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）

深水油气田开发工程中的基础应用探讨

王丽勤1，侯金林1，庞 然2，刘冬雪2

(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）

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。

深水油气田;浮式生产系统;水下生产系统;基础型式

海洋工程界通常认为300 m以上为深水，1 500 m以上为超深水。目前世界上最深的海洋油气田开发已超过2 500 m。开采水深的逐年推进，使得各类平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的深水预定位置，这无疑对锚泊系统提出了更高的要求。深水锚泊问题也因此倍受学术界与工业界的关注。

目前我国南海深水区域尚有很大的开发潜力，深水工程设施的基础结构将是我们需要攻克的关键技术之一。本文通过较详细的调研，了解世界上深水油气田开发生产系统的基础应用情况，探讨适合我国南海油气开发的基础结构型式，对于推动我国深水油气田工程设施及基础的前期研究和工程设计具有参考价值。

1 深水油气田开发工程中常用的基础型式

深水中的基础结构是将海上浮体或水下生产系统系留在预定水域的专用工程设施，可能贯入海底一定深度，也可能直接座在海床泥面。目前国内外深水油气田开发生产系统采用的锚基础型式主要包括抓力锚、桩基础、吸力式基础、法向承力锚(VLA）、吸力埋入式板锚(SEPLA）和鱼雷锚等。

1.1 抓力锚

抓力锚是比较传统的基础型式，通过被水平拖曳埋入泥面以下。其最大的特点是便于安装，经济实用，易于回收，可重复利用。由于抓力锚在水平拖拉埋入泥面过程中，位置和深度难以准确确定，且主要承受水平力，通常应用于水深较浅的海域。

1.2 桩基础

桩基是固定式海洋平台最常用的基础型式 (通常300 m以内），也可用作锚桩系泊各种海上设施。如图1所示，桩基础长径比相对较大，其承载力的计算和安装技术成熟可靠。桩基础一般采用水下打桩锤进行打入，也可以通过钻井船钻入。由于打桩锤在水深达到2 000 m以上时对船舶要求很高，整体造价较高，而钻入桩的承载力由于其安装方式而受到影响，所以桩基础在超深水的应用受到一定程度的限制。

图1 打入桩工程图片Fig.1 An example of driven pile

1.3 吸力式基础

吸力式基础貌似倒置的水桶，顶端封闭、下端敞开，见图2。吸力式基础应用范围广泛，既可以用于固定式平台的基础或浮式生产结构的系泊锚，又能作为水下生产设施的支撑结构。系泊缆可采用悬链线式和拉紧式。与桩基相比，其外径较大。吸力式基础安装主要依靠压力差原理，安装方法简单，安装位置、方位、深度较易控制，且具有重复利用的可能性。其安装时需要有一定起吊能力的工程船和水下机器人辅助完成。吸力式基础在国外深水中的应用技术相对比较成熟。

1.4 法向承力锚

法向承力锚(VLA），如图3所示，通过一个称为锚爪的大的承载板，调动周围土体的剪切强度来提供承载力，其抗拔承载力能够达到锚自身重量的100倍以上。

图2 吸力式基础工程图片Fig.2 An example of suction pile

图3 VLA工程图片Fig.3 Vertical loaded anchor

VLA的安装过程与抓力锚相似，也具有施工方法简单、易操作、回收方便等优点。由于VLA可以承受垂直于承载板的垂向力，其承载力得以提高，可采用深水拉紧式系泊系统。

1.5 吸力埋入式板锚

吸力埋入式板锚(SEPLA，Suction Embedded Plate Anchor）在安装之前，将板锚插入用于辅助安装的吸力锚的底部缝隙中(图4），借助吸力锚的贯入插入泥中，安装完成后可回收吸力锚，板锚留在设计深度。此方法多被用于系泊移动式钻井装置。

图4 SEPLA工程照片Fig.4 Suction embedded plate anchor

SEPLA安装时间相对吸力桩增加了30%，但由于吸力锚为辅助设施，经济性较好。与抓力锚相比，SEPLA的安装地点和入泥深度都是事先确定的，安装的精度比较高。

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入泥中。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。

图5 鱼雷锚的型式(不带鳍型和带鳍型）Fig.5 Torpedo pile

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

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［1］。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。

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）［2］和 Heidrun TLP(345 m）。主要是由于重力式基础在深水适用性受到限制。

另外的21座(占TLP平台总数的88%）均采用了桩基础［1，3－5］。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 m，长119 m;Magnolia TLP是世界上应用水深最大的张力腿平台，位于墨西哥湾，水深1 425 m，桩基直径2.44 m，长 103 m［5］，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，能够很好地满足深度为500～3 000 m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2011年初，全球的SPAR平台共有17座，其水深范围588～2 383 m［6］，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%），绝大多数集中在水深1 500 m以内。Constitution平台水深1 515 m，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 m，长69.5 m。

另外的7 座平台采用了吸力锚(41%）［7－9］，其应用水深相对较大，分布在1 324～2 383 m。Holstein SPAR平台工作水深1 324 m，平台通过16条传统的“链—钢缆—链”式系泊缆索动态定位，基础长7.9 m，直径5.5 m;Perdido SPAR平台工作水深2 383 m，是世界上应用水深最大的SPAR平台。平台采用了直径为5.5 m、长为 26.5 ～31.4 m 的吸力锚［10］。可见，在超深水中应用的SPAR，其基础型式已经逐步用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 m以上，其中7座位于超深水(1 500 m以上）［11］。

位于深水区的平台，有10座(45%）采用吸力锚作为系泊基础［12，13］，5 座(23%）采用了抓力锚，4 座(18%）采用了 VLA［14］，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 FFTS Mk4，属于VLA。

在超深水服役的平台，除了P－52(水深1 795 m，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 m）采用了打入桩之外，其余5座全部采用吸力锚基础［15］。Independence Hub(2 413 m）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根聚酯系泊缆与直径5.48 m、长27.43 m 的吸力锚连接［16］;Atlantis(2 156 m）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限制。尽管相对于TLP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 offloading）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 m，包括6艘位于超深水［17］。据查到的资料显示，服役的 FPSO 有 24艘(34%）采用了吸力锚［18－23］，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11－1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［24］。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［25－28］，目前应用水深超过了2 000 m。例如 Blind Faith［29］的海管终端采用了直径 4.88 m、长27.83 m的吸力式基础(图7），安装水深2 103 m;Shell Perdido［30］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 m;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 m，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［31］，有着广阔的深海油气开发前景。

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－FPSO－水下井口及水下生产系统”的模式比较适合我国［32］。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 m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［33］。

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 m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，打入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限制，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。

［1］Mustang Engineering.2010 Worldwide Survey of TLPs，TLWPs［J/OL］.Offshore Magazine Online，［2010－02］.http://www.offshoremag.com/etc/medialib/platform－ 7/offshore/maps－ and_posters.Par.73466.File.dat/0210OS－ TLP－ Poster012510Ads.pdf.

［2］Almeland I B，Gaul T R，Pettersen D J，et al.Snorre TLP configuration and analysis technology［C］.OTC 6622，Houston，1991:577－586.

［3］Ulbricht W R，Ripping M A，Doyle E H，et al.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 al.Typhoon seastar TLP［C］.OTC 14123，Houston，2002:1－8.

［5］Tang Q，Holloway G L，Wade B.Pile Driving Fatigue Damage－Effective Factors and Reduction［C］.OTC 17256，Houston，2005:1－8.

［6］Mustang Engineering.2011 Deepwater Solutions ＆ Records for Concept Selection［J/OL］.Offshore Magazine Online，［2011－ 05］.http://www.offshore-mag.com/etc/medialib/platform－ 7/offshore/maps－ and_posters.Par.68579.File.dat/0511OS_DeepwaterPoster040711Ads.pdf.

［7］Ehlers C J，Young A G，Chen Jen－ hwa.Technology assessment of deepwater anchors［C］.OTC 16840，Houston，2004:1－17.

［8］Perryman S，Gebara J，Botros F，at al.Holstein truss spar and top tensioned riser system design challenges and innovations［C］.OTC 17292，Houston，2005:1－13.

［9］Zaid Al－ Khafaji，Audibert M E，Mohammad P E，et al.Suction Caisson Foundation Design 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］Mustang Engineering.2011 Worldwide Survey of Semi－ FPSs and FPUs Poster［J/OL］.Offshore Magazine Online，［2011－ 01］.http://www.offshore-mag.com/etc/medialib/platform－7/offshore/mapsand_posters.Par.65503.File.dat/1101SemiFloatVesselPoster.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 Polar Engineering Conference(ISOPE），2006:475－481.

［13］Andersen K H，Murff J D，Randolph M F，et al.Suction Anchors for Deepwater Applications［C］.ISFOG，2005:3－30.

［14］da Coata Fraga C T，Borges F A，Bellot C，et al.Campos Basin－ 25 Years of Production and its Contribution to the Oil Industry［C］.OTC 15219，Houston，2003:1－20.

［15］Paton A K，Smith J D，Newlin J A，et al.Na Kika－Deepwater Mooring and Host Installation［C］.OTC 16702，Houston，2004:1－9.

［16］Andrew Couch，James Guion，Douglas Rieth，et al.Independence Installation［C］.OTC 18585，Houston，2007:1－11.

［17］Mustang Engineering.2010 Worldwide Survey of Floating Production，Storage and Offloading(FPSO）Units［J/OL］.Offshore Magazine Online，［2010－ 08］.http://www.offshore-mag.com/etc/medialib/platform－ 7/offshore/maps－ and_posters.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 Conference，Norway，2001:1－6.

［19］ Ayman Eltaher，Yatendra Rajapaksa，Kuan－ Tao Chang.Industry Trends for Design of Anchoring Systems for deepwater Offshore structures［C］.OTC 15265，Houston，2003:1－10.

［20］Rafin F，Laine A，Ludot B.AKPO:A Giant Deep Offshore Development［C］.OTC 18816，Houston，2007:1－9.

［21］Colliat J L.Anchors for Deepwater to Ultradeepwater Moorings［C］.OTC 14306，Houston，2002:1－9.

［22］Dendani H，Colliat J L.Girassol:Design Analysis and Installation of the Suction Anchors［C］.OTC 14209，Houston，2002:1－7.

［23］Rafin F，Laine A，Ludot B.Petrobras＇Cascade ＆ Chinook inaugurate FPSO production in GOM［C］.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 al.Perdido Development:Subsea and Flowline Systems［J］.Offshore Technology Conference，3－6 May 2010，Houston，Texas，USA.

［26］Sparrevik Per.Suction Pile Technology and Installation in Deep Waters［C］.OTC 14241，Houston，2002:1－9.

［27］Gregory N Gist.Suction Pile Diana Subsea Production System:An O-verview［C］.OTC 13082，Houston，2001:1－21.

［28］Lafitte J L，Perrot M，Lesgent J，el al.Dalia Subsea Production System:Presentation and Challenges［C］.OTC 18541，Houston，2007:1－10.

［29］Harry Shen，Williams H P.Blind Faith Gas Export Pipeline Pre－commissioning and Commissioning(PCC）Challenges［C］.OTC 21033，Houston，2010:1－8.

［30］Ju G T，Littell H S，Cook T B，el al.Perdido Development:Subsea and Flowline 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.

［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.

［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.

The application of foundations in deepwater oil and gas field development engineering

WANG Liqin1，HOU Jinlin1，PANG Ran2，LIU Dongxue2
(1.CNOOC Research Center，Beijing，100027，China;2.Neptune Offshore Engineering Development Co.Ltd.，Tianjin 300384，China）

Based on comprehensive review of foundation types used in the development of deepwater oil 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 findings presented in this paper could be useful in the selection of foundation type for deepwater oil and gas development in the South China Sea.

deepwater oil and gas development;floating production system;subsea production system;foundation type

TE54

A

10.3969/j.issn.1008－2336.2011.04.087

1008－2336(2011）04－0087－06

国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”(2008ZX05056）研究成果。

2011－05－11;改回日期:2011－06－24

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。