劉 鵬，殷志明

（1.中國(guó)海洋石油國(guó)際有限公司，北京 100028；2.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028）

0 引 言

油氣田退役是油氣田開發(fā)全生命周期的末端環(huán)節(jié)，是油氣田生命周期中不可或缺的部分［1］。根據(jù)《聯(lián)合國(guó)大陸架公約》《聯(lián)合國(guó)海洋法公約》《奧斯陸巴黎保護(hù)北大西洋海洋環(huán)境公約》等國(guó)際公約［2］，為了保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境，在油田退役棄置后，海洋鉆井平臺(tái)不能被丟棄于海域中，要求油氣公司將海洋平臺(tái)移除并運(yùn)回陸地進(jìn)行回收。

海上油氣田建成投產(chǎn)后，經(jīng)過若干年的開采，儲(chǔ)層所含油氣資源逐漸衰竭，當(dāng)油氣產(chǎn)量無法達(dá)到經(jīng)濟(jì)開采價(jià)值，即產(chǎn)出油氣量的價(jià)值小于運(yùn)維平臺(tái)生產(chǎn)所必須的投入成本時(shí)，油公司將按照相關(guān)法律法規(guī)對(duì)海上油氣田生產(chǎn)設(shè)施進(jìn)行棄置。由于全球進(jìn)行海洋油氣田開發(fā)時(shí)間相對(duì)較短，20世紀(jì)70年代隨著北海油田的發(fā)現(xiàn)步入大發(fā)展階段，而深水油氣田的開發(fā)更是最近20年才成為熱點(diǎn)。海上油氣田的經(jīng)濟(jì)開采周期一般都在40～50年，即最初投入大開發(fā)的海上油氣田將在近10年內(nèi)逐步進(jìn)入退役棄置期。隨著北海標(biāo)志性油田布倫特油田的退役，海上油氣田棄置工作逐漸拉開序幕。據(jù)英國(guó)油氣行業(yè)組織（Oil& Gas UK）報(bào)告［3］，2017—2025年，北海349個(gè)油氣田（其中英國(guó)214個(gè)，荷蘭106個(gè)，挪威23個(gè)，以及丹麥6個(gè)）接近一半需要退役棄置，預(yù)計(jì)需要完成或部分拆除200多個(gè)平臺(tái)，封堵和棄置近2 500口油氣井，并退役近7 800 km的海底管道。根據(jù)油田的大小不同，通常棄置周期從幾個(gè)月到幾年不等。預(yù)計(jì)在接下來的5年里，每年支出27億～36億英鎊用于棄置作業(yè)。就英國(guó)而言，估計(jì)2017—2025年度將用于退役的170億英鎊中有46%將位于北海中部，其中49%（約38億英鎊）將用于封堵和棄井作業(yè)。

1 北海油氣田棄置要求與關(guān)鍵裝備

油田棄置工作除了遵循所在國(guó)法律法規(guī)、石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)外，還要受到政府相關(guān)部門的監(jiān)管。英國(guó)與北海油氣田棄置工作管理相關(guān)的政府部門/組織，包括國(guó)家石油天然氣管理局、職業(yè)健康安全管理局、工商業(yè)發(fā)展部和漁業(yè)部門等。政府各相關(guān)部門對(duì)油田棄置工作附有發(fā)放許可和監(jiān)督職能，如安全環(huán)保部監(jiān)督棄置工作過程中的安全和環(huán)保，工商業(yè)投資部負(fù)責(zé)審核作業(yè)者資質(zhì)并發(fā)放作業(yè)許可證，漁業(yè)部門負(fù)責(zé)驗(yàn)收油田棄置工作結(jié)束后海域恢復(fù)原始或不影響捕魚作業(yè)安全。英國(guó)石油行業(yè)協(xié)會(huì)根據(jù)現(xiàn)在的科技和工業(yè)能力制定了具體的棄置實(shí)施規(guī)范。

1.1 北海油氣田棄置要求

海上油氣田不同的開發(fā)模式將決定棄置施工過程中選用不同的棄置裝備和技術(shù)，例如深水區(qū)的油氣田采用水下井口+管匯+FPSO方式（或是半潛式生產(chǎn)設(shè)施開發(fā)），而淺水區(qū)則采用干式井口通過導(dǎo)管架支撐生產(chǎn)平臺(tái)進(jìn)行油氣井田的開發(fā)。英國(guó)石油行業(yè)協(xié)會(huì)因此制定了《海上油氣田退役棄置推薦做法》［4］。海上油氣田棄置分為3部分：①油氣井封堵棄置。此階段遵循石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)鉆井部分，即用永久封堵物封堵油、氣、水層，并在泥面以下切割海底井口。②水下結(jié)構(gòu)回收。此階段將海底結(jié)構(gòu)清除，包括露出海底泥面的采油樹、海管、管跨和水下管匯等。③海面以上結(jié)構(gòu)物拆除。此階段將水面以上結(jié)構(gòu)（包括水下支撐結(jié)構(gòu)）拆除，恢復(fù)海域原貌。

油氣井封堵棄置，即按照規(guī)范要求將井內(nèi)生產(chǎn)油管起出，注水泥塞封堵油氣井內(nèi)的油、氣或水層。標(biāo)準(zhǔn)要求每層要有2個(gè)水泥塞封固，單個(gè)水泥塞長(zhǎng)150 m，也可注連續(xù)長(zhǎng)245 m水泥塞。為確保水泥環(huán)質(zhì)量，通常選擇在上一層套管鞋附近注水泥塞，也可根據(jù)固井質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果選擇注水泥塞的位置。

封固完地層中的油、氣、水層后，在泥面以下3～5 m處切割套管并起出井口，而近海底泥面位置則可根據(jù)目標(biāo)井具體情況選擇性注水泥塞［5］。水下的海管、立管和電纜等需要進(jìn)行切割回收，海管在泥面的切口處要做回填處理。

而平臺(tái)棄置則先將能拆除并能由工作船運(yùn)回陸地的生產(chǎn)設(shè)施拆解，再將平臺(tái)上部組塊構(gòu)件采用熱工或是冷切割的方式將其與支撐結(jié)構(gòu)分開，再用駁船采用浮托法將上部平臺(tái)組塊整體搬遷回陸地進(jìn)行拆解回收。鋼結(jié)構(gòu)導(dǎo)管架則需要浮吊將導(dǎo)管架吊好后，再用鋼絲繩鋸將導(dǎo)管架在海床泥面以上割斷，隨后由浮吊將廢棄導(dǎo)管架運(yùn)回陸地拆解。

1.2 北海油氣田棄置關(guān)鍵裝備

1.2.1 大型工程船

大型工程船是進(jìn)行海上結(jié)構(gòu)物提升和運(yùn)輸關(guān)鍵設(shè)備，如北海進(jìn)行井口平臺(tái)棄置的Pioneering Spirit是世界上最大的工程船之一（見圖1）。Pioneering Spirit工程船的建造標(biāo)志著海上平臺(tái)安裝或是拆除工作向安全高效邁出了一大步，極大地減少了海上油氣平臺(tái)的安裝或是退役棄置相關(guān)工作的海上作業(yè)時(shí)間。該船是專為大型石油和天然氣平臺(tái)的安裝和拆除以及海管鋪設(shè)安裝而設(shè)計(jì)的，Pioneering Spirit船采用DP3動(dòng)力定位的雙殼船，型長(zhǎng)382 m，型寬124 m。船首處有一個(gè)長(zhǎng)122 m、寬59 m的工程作業(yè)開口，這使得Pioneering Spirit可以駛?cè)肫脚_(tái)下方，可一次起吊重達(dá)48 000 t的平臺(tái)，可安裝重達(dá)20 000 t的導(dǎo)管架，并使用八組水平液壓舉升器將整個(gè)平臺(tái)舉升且運(yùn)輸［6］。

圖1 精神先鋒號(hào)Fig.1 Pioneering Spirit

作為起重系統(tǒng)的補(bǔ)充，工程船尾還有一臺(tái)可起吊5 000 t的起重機(jī)，可用于較輕的上部平臺(tái)或是導(dǎo)管架的海上安裝。Pioneering Spirit的大船型具有出色的海況適應(yīng)性能，涌浪主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)使其能夠在高達(dá)3.5 m波高的海況條件下進(jìn)行安裝或拆卸平臺(tái)組塊和導(dǎo)管架作業(yè)，并通過動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)使其在任何水深范圍內(nèi)準(zhǔn)確平穩(wěn)作業(yè)，而船體的防冰設(shè)計(jì)又保障其能在極地地區(qū)進(jìn)行作業(yè)。

1.2.2 鋼結(jié)構(gòu)切割工具

海上導(dǎo)管架平臺(tái)和支撐油氣流動(dòng)通道的井筒結(jié)構(gòu)通常為管狀鋼材或者鋼材和水泥膠連結(jié)構(gòu)物，其中導(dǎo)管和水下套管切割一般采用金剛石繩鋸（見圖2）。金剛石繩鋸是一種柔性超硬材料切割工具，已有40多年的發(fā)展歷史，廣泛應(yīng)用于礦山開采、鋼筋混凝土或金屬結(jié)構(gòu)件的切割。

圖2 金剛石繩鋸結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of diamond wire cutter

繩鋸由液壓動(dòng)力端、繩鋸?fù)屑芎弯忣^三部分組成（見圖3）。動(dòng)力端提供液壓動(dòng)力、繩鋸?fù)屑芸梢罁?jù)水下鋼結(jié)構(gòu)的大小采用相適應(yīng)的尺寸，托架將繩鋸固定在切割位置，帶鋼絲繩鋸索的鋸頭與托架通過驅(qū)動(dòng)輪滑軌相連并由液壓推動(dòng)鋸頭將鋼絲繩鋸索壓在被切割物的切割面上；鋼絲繩鋸索是由穿有諸多金剛石割刀環(huán)片的鋼絲繩做成的。切割過程是由液力馬達(dá)帶動(dòng)圍繞固定導(dǎo)向滑輪高速運(yùn)動(dòng)的鋼絲繩鋸索在切割物上沿著切割線磨削的。

圖3 金剛石繩鋸水下切割作業(yè)Fig.3 Underwater cutting operation of diamond wire cutter

常用水下應(yīng)用繩鋸（型號(hào)DWS-48i-ROVSS）可切割管子的直徑為508～1 219 mm（20～48 in）、整個(gè)繩鋸干重780 kg，加上浮力塊后海水中濕重11 kg，可在3 000 m水深中進(jìn)行作業(yè)。英國(guó)北海殼牌公司在2019—2020年對(duì)布倫特油田的3座海上生產(chǎn)設(shè)施進(jìn)行了棄置拆除，其中Alpha平臺(tái)為導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，棄置過程中用到了鋼絲繩鋸在水面下85m將導(dǎo)管架鋸斷，再由浮吊將導(dǎo)管架調(diào)離。鋼絲繩鋸切割導(dǎo)管架具有安全快捷、無污染、成本低等特點(diǎn)。

2 北海油氣田棄置案例

2.1 布倫特油田退役棄置

布倫特油田位于英國(guó)北海北部，西距設(shè)特蘭島186 km，水深140 m。布倫特油田由殼牌英國(guó)公司擔(dān)任作業(yè)者（見圖4），布倫特油田有4座生產(chǎn)平臺(tái)，共有開發(fā)井146口，于1976—1978年相繼建成并投產(chǎn)。經(jīng)過40多年的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，油田接近經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)年限，殼牌公司于2017年2月至4月向政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)［包括英國(guó)石油天然氣管理局（OGA）、英國(guó)工商能源工業(yè)部（BEIS）、健康安全環(huán)保部（HSE）］、利益關(guān)切方和相關(guān)組織提交棄置方案從而啟動(dòng)了油田棄置工作，截至2021年3月，殼牌公司完成了146口井的永久封井和棄置；將4座平臺(tái)的上部組塊移除并回收送回陸地拆解；回收A平臺(tái)導(dǎo)管架并送回陸地拆解；清除水泥重力平臺(tái)水下儲(chǔ)罐中的殘余油；清除平臺(tái)周邊海床上的殘留鉆屑及廢棄物。

圖4 布倫特油田位置和平臺(tái)分布示意圖Fig.4 Location and platform distribution of Brent Oil Field

4座平臺(tái)中A平臺(tái)（見圖5）是由6樁腿鋼制導(dǎo)管架作為支撐上部組塊的鋼架結(jié)構(gòu)。該平臺(tái)于2020年6月開始棄置，首先采用熱工作業(yè)解除上部生產(chǎn)平臺(tái)組塊與導(dǎo)管架的連接，再由大型工程船浮托Pioneering Spirit（見圖6）用浮托法將上部組塊整體托起搬離油田現(xiàn)場(chǎng)；2020年7月，開始拆除A平臺(tái)6樁腿導(dǎo)管架。棄置項(xiàng)目組利用鋼絲繩鋸索在水面以下85 m的位置對(duì)導(dǎo)管架的28處切割點(diǎn)進(jìn)行了切割，隨即由起重船Sleipnir號(hào)將導(dǎo)管架吊起運(yùn)送回陸地進(jìn)行拆解。

圖5 布倫特平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure of platform of Brent Oil Field

圖6 浮拖船精神先鋒號(hào)Fig.6 Towboat“Pioneering Spirit”

其余B、C、D 3座生產(chǎn)平臺(tái)為水泥重力平臺(tái)。因目前的工業(yè)水平和技術(shù)無法移除海中的水泥重力平臺(tái)構(gòu)件，相關(guān)法律法規(guī)也沒有規(guī)定要將水泥重力構(gòu)件從所處海域清除，故布倫特油田B、C、D平臺(tái)均采用鋼絲繩鋸解除平臺(tái)上部組塊和水泥重力平臺(tái)樁腿的連接，將上部組塊用浮托法整體移除回收后再用蓋板將重力平臺(tái)的3個(gè)圓柱體樁腿封閉后結(jié)束作業(yè)。如圖7所示，上部組塊和水泥重力平臺(tái)在結(jié)合部切割開，首先在直徑19.8 m水泥樁柱上水平均勻分布鉆6個(gè)孔便于安裝金剛石鋼絲繩鋸，切割后在鉆孔處安裝剪力銷以固定上部組塊；再由Pioneering Spirit大型付托船將23500 t組塊托起并撤離（見圖8）；最后由Pioneering Spirit船尾部吊車安裝樁腿蓋板（見圖9）。油田棄置后，留在原位的水泥重力平臺(tái)的3個(gè)直徑為13.9 m的樁腿高出海平面約19.8 m［7］。

圖7 水泥重力平臺(tái)樁腿及金剛石鋼絲繩鋸切割水泥樁腿示意圖Fig.7 Schematic diagram of pile leg of cement gravity platform and diamond wire cutter cutting cement pile leg

圖8 精神先鋒號(hào)付托回收B平臺(tái)上部組塊Fig.8 Topside of entrusted recovery platform B of Pioneering Spirit

圖9 精神先鋒號(hào)吊裝水泥樁腿蓋板Fig.9 Hoisting of cover plate of cement pile leg by Pioneering Spirit

Pioneering Spirit工程船在布倫特油田棄置工作中，顯現(xiàn)出多功能的高效性。Pioneering Spirit作為最大的工程船，集浮托、吊機(jī)和裝載于一身，基本上可實(shí)現(xiàn)一次動(dòng)員完成所有施工工作量，從而為甲方節(jié)約整體工程施工時(shí)間和費(fèi)用。

2021年3月，隨著布倫特油田的退役標(biāo)志著北海油田一個(gè)時(shí)代的結(jié)束，也為隨之而來的油田退役開啟了序幕。隨著技術(shù)進(jìn)步，或許在不遠(yuǎn)的將來，石油行業(yè)能夠找到水泥重力平臺(tái)拆除的安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、可行的方法。

2.2 Ettrick/Blackbird油田退役棄置

Ettrick/Blackbird油田位于英國(guó)大陸架水域20/2a區(qū)塊中，油田最近距英國(guó)海岸線80 km，水深約115 m。Ettrick油田最初發(fā)現(xiàn)于1981年，并于2009年投入生產(chǎn)。Ettrick油田是通過7口生產(chǎn)井和2口注水井開發(fā)的，所有這些開發(fā)井都通過海底管線接入FPSO（見圖10）。Blackbird油田于2008年發(fā)現(xiàn)，并于2011年投入生產(chǎn)。Blackbird油田是通過2口生產(chǎn)井和1口注水井生產(chǎn)的，同樣所有開發(fā)井都通過海底管線接入FPSO。另外，Blackbird油田還包括一口先期評(píng)價(jià)井，該井處于臨時(shí)棄置狀態(tài)，需要做永久性棄置處理。

圖10 Ettrick/Blackbird油田示意圖Fig.10 Schematic diagram of Ettrick/Blackbird Oil Field

中海油國(guó)際英國(guó)公司從2018年開始對(duì)Ettrick/Blackbird兩個(gè)油田進(jìn)行棄置，需要完成水下共計(jì)13口水下井口的油井棄置、海底管線和水面FPSO解脫工作。在上報(bào)英國(guó)石油天然氣局（Oil&Gas Authority）獲得油田停產(chǎn)認(rèn)可后，Ettrick/Blackbird油田進(jìn)入棄置階段。整個(gè)棄置作業(yè)共分為5個(gè)階段。第一階段油田停產(chǎn)，沖洗輸油管線和臍帶管線；滑環(huán)管線脫離并掛接到臨時(shí)懸掛桶；斷開與水下采油樹連接管線；FPSO藍(lán)水號(hào)解脫，駛離油田現(xiàn)場(chǎng)。第二階段回收海管立管、跨接管和臨時(shí)懸掛桶。第三階段油氣井棄井。第四階段清除海底集輸管匯、海管并做漁業(yè)拖網(wǎng)試驗(yàn)。第五階段油田棄置后海底雜物掃描。

油田棄置第一階段斷開采油樹海底連接管線于2016年7月11日完成；FPSO藍(lán)水號(hào)于2016年8月1日離開油田現(xiàn)場(chǎng)。此步驟關(guān)鍵點(diǎn)是將滑環(huán)上的油、水和控制管線等與FPSO鏈接的各類管線移接到臨時(shí)浮筒上。第二、四階段于2017年底完成。第三階段油井棄井工程已由COSL Pioneer半潛式鉆井平臺(tái)完成5口井的棄置。其中第二、四階段對(duì)水下和海底管線的切割用到了金剛石鋼絲繩鋸，其操作簡(jiǎn)單和快速切割的特性使得海管切割工作進(jìn)程大為提升。

Ettrick/Blackbird水下管線和海底結(jié)構(gòu)物棄置的關(guān)鍵工作節(jié)點(diǎn)如下：

（1）第一階段解脫藍(lán)水號(hào)FPSO。因藍(lán)水號(hào)FPSO滑環(huán)系統(tǒng)在船體中前部，預(yù)制了浮筒用于臨時(shí)掛接滑環(huán)連接處連接的各類管線和電纜。待海管和電纜掛接在臨時(shí)浮筒上后，即解脫藍(lán)水號(hào)FPSO。

（2）第二、四階段根據(jù)水下作業(yè)特點(diǎn)采用多功能工程作業(yè)船進(jìn)行水下作業(yè)。順利完成切割、回收膨脹彎管、海管、海纜、臨時(shí)浮筒和海底生產(chǎn)設(shè)施及相關(guān)構(gòu)件等工作。

作業(yè)經(jīng)過為2017年6月28開始動(dòng)員Normand Pioneer號(hào)工程作業(yè)船（見圖11）到現(xiàn)場(chǎng)解除回收錨泊系統(tǒng)，清除堆積在海床上的鉆屑，切割回收掛接海管、油嘴管線等，共回收3 000 t物料。動(dòng)員Deep Explorer號(hào)潛水作業(yè)船（見圖12）到現(xiàn)場(chǎng)回收水下結(jié)構(gòu)物防塵墊，海管立管切割、水下構(gòu)件回收。動(dòng)員Deep Arctic號(hào)工程作業(yè)船（見圖13）回收結(jié)構(gòu)物海床防沉墊，做水下構(gòu)件回收前準(zhǔn)備工作。動(dòng)員Siem Barracuda號(hào)工程作業(yè)船（見圖14）為油田區(qū)域棄置收尾工作，包括海床聲吶掃描、收集海床遺留物等。

圖11 Normand Pioneer工程作業(yè)船F(xiàn)ig.11 Workboat Normand Pioneer

圖12 Deep Explorer潛水作業(yè)船F(xiàn)ig.12 Diving boat Deep Explorer

圖13 Deep Arctic工程作業(yè)船F(xiàn)ig.13 Workboat Deep Arctic

圖14 Siem Barracuda工程作業(yè)船F(xiàn)ig.14 Workboat Siem Barracuda

風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)如下：工程船作業(yè)受天氣海況的影響較大，海上施工時(shí)間多選擇夏季作業(yè)以避免較多的天氣待機(jī)情況發(fā)生。

3 結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)海上油田有些已經(jīng)生產(chǎn)了30多年，即將進(jìn)入棄置階段。特別是在渤海的各類油田，其生產(chǎn)平臺(tái)均采用鋼結(jié)構(gòu)導(dǎo)管架作為平臺(tái)支撐，隨著生產(chǎn)時(shí)間的增加，經(jīng)濟(jì)可采儲(chǔ)量的減少，在不遠(yuǎn)的將來將會(huì)有油田進(jìn)入棄置階段。建議在工程設(shè)備的選用、工具工藝的運(yùn)用等方面借鑒北海油田的棄置經(jīng)驗(yàn)，即先井下（完成油氣井封堵棄置），再水面、水中，最后是根據(jù)海床的作業(yè)順序設(shè)計(jì)棄置過程，為安全高效地完成油田棄置做好技術(shù)儲(chǔ)備。例如，對(duì)導(dǎo)管架以上的平臺(tái)設(shè)施可以采用付托的方式整體移除并用駁船送回碼頭拆解；對(duì)導(dǎo)管架和其周邊水中管線和膨脹彎管用金剛石鋼絲繩鋸在海床附件進(jìn)行切割，再用浮吊將導(dǎo)管架回收；最后用多功能作業(yè)船回收清除海床上的相關(guān)構(gòu)件。對(duì)于南海部分深水或水下井口的油田可以借鑒Ettrick/Blackbird油田棄置經(jīng)驗(yàn)，先將水中管線與半潛式生產(chǎn)裝置或FPSO置脫離，臨時(shí)掛接在浮筒上，移除浮式生產(chǎn)裝置，再進(jìn)行水中和海床面的關(guān)系和設(shè)備的清除工作。