為5.49 m，長27.4 m。

圖7 用于Blind Faith油田PLET的吸力式基礎(chǔ)Fig.7 Suction pile used in Blind Faith oil field

3 我國南海深水油氣田開發(fā)中基礎(chǔ)應(yīng)用前景

我國南海的深水海域蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源，據(jù)估計(jì)，南海的石油總儲(chǔ)量為230～300億噸［31］，有著廣闊的深海油氣開發(fā)前景。

目前美國和巴西的深水油氣田開發(fā)規(guī)模和技術(shù)水平居世界領(lǐng)先地位。借鑒國外的成功經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合我國海底管網(wǎng)缺乏、具有FPSO的資源優(yōu)勢等，采用“浮式鉆采平臺(tái)－FPSO－水下井口及水下生產(chǎn)系統(tǒng)”的模式比較適合我國［32］。結(jié)合深水浮式平臺(tái)的性能特點(diǎn)，綜合多方面因素，我國南海深水油氣田開發(fā)在1 500 m范圍內(nèi)，可以以常規(guī)TLP平臺(tái)或者半潛式平臺(tái)作為首選。在超深水，可以以半潛式平臺(tái)為首選，同時(shí)也進(jìn)行對SPAR平臺(tái)的研發(fā)［33］。

基礎(chǔ)作為深水油氣田開發(fā)工程設(shè)施的重要組成部分，是平臺(tái)能否成功使用的前提條件，也在某種程度上標(biāo)志著一個(gè)國家開發(fā)深水油氣田的技術(shù)水平。結(jié)合上文調(diào)研結(jié)果，考慮我國有抓力錨、打入樁和吸力式基礎(chǔ)的淺水設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，建議深水基礎(chǔ)可以針對上述三種為主進(jìn)行研究;超過1 000 m的深水區(qū)域，打入樁和吸力式基礎(chǔ)可以作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)研究的重點(diǎn)，因?yàn)樵谏钏?，傳統(tǒng)的呈懸鏈線形狀的錨鏈已逐漸為張緊或半張緊形狀的錨泊線所代替，抓力錨不適合承受傾斜荷載;而在超深水區(qū)域，打入樁自重貫入的穩(wěn)定性以及水下打樁錘的巨大費(fèi)用及樁基礎(chǔ)本身的用鋼量大等問題，導(dǎo)致了樁基礎(chǔ)在超深水的發(fā)展受到限制，吸力式基礎(chǔ)則成為發(fā)展重點(diǎn)。

吸力樁與其他類型的系泊基礎(chǔ)相比，具備著安裝地點(diǎn)準(zhǔn)確，施工簡便，不需要拖拉操作，對土體本身的強(qiáng)度影響較小，使用安全可靠，有重復(fù)利用的可能性等特點(diǎn)，所以在超深水區(qū)域，吸力式基礎(chǔ)的優(yōu)勢則更加明顯。另外從工程勘探造價(jià)出發(fā)，吸力式基礎(chǔ)的埋置深度相對長樁淺，比較經(jīng)濟(jì)。深水吸力式基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與淺水差別不大，在深水作業(yè)，吸力式基礎(chǔ)的安裝首先要解決施工動(dòng)力泵和控制測量系統(tǒng)的耐壓和深海長距離的臍帶纜釋放等問題。

4 結(jié)束語

各類基礎(chǔ)型式都有其特點(diǎn)和適用范圍。作為深水油氣田開發(fā)工程的重要組成部分，基礎(chǔ)的選擇是平臺(tái)能否成功使用的前提條件，也標(biāo)志著一個(gè)國家開發(fā)深水油氣田的技術(shù)水平。我國深海油氣開發(fā)剛剛起步，借鑒和吸取國外深水基礎(chǔ)的成功經(jīng)驗(yàn)，研究適合我國深水工程設(shè)施的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，對于保證工程設(shè)施的安全，有效地降低工程投資將具有重要的意義。

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The application of foundations in deepwater oil and gas field development engineering

WANG Liqin1，HOU Jinlin1，PANG Ran2，LIU Dongxue2
(1.CNOOC Research Center，Beijing，100027，China;2.Neptune Offshore Engineering Development Co.Ltd.，Tianjin 300384，China）

Based on comprehensive review of foundation types used in the development of deepwater oil and gas fields in the world，the characteristics of all popular foundation types have been compared and their applications in the current production system of oil and gas development have been presented.According to possible development scheme in the South China Sea，the applicable foundation types have been evaluated.The findings presented in this paper could be useful in the selection of foundation type for deepwater oil and gas development in the South China Sea.

deepwater oil and gas development;floating production system;subsea production system;foundation type

TE54

A

10.3969/j.issn.1008－2336.2011.04.087

1008－2336(2011）04－0087－06

國家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”(2008ZX05056）研究成果。

2011－05－11;改回日期:2011－06－24

王麗勤，女，1976生，2006年畢業(yè)于大連理工大學(xué)港口、海岸與近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，博士，現(xiàn)為中海石油研究總院工程設(shè)計(jì)研究院海工結(jié)構(gòu)工程師。E-mail:wanglq3@cnooc.com.cn。