深水導管架開發南海油氣田工程方案探討及關鍵技術研究

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司 廣東 518000）

引言

2018年我國石油進口量已經占到總消耗量的70%，且這種趨勢還在不斷加大，加大海上油氣資源開發目前是增強我國能源自主保障能力的主要手段。適時開展新的可適合南海海域的深水導管架平臺工程方案，確保降低油田開發工程建設、鉆完井及后續生產作業費用降低迫在眉睫。

1.我國南海海域深水導管架的主要研究項標及內容

(1)深水導管架開發南海油氣田工程模式研究建議

總體研究南海深水區域油氣田潛在開發區域；綜合對比區域地質油藏、水深、環境、工程地質等特點，研究不同形勢結構物的適應性與優缺點；深水導管架動力特性與生產作業人員職業健康研究，提出深水導管架平臺的關鍵技術方案。

(2)南海深水區域環境條件設計基礎關鍵技術研究建議

環境條件為深水導管架平臺設計基礎。南海深水區域受臺風、內波等多種自然災害影響，水動力條件及工程地質條件均非常復雜；此外，深水導管架結構整體對地震動參數較為敏感，因此有必要對南海北部陸坡區域環境條件設計基礎開展綜合研究，解決結構設計基礎難題。

①地震動參數區劃研究。A.地震活動性模型及參數。B.地震構造模型及地面運動預測模型。C.海域場地土特征及對地震動的影響、場地調整系數研究。

②南海沙坡沙脊特征及分布調查研究。A.AUV工程物探調查。B.沙坡沙脊特征及分布研究。C.土質特性評價研究。

③水動力設計參數研究。A.基于實測數據的極端環境下波浪超高的概率研究。B.強底流對樁腿、管線沖刷影響研究。C.深水導管架建造、安裝期間環境條件研究。D.強非線性波浪在海工結構物上極端爬高的研究。

(3)深水導管架基礎理論與關鍵技術研究建議

①深水導管架X撐結構承載機理研究

針對深水導管架不同形式X撐的承載機理開展理論研究，包括不同尺寸、受力、構型、有無面外支撐等。研究其失效模式、關鍵結構穩定性設計參數等，如桿件屈曲長度（Ly/Lz）和屈曲長度系數（Ky/Kz），并給出理論推薦值。

②樁基承載力關鍵技術研究

針對南海陸坡油氣田深水導管架工程方案，根據工程開發場地海洋環境綜合數據以及工程地質數據，開展樁基承載力關鍵技術研究。

③深水長樁波浪動力特性研究

深水長樁自由站立動力效應實驗研究；深水長樁自由站立動力分析方法研究。

④深水導管架魯棒性研究

基于倒塌分析的深水導管架魯棒性機理研究；主立面框架斜撐/X撐布置對導管架魯棒性的影響研究；上部八腿變四腿轉換框架構造型式對導管架魯棒性的影響研究。

⑤深水導管架隔水導管關鍵技術研究

主要研究以下幾項內容：單筒雙井技術研究；隔水導管最大無支撐長度研究；隔水導管架結構強度及穩定性研究；隔水導管架與導管架綜合作用研究；隔水導管結構穩定性試驗驗證。

(4)深水導管架工程設計、建造及安裝關鍵技術研究建議

①適合于深水導管架封頭的設計方法研究，對比研究不同的設計標準和制造標準差別；適合于深水導管架的封頭形式對比研究，以及封頭上開入孔研究；適合于深水導管架的封頭制造工藝方法研究和封頭制造廠家調研；形成深水導管架大尺寸封頭推薦做法。

②深水導管架注水和灌漿系統設計研究，深水導管架通常為臥式建造，海上滑移下水后，導管架為水平狀態，采用浮吊配合注水系統向導管腿內充水，實現導管架扶正坐底。打入鋼樁后，對鋼樁和群樁套筒的環形空間進行灌漿作業，因此深水導管架設計需要配備復雜的充水和灌漿系統。注水和灌漿系統的設計隨著導管架水深增加更為復雜，研究適應深水導管架的注水和灌漿系統勢在必行。

③超大型導管架DP船安裝技術研究，從國外近年完成的深水導管架安裝工程案例來看，安裝主作業船采用DP船施工，DP船具有定位精準、就位靈活、不需拋錨等傳統錨系船不具備的優勢。目前200m之內的大型導管架施工，均采用錨系船進行海上安裝，在DP船進行深水大型導管架施工方面缺乏經驗，DP船在南海陸坡海域大型導管架施工有較大優勢。

2.技術難點、創新點

(1)技術難點

①深水導管架工程模式確定；②深水導管架關鍵技術體系確定；③極端波峰高確定；④不同規范機構土壤承載力計算基礎與理論；⑤柔性長樁承載力分析理論；⑥深水導管架X撐結構承載機理；⑦深水導管架鋼樁動力特性；⑧深水導管架魯棒性基本原理；⑨低溫海洋環境犧牲陽極保護機理；⑩大尺寸水密封頭在300m水深級導管架上的應用；?300m水深級注水和灌漿系統設計。

(2)技術創新點

①極限波峰高的確認；②高保真平臺數字孿生體的搭建；③基于有限點監測數據反演平臺整體狀態響應的高準確度反演算法；④創建適用于平臺的個性化結構狀態響應數據庫和個性化損傷數據庫；⑤300m水深級導管架的封頭、注水和灌漿系統關鍵技術；⑥DP安裝導管架技術；⑦深水導管架應用翻樁式震動錘適用性研究。

3.國內外項前深水導管架水平和發展情況

我國對于水深200m以下的導管架具有豐富的設計經驗，主導了多座水深超過60m的導管架結構設計，平臺就位地點覆蓋中國多個海域。

在全球范圍內，水深大于200m的導管架平臺，近5年內只有1座，近10年共計有2座，近20年共計有4座；水深大于300m的導管架平臺，近5年內只有1座，近20年共計有2座。其中，位于墨西哥灣的Cognac平臺，導管架滑移下水重量最大，達59000t；位于墨西哥灣的Bullwinkle平臺，導管架就位地點水深最大，達412m。這些深水導管架的結構形式和設計方法不同于傳統的淺水和較深水導管架。

對于水深超過200m的導管架結構設計，國內進行自主設計還面臨很多技術挑戰和風險，包括深水導管架結構規劃與設計、結構設計基礎理論研究、南海200-350m區域鋼樁承載力計算、導管架陰極保護系統、國內建造安裝資源能力極限、南海惡劣海況、內波流、復雜場址對導管架設計適應性的高要求、設計規范和理念的認識等。國內目前還未有過300m水深級導管架的陸地建造案例，沒有實際建造經驗借鑒，缺乏系統性的理論支持。

深水導管架具有尺寸大、重量大，達到或超過國內下水駁船下水能力，目前國內還未有超過250m水深導管架安裝案例，沒有實際安裝經驗借鑒，缺乏系統性的理論支持，安裝技術與人員經驗都存在不足。

4.深水導管架研究開發技術關鍵

通過研發深水導管架基礎數據、基礎理論、結構設計技術、防腐設計技術、建造、安裝、運維技術，系統掌握350m水深級導管架設計、建造、安裝、運維關鍵技術，取得深水固定式生產平臺技術和南海北部陸坡中深水開發模式的突破，水深200m至400m區域的多個含油氣區塊能夠做到經濟高效開發。

深水導管架基礎理論與關鍵技術，建造和安裝關鍵技術研究，針對350m水深的導管架設計、建造和安裝技術，涵蓋導管架設計的基本原理研究，建造技術和安裝技術的創新性研究，可以大大降低后續深水導管架的設計費，建造和安裝費等。

通過研究形成一整套關于大型深水導管架陸地建造的技術方案，作為基礎經驗指導后續300m乃至更水深更大的導管架的陸地建造，形成安全、優質、高效的深水導管架陸地建造能力，競爭力。

(1)可行性與風險分析

國際上僅有少數幾家設計公司具有水深超過200m的導管架設計經驗。深水導管架的設計技術沒有知識產權保護，對于300m水深級導管架設計關鍵技術研究的可行性不存在問題，存在的風險主要是目前具備深水導管架設計能力和業績的公司及人員很少，不易找到基礎性的研究成果，不易系統性的研究深水導管架平臺設計原理和設計方法。

(2)技術經濟分析

通過科研攻關，能夠深入了解作業水深在350m左右的深水導管架平臺的設計原理、標準規范以及設計方法；全面掌握作業水深350m級深水導管架平臺設計分析技術；完善深水導管架設計技術體系。為南海深水油氣田高效經濟開發提供可靠模式。

通過研究，全面掌握300m水深級導管架陸地建造技術，發掘新方法新思路，減少項目人工，機械設備等的投入，提高施工效率，降低項目成本。

5.結語

當前，深海資源開發重要性日益凸顯，對深海油氣開發成為當前國家經濟發展中的重要內容，我國在過去所采用的方法已經不適應現在新的問題，需要對這些方法進行必要的完善和發展，利用新的科學技術創新，使得新的技術產生以促進深水開發安全順利進行。