第3l卷第4期 海 洋 石 油 OFFSHORE OIL V01.31 No.4 2011年12月 Dec.2011 文章编号:1008—2336(2011)04—0087—06 深水油气田开发工程中的基础应用探讨 王丽勤 ,侯金林 ,庞然 ,刘冬雪 (1.中海油研究总院,北京100027;2.海王星海上工程技术有限公司,天津300384) 摘要:在对国内外深水油气田开发中的张力腿平台(TLP)、深水柱筒平台(SPAR)、半潜式生产平台、浮式生产储油卸油装置 (FPSO)和水下生产系统(SBS)所采用的基础型式进行较详细调研的基础上,讨论了常见的基础型式的特点,考虑其实际应用情 况并结合我国南海深水油气开发中可能采用的工程开发模式,探讨我国深水油气田开发适用的基础型式,为我国深水油气田工 程设施及基础的前期研究和工程设计提供参考。 关键词:深水油气田;浮式生产系统;水下生产系统;基础型式 中图分类号:TE54 文献标识码:A DOI:10.3969/j.issn.1008—2336.2011.04.087 The application of foundations in deepwater oil and gas field development engineering WANG Liqin ,H0U Jinlin ,PANG Ran。,LIU Dongxue (1.CNOOC Research Center,Beiifng,100027,China; 2.Neptune Offshore Engienering Development Co.Ltd.,Tianjin 300384,China) Abstract:Based on comprehensive review of foundation types used in the development of deepwater 0il and gas fields in the world,the characteristics of all popular foundation types have been compared and their applications in the current production system of oil and gas development have been presented.According to possible development scheme in the South China Sea,the applicable foundation types have been evaluated.The ifndings presented in this paper could be useful in the selection of ̄undation type for deepwater oil and gas de— velopment in the South China Sea. Key words:deepwater oil and gas development;floating production system;subsea production system;foundation type 海洋工程界通常认为300 in以上为深水,1 500 131 海油气开发的基础结构型式,对于推动我国深水油气 以上为超深水。目前世界上最深的海洋油气田开发 田工程设施及基础的前期研究和工程设计具有参考 已超过2 500 m。开采水深的逐年推进,使得各类平 价值。 台和采油设施不断创新以适应新的发展趋势。要想 将这些平台设施长时间、较精确的保持在环境更恶劣 1深水油气田开发工程中常用的基础 的深水预定位置,这无疑对锚泊系统提出了更高的要 型式 求。深水锚泊问题也因此倍受学术界与工业界的关 注。 深水中的基础结构是将海上浮体或水下生产系 目前我国南海深水区域尚有很大的开发潜力,深 统系留在预定水域的专用工程设施,可能贯人海底一 水工程设施的基础结构将是我们需要攻克的关键技 定深度,也可能直接座在海床泥面。目前国内外深水 术之一。本文通过较详细的调研,了解世界上深水油 油气田开发生产系统采用的锚基础型式主要包括抓 气田开发生产系统的基础应用情况,探讨适合我国南 力锚、桩基础、吸力式基础、法向承力锚(VLA)、吸力 基金项目:国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”(2008ZX05056)研究成果。 收稿日期:2011-05—11;改回日期:2011—06—24 第一作者简介:王丽勤,女,1976生,2006年毕业于大连理工大学港口、海岸与近海工程国家重点实验室,博士,现为中海石油研究总院工程设计研 究院海工结构工程师。E-mail:wanglq3@cnooc.com.cn。 第31卷第4期 王丽勤,等.深水油气田开发工程中的基础应用探讨 ・89・ 的精度比较高。 1.6鱼雷锚 鱼雷锚属于动力嵌入锚,呈圆柱形管状,内部有 填充物,吊耳位于锚顶部,锚底部通常是圆锥形,使得 锚可以在自由落下后通过自重动力定位完全埋人泥 中。锚体本身可以带鳍也可以不带,如图5所示。此 类锚目前只在巴西海域有工程实例,用于系泊柔性立 管、移动式钻井装置和浮式生产设施。 2深水油气田开发生产系统的基础应 用情况 传统的固定式平台难以适应深水油气开发的需 要,在过去的20多年中,张力腿平台(TLP)、深水柱 筒平台(SPAR)、半潜式平台、浮式生产储油卸油装置 (FPSO)、水下生产系统(SBS)等结构型式被运用于 一 图5鱼雷锚的型式(不带鳍型和带鳍型) Fig.5 Torpedo pile 深水油气田开发,如图6所示。 深水基础的选择和设计需要综合考虑平台选型、 海底土质、工作水深、环境荷载、系泊方式等多种因 素,另外还需要考虑安装的难易程度及支持设备费 用。土质条件、基础类型和基础尺寸等直接决定了锚 基础的极限承载力。 图6深水油气田开发生产系统示意图 Fig.6 Deepwater system types 2.1张力腿平台的基础应用 满足深度为500~3 000 in水域中石油的生产和储存, 已经逐渐变成最具有吸引力和发展潜力的平台型式 之一。 截至2010年初,世界范围内已投入使用的张力 腿平台共24座,其水深范围147~1 425 m 。平台 的基础型式主要是重力式基础(含吸力式)和桩基础。 这些基础被认为是能够抵抗长期拉力荷载较有效的 基础型式。 截至2011年初,全球的SPAR平台共有17座,其 水深范围588~2 383 in ,除了Kikeh位于马来西亚 外,其余的均在墨西哥湾服役。平台的基础型式主要 是吸力锚和桩基础。 采用桩基础的SPAR平台有10座(59%),绝大 采用重力式基础的平台有3座,分别是Hutton TLP(147 m)、Snorre A TLP(335 m) 和Heidrun TLP (345 Il1)。主要是由于重力式基础在深水适用性受到 。 另外的21座(占TLP平台总数的88%)均采用 多数集中在水深1 500 in以内。Constitution平台水 深l 515 nl,是采用桩基水深最大的SPAR平台,其通 过9个锚链与桩基础相连,基础直径为2.13 in,长 69.5 ITI。 了桩基础¨ J。平台可以通过基盘与桩基连接(水 深较浅),也可以直接跟桩基连接。以位于美国墨西 哥湾海域1 311 m水深处的Marco Polo为例,此平台 属于新型的TLP,平台通过8根张力腿直接与桩基相 连,基础直径1.93 In,长119 in;Magnolia TLP是世界 另外的7座平台采用了吸力锚(41%) J,其应 用水深相对较大,分布在1 324—2 383 in。Holstein SPAR平台工作水深1 324 In,平台通过16条传统的 “链一钢缆一链”式系泊缆索动态定位,基础长7.9 in,直径5.5 m;Perdido SPAR平台工作水深2 383 1TI, 是世界上应用水深最大的SPAR平台。平台采用了 直径为5.5 ITI、长为26.5~31.4 111的吸力锚 。可 见,在超深水中应用的SPAR,其基础型式已经逐步用 上应用水深最大的张力腿平台,位于墨西哥湾,水深 1 425 Ill,桩基直径2.44 111,长103 1TI j,桩重433 t。 2.2 SPAR平台的基础应用 SPAR平台具有良好的动力稳定性,能够很好地 ・ 90 ・ 海 洋 石 油 2011年12月 吸力式基础取代了打入桩。 2.3半潜式生产平台的基础应用 截至2011年初,世界范围内已服役的半潜式生 产平台约29座(含FPU),应用于水深300 lqq以上,其 中7座位于超深水(1 500 m以上) 。 位于深水区的平台,有10座(45%)采用吸力锚 作为系泊基础¨ 川,5座(23%)采用了抓力锚,4座 (18%)采用了VLA 14 J,1座采用了鱼雷锚,1座采用 了SEPLA。我国位于流花11—1油田的南海挑战号 (330 m)的锚基础是Bruce FFFS Mk4,属于VLA。 在超深水服役的平台,除了P一52(水深1 795 nl,位于巴西的Roncador油田)采用了鱼雷锚(由16 个鱼雷锚锚固在海底),除Thunder Hawk(1 739 1TI)采 用了打入桩之外,其余5座全部采用吸力锚基础¨引。 Independence Hub(2 413 1TI)位于墨西哥湾,是目前世 界上水深最大的半潜式生产平台,采用12根聚酯系 ?自缆与直径5.48 m、长27.43 m的吸力锚连接 ;At— lantis(2 156 in)是世界上第二系泊水深的半潜式生产 平台,也采用了吸力锚;Thunder Horse(1 849 m)平台 位于墨西哥湾,是世界上最大的FPU,通过16个直径 5.49 m、长28.65 m的吸力桩锚固在海底泥面上。 Thunder Hawk(1 739 m)是目前世界上水深最大的采 用打入桩为锚泊基础的FPU,桩基直径2.134 m,长 65.5 m。 上述可见,吸力式基础在半潜式生产平台的系泊 基础中占了很大的比重,且水深越大其优势越明显。 抓力锚作为生产式半潜平台的系泊基础,多用于几百 米水深以内,由于抓力锚主要承受水平荷载,不太适 宜用张紧或半张紧型锚泊线,所以其在深水的应用受 到了。尽管相对于TIP和SPAR平台,半潜式平 台的地域分布性更广一些,应用的基础类型也相对较 多。但是目前鱼雷锚只有在巴西海域的应用实例, SEPLA是专利产品。总体看来,吸力锚的应用目前也 是半潜式生产平台的主流基础趋势。 2.4 FPSO的基础应用 FPSO(Floating Production Storage and oflfoading) 即浮式生产储卸油系统,是海上油气开发的一种重要 设施。 截至2010年年中,世界范围内改造和服役的 FPSO约160多艘。其中约70艘服役水深超过300 nq,包括6艘位于超深水 。据查到的资料显示,服 役的FPSO有24艘(34%)采用了吸力锚¨ ,4艘 采用了打入桩,4艘采用了抓力锚,2艘采用了VLA,2 艘采用了鱼雷锚。 其中位于我国海域陆丰22~1油田的奎宁号 (330 m)采用了吸力式基础,位于流花11一l的南海 胜利号采用了拖曳埋入式抓力锚。BW Pioneer FPSO 是美国墨西哥湾的首座FPSO,也是迄今为止全世界 水深最大的FPSO,达到了2 600 m,其锚泊基础采用 吸力式基础。 与半潜式生产平台类似,VLA和鱼雷锚还没有 得到大范围的应用。而吸力式基础几乎遍布了石油 资源较丰富的海域,如巴西、西非、墨西哥湾、北海、亚 洲东海岸、澳大利亚等。 2.5水下生产系统 水下生产系统是通过水下井口、水下生产设施以 及海底管线和电缆,将油气混合物输送至处理平台或 岸上油气处理厂来实现海上油气田开发的 。水下 生产系统设备中的管汇、海管终端、泵站、回接支撑 等,都需要有一定的基础结构将它们固定在海底。 常用的除了类似于平台的防沉板结构的支撑框 架直接放置于海床外,在深水绝大多数都是采用吸力 式基础来固定_2 鹞 ,目前应用水深超过了2 000 Ill。 例如Blind Faith_2 的海管终端采用了直径4.88 nl、 长27.83 m的吸力式基础(图7),安装水深2 103 lXl; Shell Perdidol3o。项目中将直径5.49 m、长度24.4 m 的吸力式基础用于管汇,水深2 383 1TI;Cascade and Chinook油田的管汇和泵站都用了吸力式基础,管汇 的基础直径4.88 m,长21.8 m,泵站的基础尺度相对 较大,直径为5.49 nl,长27.4 m。 图7用于Blind Faith油田PLET的吸力式基础 Fig.7 Suction pile used in Blind Faith oil field 3我国南海深水油气田开发中基础应 用前景 我国南海的深水海域蕴藏着丰富的油气资源,据 估计,南海的石油总储量为230~300亿吨 ,有着广 阔的深海油气开发前景。 第31卷第4期 王丽勤,等.深水油气田开发工程中的基础应用探讨 ・9l・ 目前美国和巴西的深水油气田开发规模和技术 水平居世界领先地位。借鉴国外的成功经验,并结合 我国海底管网缺乏、具有FPSO的资源优势等,采用 “浮式钻采平台一FPSO一水下井口及水下生产系统” 的模式比较适合我国 J。结合深水浮式平台的性能 特点,综合多方面因素,我国南海深水油气田开发在 1 500 in范围内,可以以常规TLP平台或者半潜式平 台作为首选。在超深水,可以以半潜式平台为首选, 同时也进行对SPAR平台的研发 。 基础作为深水油气田开发工程设施的重要组成 部分,是平台能否成功使用的前提条件,也在某种程 度上标志着一个国家开发深水油气田的技术水平。 结合上文调研结果,考虑我国有抓力锚、打入桩和吸 力式基础的浅水设计和施工经验,建议深水基础可以 针对上述三种为主进行研究;超过1 000 in的深水区 域,打入桩和吸力式基础可以作为基础结构研究的重 点,因为在深水,传统的呈悬链线形状的锚链已逐渐 为张紧或半张紧形状的锚泊线所代替,抓力锚不适合 承受倾斜荷载;而在超深水区域,打人桩自重贯入的 稳定性以及水下打桩锤的巨大费用及桩基础本身的 用钢量大等问题,导致了桩基础在超深水的发展受到 ,吸力式基础则成为发展重点。 吸力桩与其他类型的系泊基础相比,具备着安装 地点准确,施工简便,不需要拖拉操作,对土体本身的 强度影响较小,使用安全可靠,有重复利用的可能性 等特点,所以在超深水区域,吸力式基础的优势则更 加明显。另外从工程勘探造价出发,吸力式基础的埋 置深度相对长桩浅,比较经济。深水吸力式基础的结 构设计与浅水差别不大,在深水作业,吸力式基础的 安装首先要解决施工动力泵和控制测量系统的耐压 和深海长距离的脐带缆释放等问题。 4结束语 各类基础型式都有其特点和适用范围。作为深 水油气田开发工程的重要组成部分,基础的选择是平 台能否成功使用的前提条件,也标志着一个国家开发 深水油气田的技术水平。我国深海油气开发刚刚起 步,借鉴和吸取国外深水基础的成功经验,研究适合 我国深水工程设施的基础结构,对于保证工程设施的 安全,有效地降低工程投资将具有重要的意义。 参考文献: [1]Mustang Engineering.2010 Worldwide Survey of TLPs,TLWPs[1I/ 0L].Offshore Magazine Online, 2010—02].http://www.offshore. mag.corrv/etc/medialib/platofrm一7/offshore/maps—and—posters. Par.73466.File.dat/0210OS—TIJP—Poster012510Ads.pdf. [2]Almeland I B,Gaul T R,Pettersen D J,et a1.Snore TLP configuration and analysis technology[C].OTC 6622,Houston,1991:577—586. [3]Ulbrieht W R,Ripping M A,Doyle E H,et 1a.Design,Fabrication,and Installation of the Auger TLP Foundation System[C].OTC 7626, Houston,1994:589—598. [4]Watten R B,Provost M J,Pastor S,et a1.Typhoon seastar TLP[C]. OTC 14123,Houston,2002:1—8. [5]Tang Q,Holloway G L,Wade B.Pile Driving Fatiuge Damage—Effec— tive Factors and Reduction[C].OTC 17256,Houston,2005:1—8. [6]Mustang Engineering.201 1 Deepwater Solutions&Records for Con- cept Selection[J/OL].Offshore Magazine Online,[2011—05].ht・ tp://www.offshore-mag.com/etc/medialib/platofrm一7/offshore/ maps—andposters.Par.68579.File.dat/0511OSDeepwaterPost— ——e ̄4071 1Ads.pdf. [7]Ehlers C J,Young A G,Chert Jen—hwa.Technology assessment of deepwater anchors[C].OTC 16840,Houston,2004:1—17. [8]Perryman S,Gebara J,Botros F,at a1.Holstein truss spar and top ten— stoned riser system design challenges and innovations[C].OTC 17292,Houston,2005:1—13. [9]Zaid A1一Khafaji,AudibertM E,Mohammad P E,et a1.Suction Cats- son Foundation Desing for Vortex—Induced Vibration Loading[C]. OTC 15239,Houston,2003:1—10. [10]Curtis Lohr,Keith Smith.Perdido Development Project—Spar& Moorings[C].OTC 20885,Houston,2010:2—18. [11]Mustnag Engineering.201 1 Worldwide Survey of Semi—FPSs and FPUs Poster[J/OL].Offshore Magazine Online,[2011—01].http:// w M.offshore—mag.com/etc/medialib/platofrm一7/offshore/maps— nadposters.Par.65503.File.dat/l101SemiFloatVesselPoster.pdf. [12]Jean—Louis Colliat.Evaluation of Suction Piles and Plate Anchors from Current Deepwater Mooring Applications[C].Proceeding of the Eleventh International Offshore and Polra Engineering Conference (ISOPE),2006:475—481. [13]Andersen K H,Murff J D,Randolph M F,et a1.Suction Anchors for Deepwater Applications[C].ISFOG,2005:3—30. [14]da Coata Fraga C T,Borges F A,Bellot C,et a1.Campos Basin一25 Years of Production and its Contirbution to the Oil Industry[C].OTC 15219,Houston,2003:1—2O. [15]PatonA K,Smith J D,Newlin JA,eta1.NaKika—DeepwaterMoor- ing and Host Installation[C].OTC 16702,Houston,2004:1—9. [16]Andrew Couch,James Guion,Douglas Rieth,et a1.Independence In- stlalation[C].OTC 18585,Houston,2007:1—11. [17]Mustang Engineering.2010 Worldwide Survey of Floating Production, Storage and 0flfoading(FPSO)Units[J/OL].Offshore Magazine Online,[2010—08].http://www.offshore—mag.com/etc/medialib/ platform一7/offshore/maps—andposters.Par.81721.File.dat/ 2010FPSO-072710OUT,pdf. [18]Tor Inge Tjelta.Their Position and Application Toda[C].Proceeding of the Sixteenth International Offshore and Polar Engineering Confer— enee,Norway,2001:1—6. [19]Ayman Eltaher,Yatendra Rajapaksa,Kuan—Tao Chang.Indust ̄T ・ 92 ・ 海 洋 石 油 [27]Gregory N Gist.Suction Pile Diana Subsea Production System:An 0一 verview[C]OTC 13082,Houston,2001:1—21. [28]Lafitte J L,Perrot M,Lesgent J,e1 a1.Dalia Subsea Production Sys— tern:Presentation and Challenges[C].OTC 18541,Houston,2007:1— 10. Trends for Design of Anchoring Systems for dcepwater Offshore struc- tnres[C].OTC 15265,Houston,2003:1—10. [2O]Rafin F,Laine A,Ludot B.AKPO:A Giant Deep Offshore Develop- ment J C J.OTC 18816,Houston,2007:1—9. [21]Colliat J L.Anchors orf Deepwater to Ultradeepwater Moorings l c]. OTC 14306.Houston,2002:1—9. [29]Harry Shen,Williams H P.Blind Faith Gas Expoa Pipeline Pre— [22]Dendani H,Colliat J L.Girassol:Desin Analgysis and Installation of the Suction Anchors[c].OTC 14209,Houston,2002:1—7. [23]Rafin F,Laine A,Ludot B.Petrobras Cascade&Chinook inaugurate commissioning and Commissioning(PCC)Challenges[C].OTC 21033,Houston,2010:1—8. [30]Ju G T,Littell H S,Cook T B,el a1.Perdido Development:Subsea nd Flaowline Systems[C].OTC 20882,Houston,2010:1—12. [31]黄维平,白兴兰,孙传栋,等.国外Spar平台研究现状及中国南海 应用前景分析[J].中国海洋大学学报,2008,38(4):675—680. FPSO production in GOMfC].OTC 18816,Houston,2007,1—9. [24]李飒,韩志强,王圣强,等.深水石油平台及其锚固基础形式评述 [J].海洋工程,2008,26(2):147—154. [25]Ju G T,Littell H S,Cook T B,et a1.Perdido Development:Subsea [32]谢彬,张爱霞,段梦兰.中国南海深水油气田开发工程模式及平 台选型[J].石油学报,2007,28(1):115—118. nd Flaowline Systems[J].Offshore Technology Conference,3—6 May 2010,Houston,Texas,USA. 【33]刘杰鸣,王世圣,冯玮,等.深水油气开发工程模式及其在我国南 海的适应性探讨[J].中国海上油气,2006,18(6):413—418. [26]sparrevik Per.Suction Pile Technology and Installation in Deep Wa— ters[c].OTC 14241,Houston,2002:1—9. (上接第76页)查及关井压锥轮流开采等技术手段来 减缓递减,提高原油采收率,并在油田实际生产中应 用,取得了较好的开发效果。 参考文献: [1]袁昭,邵明记,阳兴华,等.吐哈低渗低黏油田二次开发框架方案研 究[J].吐哈油气,2008,13(1):9—15. [3]Mike Gunningham,Chris Varley.The Integrated Use of New Technolo— gy in the Development of the Sakhalin II Projeet[C].SPE 114805, 2oo8. [4]肖利平.卫城低渗、复杂断块油田稳产技术[J].西南石油学院学 报,2006,28(6):56—59. [5]任今明,吴迪,王双才,等.塔中16油田中低渗边水油藏的高效开 发实践[J].西南石油学院学报,2005,27(4):28—30. [2]郑洪印.涠洲11—4砂岩底水油田综合油藏管理实践[J].中国海 匕油气,2004.16(5):312—317. (上接第86页) 参考文献: [1]王眉山,郑毅.中国废弃钻井液处理技术发展趋势[J].钻井液与完 井液,2009,26(6):77—79. [2]万仁溥,张琪.油井建井工程[M].北京:石油工业出版社,2001. [5]鄢捷年.钻井液工艺学[M].东营:中国石油大学出版社,2001. [6]薛玉志,马云谦,李公让.海上废弃钻井液处理研究[J].石油钻探 技术,2008,36(5):12—15. [7]贺吉安.四川油气田完井废物固化处理技术研究[D].四川成都: 西南交通大学,2008:24—29. [3]王学川,胡艳鑫,郑书杰,等.国内外废弃钻井液处理技术研究现状 [J].陕西科技大学学报(自然科学版),2010,28(6):169—173. [4]中国石油天然气总公司.中华人民共和国石油天然气行业标准: sY/_r5107—1995水基压裂液性能评价方法[s].1995. [8]国家环境保护局标准司.中华人民共和困国家标准:GB 5086.1— 1997固体废物浸出毒性浸出方法——翻转法[S].1997. [9]国家环境保护局.中华人民共和国国家标准:GB 8978--1996污水 综合排放标准[S].北京:中国环境科学出版社,1996.