深海油氣開(kāi)發(fā)裝備調(diào)研與前景分析

孫偉

【摘 要】隨著全球能源需求量的不斷增加，海洋油氣的開(kāi)發(fā)速度日益加快，勘探開(kāi)發(fā)越來(lái)越向深水延伸。由于深水油氣的進(jìn)入門(mén)檻高，投資回報(bào)高，一直是國(guó)際大石油公司的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域，受其技術(shù)壟斷影響，國(guó)內(nèi)發(fā)展速度一直緩慢?；趪?guó)內(nèi)深海油氣資源開(kāi)發(fā)的戰(zhàn)略需求，通過(guò)各種渠道對(duì)這些深海油氣開(kāi)發(fā)裝備進(jìn)行調(diào)研和分析，以期為國(guó)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(kāi)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(chǔ)量巨大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球海洋油氣儲(chǔ)量為1000億噸至2500億噸油當(dāng)量，占探明總儲(chǔ)量的34%，這個(gè)數(shù)據(jù)還不包括那些藏在深海未被勘探到的油氣儲(chǔ)量。從國(guó)際能源署公布的數(shù)據(jù)看，近10年，發(fā)現(xiàn)的超過(guò)1億噸儲(chǔ)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(duì)于淺海油氣開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，深海開(kāi)發(fā)投入成本和技術(shù)難度高、風(fēng)險(xiǎn)大，但是投資回報(bào)率也相應(yīng)較高，種種信息都將未來(lái)油氣最具投資價(jià)值的領(lǐng)域指向了藍(lán)色的深海。

我國(guó)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(gè)海上油氣產(chǎn)區(qū)，但油氣開(kāi)發(fā)程度目前相對(duì)較低，國(guó)內(nèi)油氣資源供應(yīng)形勢(shì)十分嚴(yán)峻，供需矛盾十分突出，預(yù)計(jì)到2020年對(duì)外依存度將達(dá)到70%。目前，我國(guó)海洋石油開(kāi)采多處于沿海大陸架200m水深以內(nèi)海域，由于沒(méi)有成熟的深水開(kāi)發(fā)技術(shù)，蘊(yùn)藏有豐富油氣資源的南海深水區(qū)的開(kāi)發(fā)舉步維艱。南海是我國(guó)深海油氣資源開(kāi)發(fā)的重中之重，現(xiàn)在已投入使用的半潛式鉆井平臺(tái)“海洋石油981”僅是海洋油氣開(kāi)采前期的鉆井平臺(tái)，后續(xù)開(kāi)采環(huán)節(jié)還需要各種生產(chǎn)平臺(tái)和設(shè)施。若要更好推進(jìn)我國(guó)深海油氣資源的開(kāi)發(fā)，需要深入研究世界深海油氣開(kāi)發(fā)裝備的現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，為油氣田開(kāi)發(fā)方案的選擇提供方向性理論指導(dǎo)，從而有針對(duì)性研發(fā)適合我國(guó)深海油氣田開(kāi)發(fā)用的裝備和技術(shù)。

1 概述

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

2 深海鉆井平臺(tái)

2.1 半潛式平臺(tái)

半潛式平臺(tái)是順應(yīng)深水油氣開(kāi)發(fā)而生的應(yīng)用前景最好的鉆井平臺(tái)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(shí)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(gè)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(kāi)海面飛濺區(qū)的最強(qiáng)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(shí)一半潛入海面以下的特點(diǎn)而被命名為半潛式平臺(tái)。這種鉆井平臺(tái)在水深較淺時(shí)也可以坐在海底進(jìn)行鉆井。

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

半潛式鉆井平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高，自持能力稍差，機(jī)動(dòng)性也稍差，自航速度低，有時(shí)需要拖航[2]。

半潛式平臺(tái)未來(lái)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(jìn)的鉆井設(shè)備以及更經(jīng)濟(jì)更安全的平臺(tái)主體設(shè)計(jì)。

2.2 鉆井船

鉆井船是從普通船體基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的移動(dòng)式石油開(kāi)采裝備。從外形結(jié)構(gòu)上看，船體與一般船舶無(wú)二，但是其內(nèi)部集成了實(shí)現(xiàn)石油開(kāi)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(jī)平臺(tái)等都集成在了船上（如圖3）。

鉆井船在海上只能進(jìn)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(huì)產(chǎn)生較大自由運(yùn)動(dòng)，例如，搖擺、升降和橫向漂移等，給鉆井作業(yè)帶來(lái)很大的影響，甚至使鉆井作業(yè)無(wú)法進(jìn)行。所以，鉆井船需要設(shè)計(jì)穩(wěn)固的定位系統(tǒng)。常用的有錨泊系統(tǒng)定位和動(dòng)力定位，近幾年，隨著傳感器及自動(dòng)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(jì)良好的定位系統(tǒng)外，通過(guò)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(duì)深海鉆井船的研究熱點(diǎn)主要有總體動(dòng)力響應(yīng)分析、錨泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析、動(dòng)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(jì)與分析。

3 深海生產(chǎn)平臺(tái)

3.1 張力腿平臺(tái)（TLP）

前面介紹的半潛式平臺(tái)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(tái)目前主要是張力腿平臺(tái)（TLP）。張力腿平臺(tái)的英文全稱是Tension Leg Platform，簡(jiǎn)稱TLP。顧名思義，張力腿平臺(tái)利用豎向繃緊狀態(tài)下的錨索鏈產(chǎn)生的拉力與平臺(tái)的剩余浮力相平衡來(lái)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。張力腿平臺(tái)采用錨泊定位，但與半潛式平臺(tái)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(tái)的重力小于浮力，所相差的力依靠錨索向下的拉力來(lái)補(bǔ)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(tái)的作用，因此，張力腿平臺(tái)豎向位移最穩(wěn)定（如圖4）。

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

TLP平臺(tái)一般應(yīng)用于300m-1500m水深范圍深海油氣開(kāi)發(fā)，目前應(yīng)用最大水深為1580m，最淺為147m。身為深水平臺(tái)，張力腿式平臺(tái)對(duì)極端不良環(huán)境有較好的適應(yīng)能力，且經(jīng)濟(jì)性較好，深受油氣開(kāi)發(fā)者青睞。與半潛式生產(chǎn)平臺(tái)相比，TLP平臺(tái)顯著優(yōu)點(diǎn)是可采用干式采油樹(shù)系統(tǒng)進(jìn)行鉆完井和生產(chǎn)作業(yè)，這主要?dú)w功于TLP平臺(tái)獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。

TLP平臺(tái)的研發(fā)方向是整體性能優(yōu)化和更為經(jīng)濟(jì)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(kāi)發(fā)需要，另外對(duì)張力腿平臺(tái)系索系統(tǒng)的研究也是重要的課題，尤其是性價(jià)比更高的系索材料研究，對(duì)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(tái)

SPAR是在柱形浮標(biāo)和張力腿平臺(tái)概念的基礎(chǔ)上提出的一種深水平臺(tái)。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(yùn)動(dòng)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(tái)類型。

SPAR平臺(tái)的主體可分為幾個(gè)部分，有的部分為全封閉式結(jié)構(gòu)，有的部分為開(kāi)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(tái)的垂蕩和縱蕩運(yùn)動(dòng)幅度很小，使得SPAR平臺(tái)能夠安裝剛性的垂直立管系統(tǒng)，承擔(dān)鉆探、生產(chǎn)和油氣集輸工作[4]。

SPAR平臺(tái)是深水平臺(tái)發(fā)展的前沿平臺(tái)類型，其強(qiáng)大的綜合處理能力和超深水工作特性也造就了其設(shè)計(jì)建造的施工難度，SPAR平臺(tái)作為世界深海油氣開(kāi)發(fā)的主力研發(fā)裝備之一，也是我國(guó)今后南海深水海域油氣勘探開(kāi)發(fā)系統(tǒng)裝備的重點(diǎn)選擇目標(biāo)。目前，國(guó)內(nèi)僅處在SPAR平臺(tái)設(shè)計(jì)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(chǔ)卸油裝置。FPSO是對(duì)開(kāi)采的石油進(jìn)行油氣分離、處理含油污水、動(dòng)力發(fā)電、供熱、原油產(chǎn)品的儲(chǔ)存和運(yùn)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(diǎn)系泊模式在海面上固定，有的有自航能力，有的則沒(méi)有。FPSO通常與采油平臺(tái)或海底采油系統(tǒng)組成一套完整的采油、原油處理、儲(chǔ)油和卸油系統(tǒng)，其作業(yè)原理是：通過(guò)海底輸油管線接收從采油平臺(tái)或水下采油井口中采出的原油，并在船上進(jìn)行處理，然后儲(chǔ)存在油艙內(nèi)，最后通過(guò)卸載系統(tǒng)輸往穿梭油輪或通過(guò)外輸海底管線輸送至陸地終端。

與其他類型平臺(tái)相比，F(xiàn)PSO具有抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、適應(yīng)水深范圍廣、儲(chǔ)/卸油能力大以及可轉(zhuǎn)移、重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)，廣泛適合于遠(yuǎn)離海岸的深海、淺海海域及邊際油田的開(kāi)發(fā)，已成為海上油氣田開(kāi)發(fā)的主流生產(chǎn)方式。近年來(lái)，F(xiàn)PSO呈現(xiàn)出建造技術(shù)模塊化特點(diǎn)，動(dòng)力配置加大，生產(chǎn)能力加強(qiáng)，更涌現(xiàn)出如浮式液化天然氣生產(chǎn)儲(chǔ)油船（LNG/LPG FPSO）、浮式鉆探生產(chǎn)儲(chǔ)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(tái)之外，還有海洋油氣開(kāi)發(fā)的輔助裝備，比如，海洋油氣開(kāi)發(fā)前期的物探船、勘察船、石油平臺(tái)安裝運(yùn)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(cè)用機(jī)器人特種裝備等（如圖8）。

深海油氣田的開(kāi)發(fā)必定會(huì)承擔(dān)巨大的經(jīng)濟(jì)、安全風(fēng)險(xiǎn)，因此對(duì)諸如油氣田產(chǎn)量勘察與評(píng)估、海上生產(chǎn)過(guò)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(kāi)發(fā)選擇什么樣的平臺(tái)形式主要考慮平臺(tái)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?chǎng)需求和油田區(qū)塊開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)效益整體評(píng)估等因素。

5 結(jié)論

本文以深海油氣資源開(kāi)發(fā)的迫切需求為背景，系統(tǒng)性介紹了當(dāng)前主流的深水油氣開(kāi)發(fā)裝備。通過(guò)調(diào)研及特點(diǎn)分析可見(jiàn)，適用海域范圍廣、抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好的半潛式鉆井平臺(tái)將成為100m以上到幾千米中深水海域油氣田開(kāi)發(fā)的主要鉆井平臺(tái)類型；對(duì)于200m以上到幾千米的中深水海域，以TLP為主的生產(chǎn)平臺(tái)和水下生產(chǎn)井口逐漸成為主流開(kāi)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(kāi)發(fā)中逐漸成為主流裝備；隨著進(jìn)軍深水及超深水步伐的加快，可以預(yù)見(jiàn)不久的將來(lái)，SPAR平臺(tái)將在超深水領(lǐng)域油氣開(kāi)發(fā)中大展身手。

全球油氣產(chǎn)儲(chǔ)量的1/3來(lái)自海洋，且海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)越來(lái)越向深水延伸，近年來(lái)，全球重大油氣發(fā)現(xiàn)大部分都來(lái)自深水領(lǐng)域。深水勘探開(kāi)發(fā)能力是國(guó)際大石油公司的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域，無(wú)論油價(jià)漲落，他們都始終堅(jiān)守著這一戰(zhàn)略高地。對(duì)深海油氣開(kāi)發(fā)裝備進(jìn)行必要的調(diào)研與前景分析，打破國(guó)外技術(shù)信息壁壘，對(duì)促進(jìn)國(guó)內(nèi)深水裝備研發(fā)，保障國(guó)家能源安全具有現(xiàn)實(shí)意義。

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