深海油气开发装备调研与前景分析

孙伟

【摘 要】随着全球能源需求量的不断增加，海洋油气的开发速度日益加快，勘探开发越来越向深水延伸。由于深水油气的进入门槛高，投资回报高，一直是国际大石油公司的传统优势领域，受其技术垄断影响，国内发展速度一直缓慢。基于国内深海油气资源开发的战略需求，通过各种渠道对这些深海油气开发装备进行调研和分析，以期为国内深水装备的研发提供一定的信息性参考。

【关键词】深海油气；开发装备；调研；前景

Investigate and Survey and Prospect Analysis on Deep Offshore Oil & Gas Develop Equipment

SUN Wei

（1.Qingdao Huanghai College， Qingdao Shandong 266520， China；

2.China University of Petroleum， Qingdao Shandong 266580， China）

【Abstract】With the continuous increasing of global energy requirement， offshore oil and gas developing becomes faster and faster， more and more in deep offshore developing. It is very difficult to enter the deep offshore oil and gas developing field， yet the return of investment is much higher accordingly， deep offshore developing is traditionally competitive area for those huge international oil companies. Because of technical monopoly， developing at home faces many difficulties. Base on the strategy requirement to develop deep offshore oil and gas， this title elaborates some investigating and surveying information about deep offshore oil and gas developing equipment， which is expected to be a valuable reference for national deep offshore developing equipment research.

【Key words】Deep offshore oil & gas； Develop equipment； Investigate and survey； Prospect

0 前言

全球海洋油气储量巨大，据统计，全球海洋油气储量为1000亿吨至2500亿吨油当量，占探明总储量的34%，这个数据还不包括那些藏在深海未被勘探到的油气储量。从国际能源署公布的数据看，近10年，发现的超过1亿吨储量的大型油气田中，海洋油气占到60%，其中一半是在水深500m以上的深海。相对于浅海油气开发来说，深海开发投入成本和技术难度高、风险大，但是投资回报率也相应较高，种种信息都将未来油气最具投资价值的领域指向了蓝色的深海。

我国管辖海域油气资源非常丰富，有渤海、南黄海、东海和南海四个海上油气产区，但油气开发程度目前相对较低，国内油气资源供应形势十分严峻，供需矛盾十分突出，预计到2020年对外依存度将达到70%。目前，我国海洋石油开采多处于沿海大陆架200m水深以内海域，由于没有成熟的深水开发技术，蕴藏有丰富油气资源的南海深水区的开发举步维艰。南海是我国深海油气资源开发的重中之重，现在已投入使用的半潜式钻井平台“海洋石油981”仅是海洋油气开采前期的钻井平台，后续开采环节还需要各种生产平台和设施。若要更好推进我国深海油气资源的开发，需要深入研究世界深海油气开发装备的现状和未来发展趋势，为油气田开发方案的选择提供方向性理论指导，从而有针对性研发适合我国深海油气田开发用的装备和技术。

1 概述

海洋油气的开发基本概括为勘探、钻井、采油、集输等一系列过程，每个作业环节都有相应的工程装备，而石油平台是海洋油气开发装备的统称。目前，深海主要的钻井平台有半潜式钻井平台和钻井船，主要的生产平台有张力腿平台（TLP）、柱式平台（Spar）和浮式生产储卸油系统[1]（FPSO），其中Spar平台一般设计为钻采一体平台。下面从结构特征、关键技术、发展前景等方面对这几类重要深海石油装备进行详细系统的介绍。

2 深海钻井平台

2.1 半潜式平台

半潜式平台是顺应深水油气开发而生的应用前景最好的钻井平台之一。结构上主要分为上部组块、下部浮体、中间立柱三大部分（如图1）。

上部组块在任何时候都处在海面以上一定高度，下部浮体在航行状态下是浮在海面上，浮体的浮力支撑着整个装置的重量。在钻井作业期间，下部浮体潜入海面以下一定的深度，躲开海面飞溅区的最强烈风浪作用，只留部分立柱和上部组块在海面以上。因在工作状态时一半潜入海面以下的特点而被命名为半潜式平台。这种钻井平台在水深较浅时也可以坐在海底进行钻井。

目前，新型半潜式平台一般都配有自航能力和动力定位系统。中国海洋石油（以下简称中海油）持有的“海洋石油981”是目前国内建成的第六代超深水半潜式钻井平台（如图2），中海油拥有船型设计知识产权。该平台的建成投产是我国自主设计、研发和建造最先进深水半潜式平台的重要里程碑。

半潜式钻井平台的优点是适用海域范围广，特别是海况条件恶劣的深海海域，抵抗风浪能力较大，稳定性好。缺点是平台结构复杂，造价高，自持能力稍差，机动性也稍差，自航速度低，有时需要拖航[2]。

半潜式平台未来的发展方向是更大的工作水深，更稳定的在位工况状态，更优良的安全防暴能力，更先进的钻井设备以及更经济更安全的平台主体设计。

2.2 钻井船

钻井船是从普通船体基础上发展起来的移动式石油开采装备。从外形结构上看，船体与一般船舶无二，但是其内部集成了实现石油开采功能的所有装备。所有的钻井设备、油气处理集输设备及生活区、直升飞机平台等都集成在了船上（如图3）。

钻井船在海上只能进行浮式钻井作业。作业期间，船体受到风、浪、流的作用，会产生较大自由运动，例如，摇摆、升降和横向漂移等，给钻井作业带来很大的影响，甚至使钻井作业无法进行。所以，钻井船需要设计稳固的定位系统。常用的有锚泊系统定位和动力定位，近几年，随着传感器及自动化控制系统的发展，钻井船的作业稳定性取得了突破性发展。除了设计良好的定位系统外，通过增大船体吨位或做成双体船外型等也是提高钻井船抵抗风、浪、流的能力及提高稳定性的有效措施。目前，对深海钻井船的研究热点主要有总体动力响应分析、锚泊系统的设计与分析、动力定位系统的研究以及月池、钻井甲板等特殊结构的设计与分析。

3 深海生产平台

3.1 张力腿平台（TLP）

前面介绍的半潜式平台和钻井船主要用于深海的钻井作业，而深海的生产平台目前主要是张力腿平台（TLP）。张力腿平台的英文全称是Tension Leg Platform，简称TLP。顾名思义，张力腿平台利用竖向绷紧状态下的锚索链产生的拉力与平台的剩余浮力相平衡来达到稳定状态。张力腿平台采用锚泊定位，但与半潜式平台锚泊系统不同，其所用锚索是紧绷成直线的，不是悬垂曲线，钢索的下端与水底面几乎垂直，用的锚是桩锚（即打入水底的桩作为锚）或重力式锚等，不是一般容易起出的转爪锚。

张力腿平台的重力小于浮力，所相差的力依靠锚索向下的拉力来补偿，且此拉力应大于波浪产生的力，使锚索上保持向下的拉力，起着紧绷平台的作用，因此，张力腿平台竖向位移最稳定（如图4）。

第一代张力腿平台是从半潜式平台发展过来的，因此两种平台主体结构形式类似，差别在于：张力腿平台的甲板一般呈正方形，半潜式平台一般呈长方形；张力腿平台的浮箱要相互连通，半潜式的浮箱可不连通。随着平台形式的改进，产生了包括单柱式TLP在内的多种新型张力腿平台（如图5）。

TLP平台一般应用于300m-1500m水深范围深海油气开发，目前应用最大水深为1580m，最浅为147m。身为深水平台，张力腿式平台对极端不良环境有较好的适应能力，且经济性较好，深受油气开发者青睐。与半潜式生产平台相比，TLP平台显著优点是可采用干式采油树系统进行钻完井和生产作业，这主要归功于TLP平台独特的运动特点。

TLP平台的研发方向是整体性能优化和更为经济有效的结构型式研究[3]，以适应2500m以上的超深水海域和边际油田的开发需要，另外对张力腿平台系索系统的研究也是重要的课题，尤其是性价比更高的系索材料研究，对降低TLP随水深增加的成本敏感度有积极重要的意义。

3.2 SPAR平台

SPAR是在柱形浮标和张力腿平台概念的基础上提出的一种深水平台。主体是单圆柱结构，垂直悬浮于水中，特别适宜于深水作业，在深水环境中运动稳定性、安全性良好，是极具发展前景的超深水海洋石油平台类型。

SPAR平台的主体可分为几个部分，有的部分为全封闭式结构，有的部分为开放式结构，但各部分的横截面都具有相同的直径。由于主体吃水很深，平台的垂荡和纵荡运动幅度很小，使得SPAR平台能够安装刚性的垂直立管系统，承担钻探、生产和油气集输工作[4]。

SPAR平台是深水平台发展的前沿平台类型，其强大的综合处理能力和超深水工作特性也造就了其设计建造的施工难度，SPAR平台作为世界深海油气开发的主力研发装备之一，也是我国今后南海深水海域油气勘探开发系统装备的重点选择目标。目前，国内仅处在SPAR平台设计建造可行性研究阶段（如图6）。

3.3 FPSO

FPSO英文全称为Float Production Storage and Offloading，中文是海上浮式生产储卸油装置。FPSO是对开采的石油进行油气分离、处理含油污水、动力发电、供热、原油产品的储存和运输，集人员居住与生产指挥系统于一体的综合性的大型海上石油生产基地。FPSO是由船体和各种功能模块构成的集成体。其船体部分既可以按特定要求新建，也可以用油轮或驳船改装（如图7）。

FPSO采用单点系泊模式在海面上固定，有的有自航能力，有的则没有。FPSO通常与采油平台或海底采油系统组成一套完整的采油、原油处理、储油和卸油系统，其作业原理是：通过海底输油管线接收从采油平台或水下采油井口中采出的原油，并在船上进行处理，然后储存在油舱内，最后通过卸载系统输往穿梭油轮或通过外输海底管线输送至陆地终端。

与其他类型平台相比，FPSO具有抗风浪能力强、适应水深范围广、储/卸油能力大以及可转移、重复使用的优点，广泛适合于远离海岸的深海、浅海海域及边际油田的开发，已成为海上油气田开发的主流生产方式。近年来，FPSO呈现出建造技术模块化特点，动力配置加大，生产能力加强，更涌现出如浮式液化天然气生产储油船（LNG/LPG FPSO）、浮式钻探生产储油船FDPSO等新概念船。

4 其他工程装备

除了上述几种石油平台之外，还有海洋油气开发的辅助装备，比如，海洋油气开发前期的物探船、勘察船、石油平台安装运输用驳船、海上浮吊船、海洋油气管线铺管船、水下安装维修监测用机器人特种装备等（如图8）。

深海油气田的开发必定会承担巨大的经济、安全风险，因此对诸如油气田产量勘察与评估、海上生产过程安全性保障等所需的装备也是研发的主要方向。

海洋油气田开发选择什么样的平台形式主要考虑平台所处的水深，海底地质条件，风、浪、流等海洋环境[5]以及油气外输的市场需求和油田区块开发经济效益整体评估等因素。

5 结论

本文以深海油气资源开发的迫切需求为背景，系统性介绍了当前主流的深水油气开发装备。通过调研及特点分析可见，适用海域范围广、抗风浪能力强、稳定性好的半潜式钻井平台将成为100m以上到几千米中深水海域油气田开发的主要钻井平台类型；对于200m以上到几千米的中深水海域，以TLP为主的生产平台和水下生产井口逐渐成为主流开发装备；FPSO作为油气生产的中转站，在大型油气田区域化开发中逐渐成为主流装备；随着进军深水及超深水步伐的加快，可以预见不久的将来，SPAR平台将在超深水领域油气开发中大展身手。

全球油气产储量的1/3来自海洋，且海洋油气勘探开发越来越向深水延伸，近年来，全球重大油气发现大部分都来自深水领域。深水勘探开发能力是国际大石油公司的传统优势领域，无论油价涨落，他们都始终坚守着这一战略高地。对深海油气开发装备进行必要的调研与前景分析，打破国外技术信息壁垒，对促进国内深水装备研发，保障国家能源安全具有现实意义。

【参考文献】

[1]余建星.深海油气工程[M].天津大学出版社，2010.11.

[2]奚立康.深水半潜式钻井平台设计、建造关键技术探讨[J].船艇，2007（04）：30-32.

[3]孙巍.深海石油工程装备技术发展现状及展望[J].中外能源，2012（09）：9-14.

[4]陈建民.海洋平台工程[D].中国石油大学〈华东〉.

[5]聂武，孙丽萍.海洋工程钢结构设计[M].哈尔滨工程大学出版社，2009.