深水導(dǎo)管架開發(fā)南海油氣田工程方案探討及關(guān)鍵技術(shù)研究

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司 廣東 518000）

引言

2018年我國石油進口量已經(jīng)占到總消耗量的70%，且這種趨勢還在不斷加大，加大海上油氣資源開發(fā)目前是增強我國能源自主保障能力的主要手段。適時開展新的可適合南海海域的深水導(dǎo)管架平臺工程方案，確保降低油田開發(fā)工程建設(shè)、鉆完井及后續(xù)生產(chǎn)作業(yè)費用降低迫在眉睫。

1.我國南海海域深水導(dǎo)管架的主要研究項標(biāo)及內(nèi)容

(1)深水導(dǎo)管架開發(fā)南海油氣田工程模式研究建議

總體研究南海深水區(qū)域油氣田潛在開發(fā)區(qū)域；綜合對比區(qū)域地質(zhì)油藏、水深、環(huán)境、工程地質(zhì)等特點，研究不同形勢結(jié)構(gòu)物的適應(yīng)性與優(yōu)缺點；深水導(dǎo)管架動力特性與生產(chǎn)作業(yè)人員職業(yè)健康研究，提出深水導(dǎo)管架平臺的關(guān)鍵技術(shù)方案。

(2)南海深水區(qū)域環(huán)境條件設(shè)計基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)研究建議

環(huán)境條件為深水導(dǎo)管架平臺設(shè)計基礎(chǔ)。南海深水區(qū)域受臺風(fēng)、內(nèi)波等多種自然災(zāi)害影響，水動力條件及工程地質(zhì)條件均非常復(fù)雜；此外，深水導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)整體對地震動參數(shù)較為敏感，因此有必要對南海北部陸坡區(qū)域環(huán)境條件設(shè)計基礎(chǔ)開展綜合研究，解決結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)難題。

①地震動參數(shù)區(qū)劃研究。A.地震活動性模型及參數(shù)。B.地震構(gòu)造模型及地面運動預(yù)測模型。C.海域場地土特征及對地震動的影響、場地調(diào)整系數(shù)研究。

②南海沙坡沙脊特征及分布調(diào)查研究。A.AUV工程物探調(diào)查。B.沙坡沙脊特征及分布研究。C.土質(zhì)特性評價研究。

③水動力設(shè)計參數(shù)研究。A.基于實測數(shù)據(jù)的極端環(huán)境下波浪超高的概率研究。B.強底流對樁腿、管線沖刷影響研究。C.深水導(dǎo)管架建造、安裝期間環(huán)境條件研究。D.強非線性波浪在海工結(jié)構(gòu)物上極端爬高的研究。

(3)深水導(dǎo)管架基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究建議

①深水導(dǎo)管架X撐結(jié)構(gòu)承載機理研究

針對深水導(dǎo)管架不同形式X撐的承載機理開展理論研究，包括不同尺寸、受力、構(gòu)型、有無面外支撐等。研究其失效模式、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計參數(shù)等，如桿件屈曲長度（Ly/Lz）和屈曲長度系數(shù)（Ky/Kz），并給出理論推薦值。

②樁基承載力關(guān)鍵技術(shù)研究

針對南海陸坡油氣田深水導(dǎo)管架工程方案，根據(jù)工程開發(fā)場地海洋環(huán)境綜合數(shù)據(jù)以及工程地質(zhì)數(shù)據(jù)，開展樁基承載力關(guān)鍵技術(shù)研究。

③深水長樁波浪動力特性研究

深水長樁自由站立動力效應(yīng)實驗研究；深水長樁自由站立動力分析方法研究。

④深水導(dǎo)管架魯棒性研究

基于倒塌分析的深水導(dǎo)管架魯棒性機理研究；主立面框架斜撐/X撐布置對導(dǎo)管架魯棒性的影響研究；上部八腿變四腿轉(zhuǎn)換框架構(gòu)造型式對導(dǎo)管架魯棒性的影響研究。

⑤深水導(dǎo)管架隔水導(dǎo)管關(guān)鍵技術(shù)研究

主要研究以下幾項內(nèi)容：單筒雙井技術(shù)研究；隔水導(dǎo)管最大無支撐長度研究；隔水導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)強度及穩(wěn)定性研究；隔水導(dǎo)管架與導(dǎo)管架綜合作用研究；隔水導(dǎo)管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性試驗驗證。

(4)深水導(dǎo)管架工程設(shè)計、建造及安裝關(guān)鍵技術(shù)研究建議

①適合于深水導(dǎo)管架封頭的設(shè)計方法研究，對比研究不同的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和制造標(biāo)準(zhǔn)差別；適合于深水導(dǎo)管架的封頭形式對比研究，以及封頭上開入孔研究；適合于深水導(dǎo)管架的封頭制造工藝方法研究和封頭制造廠家調(diào)研；形成深水導(dǎo)管架大尺寸封頭推薦做法。

②深水導(dǎo)管架注水和灌漿系統(tǒng)設(shè)計研究，深水導(dǎo)管架通常為臥式建造，海上滑移下水后，導(dǎo)管架為水平狀態(tài)，采用浮吊配合注水系統(tǒng)向?qū)Ч芡葍?nèi)充水，實現(xiàn)導(dǎo)管架扶正坐底。打入鋼樁后，對鋼樁和群樁套筒的環(huán)形空間進行灌漿作業(yè)，因此深水導(dǎo)管架設(shè)計需要配備復(fù)雜的充水和灌漿系統(tǒng)。注水和灌漿系統(tǒng)的設(shè)計隨著導(dǎo)管架水深增加更為復(fù)雜，研究適應(yīng)深水導(dǎo)管架的注水和灌漿系統(tǒng)勢在必行。

③超大型導(dǎo)管架DP船安裝技術(shù)研究，從國外近年完成的深水導(dǎo)管架安裝工程案例來看，安裝主作業(yè)船采用DP船施工，DP船具有定位精準(zhǔn)、就位靈活、不需拋錨等傳統(tǒng)錨系船不具備的優(yōu)勢。目前200m之內(nèi)的大型導(dǎo)管架施工，均采用錨系船進行海上安裝，在DP船進行深水大型導(dǎo)管架施工方面缺乏經(jīng)驗，DP船在南海陸坡海域大型導(dǎo)管架施工有較大優(yōu)勢。

2.技術(shù)難點、創(chuàng)新點

(1)技術(shù)難點

①深水導(dǎo)管架工程模式確定；②深水導(dǎo)管架關(guān)鍵技術(shù)體系確定；③極端波峰高確定；④不同規(guī)范機構(gòu)土壤承載力計算基礎(chǔ)與理論；⑤柔性長樁承載力分析理論；⑥深水導(dǎo)管架X撐結(jié)構(gòu)承載機理；⑦深水導(dǎo)管架鋼樁動力特性；⑧深水導(dǎo)管架魯棒性基本原理；⑨低溫海洋環(huán)境犧牲陽極保護機理；⑩大尺寸水密封頭在300m水深級導(dǎo)管架上的應(yīng)用；?300m水深級注水和灌漿系統(tǒng)設(shè)計。

(2)技術(shù)創(chuàng)新點

①極限波峰高的確認；②高保真平臺數(shù)字孿生體的搭建；③基于有限點監(jiān)測數(shù)據(jù)反演平臺整體狀態(tài)響應(yīng)的高準(zhǔn)確度反演算法；④創(chuàng)建適用于平臺的個性化結(jié)構(gòu)狀態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)庫和個性化損傷數(shù)據(jù)庫；⑤300m水深級導(dǎo)管架的封頭、注水和灌漿系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)；⑥D(zhuǎn)P安裝導(dǎo)管架技術(shù)；⑦深水導(dǎo)管架應(yīng)用翻樁式震動錘適用性研究。

3.國內(nèi)外項前深水導(dǎo)管架水平和發(fā)展情況

我國對于水深200m以下的導(dǎo)管架具有豐富的設(shè)計經(jīng)驗，主導(dǎo)了多座水深超過60m的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)計，平臺就位地點覆蓋中國多個海域。

在全球范圍內(nèi)，水深大于200m的導(dǎo)管架平臺，近5年內(nèi)只有1座，近10年共計有2座，近20年共計有4座；水深大于300m的導(dǎo)管架平臺，近5年內(nèi)只有1座，近20年共計有2座。其中，位于墨西哥灣的Cognac平臺，導(dǎo)管架滑移下水重量最大，達59000t；位于墨西哥灣的Bullwinkle平臺，導(dǎo)管架就位地點水深最大，達412m。這些深水導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計方法不同于傳統(tǒng)的淺水和較深水導(dǎo)管架。

對于水深超過200m的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)計，國內(nèi)進行自主設(shè)計還面臨很多技術(shù)挑戰(zhàn)和風(fēng)險，包括深水導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)規(guī)劃與設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)理論研究、南海200-350m區(qū)域鋼樁承載力計算、導(dǎo)管架陰極保護系統(tǒng)、國內(nèi)建造安裝資源能力極限、南海惡劣海況、內(nèi)波流、復(fù)雜場址對導(dǎo)管架設(shè)計適應(yīng)性的高要求、設(shè)計規(guī)范和理念的認識等。國內(nèi)目前還未有過300m水深級導(dǎo)管架的陸地建造案例，沒有實際建造經(jīng)驗借鑒，缺乏系統(tǒng)性的理論支持。

深水導(dǎo)管架具有尺寸大、重量大，達到或超過國內(nèi)下水駁船下水能力，目前國內(nèi)還未有超過250m水深導(dǎo)管架安裝案例，沒有實際安裝經(jīng)驗借鑒，缺乏系統(tǒng)性的理論支持，安裝技術(shù)與人員經(jīng)驗都存在不足。

4.深水導(dǎo)管架研究開發(fā)技術(shù)關(guān)鍵

通過研發(fā)深水導(dǎo)管架基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)理論、結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)、防腐設(shè)計技術(shù)、建造、安裝、運維技術(shù)，系統(tǒng)掌握350m水深級導(dǎo)管架設(shè)計、建造、安裝、運維關(guān)鍵技術(shù)，取得深水固定式生產(chǎn)平臺技術(shù)和南海北部陸坡中深水開發(fā)模式的突破，水深200m至400m區(qū)域的多個含油氣區(qū)塊能夠做到經(jīng)濟高效開發(fā)。

深水導(dǎo)管架基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)，建造和安裝關(guān)鍵技術(shù)研究，針對350m水深的導(dǎo)管架設(shè)計、建造和安裝技術(shù)，涵蓋導(dǎo)管架設(shè)計的基本原理研究，建造技術(shù)和安裝技術(shù)的創(chuàng)新性研究，可以大大降低后續(xù)深水導(dǎo)管架的設(shè)計費，建造和安裝費等。

通過研究形成一整套關(guān)于大型深水導(dǎo)管架陸地建造的技術(shù)方案，作為基礎(chǔ)經(jīng)驗指導(dǎo)后續(xù)300m乃至更水深更大的導(dǎo)管架的陸地建造，形成安全、優(yōu)質(zhì)、高效的深水導(dǎo)管架陸地建造能力，競爭力。

(1)可行性與風(fēng)險分析

國際上僅有少數(shù)幾家設(shè)計公司具有水深超過200m的導(dǎo)管架設(shè)計經(jīng)驗。深水導(dǎo)管架的設(shè)計技術(shù)沒有知識產(chǎn)權(quán)保護，對于300m水深級導(dǎo)管架設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究的可行性不存在問題，存在的風(fēng)險主要是目前具備深水導(dǎo)管架設(shè)計能力和業(yè)績的公司及人員很少，不易找到基礎(chǔ)性的研究成果，不易系統(tǒng)性的研究深水導(dǎo)管架平臺設(shè)計原理和設(shè)計方法。

(2)技術(shù)經(jīng)濟分析

通過科研攻關(guān)，能夠深入了解作業(yè)水深在350m左右的深水導(dǎo)管架平臺的設(shè)計原理、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以及設(shè)計方法；全面掌握作業(yè)水深350m級深水導(dǎo)管架平臺設(shè)計分析技術(shù)；完善深水導(dǎo)管架設(shè)計技術(shù)體系。為南海深水油氣田高效經(jīng)濟開發(fā)提供可靠模式。

通過研究，全面掌握300m水深級導(dǎo)管架陸地建造技術(shù)，發(fā)掘新方法新思路，減少項目人工，機械設(shè)備等的投入，提高施工效率，降低項目成本。

5.結(jié)語

當(dāng)前，深海資源開發(fā)重要性日益凸顯，對深海油氣開發(fā)成為當(dāng)前國家經(jīng)濟發(fā)展中的重要內(nèi)容，我國在過去所采用的方法已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)在新的問題，需要對這些方法進行必要的完善和發(fā)展，利用新的科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，使得新的技術(shù)產(chǎn)生以促進深水開發(fā)安全順利進行。