淺海棄置固定式海洋平臺再用于風力發(fā)電技術(shù)研究

DOI：10.3969/j.issn.1001-2206.2024.06.004

摘" " 要：為實現(xiàn)埕島油田棄置平臺再利用和海上能源低碳開發(fā)，通過埕島海域風能資源可用性評估研究、棄置平臺承載能力時效性和加固技術(shù)研究、風力發(fā)電接入現(xiàn)有油田電網(wǎng)方案的影響研究，形成了淺海棄置固定式海洋平臺改造成風力發(fā)電平臺再利用技術(shù)體系。研究表明：埕島油田海域風能資源豐富，具備棄置固定式平臺改建風力發(fā)電平臺的資源條件；樁基承載力不足是制約棄置固定式平臺改建為風力發(fā)電平臺的關(guān)鍵因素；建立的樁基加固技術(shù)可提高棄置平臺的樁基承載能力。通過棄置平臺安裝可行性及經(jīng)濟性研究，證明對部分承載能力較高的埕島海域淺海棄置固定式海洋平臺改造成風力發(fā)電平臺，并借助已有電纜接入就近的海上變電站，從工程技術(shù)、經(jīng)濟和電網(wǎng)運行上都具有可行性。

關(guān)鍵詞：埕島油田；棄置；固定式海洋平臺；風力發(fā)電；再利用

Abstract：To reuse the Chengdao abandoned platform and develop offshore energy in a low-carbon manner， the feasibility of wind energy resources in Chengdao Sea was evaluated， the bearing capacity timeliness and strengthening techniques of the abandoned platform was studied， and the influence of introducing wind power generation into the existing power grid in the oil field was discussed. Therefore， a reuse technique system was shaped into being to transform the fixed offshore platform abandoned in the shallow sea into a wind power generation platform. The results show that with rich wind power resources， the Chengdao Sea is suitable for the abandoned fixed platform to be transformed into a wind power generation one. The deficient bearing capacity of pile foundation is a major limitation for the transformation. The established pile foundation reinforcing technology could improve the bearing capacity of the platform. The feasibility and economy study of the abandoned platform has proved that it is feasible， either in engineering， economy， or power grid operation， to transform part of fixed offshore platforms abandoned in shallow sea with high bearing capacity into wind power generation ones， and access them to nearby marine transformer substations via existing cables.

Keywords：Chengdao Oilfield; abandoned; fixed offshore platform; wind power generation; reuse

埕島油田位于渤海南部淺海區(qū)域，是我國最早在極淺海區(qū)開采的大型油田，90 年代開始滾動開發(fā)，現(xiàn)在服役的大小平臺有 100 多個。近幾年，陸續(xù)有平臺因儲層枯竭而停止采油，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，海洋平臺在停止采油后，若無其他用途必須廢棄拆除。未來，因儲油調(diào)整而導致廢棄的大平臺會更多。

埕島海域附近風資源良好，部分平臺所在海域與國家海上風電規(guī)劃中的渤中風電基地重疊。停止采油的棄置海上平臺結(jié)構(gòu)與海上風電常用的導管架式風機基礎(chǔ)型式類似，設計方法一致，改造后可用于安裝海上風力發(fā)電機組。

海上原油開采需要消耗大量電能，對廢棄平臺及其配套電纜技術(shù)進行海上風力發(fā)電再利用探索，對實現(xiàn)海上油田開發(fā)用電的低碳化、促進實現(xiàn)“雙碳”目標意義重大。

通過所在海域風能資源研究、新能源發(fā)電裝置與棄置平臺集成方案研究、風力發(fā)電電網(wǎng)接入方案研究，證明棄置平臺改造成風力發(fā)電平臺、波流發(fā)電平臺是可行的，且部分平臺安裝的發(fā)電裝置達到一定規(guī)模后，具有較高的經(jīng)濟效益。

1" " 埕島海域海上風能資源可用性評價

采用行業(yè)通用軟件和技術(shù)路線，根據(jù)棄置平臺位于海上油田的實際情況，對埕島海域海上風能利用的可行性進行了詳細的評價。

工程海域風資源評價通常采用風資源分析與應用程序 WASP（風源分析與應用程序）。然而，WASP軟件對地形粗糙度較為敏感，海上已建采油平臺群對風資源評價計算亦會有一定的影響，因此采用基于湍流模型的理論研究、Fluent軟件建模和基于CFD原理的仿真計算，對風資源評估計算結(jié)果進行修正。由于考慮了已建平臺群的影響，相較原有線性原理，計算結(jié)果的準確度得到了提高[1]。

參考《海上風力發(fā)電場設計標準》（GB/T 51308—2019），東營近海風電場 130 m高度的年平均風速為7.7 m/s，年平均風功率密度為594 W/m2，風功率密度等級為3級；東營近海風電場所處海域的風向分布相對分散，以SSW和S為主要風向，NE和S為主要風能方向。

參考周邊項目已有成果并結(jié)合經(jīng)驗判斷，東營近海風電場可選用IEC、ⅢC類及以上風電機組。

2" " 棄置固定平臺與風力發(fā)電裝置集成方案研究

將棄置固定平臺改造成風力發(fā)電平臺與新建項目不同，結(jié)合已建平臺的實際結(jié)構(gòu)特性和構(gòu)型，需要研究滿足安裝和運行安全的連接型式，并選擇與平臺結(jié)構(gòu)能力相匹配的風力發(fā)電機組。

埕島油田棄置平臺結(jié)構(gòu)型式（見圖1）、規(guī)模差異較大，有導管架式單井平臺、導管架式計量平臺、修采一體化平臺、采修一體化平臺、中心平臺；樁基參數(shù)各異，主樁數(shù)量3～6根，入泥深度30～80 m，主柱樁徑900～1 800 mm。樁基承載能力和可安裝發(fā)電裝置的規(guī)模也有較大差異。

2.1" " 影響發(fā)電裝置安裝的主要因素分析

棄置平臺導管架結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境條件下的自身結(jié)構(gòu)性能，如承載能力、疲勞性能和模態(tài)匹配性是影響風力發(fā)電裝置安裝的重要因素。由于這些因素都是基于已建平臺的外部環(huán)境及自身結(jié)構(gòu)，因此又可歸結(jié)于荷載、自身結(jié)構(gòu)強度、結(jié)構(gòu)完整性和動力特性。

2.1.1" " 荷載耦合

1）風荷載。由于受海上大型風機受力特性影響，與常規(guī)采油平臺不同，風荷載是風力發(fā)電平臺除冰荷載、浪荷載、流荷載外的控制性荷載。風荷載Ff（N）計算公式如下[2]：

式中：K為風荷載外形系數(shù)，梁及建筑物側(cè)壁取1.5，圓柱體側(cè)壁取0.5，平臺投影總面積取1.0；Kz為風壓高度變化系數(shù)；po為基本風壓，Pa；A為垂直于風向的輪廓投影面積，m2；β為風壓增大系數(shù)；αf為風壓系數(shù)（N?s2/m4），取0.613；v1為設計風速，m/s。

2）波流荷載。作用在平臺上的波流荷載由莫里森公式（Morrison）計算[3]。

式中：F為垂直作用于構(gòu)件軸線單位長度上的水動力矢量，N/m；FD為垂直作用于構(gòu)件軸線并在構(gòu)件軸線和速度U平面內(nèi)單位長度上的拖曳力矢量， N/m；FI為垂直作用于構(gòu)件軸線并在構(gòu)件軸線和du/dt平面內(nèi)的單位長度的慣性力矢量，N/m；ω為水的重度，N/m3；g為重力加速度，m/s2；A為垂直于圓桿軸線單位長度上的投影面積（對圓形桿件為D），m；V為圓桿單位長度上的體積（對圓形桿件為D2/4），m2；D為包括海生物在內(nèi)的圓形桿件的有效直徑，m；U為垂直于構(gòu)件軸線的水流（由波浪和/或海流引起的）速度矢量的分量，m/s；|U|為U的絕對值，m/s；Cd為拖曳力系數(shù)；Cm 為慣性力系數(shù)；δU/δt為垂直于構(gòu)件軸線的水流局部加速度矢量分量，m/s2。

3）冰荷載[4]。作用在導管架結(jié)構(gòu)上的冰載荷P可按式（4）計算。

式中：m為形狀系數(shù)，圓形柱取 0.9，方形柱、正向作用冰取 1.0，斜向作用冰取 0.7；I為嵌入系數(shù)；fc為接觸系數(shù)；σc為冰側(cè)無限壓縮強度，MPa；D為擠壓結(jié)構(gòu)迎冰面的寬度，m；h為冰厚度，m。

對圓截面的墩柱，由經(jīng)驗公式Ifc=3.75 h0.1/D0.5（單位為cm），確定嵌入系數(shù)I和接觸系數(shù)fc的乘積。

4）荷載組合。風力發(fā)電裝置所受風荷載和自重對導管架頂部產(chǎn)生了很大的彎矩和垂向力。不同廠家、不同功率發(fā)電裝置在不同海域環(huán)境下對導管架頂部產(chǎn)生的荷載一般由風機廠家提供，在棄置平臺整體結(jié)構(gòu)計算模型中與其他部分所受的冰荷載、波浪和海流荷載以及風荷載進行耦合，通過在位強度分析、地震分析和疲勞分析等整體分析，最終確定與已建平臺相匹配的風機廠家和型號。

環(huán)境荷載采用50年重現(xiàn)期已建平臺所在海域環(huán)境參數(shù)。由于埕島海域?qū)儆诒绊憛^(qū)，因此分別考慮風、海流、波浪、潮位的荷載組合和風、海流、海冰、潮位的荷載組合。

2.1.2" " 結(jié)構(gòu)校核準則[3]

結(jié)構(gòu)校核按承載能力狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)準則進行校核。

承載能力極限狀態(tài)校核應滿足：γ0 Sd≤Rd（式中：γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取1.1；Sd為承載能力極限狀態(tài)下作用組合的效應設計值；Rd為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力設計值）。

正常使用極限狀態(tài)校核應滿足：Sd≤Cd（式中：Sd為正常使用極限狀態(tài)荷載組合的效應設計值；Cd為結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到正常運行所規(guī)定的變形、裂縫寬度、沉降等的限值）。

2.1.3" " 棄置平臺下部基礎(chǔ)的完整性分析

棄置平臺導管架的下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)腐蝕情況、海底沖刷情況是影響其當前承載能力和再利用年限的重要因素。

在確定棄置平臺安裝風力發(fā)電裝置的可行性時，需要詳細分析其以往檢測結(jié)果等完整性管理資料，確定其腐蝕情況、結(jié)構(gòu)損傷情況和海生物附著現(xiàn)狀，并據(jù)此對數(shù)值分析模型進行修正。對于埕島海域鋼質(zhì)固定平臺的導管架，根據(jù)以往埕島海域的測試數(shù)據(jù)，以及棄置拆除后的構(gòu)造測試結(jié)果，其銹蝕速度非常低，年均腐蝕速率最大值為0.1 mm/a，小于原設計時考慮的0.3 mm/a的腐蝕速率，這也為其再利用創(chuàng)造了非常好的構(gòu)造條件。

2.2" " 棄置平臺可安裝風機規(guī)模研究

根據(jù)現(xiàn)有典型平臺結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和最近的檢測評估情況，采用海上風機荷載參數(shù)，對不同平臺可安裝風機規(guī)模進行了在位強度、疲勞和地震分析，獲得了不同類型平臺可安裝風機的規(guī)模（見表1），并發(fā)現(xiàn)，由于風機荷載施加給下部基礎(chǔ)很大的水平荷載，導致再利用平臺樁基承載力成為影響其安裝風機規(guī)模的控制性因素，而桿件強度和節(jié)點強度反而對其制約性較小。

2.3" " 棄置平臺承載能力時效性和加固方案研究

與常規(guī)采油平臺上部荷載以豎向荷載為主不同，由于大功率風力發(fā)電施加給平臺的水平荷載可產(chǎn)生數(shù)十萬kN?m的彎矩，因此其上部荷載往往以水平荷載為控制性因素。對于再利用的導管架平臺，制約其安裝風機功率規(guī)模的往往是樁基承載能力的不足。

為了增加棄置平臺的整體承載能力，提高安裝風機的功率，進而提高項目的經(jīng)濟效益，對棄置平臺的樁基承載力提升方法進行了研究。

2.3.1" " 樁基承載力時效性研究

海上平臺打入樁的設計一般采用美國石油協(xié)會API法，主要依據(jù)工程經(jīng)驗進行設計，沒有考慮打樁過程對打入樁豎向受荷特性的復雜影響，理論計算結(jié)果和靜載試驗數(shù)據(jù)存在較大差異，預測效果較差，且離散性很大。API法過于保守的計算結(jié)果導致工程造價偏高，經(jīng)濟效益較差。大量樁基現(xiàn)場荷載試驗及室內(nèi)模型試驗研究發(fā)現(xiàn)，樁基承載力的時間效應明顯，樁基的豎向承載力會隨著停打時間（打樁結(jié)束時間與靜載試驗時間間隔）的延長而顯著增大[5]。

棄置平臺不同于新建平臺，考慮到埕島油田海上老齡平臺服役時間接近20 a，針對其樁基時效承載力隨時間演化規(guī)律及目前的承載力是否遠大于API規(guī)范的計算值等問題，對埕島油田海上老齡平臺樁基時效承載力的強化機理進行了研究。

研究內(nèi)容主要包括為時2 a的砂土、粉土時效剪切試驗研究和飽和粉土中樁基時效承載力室內(nèi)模型試驗研究。

砂土時效剪切試驗結(jié)果顯示：土樣所能達到的最大剪應力隨著壓縮固結(jié)時間的增加而逐漸增大，表明土體剪應力產(chǎn)生了明顯的時間效應。可以推測不同數(shù)值的豎向應力對固結(jié)壓縮的土體有一定的影響，因為隨著豎向應力的增加，不同周期的剪應力與剪切位移關(guān)系曲線有相互接近的趨勢， 可以達到的最大剪應力值仍有大小差異。在土體受到垂直壓力的瞬間，與時間正相關(guān)的土體，其壓縮量會發(fā)生很大的變化；隨著時間的增加，土體的壓縮量有較小幅度的增加，其孔隙比也有較小的改變。曲線前期斜率較大，隨著時間的增加曲線斜率逐漸減小，內(nèi)摩擦角的增長速度趨于平緩，表明前期時間效應對內(nèi)摩擦角的影響較為明顯，前期曲線斜率上升幅度較大，而后期斜率上升幅度較小，表明前期時間效應對內(nèi)摩擦角的增長速率影響明顯。

粉土時效剪切試驗結(jié)果表明：超固結(jié)粉土在卸載后的前期會發(fā)生回彈現(xiàn)象，土體吸水膨脹，內(nèi)部孔隙變大，土體顆粒間咬合變松，導致土體抗剪強度降低，一般在10 d左右達到穩(wěn)定，重新進入蠕變階段，隨著時間的增加，其抗剪強度逐漸增加。剪切后，粉土試樣的剪切強度會快速降低，只相當于正常固結(jié)土體抗剪強度的70%，但其抗剪強度將隨著固結(jié)時間的增加而逐漸恢復，在初始固結(jié)時會超過抗剪強度。對于超固結(jié)粉土和切削后的粉土試樣，土體的黏結(jié)力和內(nèi)摩擦角隨著時間的增加而逐漸增加，初期增長比較快，后期增長比較慢。

粉土中樁基時效承載力室內(nèi)模型試驗研究了不同樁徑和水平荷載對模型樁時效承載力的影響，分別從模型樁時效作用下的單樁極限承載力、模型樁徑對單樁時效的影響、水平荷載對時效的影響三個方面進行了研究分析。研究表明：經(jīng)過土的長期觸變恢復效應和固結(jié)效應，樁基承載力高于新建時期，且樁徑越大，樁基承載力時效性越明顯，樁周土體強度恢復與模型樁極限承載力增長呈正相關(guān)；土體觸變性越強，單樁承載力時效性越明顯；土體承載力越強，樁基承載力越大；統(tǒng)計樁基承載力在埕島海域不同區(qū)域的地質(zhì)情況，其樁基承載力在就位200 d時，相較于API規(guī)范設計值增長11%～67%。

結(jié)合海上平臺樁基現(xiàn)場荷載試驗研究，提出適合埕島油田海上平臺樁基承載力時間效應計算方法，解決了API法計算承載力偏保守的問題。開發(fā)出老齡平臺樁基承載力評估技術(shù)，建立了考慮時間效應的t-z、p-y曲線模型，能更準確反映老齡平臺服役后期的極限承載力。

2.3.2" " 樁基加固方案

對于樁基加固的工程方案，通過室內(nèi)外試驗和理論研究，探索了高壓混凝土灌漿加固和二級樁加固方案。該方案顯著提高了平臺的承載能力。以某示范工程項目為例，通過采用二級樁加固方案，在不需對導管架進行加固的前提下，使平臺的樁基承載能力提高了1倍，風機的安裝功率從300 kW提高到2 MW。樁基加固前，由于可安裝的風機功率僅有300 kW，而海上安裝費用昂貴，整個項目投資收益率為負值；經(jīng)過樁基加固后，整個項目按8%的投資收益率核算，約11 a即可收回投資，滿足了示范工程項目的投資收益要求，使項目具備了進一步推廣的意義。

3" " 風力發(fā)電接入海上油田電網(wǎng)方案研究

目前埕島油田用電采用岸電模式，由海底電纜與陸地供電站相連。整個埕島油田用電量為（5～7）×104 kW?h。目前，單個棄置平臺改造成風電平臺后的發(fā)電功率為300 kW～16 MW。

在建設小容量風力發(fā)電時，可根據(jù)埕島油田內(nèi)部電力系統(tǒng)的運行特點和經(jīng)濟性，采用“自發(fā)自用，余電不上網(wǎng)”的運行方式，即采用分散式接入方案，以減輕電網(wǎng)調(diào)度負擔。對于大容量風力發(fā)電，則需采用集中式方案，集中后經(jīng)過升壓站升壓至10 kV、35 kV及以上，形成風力發(fā)電站，接受電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度管理。

利用 ETAP 軟件，根據(jù)海上風資源條件，結(jié)合35 kV變電站在海上平臺所帶的用電負荷，建立埕島油田電力系統(tǒng)模型，研究海上風力發(fā)電建設。

以新建2臺8 MW風力發(fā)電機并入海中一座35 kV變電站為例，模擬分析埕島油田的電力系統(tǒng)，分析了埕島油田電力系統(tǒng)接入風力發(fā)電后的穩(wěn)定性。風力發(fā)電機接入和不接入的情況下，35 kV變電站電壓情況均能夠滿足《電能質(zhì)量供電電壓偏差》（GB/T 12325—2008）中的電壓要求。

4" " 結(jié)論

海上油氣平臺及其管纜的棄置費用高，海上采油的能源消耗大。如何對海上棄置設施進行處置，如何實現(xiàn)海上油氣綠色開采，都是目前世界各國的研究熱點。

通過埕島海域風能資源可用性評估研究、棄置平臺承載能力時效性和加固技術(shù)研究、風力發(fā)電接入現(xiàn)有油田電網(wǎng)方案的影響研究證明：埕島油田海域風能資源豐富，具備棄置固定式平臺改建風力發(fā)電平臺的資源條件；樁基承載力不足是制約棄置固定式平臺擬改建為風力發(fā)電平臺的關(guān)鍵因素；建立的樁基承載力時效性評價技術(shù)和樁基加固技術(shù)，可提高棄置平臺的樁基承載能力；在埕島海域除了拆除方案外，對部分承載能力較好的棄置固定式平臺改造成風力發(fā)電平臺，借助已有電纜就近接入海上變電站的方案，從工程技術(shù)、經(jīng)濟和電網(wǎng)運行等方面都具有可行性。為淺灘海油氣設施棄置后的處置提供了一種新的思路，對提高工程投資的全壽命周期效益性和完成“雙碳”任務具有參考意義。

參考文獻

[1]" 李正泉，宋麗莉，馬浩，等. 海上風能資源觀測與評估研究進展[J]. 地球科學進展，2016，31（8）：800-810.

[2]" NB/T 10105—2018，海上風電場工程風電機組基礎(chǔ)設計規(guī)范[S].

[3]" 劉玉亮，樂京霞. 65 m水深導管架平臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計[J]. 船海工程，2015（2）：136-140，145.

[4]" CCS GD 30—2022，渤海海域鋼質(zhì)固定平臺結(jié)構(gòu)設計技術(shù)指南[S].

[5]" 郭望波. 砂性土打入樁樁土作用機理及豎向承載力計算方法評價[D]. 杭州：浙江大學，2017.

基金項目：中國石油化工股份有限公司科研攻關(guān)項目“海上油田棄置平臺再利用技術(shù)研究”（322037）。

作者簡介：陳同彥（1976—），男，山東平度人，高級工程師，1999年畢業(yè)于青島海洋大學港口航道及治河工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事海上石油工程結(jié)構(gòu)設計工作。Email：dycty@126.com

收稿日期：2024-08-08；修回日期：2024-10-31