“深海一號”能源站工程技術與管理創新

謝玉洪, 張秀林

(中國海洋石油集團有限公司,北京 100010)

1 引言

2021年6月25日，中國首個超深水“深海一號”能源站建成投產，標志著我國海洋油氣勘探開發建設能力由300米水深跨入超1500米水深行列，正式成為世界上少數具備自主勘探開發工程建設超深水油氣田能力的成員之一。

南海海洋油氣資源豐富，是我國油氣重要儲量和產量的接替區[1]，其中3/4油氣蘊藏在深海、遠海區域。對外改革開放以來，經過近40年的科技攻關，我國海洋石油工業已經形成了300米水深海洋油氣自主勘探開發整體工程技術能力[2]，但大于500米水深的深海油氣勘探開發工程技術和管理尚處于空白。

“深海一號”能源站建設工程成果主要體現在創建了“水下生產系統回接半潛式生產儲卸油綜合平臺”的油氣田高效開發模式[3]，及“十萬噸級半潛式多立柱生產儲卸油平臺設計、建造與安裝技術”為代表的超深水油氣田開發技術體系，為我國超深水油氣田勘探開發工程建設開辟了一條技術和管理創新之路。

2 工程建設概況

陵水大氣田位于南海北部海域，西北距海南省三亞市約150千米，水深1220～1560米(圖1)。氣田由多個氣藏構成，開發區探明天然氣地質儲量1030億方，其中干氣地質儲量1020億方，凝析油854萬方，氣田東西橫向跨度約50千米，南北縱向跨度約30千米(圖2)。

圖1 陵水氣田位置圖

圖2 陵水氣田平面分布圖

氣田開發主要工程是建設一座深水能源站 ——“深海一號”能源站和開發生產鉆完井。通過海底生產設施鏈接11口開發生產井，產出的油氣水經海底管網輸送至一座帶有儲卸油功能的半潛式多立柱生產綜合平臺，處理合格后的凝析油儲存在綜合生產平臺的4個立柱中，天然氣則通過海底管道接入外輸管線，供應下游用戶。工程設計氣田高峰期年產33.9億方，凝析油24.7萬方，可連續開采超25年。

“深海一號”能源站主體工程設施包括：一座排水量10.5萬噸的半潛式儲卸油生產綜合平臺(圖3)。

圖3 半潛式儲卸油生產綜合平臺

鋼懸鏈立管6條，總長度12.62千米(包括5條軟管、25條管線終端(PLET)、28條跨接管)；海底管網17條，總長219.83千米；臍帶纜12條，總長72.3千米(圖4)。

圖4 鋼懸鏈立管及海底管網輸送系統圖

一套水下生產系統，包括采氣樹11座、水下臍帶纜終端(SUTU)2座、水下分配單元(SDU)1座、管匯4座(圖5)。

圖5 水下生產系統

半潛式儲卸油生產綜合平臺主要由上部組塊和下部船體構成(圖6)。上部組塊采用桁架式結構[4]，設有主甲板和生產甲板，建有120人生活樓(含直升機甲板)、天然氣壓縮及外輸系統、凝析油處理及穩定系統、閃蒸氣回收系統、三甘醇脫水及再生系統、乙二醇再生系統、主電站及余熱回收裝置等。另外，設有火炬安全系統、燃料氣系統、淡水系統、柴油系統、惰氣系統、化學藥劑系統、公用風/儀表風系統等公用系統等。下部船體總長91.5米，總寬91.5米，采用四立柱、環形浮箱設計，立柱截面尺寸 21米×21米，高度59米，立柱間距49.5米，浮箱截面尺寸21米×9米，重量3.3萬噸。平臺空船重量5.2萬噸，滿載排水量10.5萬噸，吃水范圍為35～40米。

圖6 工程全貌示意圖

2006年開始，中國海油對深水、超深水油氣勘探開發技術研發進行布局，以重點研發項目為依托，充分利用相關企業、高校等優勢資源，系統開展了水下、水中、水上相關工程技術研發，重點是船型、船體設計及高效建造，施工裝備、關鍵設備、安裝調試、生產、運維保障等全方位科技攻關。2014年，隨著陵水17- 2氣田成功評價，開始了前期研究和工程前端設計，2018年進入工程實施階段，2021年6月25日投產，總歷時將近5年，投入人工時超過1900萬。

3 工程技術創新

“深海一號”能源站工程關鍵技術包括立柱儲油外輸半潛式船型研制及設計體系構建，工程設備和裝備國產化研制，半潛式立柱儲油外輸綜合生產平臺制造、安裝、調試和運維，智能化生產、設備、設施等檢測與監測系統建設四大方面。

形成適用于南海水深1500米級半潛式立柱儲油外輸綜合生產平臺自主知識產權的船母型技術，建立了設計方法、設計流程等技術體系，制定了半潛式生產儲油外輸綜合平臺標準。

安全高效完成半潛式立柱儲油外輸綜合生產平臺陸地建造、合攏、長距離運輸、安裝、調試，實現深水半潛式儲油外輸綜合生產平臺全鏈條工程建設國內零的突破。

攻克鋼懸鏈立管系統設計技術[5,6]等難題，實現深水油氣開發關鍵設備自主化率大幅提升。研制了深水立管、聚酯纜、深水錨樁和立管限位錨等關鍵裝備及重力錨、自平衡托管架、印刷電路板式換熱器等關鍵生產配套設備，初步掌握了深水海洋油氣開發工程裝備研制與應用。

構建了南海復雜海洋環境下生產作業保障體系，建成我國首座半潛式立柱儲油外輸綜合生產平臺智能維保系統。研發了深水立管和平臺結構疲勞智能化檢測與監測分析軟件及數字孿生系統，形成了數據采集、傳輸、底層分析運算及數字孿生等能力，實現工程設施監測、運維和生產數據統一調度管理、運營平臺。

“深海一號”能源站工程建設環境極其復雜，主要包括[7]：

(1)海況惡劣。臺風頻發，季風、內波流盛行，生產平臺錨泊系統設計和材質選擇苛刻，懸鏈立管系統極限生存能力極具挑戰。

(2)海水深、海底崎嶇。海水深度超1500米，海底地形崎嶇，錨泊基礎類型、懸鏈立管觸底跨接技術方案難度大。

(3)氣藏分布分散，富含凝析油。開發井多(11口)、井間跨度大(>5千米)，長距離混輸流動安全難以保證；水下生產設施多且復雜，投資大，邊際經濟效益低，需要“深海一號”能源站在氣田生命周期內不回塢大修；凝析油日產1250立方米，安全儲存和外輸風險大等。

(4)建設場地受限。國內沒有完全適合“深海一號”能源站生產平臺建設船廠，需要在不同工程建設階段多專業協同，做好不同場地間的匹配等。

主要技術挑戰包括：

(1)生命周期(30年)內平臺結構強度和疲勞控制、上部組塊(1.95萬噸)與下部船體(3.35萬噸)高精度合攏等設計和施工要求等。

(2)拖航重達5.3萬噸的半潛式生產平臺，跨黃海、東海、臺灣海峽和南海遠距離(1600海里)作業和安全保護等。

(3)鋼懸鏈立管和聚酯纜設計和制造技術等。

(4)超深水(>1500米)錨泊系統、鋼懸鏈立管、水下結構物的安裝技術等。

3.1 創新半潛式立柱儲油外輸綜合生產平臺技術及超深水氣田開發模式

研發了半潛式立柱儲油外輸綜合生產平臺設計、建造和變吃水穩性與橫縱搖低頻耦合運動控制技術，建成了世界首座十萬噸級半潛式深水多立柱儲外輸綜合生產平臺，創建了世界首個深水氣田水下井口+儲卸油半潛平臺開發模式，研發了“深海一號”能源站。

3.1.1 創新深水氣田開發模式

創建了世界首個深水氣田水下井口+儲卸油半潛式平臺開發模式，解決了傳統開發模式無法實現深水分布分散、高含凝析油天然氣田經濟有效開發的難題。氣田的油氣水經水下生產系統輸送至半潛式生產綜合平臺，處理合格的凝析油儲存在半潛式平臺立柱內，通過動力定位油輪不定期外輸，天然氣通過管道外輸，從而實現了氣田的經濟開發，為業界提供了一種全新深海油氣開發模式。

3.1.2 創新半潛式儲卸油平臺母型船舶設計和建造技術

傳統半潛式平臺不具備儲油功能，立柱由壓載艙、空艙和通道等組成，立柱儲油技術尚屬空白。工程團隊創新立柱儲油總體布局設計方案，研發了凝析油艙室內部多通孔減跨艙壁設計技術，實現了立柱結構構造優化[8]，既保障了液體暢通性也顯著提高了結構連續性，形成業界最復雜的半潛式平臺多立柱結構，結構應力降低17%，疲勞壽命從30年提高到84年，節省鋼材量11%。成功解決了在平臺立柱中儲存兩萬方凝析油的大容量儲油艙的難題，實現了世界首例多立柱凝析油儲存技術突破，同時使平臺負載與排水量比例從1/3提高到1/2.5，總計增加約7000噸可變載荷。

3.1.3 創新變吃水半潛式生產平臺運動控制技術

國外技術規范(DNV、API)基于英國北海或美國墨西哥灣等海域特征的研究成果，缺乏我國南海海域環境條件的相關研究成果，針對性不強。工程團隊基于南海多個油氣平臺長期實測數據資料，特別是近10年來研究成果，構建了適合南海海域特點的深遠海浪譜參數、風譜、時距數學模型及精細化水文氣象參數，填補了國內外技術規范在這片海域的參數空白，為優化平臺船型、系泊方位，SCR立管疲勞預測與改善提供了精確、量化數據基礎。

基于研究成果，工程團隊采用半潛式生產平臺馬修不穩定性參數控制、多參數建模、深吃水周期偏移等技術，開展了平臺浮箱增阻、主尺度對運動及穩性影響的研究，使生產平臺的各項性能指標得到了大幅度優化，可以很好地適應拖航和生產條件，以抵御南海極端惡劣環境。其中平臺的橫縱搖固有周期極限從40秒提高至43.8秒，浮箱寬高比達突破工業界常規小于2的限制，實現垂蕩和橫搖增阻，使垂蕩周期遠離南海波浪主要能量分布區域，避開了垂蕩與橫搖固有周期的不穩定區域。

3.2 創新高效建造、精準合攏和長距離濕拖技術

針對超深水半潛式多立柱生產儲卸油平臺30年不塢修設計，比國際船級社協會(IACS)要求高4倍的建造精度要求，工程團隊研發了以全流程變形預測、全數字化測量、計算機模擬搭載、精度回歸分析及預變形調整相結合的精度控制技術、50米跨距組塊與船體整體預變形及對接裝置局部變形協調控制技術、基于滑道建造模式和多維空間施工的均衡陣列式分段劃分技術，以及大噸位敞口式船體預斜回正橫向滑移裝船及高位浮卸技術。

3.2.1 創新超深水半潛式生產儲卸油平臺首制船快速總裝高精度建造技術

首創了以全流程變形預測、全數字化測量、計算機模擬搭載、精度回歸分析及預變形調整相融合的精度控制技術，實現了50米跨距組塊與船體整體預變形及對接裝置局部變形協調動態控制，形成了基于滑道建造模式和多維空間施工的均衡陣列式分段劃分，以及大噸位敞口式船體預斜回正橫向滑移裝船及高位浮卸方案與實施，實現了“深海一號”開敞式船體的陸地快速建造、橫向裝船和近岸高位浮卸。

通過以上技術創新及工程實踐，僅用70天時間成功完成共28個立柱總段、總重約1.7萬噸的總裝搭載，搭載精度±6 mm；用不足15個月的時間，完成3.35萬噸半潛船體的建造，萬噸工作量所需綜合時間，是代表行業領先水平的79%，國內船舶企業的約40%。創造了同類型生產平臺世界第一的建造速度，為中國制造品牌創建貢獻了力量。成功實施了超大荷載(3.35萬噸)、超大尺度(91.5米×91.5米×59米)的超深水半潛式多立柱生產儲卸油平臺船體的橫向滑移裝船，創造了荷載橫向轉移最大噸級世界紀錄。

表1 同類平臺建造工期對比

3.2.2 創新十萬噸級超大結構物大變形半漂浮精準合攏技術

攻克了超大跨距柔性桁架式組塊雙梁吊裝變形控制技術，研發了超大型開敞式船體半漂浮狀態下變形控制和對接捕捉系統，研制了基于人在“回路”的“近岸海況-船體/組塊/排吊耦合-計算可視化”的實時解算方法，解決了船體低吃水半漂浮、結構物大變形高精度合攏等技術難題，實現了重量五萬噸級(3萬噸級半潛船體與2萬噸級組塊)世界首個超大結構物半漂浮精準大合攏(圖7)[9]。

表2 合攏精度對比

圖7 上部組塊與下部船體大合攏

3.2.3 創新非流線型超大半潛式生產平臺長距離濕拖技術

基于多浮體與拖曳纜的運動耦合分析方法，開發了高運動慣量方形半潛平臺的三拖船精準操控技術，解決了冬季季風下跨渤海、黃海、東海-臺灣海峽、南海的多變海況、復雜地形、多海域的超大型浮體適拖難題，形成了10萬噸級半潛式平臺長距離安全濕拖方案，實現了世界首座十萬噸級半潛式儲卸油生產平臺安全高效拖航，總航程1600余海里，總航時400余小時，平均航速約4.0節(圖8)。

圖8 拖航航跡及航行圖

3.3 創新超深水聚酯纜系泊系統、鋼懸鏈立管和水下生產設施安裝技術

復雜的南海海況、超深水的海洋環境、邊際的氣田開發，攻克聚酯纜系泊系統和鋼懸鏈立管等應用安裝技術難題在國內尚屬首次。

3.3.1 形成南海1500米超深水多點系泊系統安裝技術

南海海況復雜惡劣，平臺系泊系統安裝既要保證快速高效，又要保證精度和質量，確保30年服役期內平臺安全。鑒于聚酯纜比常規鋼纜系泊系統系泊在控制平臺浮體偏差量、投資少等方面的優勢，工程團隊研發了系泊腿扭轉控制、聚酯纜安裝保護、雙錨機協同張緊和系泊系統快速回接等技術。實現16根系泊腿安裝精度指標優于設計要求，施工效率高于計劃，僅系泊系統快速回接一項，就節約了5天工期，較計劃節省超30%。

3.3.2 突破1500米超深水鋼懸鏈立管系統安裝技術

鋼懸鏈立管是深水浮式平臺的關鍵生產設備，起到水上生產裝置與水下生產系統之間輸送物流的橋梁作用，相對動態軟管鋼懸鏈立管抗疲勞強度是關鍵，其安全性對于整個油氣田的安全生產有著至關重要的意義。工程團隊通過實況鋼懸鏈立管構型模擬，發現了觸地區受力狀態規律，先后研發了鋼懸鏈立管被動式限位裝置安裝、抗疲勞焊接質量控制、反向牽引水下穿越平臺、張力轉換及立管提升就位等技術，順利完成了6寸鋼懸鏈立管的S型鋪設[10]，并確保其安裝質量滿足南海惡劣海況30年服役壽命要求，實現了中國鋼懸鏈立管自主安裝零的突破。

3.3.3 研發1500米超深水多類型水下生產設施安裝技術

“深海一號”能源站除了半潛式生產儲卸油平臺主體和錨泊系統外，其他主要設施就是生產系統，包括位于1500米水深海底的11口水下采油樹、1套水下分配單元、2套水下臍帶纜終端、10套吸力錨、28套鋼性跨接管以及大量的臍帶纜軟管飛線等，這些水下結構物最大尺寸達到21.2米×11.9米×8.7米，最大重量為242噸，最大安裝水深1526米。

工程團隊通過實況模擬，形成了復雜海況環境下設施安裝方法，研發了水下大型結構物超深水極限吊裝、超深水吊裝系統動態沿程共振分析、大直徑臍帶纜垂直鋪設、柔性管精就位等技術，高效完成了全套超深水水下生產設施和管纜安裝，使我國水下生產設施的自主設計和施工的能力得到進一步提升。

4 工程管理創新

陵水17深水大氣田開發和“深海一號”能源站建設是一項開創性的超級工程，基于工程管理創新，融合經濟評價和地質油藏、工程技術研發成果，保障了工程安全高效收官。

4.1 創新“三井合一”深水勘探模式

以經濟評價為基礎，設計預探井井位和全壽命周期井筒完整性具備評價井、開發井的功能，改變傳統勘探-評價-開發“三階段”間歇式接力模式，使開發井數量減少20%，探井和評價井數量減少50%。縮短了油氣勘探開發周期、降低了開發井成本。

4.2 創新深水氣田開發模式

解決了傳統開發模式無法實現深水分布分散、高含凝析油天然氣田經濟有效開發的難題。氣田的油氣水經水下生產系統輸送至半潛式生產綜合平臺，處理合格的凝析油儲存在半潛式平臺立柱內，通過動力定位油輪不定期外輸，天然氣通過管道外輸，從而實現了氣田的經濟開發，為業界提供了一種全新深海油氣開發模式。

4.3 專家智能，精準施策

中國海油充分認識到“深海一號”能源站建設工程的艱巨和挑戰，成立以集團公司專家掛帥的指導團隊，在工程建設初期，指導制定工程重大實施策略，同時借助國際知名公司專家團隊參與工程技術設計等；在重大技術方案決策，如吊裝合攏、長距離濕拖等重大作業中充分發揮了技術權威的作用；工程建設過程中定期和不定期組織專家分析、研究解決實施中遇到的各種問題。確保了工程實施始終走在正確的道路上。

4.4 整合優勢資源,確保關鍵作業

匱乏的工程建設資源和疫情的嚴重影響，是制約工程建設質量和進度的重要因素，甚至起到決定性的作用。工程團隊充分認識到集中優勢資源的重要性，工程建設伊始，進行了從施工組織，到施工船舶裝備等充分市場調查，逐一分析合作伙伴的優劣勢，制定科學合理的實施策略。如工程建設初期就超前鎖定稀缺的施工資源——世界上起重能力最大的橋式起重機“泰山吊”(起重能力2萬噸)，世界第二的十萬噸級半潛船“新光華”，及部分國際超深水施工作業船舶。優勢資源確保了工程完美收官，創造了多項高難度作業世界紀錄。

4.5 安全管控全覆蓋,重要環節重點管控

安全管控貫穿工程建設全生命周期，多維度，無死角。設計階段，工程建設團隊應用HAZID、HAZOP、SIL、FMECA等安全風險分析工具，對工程建設設施進行了系統的風險辨識，制定了防范措施[11]，專人跟蹤落實，實現閉環管理，提高了本質安全設計水平；建造階段，倡導人人都是安全員，識別有限空間作業風險，重點管控，應用人員智能化定位信息系統，實現了人員位置實時跟蹤和長時間靜止報警，有效解決了有限空間施工的重大安全隱患。基于大數據研究應用和科學預測，平臺就位等重大作業成功避開短天氣作業窗口影響等。成功實現工程建設全過程無安全事故發生的優秀成績，創造1900萬安全人工時的中國海洋建設工程紀錄。

工程團隊推崇專業的人干專業的事，協同業界專業質量技術和管理團隊并行質量管控，多措并舉確保實現工程質量目標。從管理制度入手，持續內控改進，保證質量管理持續提升。對標國際知名公司管理標準，技術專家盯緊關鍵區域、嚴防重點區域，做好技術人員持證等級與工藝技術的匹配，保障工程質量，沒有發生任何返工事件。“深海一號”能源站投產至今，目前已經歷多次強臺風和內波流臺風，仍能安全平穩服役，與前期嚴格把控工程質量密不可分。

4.6 創新施工方法，提升工程建設效率

由于新冠疫情等不利的影響，工程建設總進度曾一度滯后，尤其是船體建造進度一度落后設計計劃30%。工程建設團隊通過創新“沙盤演練”直觀展示進程方法，指導船體分段預制；質量監督隨報隨檢，合格通行，否則返工，提高人員勞動強度縮短建造工期；岸吊和浮吊同時進行分段吊裝搭載等等施工新方法，實現船體預制工期節約1/3，僅用15.5個月完成了平臺建造，創造了中國速度。在海管鋪設時，采用雙船聯動，優勢能力互補，既保證了質量也保證了效率，最終一船組提前34個船天、另一船組提前46個船天，雙雙高效完成任務，創造一項中國紀錄。

5 結論與展望

“深海一號”能源站建成與陵水大氣田的成功開發，極大地提高了我國海洋油氣自主開發能力，促進了以系泊聚酯纜、鋼懸鏈立管為代表的一批國產高端海洋裝備制造業的發展(圖9)。未來，隨著我國深水油氣田開發建設設計能力提升，將研制筒形FPSO、FLNG、SPAR、TLP等新型生產平臺，支撐不同規模、不同海洋環境油氣田高效開發需求，必將進一步帶動海洋工程產業技術快速發展，形成具有中國自主特色的淺水、深水、超深水油氣田開發全產業鏈工程技術和管理體系。

圖9 “深海一號”能源站外觀圖

“深海一號”能源站建成投產，提升了環華南地區特別是粵港澳大灣區和海南自貿區(港)天然氣穩定供應能力，將南海天然氣生產供給保障提升到每年130億方以上。未來將依托“深海一號”能源站這個樞紐，持續開發陵水、永樂、寶島等深水/超深水氣田，為發展綠色低碳國民經濟、建設海洋強國作出更大貢獻。