南海之深水海洋工程裝備技術(shù)特征剖析

周國(guó)平

(上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203)

南海之深水海洋工程裝備技術(shù)特征剖析

周國(guó)平

(上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203)

我國(guó)南海深水海域油氣資源開(kāi)發(fā)既是能源安全的迫切需要，也是維護(hù)我國(guó)海洋權(quán)益、行使南海海域主權(quán)的必然舉措。發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)，海洋裝備必須先行。海洋工程裝備是四個(gè)大類海洋裝備中海洋開(kāi)發(fā)裝備的主體。我國(guó)南海深水海域面積廣闊，海洋油氣資源十分豐富，但南海深水海域地理環(huán)境條件極為復(fù)雜，距大陸路途十分遙遠(yuǎn)。針對(duì)我國(guó)南海深水海域地理環(huán)境條件的特點(diǎn)，對(duì)于可采用的和適配的主要深水海洋工程裝備的技術(shù)特征進(jìn)行初步剖析，并就幾種適合于南海深水海域油氣資源開(kāi)發(fā)的作業(yè)模式進(jìn)行技術(shù)分析探討，為我國(guó)南海深水海域油氣資源開(kāi)發(fā)提供一定的參考。

深水油氣資源開(kāi)發(fā)； 南海地理環(huán)境； 海洋工程裝備； 南海油氣開(kāi)發(fā)模式

0 引 言

21世紀(jì)是海洋世紀(jì)。在國(guó)際政治、經(jīng)濟(jì)、外交和軍事等大環(huán)境影響下，加快海洋資源開(kāi)發(fā)和利用是當(dāng)今世界各主要海洋國(guó)家發(fā)展的重要戰(zhàn)略取向，海洋油氣資源特別是深水油氣資源的開(kāi)發(fā)已成為國(guó)家的重要戰(zhàn)略舉措之一[1]。發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)，實(shí)現(xiàn)中國(guó)海洋強(qiáng)國(guó)夢(mèng)，海洋裝備必須先行。海洋工程裝備是四個(gè)大類海洋裝備中海洋開(kāi)發(fā)裝備的主體。國(guó)家有關(guān)部門已編制了海洋經(jīng)濟(jì)和海洋工程產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃[2-4]，提出了海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)規(guī)模位居世界前列的戰(zhàn)略目標(biāo)。我們應(yīng)該緊緊抓住我國(guó)南海深水海域油氣資源開(kāi)發(fā)的重要機(jī)遇。為堅(jiān)持實(shí)施國(guó)家戰(zhàn)略，對(duì)接海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略，要加強(qiáng)深水海洋工程裝備和海工配套設(shè)備的研發(fā)與基礎(chǔ)共性技術(shù)及關(guān)鍵技術(shù)研究。針對(duì)影響大、迫切需要解決的重大核心技術(shù)瓶頸，應(yīng)集中力量予以突破[5-7]，以加快我國(guó)南海深水海域油氣資源開(kāi)發(fā)步伐，實(shí)現(xiàn)中國(guó)海洋強(qiáng)國(guó)夢(mèng)。

整個(gè)南海海域面積約為356萬(wàn)平方公里，其中南海九條斷續(xù)線之內(nèi)我國(guó)傳統(tǒng)疆界的海域有210萬(wàn)平方公里左右，油氣資源量初步估計(jì)達(dá)350億噸以上，其中70%蘊(yùn)藏于深海區(qū)域。南海深水海域面積廣闊，具沉積凹陷發(fā)育特征，海洋油氣資源潛力具大，勘探開(kāi)發(fā)前景良好。盡管我國(guó)南海海域具有十分豐富的海洋油氣資源和天然氣水合物資源，然而我國(guó)目前海洋油氣資源勘探開(kāi)發(fā)工作水深在500 m左右，主要集中在近海大陸架150 m左右水深海域，與國(guó)際水平相比具有較大差距，深水海域油氣資源勘探開(kāi)發(fā)尚屬起步階級(jí)。向更深、更廣的深水海域油氣資源開(kāi)發(fā)進(jìn)軍，實(shí)現(xiàn)深水(水深500～1 500 m)、超深水(水深1 500 m以上)海域的油氣資源勘探開(kāi)發(fā)，開(kāi)辟深水海域油氣資源開(kāi)發(fā)領(lǐng)域以尋求新的海洋油氣資源，大幅度增加海洋油氣資源開(kāi)采產(chǎn)量，向海洋要更多的油、更多的氣是當(dāng)前的主要任務(wù)，也面臨著極為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。本文針對(duì)我國(guó)南海深水海域地理環(huán)境條件的特點(diǎn)，對(duì)于可采用的和適配的主要深水海洋工程裝備的技術(shù)特征進(jìn)行初步剖析[8]，并就幾種適合于南海深水海域油氣資源開(kāi)發(fā)的作業(yè)模式進(jìn)行技術(shù)探討，以期為我國(guó)南海深水海域油氣資源開(kāi)發(fā)提供一定的參考。

1 南海深水海洋工程裝備技術(shù)特征剖析

眾所周知，海洋環(huán)境十分惡劣，而且隨著水深的不斷增加，這種環(huán)境的惡劣程度將更趨劇烈。海洋油氣資源開(kāi)發(fā)主要包括開(kāi)發(fā)鉆井、完井采油、油氣分離處理和油氣集輸?shù)人膫€(gè)方面。開(kāi)發(fā)鉆井是繼勘探鉆井之后，為開(kāi)采油氣資源所進(jìn)行的鉆井，即鉆生產(chǎn)井。我國(guó)南海深水海域油氣資源勘探開(kāi)發(fā)的海域水深在500～3 000 m，最大作業(yè)水深在3 000 m以上，深水海域油氣資源勘探開(kāi)發(fā)水深大部分在1 000 m以上。針對(duì)我國(guó)南海深水海域油氣資源勘探開(kāi)發(fā)地理環(huán)境條件特點(diǎn)，在此對(duì)可采用和適配的主要深水海域油氣資源勘探開(kāi)發(fā)海洋工程裝備的技術(shù)特征進(jìn)行初步剖析。

1.1 深水半潛式鉆井平臺(tái)技術(shù)特征

深水半潛式鉆井平臺(tái)(SSDP)是一半漂浮在海平面以上，一半位于海水下的鉆井平臺(tái)。由于其形狀技術(shù)特征，深水SSDP在深水海域能充分顯示出它的優(yōu)越性，是我國(guó)南海深水海域進(jìn)行油氣資源勘探開(kāi)發(fā)的主要深水鉆井平臺(tái)型式之一。圖1是我國(guó)設(shè)計(jì)建造的首座3 000 m深水SSDP“海洋石油981”。深水SSDP主要由浮體、立柱和工作平臺(tái)三大部分組成。浮體提供平臺(tái)的大部分浮力；立柱用于連接工作平臺(tái)和浮體，支撐工作平臺(tái)；工作平臺(tái)即上部結(jié)構(gòu)，用于布置鉆井設(shè)備、鉆井器材、起重設(shè)備、救生消防、直升機(jī)平臺(tái)、人員生活居住艙室及設(shè)施，以及動(dòng)力、通訊和導(dǎo)航等設(shè)備；此外，在下體與下體、立柱與立柱、立柱與平臺(tái)本體之間還有一些橫撐或斜撐連接。

圖1 深水半潛式鉆井平臺(tái)“海洋石油981”Fig.1 Deepwater semi-submersible drilling platform “HAI YANG SHI YOU 981”

深水SSDP僅少數(shù)立柱暴露在波浪環(huán)境中，抗風(fēng)暴能力強(qiáng)，穩(wěn)性等安全性能良好，在波浪中其升沉、搖擺、漂移等運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值均較小，鉆井作業(yè)穩(wěn)定性好。隨著動(dòng)力系統(tǒng)配機(jī)功率的增大、動(dòng)力定位技術(shù)的發(fā)展以及動(dòng)力定位輔加錨系泊系統(tǒng)定位技術(shù)的應(yīng)用，深水SSDP的工作水深和定位能力不斷增加，能適應(yīng)更惡劣的深海海況，甚至可達(dá)全天候工作能力?？勺冚d荷是衡量深水SSDP性能的重要指標(biāo)。采用高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)材料和先進(jìn)設(shè)計(jì)減輕平臺(tái)自重，增加可變載荷，可以適應(yīng)更大工作水深和更大鉆深。裝備更大提升能力和鉆深能力的新一代鉆井設(shè)備能進(jìn)一步提高深水海域鉆井效率，以進(jìn)行更大深度的超深鉆井作業(yè)。目前深水半潛式鉆井平臺(tái)工作水深已達(dá)到3 050 m，最大鉆深能力將突破12 000 m。深水半潛式鉆井平臺(tái)造價(jià)較高，最大程度地提高在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中的利用率備受業(yè)界關(guān)注，往往具有鉆井、修井、采油、生產(chǎn)處理等多重平臺(tái)功能，需提高平臺(tái)利用率以降低深水海域油氣資源勘探開(kāi)發(fā)的成本。

1.2 張力腿平臺(tái)技術(shù)特征

張力腿平臺(tái)(TLP)是一種垂直系泊浮式平臺(tái)，是深水順應(yīng)式平臺(tái)的一種典型型式。TLP通過(guò)張緊纜索或張力腱將浮式半潛平臺(tái)結(jié)構(gòu)系于海底，船體浮力使得張力腿始終處于張緊狀態(tài)，從而使平臺(tái)保持垂直方向的穩(wěn)定，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)性能優(yōu)異，受表面波浪力影響較小。TLP是我國(guó)南海深水海域進(jìn)行油氣資源勘探開(kāi)發(fā)的主要深水鉆井平臺(tái)型式之一。TLP由平臺(tái)上體、浮體、張力腿、上部設(shè)施組塊、頂張力井口立管、懸鏈?zhǔn)搅⒐?外輸/輸入)和錨樁基礎(chǔ)構(gòu)成，船體通過(guò)由鋼管組成的張力腿與固定于海底的錨樁相連。圖2為典型的TLP照片。

圖2 張力腿平臺(tái)Fig.2 Tension leg platform (TLP)

TLP自由浮動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性較好。平臺(tái)上體位于水面以上，通過(guò)立柱與下體連接，立柱一般為圓柱形結(jié)構(gòu)，為平臺(tái)本體提供必要的結(jié)構(gòu)剛度。TLP的浮力由立柱和位于水面以下的浮箱提供。由于浮箱位于水面以下較深處，所以浮箱受表面波浪力的影響較小。張力腿與立柱的數(shù)量關(guān)系一般是一一對(duì)應(yīng)的，每條張力腿由2～4根張力腱組成，上端固定在平臺(tái)本體上，下端與海底基座模板相連，或是直接接連在樁基頂端，海底基座一般使用打入式樁基。為增加平臺(tái)的側(cè)向剛度，有時(shí)安裝側(cè)向系泊索系統(tǒng)，作為垂直張力腿系統(tǒng)的輔助。采油井位于平臺(tái)本體中部，可以支持使用“干式采油樹(shù)”系統(tǒng)，生產(chǎn)立管通過(guò)采油井，上與生產(chǎn)設(shè)備相接，下與海底油井相接，可以從平臺(tái)上直接鉆井、在甲板上進(jìn)行采油操作。由于張力腿長(zhǎng)度與水深成線性關(guān)系，而張力腿費(fèi)用較高，其合理的適用工作水深在150～2 000 m之間，一般將工作水深限制在2 000 m之內(nèi)。TLP沒(méi)有油氣儲(chǔ)存能力，因此生產(chǎn)出來(lái)的油氣必須馬上外輸，其附近需配置一艘深水浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(FPSO)或海上儲(chǔ)油裝置(FSU)，用于油氣處理和儲(chǔ)存原油，然后由穿梭油船外運(yùn)。

1.3 柱狀式平臺(tái)技術(shù)特征

柱狀式平臺(tái)(Spar平臺(tái))概念是從TLP發(fā)展而來(lái)的。其主要特點(diǎn)是主體吃水很深，水線面相對(duì)較小，在系泊系統(tǒng)和主體浮力控制的作用下，六個(gè)自由度上的運(yùn)動(dòng)的固有頻率都遠(yuǎn)離常見(jiàn)的海洋能量集中頻率范圍，從而有效減少波浪引起的平臺(tái)垂蕩，顯示了良好的運(yùn)動(dòng)性能；柱體底部裝有壓載使得平臺(tái)的重心低于浮心，以保證平臺(tái)的穩(wěn)性和垂向穩(wěn)定，減少縱搖；平臺(tái)中部側(cè)面布置錨鏈等錨泊系統(tǒng)以錨泊在海底，從而減少平臺(tái)的縱蕩和垂蕩。與其他深水鉆井平臺(tái)相比，Spar平臺(tái)的系泊系統(tǒng)投資成本降低一半左右。這些特點(diǎn)使得Spar平臺(tái)成為當(dāng)今國(guó)際海洋工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，也是我國(guó)南海深水海域進(jìn)行油氣資源勘探開(kāi)發(fā)的主要深水鉆井平臺(tái)型式之一。

圖3給出了典型Spar平臺(tái)的結(jié)構(gòu)。Spar平臺(tái)主體為垂直懸浮于水中的立柱體或組合主體，主要由頂部甲板模塊、主體結(jié)構(gòu)、系泊系統(tǒng)和立管系統(tǒng)四個(gè)系統(tǒng)組成。主體上部一般為封閉結(jié)構(gòu)，提供平臺(tái)整體浮力；底部為壓載，降低平臺(tái)重心，因而能保證任何狀態(tài)條件下的穩(wěn)定性和較好的垂向運(yùn)動(dòng)性能，適合于“干式采油樹(shù)”系統(tǒng)和頂端張緊立管(TTR)的使用。Spar平臺(tái)使用剛性懸鏈線立管(SCR)，通過(guò)海底采油裝置進(jìn)行油氣的開(kāi)采，同時(shí)利用SCR或柔性立管通過(guò)海底管網(wǎng)系統(tǒng)將油氣送至附近的深水FPSO進(jìn)行油氣處理和儲(chǔ)存，然后由穿梭油輪輸出。Spar平臺(tái)適于工作在水深500～3 000 m的深水和超深水海域，目前工作水深已達(dá)到2 383 m。Spar平臺(tái)主體的中央部分有一個(gè)方形的中心井口，其內(nèi)部的水域與外界連通，裝有支撐TTR的浮力罐及其支撐架等系統(tǒng)。當(dāng)今Spar平臺(tái)系泊系統(tǒng)大多采用多根半張緊的懸鏈線系泊纜，導(dǎo)纜器則通常位于重心附近，海底處一般使用抓力錨或者吸力錨作錨基。

圖3 柱狀式平臺(tái)Fig.3 Spar platform

1.4 浮式鉆井船技術(shù)特征

浮式鉆井船是用于海上鉆井的船形浮式裝置，是進(jìn)行海上深水和超深水油氣勘探開(kāi)發(fā)的主要鉆井平臺(tái)型式之一，也是我國(guó)南海深水海域進(jìn)行油氣資源勘探開(kāi)發(fā)的主要深水鉆井平臺(tái)型式之一。浮式鉆井船的船體型式與普通船形大致相似，通常為單船體式，浮式鉆井船的“船井”開(kāi)設(shè)在船體中央，使之在縱橫搖的搖擺近中心處。圖4為浮式鉆井船照片。浮式鉆井船設(shè)有錨泊定位或動(dòng)力定位系統(tǒng)，水深超過(guò)500 m的大都采用動(dòng)力定位。在錨泊定位系統(tǒng)中，有船上設(shè)多點(diǎn)錨泊系泊系統(tǒng)(一般為4～8個(gè)點(diǎn)成輻射狀錨泊系泊系統(tǒng))的，因不具有風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，其受海上風(fēng)、浪、流等外力影響較大，主要用于海況環(huán)境溫和的海域。浮式鉆井船在采用內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊定位系統(tǒng)時(shí)，內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)具有風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，可任意調(diào)節(jié)船艏方向，使之正對(duì)風(fēng)浪方向以大大減少風(fēng)與波浪對(duì)鉆井船的影響。

圖4 浮式鉆井船F(xiàn)ig.4 Float drilling ship

浮式鉆井船是所有深水鉆井平臺(tái)裝置中機(jī)動(dòng)性能最好的，移運(yùn)靈活，停泊簡(jiǎn)單，適應(yīng)水深范圍極為廣泛，一般從常規(guī)水深500 m以下至超深水都能適用。特別是在浮式鉆井船采用純動(dòng)力定位系統(tǒng)以后，船體與海底僅為鉆井系統(tǒng)連接，船體可自動(dòng)任意調(diào)節(jié)船艏方向以達(dá)到最佳方位角的最小功率效果，故特別適用于更大水深的超深水鉆井作業(yè)。目前浮式鉆井船的工作水深已達(dá)到3 658 m，能適應(yīng)5 000 m乃至更深海域。與深水SSDP相比，浮式鉆井船更偏重于超深水鉆井作業(yè)，特別適合于深水海域油氣資源勘探鉆井。浮式鉆井船配置先進(jìn)、可靠、安全的現(xiàn)代化更大功率鉆井設(shè)備，鉆機(jī)的鉆深能力得到加大，鉆探深度不斷增加，目前鉆井深度最大已達(dá)到11 430 m。浮式鉆井船更趨向于使用大功率、采取雙殼船體、雙鉆井系統(tǒng)和高精度的動(dòng)力定位系統(tǒng)。浮式鉆井船的缺點(diǎn)是受風(fēng)浪影響大，穩(wěn)定性差，搖擺度大，作業(yè)海況限制了鉆井的正常作業(yè)。解決浮式鉆井船在高海況惡劣環(huán)境條件下的耐波性能、提高減搖性能是技術(shù)研究中的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

1.5 水下生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)特征

水下生產(chǎn)系統(tǒng)(SPS)就是將深水井口平臺(tái)的主要功能和油氣采集系統(tǒng)搬到了水下，將油氣集輸裝備置于海底。如圖5所示，系統(tǒng)設(shè)施主要包括水下采油(氣)樹(shù)、水下基盤、水下管匯、跨接管、油氣輸送管道、海洋立管、電液控制系統(tǒng)、饋送辮束、臍帶纜等設(shè)備。SPS通過(guò)水下采油(氣)樹(shù)系統(tǒng)從水下井口采集油氣，各水下井口生產(chǎn)的油氣經(jīng)海底管線送到水下管匯進(jìn)行計(jì)量、收集和初步處理，再通過(guò)海洋立管輸送到深水FPSO進(jìn)行油氣處理和儲(chǔ)存并輸往穿梭油船外輸。SPS具有結(jié)構(gòu)制造簡(jiǎn)單、井口位置靈活多變、建設(shè)投資少、投產(chǎn)快、使用濕式采油方式、操作方便費(fèi)用低、緩解修井風(fēng)險(xiǎn)等顯著優(yōu)點(diǎn)，已在當(dāng)今世界深水海域油氣田開(kāi)發(fā)中大量應(yīng)用。

圖5 水下生產(chǎn)系統(tǒng)Fig.5 Subsea production system

SPS是20世紀(jì)60年代隨著深水海域油氣開(kāi)發(fā)和邊際油氣田開(kāi)發(fā)而逐漸發(fā)展起來(lái)的油氣開(kāi)發(fā)生產(chǎn)方式。SPS布置靈活，可以在很遠(yuǎn)距離共享既有的深水開(kāi)發(fā)工程設(shè)施，大大地提高了深水油氣田開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益。水下采油系統(tǒng)多與深水浮式生產(chǎn)系統(tǒng)配合工作，解決了在深水海域中使用深水井口平臺(tái)而使油氣開(kāi)發(fā)成本急劇上升的問(wèn)題。另外，SPS的主要系統(tǒng)設(shè)施都在海底，可免受深水井口平臺(tái)所經(jīng)受的海面風(fēng)、浪、流的影響，適應(yīng)水深的能力極好。2008年SPS就已經(jīng)被應(yīng)用在工作水深2 953 m的超深水海域。SPS特別適用于南海特有海況環(huán)境條件，將其與深水FPSO組合是我國(guó)南海深水海域進(jìn)行油氣資源開(kāi)發(fā)的主要型式之一。系統(tǒng)日操作控制是SPS的關(guān)鍵技術(shù)所在，持續(xù)的操作顯然比水上井口平臺(tái)式生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)雜許多，必須通過(guò)臍帶纜進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，同時(shí)受到深水水壓力和較低溫度的影響，系統(tǒng)的密封性和可靠性都要求大幅度提高，故此系統(tǒng)費(fèi)用基本上隨水深變化而變化。

1.6 深水FPSO技術(shù)特征

深水FPSO是集油氣處理、儲(chǔ)存與外輸于一體的浮式裝置，是我國(guó)南海深水海域油氣資源開(kāi)發(fā)的主要深水海洋工程裝備之一。深水FPSO通過(guò)艏部深水系泊裝置長(zhǎng)期系泊于海上深水油氣生產(chǎn)區(qū)域，通過(guò)海底管線或采油系統(tǒng)，從深水浮式鉆井裝置或深水SPS收集采出的原油或天然氣，在船上應(yīng)用油氣處理設(shè)備進(jìn)行油、氣、水分離處理，將分離出的合格原油、天然氣或成品原油儲(chǔ)存在FPSO的貨油艙內(nèi)，最后通過(guò)尾卸載系統(tǒng)輸往穿梭油船外輸。將深水FPSO與深水浮式鉆井裝置(井口平臺(tái))或深水海底的SPS組成一個(gè)完整的深水采油、油氣處理、儲(chǔ)存油氣和外輸卸油系統(tǒng)，是我國(guó)南海深水海域油氣資源開(kāi)發(fā)的主要作業(yè)模式。

FPSO主要由系泊系統(tǒng)、船體部分、油氣生產(chǎn)設(shè)備、尾卸載系統(tǒng)等幾個(gè)部分組成。圖6為我國(guó)設(shè)計(jì)建造的30萬(wàn)噸FPSO“海洋石油117”。系泊系統(tǒng)主要將深水FPSO長(zhǎng)期系泊定位于深水海域油氣生產(chǎn)區(qū)。內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)是深水FPSO通常采用的系泊系統(tǒng)，具有風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，是一種可以集系泊、油氣和電力輸送功能于一體的單點(diǎn)多輻射狀系泊系統(tǒng)，能滿足深水油氣生產(chǎn)海域的系泊定位要求功能，目前深水FPSO系泊工作水深已達(dá)到2 005 m。轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)可與動(dòng)力定位系統(tǒng)組合成輔助定位方式，使其能適應(yīng)于更深的深水海域?？山饷摳⊥矁?nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)可利用其解脫技術(shù)，當(dāng)臺(tái)風(fēng)接近系泊定位海區(qū)時(shí)實(shí)行解脫，能較好地適應(yīng)我國(guó)南海熱帶海洋性氣候“臺(tái)風(fēng)”季節(jié)這一特殊海況。船體部分作為海上的超大型浮體結(jié)構(gòu)，主要用于安裝系泊系統(tǒng)、油氣生產(chǎn)設(shè)備和尾卸載系統(tǒng)及儲(chǔ)存、人員生活居住等。油氣生產(chǎn)設(shè)備主要是油氣收集處理設(shè)備、儲(chǔ)存設(shè)備和油氣水分離設(shè)備等，分離出合格的原油、天然氣或成品原油儲(chǔ)存于貨油艙內(nèi)。尾卸載系統(tǒng)包括卷纜絞車、軟管絞車等，用于連接和固定穿梭油船，并將儲(chǔ)存的油氣卸入穿梭油船。

圖6 FPSO“海洋石油117”Fig. 6 FPSO “HAI YANG SHI YOU 117”

2 南海深水海域油氣資源開(kāi)發(fā)模式分析

南海海域海底環(huán)境主要是大陸架、大陸坡和中央海盆三個(gè)部分呈環(huán)狀分布。大陸架沿大陸邊緣和島弧分別以不同的坡度傾向深海海盆中；在中央海盆和周圍大陸架之間是陡峭的大陸坡，分為東、南、西、北四個(gè)海區(qū)。南海在長(zhǎng)期的地殼變化過(guò)程中，造成了深海海盆，深海海盆矗立著27座高度超過(guò)1 000 m的海山(其中不少高度達(dá)3 400～3 900 m)以及20多座400～1 000 m高的海丘，南海諸島就是在海盆隆起的臺(tái)階上形成的。南海海域海底地形極為復(fù)雜，見(jiàn)圖7。南海海域接近赤道，臺(tái)風(fēng)活動(dòng)頻繁，屬熱帶海洋性季風(fēng)氣候。每年5～9月盛行西南風(fēng)，11月至次年4月盛行東北風(fēng)。南海海域終年高溫高濕，常夏無(wú)冬，南海表層海水溫度也較高，年平均氣溫在25～28 ℃，年溫差3～4 K，南海海水鹽度最大可達(dá)3.5%，屬高熱、高濕、高鹽海洋環(huán)境。潮汐平均落差約2 m。深水一般是指水深在500～1 500 m之間的水域，1 500 m以上為超深水。我國(guó)南海75%海域的水深超過(guò)300 m，中部深海海盆平原中最深處達(dá)5 567 m，平均水深約1 212 m。南海北部陸坡區(qū)的盆地和南沙海域13個(gè)新生代沉積盆地均部分或全部位于深水區(qū)。我國(guó)最南端的曾母暗沙距大陸達(dá)1 800 km，路途十分遙遠(yuǎn)。

圖7 我國(guó)南海海域海底地形Fig.7 Seabed topography of South China Sea

在我國(guó)南海深水海域油氣資源開(kāi)發(fā)中，考慮到地理環(huán)境和海底地形極為復(fù)雜，要遠(yuǎn)距離鋪設(shè)海底外輸管道進(jìn)行油氣外輸處理，將開(kāi)采的油氣輸送到數(shù)千公里以外的陸上基地難度極大，甚至幾乎是不可能的。針對(duì)南海深水海域環(huán)境條件特點(diǎn)，在此提出采用深水FPSO和深水浮式鉆井裝置組合的方式進(jìn)行南海深水海域油氣資源開(kāi)發(fā)，深水浮式鉆井裝置解決深水海域油氣資源勘探開(kāi)發(fā)問(wèn)題，深水FPSO進(jìn)行油氣處理、儲(chǔ)油和外輸卸油，解決深水海域遠(yuǎn)距離油氣處理及外輸難題。深水浮式鉆井裝置主要有深水SSDP、Spar平臺(tái)、TLP等。如圖8所示，深水FPSO與不同的深水浮式鉆井裝置或水下生產(chǎn)系統(tǒng)組合成不同的深水海域油氣田開(kāi)發(fā)作業(yè)模式，形成完整的深水海域油氣資源采油、油氣處理、儲(chǔ)油和外輸卸油系統(tǒng)。

圖8 深水油氣田開(kāi)發(fā)模式Fig.8 Development mode of deepwater oil and gas field

2.1 深水FPSO與深水SSDP組合的開(kāi)發(fā)模式

深水SSDP在波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)較小，在深水海域中能充分顯示出它的優(yōu)越性，能具有鉆井、修井、采油、生產(chǎn)處理等多種功能，是我國(guó)南海深水海域油氣資源勘探開(kāi)發(fā)深水鉆井(勘探鉆井和開(kāi)發(fā)鉆井)極好的海洋工程裝備之一。然而，作為我國(guó)南海深水海域油氣田開(kāi)采的深水獨(dú)立井口平臺(tái)，由于深水SSDP受尺度、結(jié)構(gòu)型式、可變載荷等限制，油氣處理、儲(chǔ)存與外輸能力往往較低，外輸卸油給穿梭油船不夠方便和安全，不太適合于獨(dú)立進(jìn)行大型深水油氣田長(zhǎng)周期開(kāi)發(fā)。深水FPSO與深水SSDP組合，由于深水FPSO上具備較完善及強(qiáng)大的油氣處理、儲(chǔ)存與外輸能力，組合后可以彌補(bǔ)深水SSDP的油氣處理、儲(chǔ)存與外輸?shù)哪芰Σ蛔?。這種組合方式適合于我國(guó)南海深水海域大型油氣田開(kāi)發(fā)。

2.2 深水FPSO與TLP組合的開(kāi)發(fā)模式

TLP通過(guò)張緊纜索或張力腱將浮式半潛平臺(tái)結(jié)構(gòu)系于海底，船體浮力使得張力腿始終處于張緊狀態(tài)，從而使平臺(tái)保持垂直方向穩(wěn)定，在深水海域中受表面波浪力影響較小，是我國(guó)南海深水海域工作水深2 000 m之內(nèi)油氣資源開(kāi)發(fā)鉆井極好的海洋工程裝備之一。TLP依靠船體浮力使得張力腿處于張緊狀態(tài)，平臺(tái)的重量變化對(duì)張力腿的張緊狀態(tài)極其敏感和重要，因此張力腿平臺(tái)不設(shè)油氣儲(chǔ)存艙。作為我國(guó)南海深水海域油氣田開(kāi)采的深水井口平臺(tái)，TLP生產(chǎn)出來(lái)的油氣必須馬上外輸。圖10為深水FPSO與TLP組合的深水油氣田開(kāi)發(fā)模式。此種開(kāi)發(fā)方式將鉆井設(shè)施安裝在TLP上，油氣處理、儲(chǔ)存和外輸系統(tǒng)設(shè)置在深水FPSO上。由于深水FPSO本身具備較完善及強(qiáng)大的油氣處理、儲(chǔ)存與外輸能力，因而這種組合方式較適合于我國(guó)南海深水海域大型油氣田的開(kāi)發(fā)。

圖9 深水FPSO與TLP組合的深水油氣田開(kāi)發(fā)模式Fig.9 Development mode of deepwater oil and gas field made up of deepwater FPSO and TLP

2.3 深水FPSO與Spar平臺(tái)組合的開(kāi)發(fā)模式

Spar平臺(tái)的主體為垂直懸浮于水中的立柱體或組合主體，在系泊系統(tǒng)和主體浮力控制的作用下，可有效減少波浪引起的平臺(tái)垂蕩，保證平臺(tái)的穩(wěn)性和垂向穩(wěn)定。Spar平臺(tái)采用多根半張緊的懸鏈線系泊纜，通過(guò)調(diào)節(jié)系泊系統(tǒng)可在一定范圍內(nèi)移動(dòng)鉆井，重新定位較容易，造價(jià)上比TLP有明顯優(yōu)勢(shì)，并能適用于工作水深在500～3 000 m深水和超深水海域，是我國(guó)南海深水海域油氣田開(kāi)采、生產(chǎn)開(kāi)發(fā)鉆井極好的海洋工程裝備之一。Spar平臺(tái)雖然具有一定的處理、加工和儲(chǔ)存能力，但是，作為油氣田開(kāi)采的深水獨(dú)立井口平臺(tái)，由于Spar平臺(tái)受尺度、結(jié)構(gòu)型式、可變載荷等限制，油氣處理和儲(chǔ)存能力有限，外輸卸油也不太方便和安全。深水FPSO與Spar平臺(tái)組合，利用SCR或柔性立管通過(guò)海底管網(wǎng)系統(tǒng)將油氣送往附近的深水FPSO進(jìn)行油氣處理和儲(chǔ)存，然后由穿梭油船輸出。這種組合方式較適合于我國(guó)南海深水海域大型油氣田的開(kāi)發(fā)。

2.4 深水FPSO與SPS組合的開(kāi)發(fā)模式

SPS是油氣采集系統(tǒng)和設(shè)施置于海底的一種深水海域油氣田開(kāi)采生產(chǎn)方式，可使深水井口平臺(tái)免于遭受海面風(fēng)、浪、流的影響，特別是臺(tái)風(fēng)季節(jié)對(duì)深水海域油氣田生產(chǎn)的影響，能很好地適應(yīng)我國(guó)南海深水海域特有海況環(huán)境條件下的油氣田開(kāi)采生產(chǎn)。SPS的井口位置布置靈活，可由機(jī)動(dòng)性能極好的浮式鉆井船進(jìn)行深水油氣田開(kāi)發(fā)鉆井，各水下井口可以分布在較為廣泛的范圍內(nèi)，通過(guò)水下管匯將各水下井口產(chǎn)生的油氣匯集起來(lái)，再通過(guò)海洋立管輸送到深水FPSO?？梢詫⑸钏卸鄠€(gè)很遠(yuǎn)距離的小型油氣田或邊際油氣田連在一起，形成以深水FPSO為生產(chǎn)中心，結(jié)合周圍水下衛(wèi)星井口進(jìn)行油氣田開(kāi)采的模式，大大地提高深水油氣田開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益。如圖10所示，深水FPSO與SPS組合的深水油氣田開(kāi)發(fā)模式，組合后解決了SPS的油氣處理、儲(chǔ)存與外輸。這種組合方式較適合于我國(guó)南海深水海域大型油氣田、多個(gè)小型油氣田或邊際油氣田開(kāi)發(fā)。

圖10 深水FPSO與SPS組合的深水油氣田開(kāi)發(fā)模式Fig.10 Development mode of deepwater oil and gas field made up of deepwater FPSO and SPS

3 結(jié)束語(yǔ)

先進(jìn)、科學(xué)的海域資源開(kāi)發(fā)理念和海洋工程裝備是海洋油氣資源開(kāi)發(fā)特別是深水油氣資源開(kāi)發(fā)的必要支撐。在分析研究我國(guó)南海深水海域油氣資源開(kāi)發(fā)可采用的和適配的主要深水海洋工程裝備技術(shù)特征的基礎(chǔ)上，針對(duì)南海深水海域地理環(huán)境條件特點(diǎn)，提出采用深水FPSO和SSDP、Spar平臺(tái)、TLP等深水浮式鉆井裝置或SPS組合成不同的深水海域油氣田開(kāi)發(fā)作業(yè)模式，形成完整的深水海域油氣資源采油、油氣處理、儲(chǔ)油和外輸卸油系統(tǒng)，可以解決我國(guó)南海深水海域油氣資源開(kāi)發(fā)和遠(yuǎn)距離油氣處理及外輸難題。所提出的幾種深水海域油氣資源開(kāi)發(fā)作業(yè)模式可為我國(guó)南海深水海域油氣資源開(kāi)發(fā)提供一定的參考。

[1] 周國(guó)平. 對(duì)接國(guó)家戰(zhàn)略, 推進(jìn)上海海洋工程產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展[J]. 船舶及海洋工程, 2014(2): 1.

[2] 發(fā)改委， 科技部， 工信部， 等. 海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略(2011—2020)[R]. 2011.

[3] 工信部， 發(fā)改委， 科技部， 等. 海洋工程裝備制造業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃[R]. 2011.

[4] 工信部. 船舶工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃[R]. 2011.

[5] 上海市造船工程學(xué)會(huì). 船舶行業(yè)技術(shù)發(fā)展報(bào)告[R]. 2009.

[6] 上海市船舶與海洋工程學(xué)會(huì). 上海船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造學(xué)科發(fā)展報(bào)告[R]. 2011.

[7] 上海市船舶與海洋工程學(xué)會(huì). 上海市海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略與對(duì)策研究報(bào)告[R]. 2012.

[8] 周國(guó)平. 海洋工程裝備關(guān)鍵技術(shù)和支撐技術(shù)分析[J]. 船舶及海洋工程, 2012(1): 15.

TechnicalFeaturesAnalysisforDeepwaterOceanEngineeringEquipmentUsedintheSouthChinaSea

ZHOU Guo-ping

(ShanghaiMerchantShipDesignandResearchInstitute,Shanghai201203,China)

Development of deepwater oil and gas resources of the South China Sea is not only an urgent need for energy security, but also the necessary measure to protect the rights and dignity of China in the South China Sea as a sovereign state. For the development of ocean economy and the construction of ocean power, ocean equipment must be considered first. Ocean engineering equipment is the main body of ocean development equipment, which is among the four categories of ocean equipment. Deepwater area of the South China Sea is broad, and the ocean is very rich in oil and gas resources. However, the geographical environment in the South China Sea is very complex, and the deepwater area is far away from the mainland. According to the geographical environment features of the deepwater area of the South China Sea in China, the main technical features of adaptive deepwater ocean engineering equipment are analyzed, and several suitable operation modes for the deepwater ocean oil and gas resources development are introduced. This research may provide certain reference for the deepwater oil and gas resources development in the South China Sea.

deepwater oil and gas resources development； the South China Sea geographical environment； ocean engineering equipment； oil and gas development mode

P75; U674.38

A

2095-7297(2014)02-0095-08

2014-05-29

周國(guó)平(1957-),男,研究員，船舶設(shè)計(jì)大師,長(zhǎng)期從事海洋工程船舶及特種船舶開(kāi)發(fā)研究與設(shè)計(jì)。