深水油氣田開發(fā)工程中基礎(chǔ)型式的選擇

海洋工程通常認(rèn)為300米以上是水深，1500米以上是超深水。目前世界上最深的海洋油氣田開發(fā)已超過2500m。開采水深的逐年推進(jìn),使得各類平臺(tái)和采油設(shè)施不斷創(chuàng)新以適應(yīng)新的發(fā)展趨勢(shì)。要想將這些平臺(tái)設(shè)施長(zhǎng)時(shí)間、較精確的保持在環(huán)境更惡劣的深水預(yù)定位置,這無疑對(duì)錨泊系統(tǒng)提出了更高的要求。深水錨泊問題也因此倍受學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的關(guān)注。目前我國南海深水區(qū)域尚有很大的開發(fā)潛力,深水工程設(shè)施的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)將是我們需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文通過較詳細(xì)的調(diào)研,了解世界上深水油氣田開發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)應(yīng)用情況,探討適合我國南海油氣開發(fā)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式,對(duì)于推動(dòng)我國深水油氣田工程設(shè)施及基礎(chǔ)的前期研究和工程設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。1海底設(shè)施的設(shè)計(jì)深水中的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是將海上浮體或水下生產(chǎn)系統(tǒng)系留在預(yù)定水域的專用工程設(shè)施,可能貫入海底一定深度,也可能直接座在海床泥面。目前國內(nèi)外深水油氣田開發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)采用的錨基礎(chǔ)型式主要包括抓力錨、樁基礎(chǔ)、吸力式基礎(chǔ)、法向承力錨(VLA)、吸力埋入式板錨(SEPLA)和魚雷錨等。1.1安裝體的特點(diǎn)抓力錨是比較傳統(tǒng)的基礎(chǔ)型式,通過被水平拖曳埋入泥面以下。其最大的特點(diǎn)是便于安裝,經(jīng)濟(jì)實(shí)用,易于回收,可重復(fù)利用。由于抓力錨在水平拖拉埋入泥面過程中,位置和深度難以準(zhǔn)確確定,且主要承受水平力,通常應(yīng)用于水深較淺的海域。1.2樁基礎(chǔ)的充填技術(shù)樁基是固定式海洋平臺(tái)最常用的基礎(chǔ)型式(通常300m以內(nèi)),也可用作錨樁系泊各種海上設(shè)施。如圖1所示,樁基礎(chǔ)長(zhǎng)徑比相對(duì)較大,其承載力的計(jì)算和安裝技術(shù)成熟可靠。樁基礎(chǔ)一般采用水下打樁錘進(jìn)行打入,也可以通過鉆井船鉆入。由于打樁錘在水深達(dá)到2000m以上時(shí)對(duì)船舶要求很高,整體造價(jià)較高,而鉆入樁的承載力由于其安裝方式而受到影響,所以樁基礎(chǔ)在超深水的應(yīng)用受到一定程度的限制。1.3系泊纜連續(xù)纜吸力式基礎(chǔ)貌似倒置的水桶,頂端封閉、下端敞開,見圖2。吸力式基礎(chǔ)應(yīng)用范圍廣泛,既可以用于固定式平臺(tái)的基礎(chǔ)或浮式生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的系泊錨,又能作為水下生產(chǎn)設(shè)施的支撐結(jié)構(gòu)。系泊纜可采用懸鏈線式和拉緊式。與樁基相比,其外徑較大。吸力式基礎(chǔ)安裝主要依靠壓力差原理,安裝方法簡(jiǎn)單,安裝位置、方位、深度較易控制,且具有重復(fù)利用的可能性。其安裝時(shí)需要有一定起吊能力的工程船和水下機(jī)器人輔助完成。吸力式基礎(chǔ)在國外深水中的應(yīng)用技術(shù)相對(duì)比較成熟。1.4vla錨基礎(chǔ)的安裝法向承力錨(VLA),如圖3所示,通過一個(gè)稱為錨爪的大的承載板,調(diào)動(dòng)周圍土體的剪切強(qiáng)度來提供承載力,其抗拔承載力能夠達(dá)到錨自身重量的100倍以上。VLA的安裝過程與抓力錨相似,也具有施工方法簡(jiǎn)單、易操作、回收方便等優(yōu)點(diǎn)。由于VLA可以承受垂直于承載板的垂向力,其承載力得以提高,可采用深水拉緊式系泊系統(tǒng)。1.5板錨插入輔助安裝吸力埋入式板錨(SEPLA,SuctionEmbeddedPlateAnchor)在安裝之前,將板錨插入用于輔助安裝的吸力錨的底部縫隙中(圖4),借助吸力錨的貫入插入泥中,安裝完成后可回收吸力錨,板錨留在設(shè)計(jì)深度。此方法多被用于系泊移動(dòng)式鉆井裝置。SEPLA安裝時(shí)間相對(duì)吸力樁增加了30%,但由于吸力錨為輔助設(shè)施,經(jīng)濟(jì)性較好。與抓力錨相比,SEPLA的安裝地點(diǎn)和入泥深度都是事先確定的,安裝的精度比較高。1.6錨體的定位和定位魚雷錨屬于動(dòng)力嵌入錨,呈圓柱形管狀,內(nèi)部有填充物,吊耳位于錨頂部,錨底部通常是圓錐形,使得錨可以在自由落下后通過自重動(dòng)力定位完全埋入泥中。錨體本身可以帶鰭也可以不帶,如圖5所示。此類錨目前只在巴西海域有工程實(shí)例,用于系泊柔性立管、移動(dòng)式鉆井裝置和浮式生產(chǎn)設(shè)施。2深水油氣設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的固定式平臺(tái)難以適應(yīng)深水油氣開發(fā)的需要,在過去的20多年中,張力腿平臺(tái)(TLP)、深水柱筒平臺(tái)(SPAR)、半潛式平臺(tái)、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置(FPSO)、水下生產(chǎn)系統(tǒng)(SBS)等結(jié)構(gòu)型式被運(yùn)用于深水油氣田開發(fā),如圖6所示。深水基礎(chǔ)的選擇和設(shè)計(jì)需要綜合考慮平臺(tái)選型、海底土質(zhì)、工作水深、環(huán)境荷載、系泊方式等多種因素,另外還需要考慮安裝的難易程度及支持設(shè)備費(fèi)用。土質(zhì)條件、基礎(chǔ)類型和基礎(chǔ)尺寸等直接決定了錨基礎(chǔ)的極限承載力。2.1重力式基礎(chǔ)的平臺(tái)截至2010年初,世界范圍內(nèi)已投入使用的張力腿平臺(tái)共24座,其水深范圍147～1425m。平臺(tái)的基礎(chǔ)型式主要是重力式基礎(chǔ)(含吸力式)和樁基礎(chǔ)。這些基礎(chǔ)被認(rèn)為是能夠抵抗長(zhǎng)期拉力荷載較有效的基礎(chǔ)型式。采用重力式基礎(chǔ)的平臺(tái)有3座,分別是HuttonTLP(147m)、SnorreATLP(335m)和HeidrunTLP(345m)。主要是由于重力式基礎(chǔ)在深水適用性受到限制。另外的21座(占TLP平臺(tái)總數(shù)的88%)均采用了樁基礎(chǔ)。平臺(tái)可以通過基盤與樁基連接(水深較淺),也可以直接跟樁基連接。以位于美國墨西哥灣海域1311m水深處的MarcoPolo為例,此平臺(tái)屬于新型的TLP,平臺(tái)通過8根張力腿直接與樁基相連,基礎(chǔ)直徑1.93m,長(zhǎng)119m;MagnoliaTLP是世界上應(yīng)用水深最大的張力腿平臺(tái),位于墨西哥灣,水深1425m,樁基直徑2.44m,長(zhǎng)103m,樁重433t。2.2平臺(tái)的基礎(chǔ)型式SPAR平臺(tái)具有良好的動(dòng)力穩(wěn)定性,能夠很好地滿足深度為500～3000m水域中石油的生產(chǎn)和儲(chǔ)存,已經(jīng)逐漸變成最具有吸引力和發(fā)展?jié)摿Φ钠脚_(tái)型式之一。截至2011年初,全球的SPAR平臺(tái)共有17座,其水深范圍588～2383m,除了Kikeh位于馬來西亞外,其余的均在墨西哥灣服役。平臺(tái)的基礎(chǔ)型式主要是吸力錨和樁基礎(chǔ)。采用樁基礎(chǔ)的SPAR平臺(tái)有10座(59%),絕大多數(shù)集中在水深1500m以內(nèi)。Constitution平臺(tái)水深1515m,是采用樁基水深最大的SPAR平臺(tái),其通過9個(gè)錨鏈與樁基礎(chǔ)相連,基礎(chǔ)直徑為2.13m,長(zhǎng)69.5m。另外的7座平臺(tái)采用了吸力錨(41%),其應(yīng)用水深相對(duì)較大,分布在1324～2383m。HolsteinSPAR平臺(tái)工作水深1324m,平臺(tái)通過16條傳統(tǒng)的“鏈—鋼纜—鏈”式系泊纜索動(dòng)態(tài)定位,基礎(chǔ)長(zhǎng)7.9m,直徑5.5m;PerdidoSPAR平臺(tái)工作水深2383m,是世界上應(yīng)用水深最大的SPAR平臺(tái)。平臺(tái)采用了直徑為5.5m、長(zhǎng)為26.5～31.4m的吸力錨。可見,在超深水中應(yīng)用的SPAR,其基礎(chǔ)型式已經(jīng)逐步用吸力式基礎(chǔ)取代了打入樁。2.3深水服務(wù)平臺(tái)截至2011年初,世界范圍內(nèi)已服役的半潛式生產(chǎn)平臺(tái)約29座(含F(xiàn)PU),應(yīng)用于水深300m以上,其中7座位于超深水(1500m以上)。位于深水區(qū)的平臺(tái),有10座(45%)采用吸力錨作為系泊基礎(chǔ),5座(23%)采用了抓力錨,4座(18%)采用了VLA,1座采用了魚雷錨,1座采用了SEPLA。我國位于流花11-1油田的南海挑戰(zhàn)號(hào)(330m)的錨基礎(chǔ)是BruceFFTSMk4,屬于VLA。在超深水服役的平臺(tái),除了P-52(水深1795m,位于巴西的Roncador油田)采用了魚雷錨(由16個(gè)魚雷錨錨固在海底),除ThunderHawk(1739m)采用了打入樁之外,其余5座全部采用吸力錨基礎(chǔ)。IndependenceHub(2413m)位于墨西哥灣,是目前世界上水深最大的半潛式生產(chǎn)平臺(tái),采用12根聚酯系泊纜與直徑5.48m、長(zhǎng)27.43m的吸力錨連接;Atlantis(2156m)是世界上第二系泊水深的半潛式生產(chǎn)平臺(tái),也采用了吸力錨;ThunderHorse(1849m)平臺(tái)位于墨西哥灣,是世界上最大的FPU,通過16個(gè)直徑5.49m、長(zhǎng)28.65m的吸力樁錨固在海底泥面上。ThunderHawk(1739m)是目前世界上水深最大的采用打入樁為錨泊基礎(chǔ)的FPU,樁基直徑2.134m,長(zhǎng)65.5m。上述可見,吸力式基礎(chǔ)在半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的系泊基礎(chǔ)中占了很大的比重,且水深越大其優(yōu)勢(shì)越明顯。抓力錨作為生產(chǎn)式半潛平臺(tái)的系泊基礎(chǔ),多用于幾百米水深以內(nèi),由于抓力錨主要承受水平荷載,不太適宜用張緊或半張緊型錨泊線,所以其在深水的應(yīng)用受到了限制。盡管相對(duì)于TLP和SPAR平臺(tái),半潛式平臺(tái)的地域分布性更廣一些,應(yīng)用的基礎(chǔ)類型也相對(duì)較多。但是目前魚雷錨只有在巴西海域的應(yīng)用實(shí)例,SEPLA是專利產(chǎn)品?？傮w看來,吸力錨的應(yīng)用目前也是半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的主流基礎(chǔ)趨勢(shì)。2.4fpso錨泊基礎(chǔ)FPSO(FloatingProductionStorageandoffloading)即浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油系統(tǒng),是海上油氣開發(fā)的一種重要設(shè)施。截至2010年年中,世界范圍內(nèi)改造和服役的FPSO約160多艘。其中約70艘服役水深超過300m,包括6艘位于超深水。據(jù)查到的資料顯示,服役的FPSO有24艘(34%)采用了吸力錨[18,19,20,21,22,23],4艘采用了打入樁,4艘采用了抓力錨,2艘采用了VLA,2艘采用了魚雷錨。其中位于我國海域陸豐22-1油田的奎寧號(hào)(330m)采用了吸力式基礎(chǔ),位于流花11-1的南海勝利號(hào)采用了拖曳埋入式抓力錨。BWPioneerFPSO是美國墨西哥灣的首座FPSO,也是迄今為止全世界水深最大的FPSO,達(dá)到了2600m,其錨泊基礎(chǔ)采用吸力式基礎(chǔ)。與半潛式生產(chǎn)平臺(tái)類似,VLA和魚雷錨還沒有得到大范圍的應(yīng)用。而吸力式基礎(chǔ)幾乎遍布了石油資源較豐富的海域,如巴西、西非、墨西哥灣、北海、亞洲東海岸、澳大利亞等。2.5固定的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)水下生產(chǎn)系統(tǒng)是通過水下井口、水下生產(chǎn)設(shè)施以及海底管線和電纜,將油氣混合物輸送至處理平臺(tái)或岸上油氣處理廠來實(shí)現(xiàn)海上油氣田開發(fā)的。水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備中的管匯、海管終端、泵站、回接支撐等,都需要有一定的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)將它們固定在海底。常用的除了類似于平臺(tái)的防沉板結(jié)構(gòu)的支撐框架直接放置于海床外,在深水絕大多數(shù)都是采用吸力式基礎(chǔ)來固定,目前應(yīng)用水深超過了2000m。例如BlindFaith的海管終端采用了直徑4.88m、長(zhǎng)27.83m的吸力式基礎(chǔ)(圖7),安裝水深2103m;ShellPerdido項(xiàng)目中將直徑5.49m、長(zhǎng)度24.4m的吸力式基礎(chǔ)用于管匯,水深2383m;CascadeandChinook油田的管匯和泵站都用了吸力式基礎(chǔ),管匯的基礎(chǔ)直徑4.88m,長(zhǎng)21.8m,泵站的基礎(chǔ)尺度相對(duì)較大,直徑為5.49m,長(zhǎng)27.4m。3用好基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)研究我國南海的深水海域蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源,據(jù)估計(jì),南海的石油總儲(chǔ)量為230～300億噸,有著廣闊的深海油氣開發(fā)前景。目前美國和巴西的深水油氣田開發(fā)規(guī)模和技術(shù)水平居世界領(lǐng)先地位。借鑒國外的成功經(jīng)驗(yàn),并結(jié)合我國海底管網(wǎng)缺乏、具有FPSO的資源優(yōu)勢(shì)等,采用“浮式鉆采平臺(tái)-FPSO-水下井口及水下生產(chǎn)系統(tǒng)”的模式比較適合我國。結(jié)合深水浮式平臺(tái)的性能特點(diǎn),綜合多方面因素,我國南海深水油氣田開發(fā)在1500m范圍內(nèi),可以以常規(guī)TLP平臺(tái)或者半潛式平臺(tái)作為首選。在超深水,可以以半潛式平臺(tái)為首選,同時(shí)也進(jìn)行對(duì)SPAR平臺(tái)的研發(fā)?；A(chǔ)作為深水油氣田開發(fā)工程設(shè)施的重要組成部分,是平臺(tái)能否成功使用的前提條件,也在某種程度上標(biāo)志著一個(gè)國家開發(fā)深水油氣田的技術(shù)水平。結(jié)合上文調(diào)研結(jié)果,考慮我國有抓力錨、打入樁和吸力式基礎(chǔ)的淺水設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn),建議深水基礎(chǔ)可以針對(duì)上述三種為主進(jìn)行研究;超過1000m的深水區(qū)域,打入樁和吸力式基礎(chǔ)可以作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)研究的重點(diǎn),因?yàn)樵谏钏?傳統(tǒng)的呈懸鏈線形狀的錨鏈已逐漸為張緊或半張緊形狀的錨泊線所代替,抓力錨不適合承受傾斜荷載;而在超深水區(qū)域,打入樁自重貫入的穩(wěn)定性以及水下打樁錘的巨大費(fèi)用及樁基礎(chǔ)本身的用鋼量大等問題,導(dǎo)致了樁基礎(chǔ)在超深水的發(fā)展受到限制,吸力式基礎(chǔ)則成為發(fā)展重點(diǎn)。吸力樁與其他類型的系泊基礎(chǔ)相比,具備著安裝地點(diǎn)準(zhǔn)確,施工簡(jiǎn)便,不需要拖拉操作,對(duì)土體本身的強(qiáng)度影響較小,使用安全可靠,有重復(fù)利用的可能性等特點(diǎn),所以在超深水區(qū)域,吸力式基礎(chǔ)的優(yōu)勢(shì)則更加明顯。另外從工程勘探造價(jià)