半潛生產(chǎn)平臺在南海海域的應(yīng)用

半潛生產(chǎn)平臺在南海海域的應(yīng)用

劉昊,何國雄,李鵬,張寶雷

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300452)

摘要：介紹半潛式平臺的發(fā)展歷史，分析半潛式生產(chǎn)平臺的技術(shù)優(yōu)勢，結(jié)合流花11-1油田“南海挑戰(zhàn)”號的成功應(yīng)用，認(rèn)為半潛式生產(chǎn)平臺在南海具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：半潛式平臺 南海海域 應(yīng)用前景

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.038

中圖分類號：U674.38;P751

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-7953(2015)05-0141-04

收稿日期：2015-07-30

作者簡介：第一劉昊(1988-)，男，碩士，助理工程師

Abstract:The development history of the semi-submersible platform is introduced, and its technical advantages are analyzed. The successful application of the Nanhai Tiaozhan platform in the Liuhua 11-1 oilfield indicates that the semi-submersible production platform has wide application prospects in South sea.

修回日期：2015-09-01

資助項(xiàng)目：工信部項(xiàng)目(2069F1130022)

研究方向:船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造

E-mail:liuhao22@cnooc.com.cn

半潛平臺是從坐底式鉆井平臺演變而來的。坐底式平臺只能在很淺的水中進(jìn)行作業(yè)，其支持力是依靠海底提供。為了能在較深的水中進(jìn)行作業(yè)，研發(fā)出鉆井立管，結(jié)合日益完善的多點(diǎn)系泊系統(tǒng)，坐底式平臺逐漸可以漂浮在水中進(jìn)行作業(yè)。半潛平臺在不斷的技術(shù)革新中完成了逐步的演變，幾乎每10年左右就會產(chǎn)生一次飛躍，平臺的結(jié)構(gòu)形式、材料、平臺性能，以及作業(yè)能力都產(chǎn)生了巨大的變化[1]。

第1代半潛平臺1960-1970年建造，作業(yè)水深150 m，甲板可變載荷約2 000 t，平臺均依靠多個浮箱提供浮力，從而實(shí)現(xiàn)漂浮，以此來替代坐底式平臺依靠海底支持力的方式。第1代半潛平臺多作為海上鉆井裝置進(jìn)行使用，之后逐漸多見于海上浮式生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行使用。此時的半潛平臺結(jié)構(gòu)形式不很合理，并且設(shè)備的自動化程度較低。

第2代半潛平臺1971-1980年建造，作業(yè)水深300 m，甲板可變載荷約2 000 t，與第1代相比，第2代半潛平臺取消了橫向浮箱，從而獲得了更好的移動性能，但此時設(shè)備操作的自動化程度仍然不高。

第3代半潛平臺1981-1984年建造，作業(yè)水深500 m，甲板可變載荷約3 000 t，第3代半潛平臺在設(shè)計(jì)上加大了構(gòu)件的尺度和可承受有效載荷，在結(jié)構(gòu)上則采用了雙浮箱構(gòu)型，結(jié)構(gòu)型式較為合理，是20世紀(jì)80、90年代的主力平臺類型。

第4代半潛平臺1984-1998年建造，作業(yè)水深1 500 m，甲板可變載荷約4 500 t，第4代半潛平臺在箱型上甲板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上取消了斜撐，只保留了縱向立柱之間的水平支撐，可承受載荷也進(jìn)一步增大。此時的半潛平臺已可以采用推進(jìn)器輔助定位，配有部分自動化鉆臺甲板機(jī)械，設(shè)備能力和甲板可變載荷都有提高。

第5代半潛平臺1990-2000年建造，作業(yè)水深2 300 m，甲板可變載荷約5 000 t，在結(jié)構(gòu)上基本與第4代相同。在系泊上以動力定位為主，錨泊定位為輔。

第6代半潛平臺2 000年以后建造，作業(yè)水深3 000 m，甲板可變載荷約8 000 t，第6代的上部甲板變?yōu)橄湫徒Y(jié)構(gòu)，幾乎完全取消了斜支撐，船體結(jié)構(gòu)更為優(yōu)化，重量減輕，平臺的可變載荷更大，可以適應(yīng)更惡劣的海況和更深的水深[2]。

第7代超深水半潛式鉆井平臺“福瑞斯泰阿爾法號”2015年6月建成，最大作業(yè)水深3 658 m，最大鉆井深度15 240 m，可變載荷達(dá)到1萬t，均為目前國內(nèi)之最、世界前列，可適應(yīng)除挪威海外的所有作業(yè)環(huán)境，是目前全球作業(yè)水深和鉆井深度最深的半潛式鉆井平臺。

圖1　半潛平臺

1南海油氣資源及海域環(huán)境

1.1南海油氣資源

南海是北太平洋西部最大的邊緣海，面積廣闊，平均水深約1 212 m，中部深海平原中最深處達(dá)5 567 m[2]。我國南海油氣資源極為豐富，石油蘊(yùn)藏量約為230億～300億t，其中70%蘊(yùn)藏于深水海域，開發(fā)南海深水油氣是必然趨勢。南海是世界海況條件最惡劣的三大海域之一。深海、惡劣的海況條件以及遠(yuǎn)離大陸，都是海上浮式油氣生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營必須面對的難題。

1.2海域環(huán)境

1.2.1季風(fēng)及熱帶氣旋

南海位于亞熱帶和熱帶區(qū)域內(nèi)，熱帶海洋性季風(fēng)氣候非常明顯，呈現(xiàn)夏半年、冬半年特征，海面平均風(fēng)速也因此呈現(xiàn)出季節(jié)特點(diǎn)。南海與南海諸島每年11月至次年3月盛行東北季風(fēng)，5月至9月盛行西南季風(fēng)，4月和10月是季風(fēng)轉(zhuǎn)換時期。熱帶氣旋也對南海及其諸島產(chǎn)生重要影響，這些氣旋七成來自菲律賓以東的西太平洋面和加羅林群島附近洋面，三成來自南海的西沙群島和中沙群島附近海面。1976-2005年平均每年有12.4個熱帶氣旋對南海產(chǎn)生影響，其中大部分是由西太平洋產(chǎn)生后進(jìn)入南海。

1.2.2海浪

南海海浪主要取決于季風(fēng)，受其影響，南海的海浪也有明顯的季風(fēng)特點(diǎn)，夏天流向東北，冬天流向西南。在季風(fēng)交替的時候，浪向則不明顯。由于冬季季風(fēng)風(fēng)速相對夏季較大，故冬季時氣候態(tài)波高也較大。

1.2.3環(huán)流

南海環(huán)流系統(tǒng)受到多種因素的影響，其中最主要的因素則是季風(fēng)，海流也隨季風(fēng)而變化。夏季總環(huán)流為反氣旋型，盛行東北向漂流，主流在臺灣以南匯入黑潮，支流經(jīng)臺灣海峽入東海；冬季結(jié)構(gòu)則為一個氣旋型，盛行西南向漂流。南海海流流速整體上比東部海區(qū)大，從而造成南海海面夏半年北高南低，冬半年南高北低。南海的上升流分布廣泛，夏季時最強(qiáng)，尤以越南東部海面、海面島東部沿海及粵東沿海和臺灣淺灘一帶最為顯著[3]。

1.2.4氣候環(huán)境

南海位置距離赤道較近，受到較多的日照，因而溫度較高。年平均氣溫在25～28 ℃。氣溫最低時平均在20 ℃以上，最高時則可達(dá)到33 ℃左右。受到南海和西太平洋水汽的影響，南海諸島常年降水豐富，且雨量具有較強(qiáng)的季節(jié)性，主要集中于夏季半年中。

2半潛式生產(chǎn)平臺的適用性及特點(diǎn)

2.1半潛式生產(chǎn)平臺的適用性

海洋環(huán)境對平臺的作業(yè)性能、安全性以及經(jīng)濟(jì)性具有重要的影響，我國南海海況惡劣，在工程中需要針對我國的海洋環(huán)境以及技術(shù)經(jīng)驗(yàn)特點(diǎn)進(jìn)行深入研究，采用合理的模式進(jìn)行開發(fā)。

制度建設(shè)是生態(tài)文明建設(shè)的核心。黨的十八大以來，江西在生態(tài)文明建設(shè)中，強(qiáng)化制度改革創(chuàng)新，初步形成了“源頭嚴(yán)防、過程嚴(yán)管、后果嚴(yán)懲”的生態(tài)文明“四梁八柱”制度框架。

深水油氣開發(fā)是世界各國海洋油氣開采的重要研究方向，其開采模式也逐步成熟。美國由于其在墨西哥灣具有發(fā)達(dá)的海底管網(wǎng)的優(yōu)勢，采用了“浮式鉆采平臺-水下井口/水下生產(chǎn)系統(tǒng)-海底管網(wǎng)”的油氣開發(fā)模式；巴西則依據(jù)其海域大陸架特點(diǎn)，采用了“半潛式平臺-水下井口/水下生產(chǎn)系統(tǒng)-浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置”的開發(fā)模式。

南海深海油氣開發(fā)目前已經(jīng)成為我國油氣開發(fā)的重要方向，我國借鑒了國外的開發(fā)模式，結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過多年的發(fā)展，形成了“浮式鉆采平臺-FPSO-水下井口/水下生產(chǎn)系統(tǒng)”的開采方式[4]。

2.2半潛式生產(chǎn)平臺的特點(diǎn)

除FPSO外，半潛式生產(chǎn)平臺是重要的海上石油勘探開發(fā)裝備之一，特別適合我國南海海域的油氣開發(fā)。

隨著一代代的設(shè)計(jì)不斷的完善，半潛平臺構(gòu)件的尺寸逐漸加大，數(shù)量逐漸減少，并且將上部甲板變?yōu)榱讼湫徒Y(jié)構(gòu)，性能日益優(yōu)化，逐漸形成了現(xiàn)在的半潛平臺。半潛式平臺一般由上部甲板結(jié)構(gòu)、立柱、浮筒、系泊系統(tǒng)、立管系統(tǒng)和樁基等組成。浮筒用來提供足夠的浮力，系泊則是把平臺系泊在海底的樁基上，使平臺保持允許范圍內(nèi)的相對靜止。半潛平臺屬于中性浮力裝置，浮力與重力相等且其重心高于浮心，依靠立柱水線面形成的穩(wěn)性高提供穩(wěn)性。半潛平臺與FPSO的吃水相當(dāng)，但由于其水線面面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于FPSO，故半潛平臺對風(fēng)浪不敏感，從而具有惡劣海況下良好的運(yùn)動性能，延長了有效作業(yè)時間。半潛式鉆井平臺可以比較容易地改造為生產(chǎn)平臺，半潛式生產(chǎn)平臺兼顧了鉆井、修井功能以及多海底井采油，工作范圍大，工作水深范圍廣，是海上石油勘探開發(fā)最有前途的設(shè)備之一，在我國深海油氣開發(fā)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

半潛式生產(chǎn)平臺組合海底油、氣輸送管線或浮式儲卸裝置(FSO)，可以組成海上油氣開采、生產(chǎn)系統(tǒng)，尤其適用于深海油氣田和邊際油田的開發(fā)。我國流花11-1深水油田即采用了半潛式生產(chǎn)平臺。

3半潛式生產(chǎn)平臺在中國南海的應(yīng)用及前景

3.1流花11-1油田開發(fā)方式

1)“南海挑戰(zhàn)”號半潛式生產(chǎn)平臺，此生產(chǎn)平臺是由半潛式鉆井平臺改裝而來。

2)一套包括20～24口井的組塊式水下生產(chǎn)系統(tǒng)和三條與FPSO連接的海底管線。

3)14萬t級的FPSO一艘，由油船改裝而成[5]。

流花11-1油田工程設(shè)施圖見圖1。

圖2　流花11-1油田工程設(shè)施

3.2“南海挑戰(zhàn)”號見圖半潛生產(chǎn)平臺

我國第一座半潛式生產(chǎn)平臺“南海挑戰(zhàn)”號于1996年3月于南海流花11-1油田投產(chǎn)，其作業(yè)水深為310 m，設(shè)計(jì)排水量為28 379 t，設(shè)計(jì)高峰年產(chǎn)原油為286萬t，是由一艘1975年建造的半潛式鉆井平臺改造而來[5]?！澳虾Ｌ魬?zhàn)”號主要功能是[6]：

1)具有完整的鉆井、完井和修井能力，設(shè)計(jì)壽命為20年。

2)安裝了4臺3 400 kW的發(fā)電機(jī)及鉆井和20口井的電潛泵的供配電設(shè)備。

3)承擔(dān)全部水下設(shè)備的安裝、操作、維護(hù)和回收作業(yè)。

“南海挑戰(zhàn)”號在改造時平臺結(jié)構(gòu)增加了2個水下橫向浮體和4個角柱上的4個浮柱，經(jīng)過擴(kuò)建平臺生活模塊可住130人。平臺上增設(shè)了2臺74 kWC 100 HP的ROV，其中一臺是可以離開平臺到其他地方服務(wù)的。平臺將一臺50 t平臺吊機(jī)更換為75 t以滿足水下中心管匯的安裝要求，采用11根系泊纜實(shí)現(xiàn)海上定位，為臺風(fēng)期間不解脫設(shè)計(jì)，共有25根生產(chǎn)立管。

3.3應(yīng)用前景

半潛式生產(chǎn)平臺具有惡劣海況下運(yùn)動性能良好、甲板面積大、可較容易由半潛式鉆井平臺改造而來、可兼顧鉆井、修井功能以及多海底井采油、工作范圍大、工作水深范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景，可以滿足我國在南海海域的油氣開發(fā)需求。我國流花11-1深水油田開采即為半潛式生產(chǎn)平臺運(yùn)用的成功案例。

在半潛式生產(chǎn)平臺的設(shè)計(jì)上，“深海半潛式生產(chǎn)平臺總體設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目，緊密結(jié)合我國南海海域自然環(huán)境條件，研究開發(fā)出一型深海半潛式生產(chǎn)平臺設(shè)計(jì)方案，其功能滿足我國南海海域油氣資源開發(fā)的需求，為我國發(fā)展半潛式生產(chǎn)平臺奠定工程技術(shù)基礎(chǔ)。

4結(jié)束語

半潛式生產(chǎn)平臺經(jīng)過多年的發(fā)展，目前已發(fā)展至第7代，功能日益完善優(yōu)化，加之其具備的運(yùn)動性能好等多方面優(yōu)點(diǎn)，可適應(yīng)我國南海的油氣開發(fā)需求?！澳虾Ｌ魬?zhàn)”號半潛式生產(chǎn)平臺的成功成為了一個良好的先例，為我國今后進(jìn)一步發(fā)展半潛式生產(chǎn)平臺提供了經(jīng)驗(yàn)。隨著我國深水油氣開發(fā)的日益發(fā)展，半潛式生產(chǎn)平臺必將獲得更多的運(yùn)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 譚家翔.海上油氣浮式生產(chǎn)裝置[M].北京：石油工業(yè)出版社，2014.

[2] 王夢穎.深水半潛式鉆井平臺總體與壓載系統(tǒng)初步研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2011.

[3] 童波，金強(qiáng).基于南海環(huán)境條件的半潛式鉆井平臺設(shè)計(jì)環(huán)境參數(shù)分析[J].船舶,2011,02:8-14.

[4] 謝彬,張愛霞,段夢蘭.中國南海深水油氣田開發(fā)工程模式及平臺選型[J].石油學(xué)報(bào),2007,01:115-118.

[5] 范模.深水半潛式生產(chǎn)平臺總體設(shè)計(jì)思路與應(yīng)用前景[J].中國海上油氣,2012(6):54-57.

[6] 陳景輝.南海流花11-1深水油田開發(fā)工程[J].中國海洋平臺,1996(1):44-46+4.

Application Prospect of the Semi-submersible Platform in the South Sea

LIU Hao, HE Guo-xiong, LI Peng, ZHANG Bao-lei

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300452, China)

Key words: semi-submersible platform; South sea area; application prospect