張 良 李勇躍 李 鵬 柴 婷 王 濤

（上海船舶研究設(shè)計院，上海201203）

0 前言

我國擁有的深海油氣資源十分豐富，特別是我國南海海域具有豐富的油氣資源和天然氣水合物資源，石油地質(zhì)儲量為230～300億噸，占我國油氣總資源量的三分之一，其中70%蘊藏于深海區(qū)。但是我國海洋油氣勘探開發(fā)業(yè)務(wù)起步晚，深海油氣開發(fā)技術(shù)與國外先進(jìn)技術(shù)存在很大的差距。目前，我國海洋油氣資源開發(fā)還主要集中于200 m水深以內(nèi)的海域。深水鉆探的最大水深只有505 m，已開發(fā)深海油氣田的最大水深只有333 m，鋪管最大水深只有300 m，可以說我國深水油氣勘探開發(fā)的裝備和技術(shù)都很欠缺甚至是空白。深水區(qū)域特殊的自然環(huán)境和復(fù)雜的油氣儲存條件將使我國深水油氣開發(fā)在鉆探、開發(fā)工程、建造等方面面臨諸多技術(shù)難題，技術(shù)上的巨大差距是我國深水油氣田開發(fā)面臨的最大挑戰(zhàn)。

1 深海開發(fā)現(xiàn)狀

目前，深海油氣開發(fā)主要是先采用深水鉆井船、半潛式鉆井平臺等鉆井平臺鉆井，鉆完井之后，再采用張力腿平臺（TLP）、單柱式平臺（SPAR）、浮式生產(chǎn)儲油卸油船（FPSO）、浮式液化天然氣船（FLNG）等進(jìn)行油氣處理和外輸，鉆井和采油是分開進(jìn)行的。油田的開發(fā)需要經(jīng)歷勘測、鉆探、修井、生產(chǎn)等多道工序，每道工序都需專門的平臺來完成，因此為完成一處油田的開采生產(chǎn)，需要建造多艘平臺進(jìn)行工作，頻繁的工序交接，導(dǎo)致整個海上油田開發(fā)周期長、所租用深海裝備多、效率較低、耗資巨大、時間節(jié)點很難保證。針對這一問題，海洋工程界提出了浮式鉆井生產(chǎn)儲油卸油船（FDPSO），以解決鉆井采油等工藝的不連續(xù)性，提高油田開發(fā)效率，減少開發(fā)成本。

2009年8月，世界上第一艘FDPSO在西非海域正式投產(chǎn)，掀起了FDPSO由概念研究到實際工程應(yīng)用的新篇章。2010年2月，世界上第二艘FDPSO用于巴西海域［1-2］。但這兩艘FDPSO均用于環(huán)境條件相對溫和的海域，而我國南海環(huán)境條件特殊，平均水深1 000 m以上，夏季有強熱帶風(fēng)暴，冬季有季風(fēng)，還有內(nèi)波、海底沙脊沙坡等，使得在惡劣海況下，深水油氣開發(fā)工程設(shè)計、建造、施工面臨更大的挑戰(zhàn)。

隨著海上石油開采和運輸?shù)陌l(fā)展，海上溢油事故也不斷發(fā)生，每年全世界因油船事故溢油大約40萬t。2010年美國墨西哥灣油田溢油事故、2010年大連海邊油庫火災(zāi)事故以及2011年渤海灣漏油事故的發(fā)生，都造成了重大財產(chǎn)損失［3］。海上油品的泄漏不僅造成了經(jīng)濟損失，更對人類生存環(huán)境造成重大的災(zāi)難。現(xiàn)有的海洋鉆井平臺均沒有溢油回收功能，需要其他具有溢油回收功能的海洋工程船幫助其清理海上溢油。對于深海油氣，當(dāng)發(fā)生溢油時相關(guān)溢油船無法及時到達(dá)，不利于溢油發(fā)生早期階段的溢油處理。一旦海上溢油在深海擴散開來，將造成溢油污染局面失控，錯失溢油清理最佳時機。

節(jié)能減排是當(dāng)前各行各業(yè)普遍關(guān)注的熱點，低碳經(jīng)濟已經(jīng)成為全球共識，而傳統(tǒng)的采油平臺在開采原油過程中會產(chǎn)生大量的伴生氣（天然氣），除少部分用作海上平臺的燃料、封缸氣、吹掃氣，大部分伴生氣均通過火炬系統(tǒng)燃燒處理，導(dǎo)致伴生氣不能物盡其用，能源白白浪費，同時增加全球碳排放，加劇全球“溫室效應(yīng)”。其次，隨著深海石油開發(fā)以及深海遠(yuǎn)洋捕撈的進(jìn)行，深海作業(yè)的工程船和漁船越來越多，由于航程遠(yuǎn)，作業(yè)時間長，船舶本身所帶燃料有限，如果消耗的燃油得不到及時補充就需返航，無法長期穩(wěn)定的工作，影響工作效率，增加運營成本。此外，深海環(huán)境惡劣，海洋環(huán)境復(fù)雜，又遠(yuǎn)離大陸，一旦遭遇風(fēng)暴天氣，船只遇險，從陸地派遣救助船去深海救助困難，無法有效保護(hù)海上人民安全和財產(chǎn)安全。另外，深海漁業(yè)資源豐富，生物多樣性種類齊全，海流波浪變化多樣，而開發(fā)深海，必須對深海全面深入了解。目前深海研究只局限于科考船臨時在深海待一段時間進(jìn)行考察，缺乏長期有效對深海的直接觀測和實時研究。

因此，對現(xiàn)有技術(shù)的海洋平臺結(jié)構(gòu)以及工藝流程和功能進(jìn)行改造和改良，以滿足深海開發(fā)的需要也勢在必行。

2 大型多功能深海浮式基地概念設(shè)計

2.1 大型多功能深海浮式基地主要組成及特點

大型多功能深海浮式基地（簡稱“基地”）是以海上鉆井采油為主要功能，兼顧能源供給、物資中轉(zhuǎn)、海上避難救助、科考科研于一體的大型浮式結(jié)構(gòu)。該“基地”由平臺主體和半島結(jié)構(gòu)組成，見圖1。“基地”主體及半島結(jié)構(gòu)主尺度見表1。平臺主體為主要的作業(yè)區(qū)域，為基地提供浮力和艙容，平臺主體共分為“一中心六區(qū)域”?！耙恢行摹笔侵冈谄脚_中心區(qū)域設(shè)置月池，安放井架等鉆井設(shè)備。通過中心鉆井區(qū)域，可完成“基地”鉆勘探井、生產(chǎn)井以及修井等功能。“六區(qū)域”是指以基地鉆井區(qū)域為中心，將基地主甲板鉆井區(qū)域周圍分為6個區(qū)域，分別為鉆采物資堆放區(qū)、原油處理輸送區(qū)、LNG處理輸送區(qū)、太陽能發(fā)電站區(qū)、蔬菜養(yǎng)殖區(qū)以及人員居住區(qū)（兼深?？瓶贾行募吧詈＞戎行模?。平臺主體周圍共有6個半島結(jié)構(gòu)。半島結(jié)構(gòu)采用模塊拼接方法，工作空間可根據(jù)對應(yīng)功能區(qū)的需要進(jìn)行變換。每個模塊內(nèi)部配有海上漂浮物回收裝備。半島結(jié)構(gòu)機動靈活，既可以與主體結(jié)構(gòu)相連作為碼頭，又可分離成環(huán)保作業(yè)模塊。

圖1 大型多功能深海浮式基地總布置圖

表1 主體及半島結(jié)構(gòu)主尺度

在日常工作狀態(tài)下，半島結(jié)構(gòu)作為船只系泊碼頭，過往船只添加燃料、躲避風(fēng)浪時可以系泊在半島結(jié)構(gòu)上，同時每個模塊內(nèi)部的海上漂浮物回收裝備能定時處理浮油和海上垃圾。在油田發(fā)生溢油事件時，半島結(jié)構(gòu)可分離成各模塊，模塊配備上動力系統(tǒng)將轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)保裝置，第一時間趕往事發(fā)海域處理溢油事件。

“基地”設(shè)置了太陽能發(fā)電區(qū)域，以及風(fēng)能發(fā)電站（如圖1所示），利用深海豐富的太陽能、風(fēng)能等可再生能源，為“基地”提供本身運轉(zhuǎn)所需要的能源，打造“綠色基地”，建設(shè)綠色環(huán)保的深海油氣田開發(fā)模式。

由于“基地”所處深海，遠(yuǎn)離大陸，人員生活補給很困難，因此，在基地上設(shè)置了蔬菜養(yǎng)殖區(qū)，可為遠(yuǎn)海工作的人員長期提供可持續(xù)培養(yǎng)的綠色蔬菜，盡可能達(dá)到自給自足，減少外界資源供給次數(shù)，可保障在極端惡劣環(huán)境下的生存性，解決深遠(yuǎn)海后勤補給困難問題。

2.2 水動力性能分析

“基地”具有鉆井功能。由于鉆井作業(yè)的要求，平臺的運動受到嚴(yán)格限制。在鉆井時，鉆桿除受到自身的拉力和旋轉(zhuǎn)的扭矩外，如果平臺搖擺，靠近水面的鉆桿會產(chǎn)生彎曲，如果平臺漂移，水面和井口處的鉆桿也會產(chǎn)生彎曲。平臺搖擺和漂移的幅度越大，鉆桿的彎曲越大，受力也越大；鉆桿在不斷旋轉(zhuǎn)，此應(yīng)力為交變應(yīng)力，易造成鉆桿疲勞破壞。據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)平臺搖擺角小于2°時，對鉆桿壽命無影響，而當(dāng)搖擺角為5°時，鉆桿工作1～2 h就有10%左右遭到不同程度的破壞。除此之外，較大的搖擺角對鉆井工藝操作很不方便［4］。因此，水動力性能分析對“基地”的概念設(shè)計十分重要。

采用三維頻域勢流理論對“基地”進(jìn)行水動力性能分析。流體運動可以由速度勢φ表示，φ在流體域滿足控制方程Laplace方程以及相應(yīng)的邊界條件，從而構(gòu)成φ的邊界值問題。該邊界值問題通過邊界元方法，在浮體濕表面上分布源進(jìn)行求解。求出速度勢后可由Bernoulli方程得到作用于浮體表面的水動力/力矩，由平臺運動方程可以解出平臺六個自由度的運動響應(yīng)。平臺六自由度耦合運動方程見式（1）：

式中：［M］——6×6質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量矩陣；

［△M］——6×6附加質(zhì)量系數(shù)矩陣；

［λ］——6×6輻射阻尼矩陣；

［Fwave］——6×1一階波浪力矩陣；

［C］——6×6恢復(fù)力系數(shù)矩陣；

［x］——六自由度運動響應(yīng)

附加質(zhì)量系數(shù)、阻尼以及一階波浪力由水動力勢流理論計算。水動力計算模型見圖2。計算出的“基地”垂蕩及縱搖運動響應(yīng)幅值算子（RAO）結(jié)果見圖3及圖4。主要海工作業(yè)海域百年一遇重現(xiàn)期波浪資料［5］見表 2。

圖2 大型多功能深海浮式基地水動力計算模型

圖3 “基地”垂蕩運動響應(yīng)幅值算子結(jié)果

圖4 “基地”縱搖運動響應(yīng)幅值算子結(jié)果

表2 各大海域百年一遇重現(xiàn)期波浪資料

由于“基地”主體為軸對稱模型，所以本文只給出了浪向為0°時垂蕩及縱搖運動響應(yīng)幅值結(jié)果。通過圖3可以看出，垂蕩運動固有頻率（固有周期約22.8 s）不在南海波頻能量集中的范圍，避開了南海百年一遇大浪的譜峰周期。另外，通過圖4可以看出，縱搖運動固有頻率（固有周期約31.4 s）也不在南海波頻能量集中的范圍，避開了南海百年一遇大浪的譜峰周期。

采用ITTC譜進(jìn)行短期預(yù)報，得到各大海域百年一遇重現(xiàn)期波浪下縱搖及垂蕩單幅有義值，見表3。在南海百年一遇大浪下“基地”縱搖單幅有義值為0.31°，垂蕩單幅有義值為1.58 m，在南海波頻運動范圍內(nèi)“基地”縱搖運動響應(yīng)較小，“基地”運動性能優(yōu)良，能夠滿足鉆井作業(yè)的要求（搖擺角＜2°）。由于“基地”在結(jié)構(gòu)上的全對稱性，搖擺運動不受浪向影響，從而極大減小了浪向?qū)Α盎亍便@井作業(yè)的影響。

表3 各大海域百年一遇重現(xiàn)期波浪下縱搖及垂蕩單幅有義值

此外，將“基地”的運動響應(yīng)結(jié)果與墨西哥灣、北海、巴西以及西非的波浪資料做對比，可以發(fā)現(xiàn)“基地”的垂蕩及縱搖固有周期均避開了各大海域百年一遇有義波高所對應(yīng)的譜峰周期，且各大海域百年一遇重現(xiàn)期波浪下縱搖及垂蕩單幅有義值均較小，“基地”運動性能優(yōu)良，在全球主要產(chǎn)油海域也有一定的適用性。

3 結(jié)語

我國海洋油氣資源開發(fā)向南海發(fā)展已成必然趨勢，高度重視并積極開展適合于南海的深海平臺技術(shù)的研究是一個具有前瞻性和迫切性的重要課題。大型多功能深海浮式基地是深海油氣開發(fā)中的新型設(shè)施。本文針對深海開發(fā)所存在的一些問題，結(jié)合我國南海開發(fā)的需要，創(chuàng)造性地提出了大型多功能深海浮式基地概念，將其從傳統(tǒng)海洋油氣開采裝備，變?yōu)橐杂蜌忾_采為核心，圍繞深海漁業(yè)航運、科考、島礁開發(fā)等多行業(yè)聯(lián)動發(fā)展的綜合性裝備，實現(xiàn)了深海開發(fā)各行業(yè)之間的資源整合和互補。為解決深海開發(fā)中存在的問題，加大深海海洋開發(fā)力度提供了一個可借鑒的方案。

本文通過對傳統(tǒng)海洋平臺的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計以及水動力分析，得出如下結(jié)論：

1）在功能上，“基地”能進(jìn)行天然氣分離儲存卸載，解決了油田伴生氣浪費問題。

2）采用圓形主體結(jié)構(gòu)，“基地”對風(fēng)浪流方向不敏感，主體抗風(fēng)暴能力強，所以適應(yīng)海域廣。

3）“基地”主體水線面較大，常規(guī)穿梭油輪來提油時，儲卸油工況對平臺的吃水影響較小。