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1、柔性开发系统主要装备和技术挑战摘要：随着陆地资源的日益枯竭，石油天然气开采已逐渐由陆地转移到海洋，据有关资料报道，全球90%以上海洋面积的水深为2006000米，因而广阔的深海领域必将是未来能源开采的主战场。针对不同的海洋环境，选择合适的开发模式、建立完善的开发系统是深海油气资源安全、快速开发的重要保障。本文对深水及超深水的油气开发模式和柔性开发系统进行简单的阐述，着重分析柔性开发系统中不同装备的特点及适用性，并进一步对深海油气资源开发面临的技术挑战进行介绍和分析，以期能为海洋工程技术发展成熟提供参考。关键字：深海开发模式；柔性开发系统；海洋平台结构；立管系统广阔的海洋中蕴藏着丰富的海洋油气资
2、源，其中石油资源约占全球石油资源总量的34%。据统计，已探明的海洋石油资源储量的80%以上位于水深500米的深海海域，开发技术及难度极大。但随着世界油气资源需求量的不断上涨，海洋油气资源开发的趋势逐渐由浅水迈向深水甚至超深水过渡。由于水深、环境条件、离岸距离、地质条件以及油田油藏特性等诸多因素的限制，深海油气资源开发装备与陆上、浅海油气资源开发装备存在较大的差异。经过英国多年的发展，海洋油气资源开发装备逐渐从以浅海固定式平台为主体的装备体系发展到了以浮式平台和水下生产系统为主体的装备体系。目前，适用于深海开发的模式主要为：（1）以TLP平台为主的开发模式TLP平台+海底管线/TLP平台+FPU
3、+海底管线/TLP平台+FPSO（2）以SPAR平台为主的开发模式SPAR平台+外输管线/SPAR平台+FPSO（3）以半潜式平台为主的开发模式Semi-submersible+水下井口+海底管线/Semi-submersible+ FPSO（4）以FPSO为主的开发模式FPSO+水下生产系统/FPSO+其他深水平台设施根据海洋平台及立管系统的特点，可以将上述开发模式简单归结为两类：刚性开发系统和柔性开发系统。其中，刚性开发系统主要包括：浮式平台结构（TLP或SPAR）、干式采油树和刚性立管（顶张式立管）；柔性开发系统主要包含：海洋平台结构（semi-submersible、FPSO/FDPS
4、O/FPS）、柔性立管（钢制悬链线立管、组合立管）、海底生产系统和湿采油树。柔性开发系统的特点：一根立管对应着多个井口，操作和修井作业不便。 本文就柔性开发系统的主要设备的特点和面临的技术条件进行简单的阐述。一、海洋平台结构1.1 半潜式平台（1）半潜式平台结构半潜式平台兴起于上世纪60年代，是海洋油气资源开发中最常见的浮式结构之一，该类结构通常是由下浮筒、上甲板以及连接在两者之间的立柱、撑杆组成，如图1所示。图1 典型半潜式平台结构示意图（2）半潜式平台结构特点最大的特点是半潜作业，结构在作业条件下，其浮筒完全浸没于海水中，避开海面波浪作用区，大大减少波浪力作用，因此，该结构比浮船式平台结构
5、所受的波浪力小得多。另一重要特点是柱稳式平台，即利用立柱保证平台的稳性。结构在半潜状态时，其水线面积主要是立柱的水线面积，水线面积虽不大，但立柱间的间距较大，因而平台的惯性矩较大，使其有较大的初稳性高度。它比浮船式平台惯性矩大的多。此外，通过合理的选择立柱横向和纵向间距，可以达到抵消部分外力的效果，从而使得平台的运动减小。（3）半潜式平台类型半潜式平台类型很多，分类方式也各不相同。按照其功能可以分为：半潜式钻井平台和半潜式生产平台；根据其功能的不同，半潜式平台的结构外形及甲板设施存在很大的差异。由于半潜式钻井平台需要频繁移动井位，其下浮筒通常为流线型的双浮筒，为了保证结构的强度，常常在浮筒或立
6、柱之间设置两根或多根横撑；甲板多为封闭的箱式结构，一方面提供足够的工作空间，另一方面降低结构倾覆的危险。半潜式钻井平台还具有一个显著的特征，即：甲板上部存在一个或多个大型的钻井架结构，用于钻杆的搭接和钻探布置。半潜式生产平台进行采油作业，需要长期定位于井口上方，在结构设计时我们应该更多考虑结构的强度及稳性，如图2所示。典型的半潜式生产平台的下浮筒为封闭的方箱结构。立柱位于下浮筒的四个角上支撑着甲板，四个立柱之间有很大的空间，用于立管的安置，立柱之间没有横撑结构，甲板有时采用桁架结构，甲板面积较小。通常半潜式生产平台也具有一个小型的井架，该井架主要用于修井或完井。图2 桁架式半潜平台仅从外形来看
7、，半潜式生产平台与传统的TLP结构区别不大，半潜式生产平台结构多为方立柱，而TLP平台立柱多为圆立柱。两者最大的区别在于TLP结构采用张力筋腱进行系泊，系统的垂向刚度较大，垂向运动较小，而半潜式生产平台常采用悬链线、张紧式或半张紧式系泊系统进行系泊，结构运动响应较大。这也是TLP平台可以采用干式采油树而半潜式平台只能采用湿式采油树的根本原因。（4）半潜式平台的优点半潜式平台自十九世纪六十年代问世以来，已经发展六代，目前第七代半潜式平台正在研发中。随着半潜式平台的发展，其结构型式正趋于规范化，从最初的八立柱式发展为现在的四立柱式，斜撑数目也逐渐减少，最终通过增加甲板和横撑的强度取缔各种形式的撑杆
8、和节点。为了减轻结构自身重量，提高甲板承载能力，平台主体结构采用高强度钢，为了减小航行时的阻力，下浮体采用细长流线形的箱体结构。半潜式平台总体向着大型化、简单化的方向发展，其主要技术特点和优势如下表所示：（a）甲板可变荷载大甲板可变荷载与总排水量比值可超过0.2（b）结构简单、重量较轻双浮筒、四立柱、双横撑、多层甲板式平台（主体结构采用高强度钢）（c）适应恶劣海况有限个立柱结构暴露在波浪荷载中，受力较小，能够抵抗更恶劣的环境条件（d）工作水深范围大最大工作水深已经超过了3000m(5)半潜式平台的技术挑战经过多年的研究，半潜式平台的技术不断获得突破。目前的技术挑战主要有两个方面：（a）关键部位
9、的强度和疲劳问题半潜式平台结构形式得到极大的简化；结构某些部位的受力大幅增加；结构的强度难以得到保障；板厚增加带来应力集中和焊接等问题；浮筒、立柱、甲板等结构连接处，因结构不连续而产生明显的应力集中现象；区域结构的强度和疲劳问题；（b）运动幅值过大系泊用悬链线、张紧式和半张紧式形式系泊系统相对于张力筋腱较为松弛；允许结构发生较大的位移；降低半潜式平台结构运动响应；（6）半潜式平台的新发展与湿式采油树相比，干式采油树安装在平台上，更加便于生产的控制，当产油率过低甚至不出油时，可利用自身设备进行修井作业，而无需其他的移动钻井设备。因此，采用干式采油树可以大幅降低平台成本，减少停机时间。为了能在半潜
10、式平台上采用干式采油树，国内外学者从不同的角度出发，提出了一系列采用干式采油树的新型半潜式生产平台概念，并进行了大量的数值分析和试验研究，已取得了一定的研究进展，目前，比较成熟的几种新型半潜式平台结构如下。（a） 桁架式半潜平台（Truss Semi）由美国FloaTec公司提出，利用垂荡板来增加结构的附加质量，改善结构的垂荡运动幅值。Truss Semi的垂荡板布置在中央井下方，可以为立管提供依附位置，垂荡板通过桁架与结构主体相连，根据需要，可以设置多层垂荡板,如图2所示。该类平台的主体和桁架可由不同的船厂分别建造，上船体可以在码头进行拼接，对于平行下浮体形式，垂荡板和桁架结构可以在作业处通
11、过工程船安装；对于唤醒下浮体型式，可以在船坞内进行拼接。（b）可伸展吃水半潜式平台（Extendable Draft Semi, ESEMI）ESEMI是FloaTec公司提出的另一种深吃水干数半潜平台。该平台同样采用了垂荡板，与Truss Semi不同的是，该垂荡板不需要工程船来安装，而是在码头进行预装，根据作业状态自由收起和放下垂荡板。图3 可伸展吃水半潜式平台后来，该公司将该种结构进行了改进，利用第二层下浮体替代垂荡板，如图3所示，主要是为了增加结构的附加质量和阻尼，同时还可以作为压载舱，降低平台结构的重心，改善结构的稳性。（c）斜立柱半潜式平台（FourStar Semi）该平台是美国
12、SBM Atlantia 公司开发的一种干式半潜平台，其结构特征为立柱向内倾斜，立柱截面面积从上至下逐渐增大，如图4所示。FourStar半潜式平台是在Fourstar张力腿平台的基础上开发的，与垂直立柱式相比，该种结构的主要优点为：平台的稳性性能更优；强度更好，可以更有效的抵抗波浪和上船体重量引起的弯矩；水线面出更加的开阔，进一步减少了波浪的扰动，一定程度上改善了结构的水动力性能。 图4 斜立柱半潜平台 图5 自由悬挂固体压载舱半潜式平台（d）自由悬挂固体压载舱半潜式平台（FHS Semi）该平台概念有Mansour和Wu于2008年，提出，包括传统的四立柱和环形下浮体形式的半潜式平台主体以
13、及一个第二层自由悬挂的固体压载舱（SBT），如图5所示。该类平台的主要特点为：固体压载舱与主体连接处采用了可转动铰接装置，有效的缓解了刚性固接部位的疲劳问题； 平台的摇荡运动受到SBT的影响，运动幅值得到了降低；SBT显著的增大了平台垂向的附加质量，提高了垂荡运动的周期，降低了垂荡运动的幅值； SBT增大了平台的稳性高和回复力矩，改善了平台的稳性。1.2 FPSO系统FPSO（Floating Production Storage and Offloading）是80年代中期兴起的一种新型海上石油开采工具，具有浮式生产、储油和卸油的功能。与常规油船不同，FPSO储油轮通过单点系泊或分布式系泊的
14、方式固定在某一固定的海域。首部系泊装置一般有转塔式和悬臂式两种，系泊装置下的系泊系统由多根锚链线组成，FPSO储油轮可绕系泊点做水平面内360旋转，从而使其在风标效应的作用下处于最小受力状态。与其他型式的石油生产平台相比，FPSO具有储油量大、移动灵活、安装费用低、便于维修和保养等优点，具有广阔的应用前景。图6 FPSO系统（1） FPSO系统结构特点较之传统的固定式采油平台为中心的海上油田开采模式，FPSO系统对于边际油田、早期开采系统和深海油气田开发中油气独特的优势，近年来得到了大力的发展，已成为海上油气资源开发的一种主要开采手段。与固定式采油平台开采模式相比，FPSO的主要特点有：投资省
15、、开采风险低施工周期短、建造质量有保障拆迁费用低甲板面积宽阔运行可靠，使用寿命长应用水深范围大承重能力和抗环境荷载能力强适用范围广灵活调换生产模块、应用灵活移动方便、大部分具有海上自航能力（2）FPSO系统的新发展为了突破FPSO的挑战，国内外专家经研究又提出了其他的FPSO概念。（a）圆筒型FPSO针对传统FPSO系统的不足，挪威 Sevan Marine 公司研发了 Sevan SSP（Sevan Stabilised Platform）系列FPSO，如图7所示，其特点主要包括：1）由于圆筒型结构，在水平面上水动力完全对称，对于风浪流的方向不敏感，因此不需要根据来流方向调整平台的艏向，因而
16、也就没有必要装备单点系泊系统，这种类型的FPSO采用多点系泊系统，这降低了FPSO的设计、建造和维护成本，提高了FPSO的作业天数。2）在相同的储油量条件下，Sevan SSP 系列FPSO比起船型FPSO具有更大的水线面面积，因而具有更强的抗倾覆能力和工作甲板承载能力。3）较之于船型浮体，圆筒型的钢结构能够更好地体现其完整性，采用这样的结构，较好地回避了船型FPSO这样一种两端完全自由的直梁结构常年系泊于环境恶劣的波浪环境中可能造成的结构疲劳破坏风险，其单位面积的甲板载荷承受能力比船型FPSO有较大幅度的提高。此外，圆筒型的紧凑型结构也为减少FPSO各种管缆的长度提供了条件。4）圆筒型结构的
17、建造工艺比船型结构简单，这可以进一步地减低建造成本。5）圆筒型FPSO的水线面积远大于半潜式平台、和船型FPSO比较接近，储卸油引起的排水量变化对其吃水影响不敏感。图7 圆筒型FPSO系统（b）FDPSO（Floating Drilling Production, Storage and Offloading）又称为浮式钻井生产储油装置、浮式钻井生产储油轮、浮式钻井生产储存外输装置等。FDPSO是在FPSO上加装油气钻井模块、增加钻探功能而形成的一种装置，这种装置可以在钻探的同时进行生产。FDPSO配置了一个轻型模块化可搬迁的钻机。该钻机可采用FDPSO上的甲板吊机进行安装和拆卸，不需要额外动
18、用大型浮吊；当钻井工作完成后，钻井模块可以从FDPSO上移除，搬迁到其它地方再使用。FDPSO集钻井、生产、修井、完井、储卸油等功能于一体。其概念的提出，为解决传统的深海油气开采技术中因为需要功能独立的钻井和生产储油两套系统而导致投资成本高、开发周期长等难题而提供了一个可解决的方案。FDPSO可以采用滚动开发模式，边钻井边投产，这降低了油田开发的经济风险。这一技术大大地节省常规深海油气田开发工程中钻井的费用，提高了开发效率，它尤其适宜于作为油气田开发早期生产系统以及在深水油田开发中使用。图8 FDPSO系统二、立管系统立管系统是连接在井口和浮式平台之间的最重要的部分。根据刚度的不同，立管系统可
19、以分为柔性立管和刚性立管。常用于柔性开发系统的立管为钢悬链线立管（SCR）和柔性立管（flexible riser）.下面对这两种立管进行简单的阐述。2.1 柔性立管（1）柔性立管的结构特点1972年，海洋柔性立管就开始在石油工业领域得到使用。柔性立管在海洋工程中具有动态立管、静态立管、静态输送管、水下跨接管及膨胀接头等多种用途。柔性管是由不同材料构成的复合结构。根据各层材料结合方式的不同，大致可以分为粘结和无粘结两种结构。其中，粘结柔性管主要是合成橡胶和金属材料粘合在一起，结构简单但工艺复杂；而无粘合柔性管主要是聚合物和金属材料组成，层间允许滑动，其中外层和内管为聚合物材料，保证流体完整性。
20、由于柔性管具有抵抗大变形、抗腐蚀、安装方便、可回收等优点，在海洋油气开发中的应用越来越广。海洋深水柔性管常用无粘合柔性管，如图9所示。图9 海洋工程中常用的柔性管（2）柔性立管的附属构件柔性管终端构件是柔性管与其他结构连接的重要组成结构，主要功能是将柔性管铠装层的荷载传递到其他支撑结构上，同时能保证聚合层的密封性。为了形成柔性立管懒波形状，需要再起底部安装浮力块。浮力块主要由两部分组成：内置卡子与复合泡沫体。另外，为防止柔性立管在于浮式结构顶部连接位置发生过度弯曲，常会用到弯曲加强件，他可以加大柔性立管的刚度，防止立管承受多大弯曲而超过最小许用弯曲半径而导致破坏。（3）柔性立管面临的技术挑战柔
21、性立管在海洋工程中应用广泛，但仍存在着诸多的技术挑战：（a）柔性管成本1）原材料相当的昂贵2）加工工艺较为复杂3）接头和其他附属设备需要专门定制（b）柔性管的管径1）多层结构2）结构铠装层和骨架层等组分的限制3）柔性管的管径一直较小（c）柔性管不耐高温高压1）多层结构性质2.2 钢悬链线立管（1）钢悬链线立管的结构特点随着海洋油气资源开发活动不断向深水发展，立管系统在油气开发生产成笨重所占的比重越来越大，传统的立管系统在技术上和经济上已经不适应深水发展的需要。柔性立管成本高、且不适应深水油气田高温高压的生产条件，大直径的柔性立管的制造受到技术的限制，发展较为缓慢。顶张式立管不能顺应浮体较大的漂
22、移运动，而且随着水深的增加，顶张力和浮体垂荡运动的步长也变得越来越困难，钢悬链线立管的出现有效的解决了上述问题。刚悬链线立管及海底管线与立管与一身，一段连接着井口，另一端连接着浮式结构，无需海底应力结构或柔性结构的连接，大大降低了水下施工量和难度。立管通过柔性接头自由悬挂在平台外侧，无需液压气动张紧器装置和跨接软管，节约了大量的平台空间。因此，与柔性立管和顶张力立管相比，钢悬链线立管的成本低，无需顶张力补偿，对浮体漂移和升沉运动的容度大，适用于高温高压介质环境。这些特点使得钢悬链线立管取代了柔性立管和顶张式立管而成为深海油气资源开发的首选立管系统。（2）钢悬链线立管的基本型式自墨西哥湾的第一条
23、钢悬链线立管问世以来，已经有数十条钢悬链线立管在墨西哥湾、巴西坎普斯湾、北海、挪威海、印度海和西非投入使用，开创了深水立管系统的新纪元，为了适应不同水深的需要，钢悬链线立管的概念被不断的发展和延伸。已经出现了4中基本型式：（a）钢悬链线立管-简单悬链线立管（Simple Catenary Riser）（b）浮力波或缓波悬链线立管(Buoyant Wave/ Lazy Wave Riser)（c）陡波悬链线立管（Steep Wave Riser）（d）L型立管（Bottom Weighted Riser）其中，缓波和陡波立管是为了减少立管的顶部张力而设计的，其隆起部分是由浮力来实现，因此，他们的
24、使用水深比简单悬链线立管更大。（3）钢悬链线立管面临技术挑战钢悬链线立管的独特结构形式也为其设计、制造、安装和安全服役提出了新的挑战。其中控制钢悬链线立管设计和安全服役的因素为顶部和处地点疲劳寿命以及流线段与海底的相互作用。触底点是钢悬链线立管的特征点-特别是简单悬链线立管，它是悬垂段与流线段的连接点。当浮体在风、浪和流的作用下发生运动时，悬垂段和流线段会同时随浮体运动，从而引起触底点岩轴线的变化，同时也引起流线段与海底发生相互作用，触底点的疲劳损伤主要是有浮体运动和涡激振动引起的，海底刚度对触底点的疲劳损伤有较大的影响，海底刚度越大，立管与海底相互作用引起的疲劳损伤越严重。而顶部疲劳损伤主要
25、是由波浪引起的。钢悬链线立管的关键技术主要为：（a）浮体运动的影响1）一阶运动幅值小，频率高，引起立管顶部低应力疲劳循环2）二阶慢漂运动将引起立管触底点的变化，引发立管的低周疲劳损伤3）浮体的升沉运动引起触底点的疲劳损伤（b）与海床相互作用1）立管随浮体结构运动流线段于海床发生相互作用2）管线往复作用，海底形成沟槽，对立管的出平面运动有较大的影响3）大幅漂移时，流线段的拔出和出平面将受到沟槽的阻力作用，引起立管局部应力增大4）悬链线处于绷紧状态时、立管张力较大，沟槽的影响尤为严重（c）疲劳损伤与寿命预测1） 浪至疲劳主要造成立管顶部的疲劳损伤，损伤的性质是低应力循环的高周疲劳损伤2）涡激振动引
26、起的疲劳损伤主要集中在静态触底点，属高应力循环的低周疲劳损伤三、水下生产系统水下生产系统主要包括采油树、水下增压与分离系统、管汇和跨接管等。（a） 水下采油树由树体、井口连接器、油管悬挂器、顶部堵塞器、采油树帽、阀门、管线和配件等组成，功能主要包括悬挂油管、密封油管与套管间的环形空间，控制和调节油井的生产，保证各项井下作业顺利进行等。（b）水下增压和分离系统在水下生产系统中起提高流动性和采收率的作用。（c）水下管汇由管汇主体、清管回路模块、控制模块、保护结构和防沉板等几大模块组成，主要用于汇集和分配不同井口产出的油气，以及对各井口进行注水、注气、注化学药剂等维护工作。（d）跨接管作为采油树与管
27、汇间的回接设备，通过倒U形和M形的膨胀弯释放热应力。跨接管两端具有卡箍式或套筒式的连接器，根据连接器的连接方向可分为水平连接跨接管和垂直连接跨接管。随着国际形势的变化和我国综合国力的增长，南海深水油气资源开发的重要性和迫切性日益凸显。南海由于频发的台风、独有的内波流、复杂的地质形态以及丰富的天然气水合物资源等自身特殊情况，对我国深水油气开发装备提出了巨大的挑战。深水油气开发装备关系到我国的国土安全和权益，虽然我国已建成以HYSY981深水钻井平台和HYSY201起重铺管船为代表的深水油气开发装备，但配套设备国产化率不高，关键技术仍需依靠国外，这严重制约了我国对深水资源的开发利用。我国应从国外深水开发装备的特点、现状和发展趋势中，认真总结经验、吸取教训，结合我国深水海域特有环境条件、现有的技术能力和发展潜力，凝练深水开发装备关键技术，制定符合我国国情的深水油气开发装备发展道路，从而提高我国海洋资源，特别是深水资源的开发能力，提升我国深水油气开发装备制造的国际竞争力，提高我国在国际海洋工程技术中的地位。