深海油氣開發裝備調研與前景分析

孫偉

【摘 要】隨著全球能源需求量的不斷增加，海洋油氣的開發速度日益加快，勘探開發越來越向深水延伸。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優勢領域，受其技術壟斷影響，國內發展速度一直緩慢。基于國內深海油氣資源開發的戰略需求，通過各種渠道對這些深海油氣開發裝備進行調研和分析，以期為國內深水裝備的研發提供一定的信息性參考。

【關鍵詞】深海油氣；開發裝備；調研；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，據統計，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%，這個數據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據看，近10年，發現的超過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來說，深海開發投入成本和技術難度高、風險大，但是投資回報率也相應較高，種種信息都將未來油氣最具投資價值的領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區，但油氣開發程度目前相對較低，國內油氣資源供應形勢十分嚴峻，供需矛盾十分突出，預計到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水深以內海域，由于沒有成熟的深水開發技術，蘊藏有豐富油氣資源的南海深水區的開發舉步維艱。南海是我國深海油氣資源開發的重中之重，現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，后續開采環節還需要各種生產平臺和設施。若要更好推進我國深海油氣資源的開發，需要深入研究世界深海油氣開發裝備的現狀和未來發展趨勢，為油氣田開發方案的選擇提供方向性理論指導，從而有針對性研發適合我國深海油氣田開發用的裝備和技術。

1 概述

海洋油氣的開發基本概括為勘探、鉆井、采油、集輸等一系列過程，每個作業環節都有相應的工程裝備，而石油平臺是海洋油氣開發裝備的統稱。目前，深海主要的鉆井平臺有半潛式鉆井平臺和鉆井船，主要的生產平臺有張力腿平臺（TLP）、柱式平臺（Spar）和浮式生產儲卸油系統[1]（FPSO），其中Spar平臺一般設計為鉆采一體平臺。下面從結構特征、關鍵技術、發展前景等方面對這幾類重要深海石油裝備進行詳細系統的介紹。

2 深海鉆井平臺

2.1 半潛式平臺

半潛式平臺是順應深水油氣開發而生的應用前景最好的鉆井平臺之一。結構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。在鉆井作業期間，下部浮體潛入海面以下一定的深度，躲開海面飛濺區的最強烈風浪作用，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。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），中海油擁有船型設計知識產權。該平臺的建成投產是我國自主設計、研發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，抵抗風浪能力較大，穩定性好。缺點是平臺結構復雜，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展方向是更大的工作水深，更穩定的在位工況狀態，更優良的安全防暴能力，更先進的鉆井設備以及更經濟更安全的平臺主體設計。

2.2 鉆井船

鉆井船是從普通船體基礎上發展起來的移動式石油開采裝備。從外形結構上看，船體與一般船舶無二，但是其內部集成了實現石油開采功能的所有裝備。所有的鉆井設備、油氣處理集輸設備及生活區、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。作業期間，船體受到風、浪、流的作用，會產生較大自由運動，例如，搖擺、升降和橫向漂移等，給鉆井作業帶來很大的影響，甚至使鉆井作業無法進行。所以，鉆井船需要設計穩固的定位系統。常用的有錨泊系統定位和動力定位，近幾年，隨著傳感器及自動化控制系統的發展，鉆井船的作業穩定性取得了突破性發展。除了設計良好的定位系統外，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、浪、流的能力及提高穩定性的有效措施。目前，對深海鉆井船的研究熱點主要有總體動力響應分析、錨泊系統的設計與分析、動力定位系統的研究以及月池、鉆井甲板等特殊結構的設計與分析。

3 深海生產平臺

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，而深海的生產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下的錨索鏈產生的拉力與平臺的剩余浮力相平衡來達到穩定狀態。張力腿平臺采用錨泊定位，但與半潛式平臺錨泊系統不同，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，且此拉力應大于波浪產生的力，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定（如圖4）。

第一代張力腿平臺是從半潛式平臺發展過來的，因此兩種平臺主體結構形式類似，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，產生了包括單柱式TLP在內的多種新型張力腿平臺（如圖5）。

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

TLP平臺的研發方向是整體性能優化和更為經濟有效的結構型式研究[3]，以適應2500m以上的超深水海域和邊際油田的開發需要，另外對張力腿平臺系索系統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上提出的一種深水平臺。主體是單圓柱結構，垂直懸浮于水中，特別適宜于深水作業，在深水環境中運動穩定性、安全性良好，是極具發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構，有的部分為開放式結構，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，承擔鉆探、生產和油氣集輸工作[4]。

SPAR平臺是深水平臺發展的前沿平臺類型，其強大的綜合處理能力和超深水工作特性也造就了其設計建造的施工難度，SPAR平臺作為世界深海油氣開發的主力研發裝備之一，也是我國今后南海深水海域油氣勘探開發系統裝備的重點選擇目標。目前，國內僅處在SPAR平臺設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、動力發電、供熱、原油產品的儲存和運輸，集人員居住與生產指揮系統于一體的綜合性的大型海上石油生產基地。FPSO是由船體和各種功能模塊構成的集成體。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組成一套完整的采油、原油處理、儲油和卸油系統，其作業原理是：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，最后通過卸載系統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，FPSO具有抗風浪能力強、適應水深范圍廣、儲/卸油能力大以及可轉移、重復使用的優點，廣泛適合于遠離海岸的深海、淺海海域及邊際油田的開發，已成為海上油氣田開發的主流生產方式。近年來，FPSO呈現出建造技術模塊化特點，動力配置加大，生產能力加強，更涌現出如浮式液化天然氣生產儲油船（LNG/LPG FPSO）、浮式鉆探生產儲油船FDPSO等新概念船。

4 其他工程裝備

除了上述幾種石油平臺之外，還有海洋油氣開發的輔助裝備，比如，海洋油氣開發前期的物探船、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、水下安裝維修監測用機器人特種裝備等（如圖8）。

深海油氣田的開發必定會承擔巨大的經濟、安全風險，因此對諸如油氣田產量勘察與評估、海上生產過程安全性保障等所需的裝備也是研發的主要方向。

海洋油氣田開發選擇什么樣的平臺形式主要考慮平臺所處的水深，海底地質條件，風、浪、流等海洋環境[5]以及油氣外輸的市場需求和油田區塊開發經濟效益整體評估等因素。

5 結論

本文以深海油氣資源開發的迫切需求為背景，系統性介紹了當前主流的深水油氣開發裝備。通過調研及特點分析可見，適用海域范圍廣、抗風浪能力強、穩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為主的生產平臺和水下生產井口逐漸成為主流開發裝備；FPSO作為油氣生產的中轉站，在大型油氣田區域化開發中逐漸成為主流裝備；隨著進軍深水及超深水步伐的加快，可以預見不久的將來，SPAR平臺將在超深水領域油氣開發中大展身手。

全球油氣產儲量的1/3來自海洋，且海洋油氣勘探開發越來越向深水延伸，近年來，全球重大油氣發現大部分都來自深水領域。深水勘探開發能力是國際大石油公司的傳統優勢領域，無論油價漲落，他們都始終堅守著這一戰略高地。對深海油氣開發裝備進行必要的調研與前景分析，打破國外技術信息壁壘，對促進國內深水裝備研發，保障國家能源安全具有現實意義。

【參考文獻】

[1]余建星.深海油氣工程[M].天津大學出版社，2010.11.

[2]奚立康.深水半潛式鉆井平臺設計、建造關鍵技術探討[J].船艇，2007（04）：30-32.

[3]孫巍.深海石油工程裝備技術發展現狀及展望[J].中外能源，2012（09）：9-14.

[4]陳建民.海洋平臺工程[D].中國石油大學〈華東〉.

[5]聶武，孫麗萍.海洋工程鋼結構設計[M].哈爾濱工程大學出版社，2009.