北海油氣田退役棄置關鍵技術及裝備

劉 鵬，殷志明

（1.中國海洋石油國際有限公司，北京 100028；2.中海油研究總院有限責任公司，北京 100028）

0 引 言

油氣田退役是油氣田開發(fā)全生命周期的末端環(huán)節(jié)，是油氣田生命周期中不可或缺的部分［1］。根據(jù)《聯(lián)合國大陸架公約》《聯(lián)合國海洋法公約》《奧斯陸巴黎保護北大西洋海洋環(huán)境公約》等國際公約［2］，為了保護海洋生態(tài)環(huán)境，在油田退役棄置后，海洋鉆井平臺不能被丟棄于海域中，要求油氣公司將海洋平臺移除并運回陸地進行回收。

海上油氣田建成投產(chǎn)后，經(jīng)過若干年的開采，儲層所含油氣資源逐漸衰竭，當油氣產(chǎn)量無法達到經(jīng)濟開采價值，即產(chǎn)出油氣量的價值小于運維平臺生產(chǎn)所必須的投入成本時，油公司將按照相關法律法規(guī)對海上油氣田生產(chǎn)設施進行棄置。由于全球進行海洋油氣田開發(fā)時間相對較短，20世紀70年代隨著北海油田的發(fā)現(xiàn)步入大發(fā)展階段，而深水油氣田的開發(fā)更是最近20年才成為熱點。海上油氣田的經(jīng)濟開采周期一般都在40～50年，即最初投入大開發(fā)的海上油氣田將在近10年內(nèi)逐步進入退役棄置期。隨著北海標志性油田布倫特油田的退役，海上油氣田棄置工作逐漸拉開序幕。據(jù)英國油氣行業(yè)組織（Oil& Gas UK）報告［3］，2017—2025年，北海349個油氣田（其中英國214個，荷蘭106個，挪威23個，以及丹麥6個）接近一半需要退役棄置，預計需要完成或部分拆除200多個平臺，封堵和棄置近2 500口油氣井，并退役近7 800 km的海底管道。根據(jù)油田的大小不同，通常棄置周期從幾個月到幾年不等。預計在接下來的5年里，每年支出27億～36億英鎊用于棄置作業(yè)。就英國而言，估計2017—2025年度將用于退役的170億英鎊中有46%將位于北海中部，其中49%（約38億英鎊）將用于封堵和棄井作業(yè)。

1 北海油氣田棄置要求與關鍵裝備

油田棄置工作除了遵循所在國法律法規(guī)、石油天然氣行業(yè)標準外，還要受到政府相關部門的監(jiān)管。英國與北海油氣田棄置工作管理相關的政府部門/組織，包括國家石油天然氣管理局、職業(yè)健康安全管理局、工商業(yè)發(fā)展部和漁業(yè)部門等。政府各相關部門對油田棄置工作附有發(fā)放許可和監(jiān)督職能，如安全環(huán)保部監(jiān)督棄置工作過程中的安全和環(huán)保，工商業(yè)投資部負責審核作業(yè)者資質(zhì)并發(fā)放作業(yè)許可證，漁業(yè)部門負責驗收油田棄置工作結(jié)束后海域恢復原始或不影響捕魚作業(yè)安全。英國石油行業(yè)協(xié)會根據(jù)現(xiàn)在的科技和工業(yè)能力制定了具體的棄置實施規(guī)范。

1.1 北海油氣田棄置要求

海上油氣田不同的開發(fā)模式將決定棄置施工過程中選用不同的棄置裝備和技術，例如深水區(qū)的油氣田采用水下井口+管匯+FPSO方式（或是半潛式生產(chǎn)設施開發(fā)），而淺水區(qū)則采用干式井口通過導管架支撐生產(chǎn)平臺進行油氣井田的開發(fā)。英國石油行業(yè)協(xié)會因此制定了《海上油氣田退役棄置推薦做法》［4］。海上油氣田棄置分為3部分：①油氣井封堵棄置。此階段遵循石油行業(yè)標準鉆井部分，即用永久封堵物封堵油、氣、水層，并在泥面以下切割海底井口。②水下結(jié)構回收。此階段將海底結(jié)構清除，包括露出海底泥面的采油樹、海管、管跨和水下管匯等。③海面以上結(jié)構物拆除。此階段將水面以上結(jié)構（包括水下支撐結(jié)構）拆除，恢復海域原貌。

油氣井封堵棄置，即按照規(guī)范要求將井內(nèi)生產(chǎn)油管起出，注水泥塞封堵油氣井內(nèi)的油、氣或水層。標準要求每層要有2個水泥塞封固，單個水泥塞長150 m，也可注連續(xù)長245 m水泥塞。為確保水泥環(huán)質(zhì)量，通常選擇在上一層套管鞋附近注水泥塞，也可根據(jù)固井質(zhì)量檢測結(jié)果選擇注水泥塞的位置。

封固完地層中的油、氣、水層后，在泥面以下3～5 m處切割套管并起出井口，而近海底泥面位置則可根據(jù)目標井具體情況選擇性注水泥塞［5］。水下的海管、立管和電纜等需要進行切割回收，海管在泥面的切口處要做回填處理。

而平臺棄置則先將能拆除并能由工作船運回陸地的生產(chǎn)設施拆解，再將平臺上部組塊構件采用熱工或是冷切割的方式將其與支撐結(jié)構分開，再用駁船采用浮托法將上部平臺組塊整體搬遷回陸地進行拆解回收。鋼結(jié)構導管架則需要浮吊將導管架吊好后，再用鋼絲繩鋸將導管架在海床泥面以上割斷，隨后由浮吊將廢棄導管架運回陸地拆解。

1.2 北海油氣田棄置關鍵裝備

1.2.1 大型工程船

大型工程船是進行海上結(jié)構物提升和運輸關鍵設備，如北海進行井口平臺棄置的Pioneering Spirit是世界上最大的工程船之一（見圖1）。Pioneering Spirit工程船的建造標志著海上平臺安裝或是拆除工作向安全高效邁出了一大步，極大地減少了海上油氣平臺的安裝或是退役棄置相關工作的海上作業(yè)時間。該船是專為大型石油和天然氣平臺的安裝和拆除以及海管鋪設安裝而設計的，Pioneering Spirit船采用DP3動力定位的雙殼船，型長382 m，型寬124 m。船首處有一個長122 m、寬59 m的工程作業(yè)開口，這使得Pioneering Spirit可以駛?cè)肫脚_下方，可一次起吊重達48 000 t的平臺，可安裝重達20 000 t的導管架，并使用八組水平液壓舉升器將整個平臺舉升且運輸［6］。

圖1 精神先鋒號Fig.1 Pioneering Spirit

作為起重系統(tǒng)的補充，工程船尾還有一臺可起吊5 000 t的起重機，可用于較輕的上部平臺或是導管架的海上安裝。Pioneering Spirit的大船型具有出色的海況適應性能，涌浪主動補償系統(tǒng)使其能夠在高達3.5 m波高的海況條件下進行安裝或拆卸平臺組塊和導管架作業(yè)，并通過動態(tài)定位系統(tǒng)使其在任何水深范圍內(nèi)準確平穩(wěn)作業(yè)，而船體的防冰設計又保障其能在極地地區(qū)進行作業(yè)。

1.2.2 鋼結(jié)構切割工具

海上導管架平臺和支撐油氣流動通道的井筒結(jié)構通常為管狀鋼材或者鋼材和水泥膠連結(jié)構物，其中導管和水下套管切割一般采用金剛石繩鋸（見圖2）。金剛石繩鋸是一種柔性超硬材料切割工具，已有40多年的發(fā)展歷史，廣泛應用于礦山開采、鋼筋混凝土或金屬結(jié)構件的切割。

圖2 金剛石繩鋸結(jié)構圖Fig.2 Structure of diamond wire cutter

繩鋸由液壓動力端、繩鋸托架和鋸頭三部分組成（見圖3）。動力端提供液壓動力、繩鋸托架可依據(jù)水下鋼結(jié)構的大小采用相適應的尺寸，托架將繩鋸固定在切割位置，帶鋼絲繩鋸索的鋸頭與托架通過驅(qū)動輪滑軌相連并由液壓推動鋸頭將鋼絲繩鋸索壓在被切割物的切割面上；鋼絲繩鋸索是由穿有諸多金剛石割刀環(huán)片的鋼絲繩做成的。切割過程是由液力馬達帶動圍繞固定導向滑輪高速運動的鋼絲繩鋸索在切割物上沿著切割線磨削的。

圖3 金剛石繩鋸水下切割作業(yè)Fig.3 Underwater cutting operation of diamond wire cutter

常用水下應用繩鋸（型號DWS-48i-ROVSS）可切割管子的直徑為508～1 219 mm（20～48 in）、整個繩鋸干重780 kg，加上浮力塊后海水中濕重11 kg，可在3 000 m水深中進行作業(yè)。英國北海殼牌公司在2019—2020年對布倫特油田的3座海上生產(chǎn)設施進行了棄置拆除，其中Alpha平臺為導管架結(jié)構，棄置過程中用到了鋼絲繩鋸在水面下85m將導管架鋸斷，再由浮吊將導管架調(diào)離。鋼絲繩鋸切割導管架具有安全快捷、無污染、成本低等特點。

2 北海油氣田棄置案例

2.1 布倫特油田退役棄置

布倫特油田位于英國北海北部，西距設特蘭島186 km，水深140 m。布倫特油田由殼牌英國公司擔任作業(yè)者（見圖4），布倫特油田有4座生產(chǎn)平臺，共有開發(fā)井146口，于1976—1978年相繼建成并投產(chǎn)。經(jīng)過40多年的生產(chǎn)運營，油田接近經(jīng)濟生產(chǎn)年限，殼牌公司于2017年2月至4月向政府監(jiān)管機構［包括英國石油天然氣管理局（OGA）、英國工商能源工業(yè)部（BEIS）、健康安全環(huán)保部（HSE）］、利益關切方和相關組織提交棄置方案從而啟動了油田棄置工作，截至2021年3月，殼牌公司完成了146口井的永久封井和棄置；將4座平臺的上部組塊移除并回收送回陸地拆解；回收A平臺導管架并送回陸地拆解；清除水泥重力平臺水下儲罐中的殘余油；清除平臺周邊海床上的殘留鉆屑及廢棄物。

圖4 布倫特油田位置和平臺分布示意圖Fig.4 Location and platform distribution of Brent Oil Field

4座平臺中A平臺（見圖5）是由6樁腿鋼制導管架作為支撐上部組塊的鋼架結(jié)構。該平臺于2020年6月開始棄置，首先采用熱工作業(yè)解除上部生產(chǎn)平臺組塊與導管架的連接，再由大型工程船浮托Pioneering Spirit（見圖6）用浮托法將上部組塊整體托起搬離油田現(xiàn)場；2020年7月，開始拆除A平臺6樁腿導管架。棄置項目組利用鋼絲繩鋸索在水面以下85 m的位置對導管架的28處切割點進行了切割，隨即由起重船Sleipnir號將導管架吊起運送回陸地進行拆解。

圖5 布倫特平臺結(jié)構示意圖Fig.5 Structure of platform of Brent Oil Field

圖6 浮拖船精神先鋒號Fig.6 Towboat“Pioneering Spirit”

其余B、C、D 3座生產(chǎn)平臺為水泥重力平臺。因目前的工業(yè)水平和技術無法移除海中的水泥重力平臺構件，相關法律法規(guī)也沒有規(guī)定要將水泥重力構件從所處海域清除，故布倫特油田B、C、D平臺均采用鋼絲繩鋸解除平臺上部組塊和水泥重力平臺樁腿的連接，將上部組塊用浮托法整體移除回收后再用蓋板將重力平臺的3個圓柱體樁腿封閉后結(jié)束作業(yè)。如圖7所示，上部組塊和水泥重力平臺在結(jié)合部切割開，首先在直徑19.8 m水泥樁柱上水平均勻分布鉆6個孔便于安裝金剛石鋼絲繩鋸，切割后在鉆孔處安裝剪力銷以固定上部組塊；再由Pioneering Spirit大型付托船將23500 t組塊托起并撤離（見圖8）；最后由Pioneering Spirit船尾部吊車安裝樁腿蓋板（見圖9）。油田棄置后，留在原位的水泥重力平臺的3個直徑為13.9 m的樁腿高出海平面約19.8 m［7］。

圖7 水泥重力平臺樁腿及金剛石鋼絲繩鋸切割水泥樁腿示意圖Fig.7 Schematic diagram of pile leg of cement gravity platform and diamond wire cutter cutting cement pile leg

圖8 精神先鋒號付托回收B平臺上部組塊Fig.8 Topside of entrusted recovery platform B of Pioneering Spirit

圖9 精神先鋒號吊裝水泥樁腿蓋板Fig.9 Hoisting of cover plate of cement pile leg by Pioneering Spirit

Pioneering Spirit工程船在布倫特油田棄置工作中，顯現(xiàn)出多功能的高效性。Pioneering Spirit作為最大的工程船，集浮托、吊機和裝載于一身，基本上可實現(xiàn)一次動員完成所有施工工作量，從而為甲方節(jié)約整體工程施工時間和費用。

2021年3月，隨著布倫特油田的退役標志著北海油田一個時代的結(jié)束，也為隨之而來的油田退役開啟了序幕。隨著技術進步，或許在不遠的將來，石油行業(yè)能夠找到水泥重力平臺拆除的安全、環(huán)保、經(jīng)濟、可行的方法。

2.2 Ettrick/Blackbird油田退役棄置

Ettrick/Blackbird油田位于英國大陸架水域20/2a區(qū)塊中，油田最近距英國海岸線80 km，水深約115 m。Ettrick油田最初發(fā)現(xiàn)于1981年，并于2009年投入生產(chǎn)。Ettrick油田是通過7口生產(chǎn)井和2口注水井開發(fā)的，所有這些開發(fā)井都通過海底管線接入FPSO（見圖10）。Blackbird油田于2008年發(fā)現(xiàn)，并于2011年投入生產(chǎn)。Blackbird油田是通過2口生產(chǎn)井和1口注水井生產(chǎn)的，同樣所有開發(fā)井都通過海底管線接入FPSO。另外，Blackbird油田還包括一口先期評價井，該井處于臨時棄置狀態(tài)，需要做永久性棄置處理。

圖10 Ettrick/Blackbird油田示意圖Fig.10 Schematic diagram of Ettrick/Blackbird Oil Field

中海油國際英國公司從2018年開始對Ettrick/Blackbird兩個油田進行棄置，需要完成水下共計13口水下井口的油井棄置、海底管線和水面FPSO解脫工作。在上報英國石油天然氣局（Oil&Gas Authority）獲得油田停產(chǎn)認可后，Ettrick/Blackbird油田進入棄置階段。整個棄置作業(yè)共分為5個階段。第一階段油田停產(chǎn)，沖洗輸油管線和臍帶管線；滑環(huán)管線脫離并掛接到臨時懸掛桶；斷開與水下采油樹連接管線；FPSO藍水號解脫，駛離油田現(xiàn)場。第二階段回收海管立管、跨接管和臨時懸掛桶。第三階段油氣井棄井。第四階段清除海底集輸管匯、海管并做漁業(yè)拖網(wǎng)試驗。第五階段油田棄置后海底雜物掃描。

油田棄置第一階段斷開采油樹海底連接管線于2016年7月11日完成；FPSO藍水號于2016年8月1日離開油田現(xiàn)場。此步驟關鍵點是將滑環(huán)上的油、水和控制管線等與FPSO鏈接的各類管線移接到臨時浮筒上。第二、四階段于2017年底完成。第三階段油井棄井工程已由COSL Pioneer半潛式鉆井平臺完成5口井的棄置。其中第二、四階段對水下和海底管線的切割用到了金剛石鋼絲繩鋸，其操作簡單和快速切割的特性使得海管切割工作進程大為提升。

Ettrick/Blackbird水下管線和海底結(jié)構物棄置的關鍵工作節(jié)點如下：

（1）第一階段解脫藍水號FPSO。因藍水號FPSO滑環(huán)系統(tǒng)在船體中前部，預制了浮筒用于臨時掛接滑環(huán)連接處連接的各類管線和電纜。待海管和電纜掛接在臨時浮筒上后，即解脫藍水號FPSO。

（2）第二、四階段根據(jù)水下作業(yè)特點采用多功能工程作業(yè)船進行水下作業(yè)。順利完成切割、回收膨脹彎管、海管、海纜、臨時浮筒和海底生產(chǎn)設施及相關構件等工作。

作業(yè)經(jīng)過為2017年6月28開始動員Normand Pioneer號工程作業(yè)船（見圖11）到現(xiàn)場解除回收錨泊系統(tǒng)，清除堆積在海床上的鉆屑，切割回收掛接海管、油嘴管線等，共回收3 000 t物料。動員Deep Explorer號潛水作業(yè)船（見圖12）到現(xiàn)場回收水下結(jié)構物防塵墊，海管立管切割、水下構件回收。動員Deep Arctic號工程作業(yè)船（見圖13）回收結(jié)構物海床防沉墊，做水下構件回收前準備工作。動員Siem Barracuda號工程作業(yè)船（見圖14）為油田區(qū)域棄置收尾工作，包括海床聲吶掃描、收集海床遺留物等。

圖11 Normand Pioneer工程作業(yè)船F(xiàn)ig.11 Workboat Normand Pioneer

圖12 Deep Explorer潛水作業(yè)船F(xiàn)ig.12 Diving boat Deep Explorer

圖13 Deep Arctic工程作業(yè)船F(xiàn)ig.13 Workboat Deep Arctic

圖14 Siem Barracuda工程作業(yè)船F(xiàn)ig.14 Workboat Siem Barracuda

風險點如下：工程船作業(yè)受天氣海況的影響較大，海上施工時間多選擇夏季作業(yè)以避免較多的天氣待機情況發(fā)生。

3 結(jié) 語

我國海上油田有些已經(jīng)生產(chǎn)了30多年，即將進入棄置階段。特別是在渤海的各類油田，其生產(chǎn)平臺均采用鋼結(jié)構導管架作為平臺支撐，隨著生產(chǎn)時間的增加，經(jīng)濟可采儲量的減少，在不遠的將來將會有油田進入棄置階段。建議在工程設備的選用、工具工藝的運用等方面借鑒北海油田的棄置經(jīng)驗，即先井下（完成油氣井封堵棄置），再水面、水中，最后是根據(jù)海床的作業(yè)順序設計棄置過程，為安全高效地完成油田棄置做好技術儲備。例如，對導管架以上的平臺設施可以采用付托的方式整體移除并用駁船送回碼頭拆解；對導管架和其周邊水中管線和膨脹彎管用金剛石鋼絲繩鋸在海床附件進行切割，再用浮吊將導管架回收；最后用多功能作業(yè)船回收清除海床上的相關構件。對于南海部分深水或水下井口的油田可以借鑒Ettrick/Blackbird油田棄置經(jīng)驗，先將水中管線與半潛式生產(chǎn)裝置或FPSO置脫離，臨時掛接在浮筒上，移除浮式生產(chǎn)裝置，再進行水中和海床面的關系和設備的清除工作。