海洋工程装备发展史

20.2.1　海洋工程装备发展史

近海石油和天然气的勘探可追溯至19世纪。19世纪80年代，在美国加利福尼亚的Summerlands和里海阿塞拜疆的巴库有了第一批海上油井，如图20.2－1所示。但是，业界普遍将1947年由美国科麦奇公司成功建成的第一个海上油井视为海洋工程装备产业真正诞生和开始的标志。该油井位于路易斯安那州的墨西哥湾，水深4.6m（15ft），钻井井架和天车由木制平台支撑，如图20.2－2所示。

图20.2－1　Summerlands上的海上油井

图20.2－2　路易斯安那州的海上油井

自出现第一个海上平台后，海洋工程装备出现了许多创新的结构，如固定式和漂浮式结构。工作水深也越来越大，并能适应更加恶劣的环境。至1975年，海洋工程装备的工作水深已达144m（475ft）。在接下来的三年中，工作水深翻了一倍。特别是1978年建成的由三组独立结构构成的、一组叠加在另一组之上的COGNAC平台，工作水深达312m（1 025ft）。从1978年直至1991年，COGNAC保持着固定式海洋工程装备工作水深最深的世界纪录。

截至2009年，全世界共设计建造了5个工作水深大于1 000ft的固定平台，如图20.2－3所示，其中最深的是1991年壳牌石油（Shell）在412m（1 353ft）水深安装的Bullwinkle平台，目前Bullwinkle平台仍是工作水深最深的固定式平台。

自1947年以来，世界各地已建造和安装超过10 000个不同类型和规模的海上平台。截至1995年，世界30%原油产量来自海洋。近年来，更多的海上油田新发现均出现在越来越深的海域。在2003年，全球3%的石油和天然气供应来自深水（大于1 000ft即305m）。预计在未来15年将达到10%，大部分新的海底石油开采将来自深水和超深水海域，即石油开发的“金三角”地区：墨西哥湾、西非和巴西。图20.2－4显示了近年来，墨西哥湾超深水钻井的增长情况，钻探活动的日益增加也显示了今后生产活动增加的预期。

图20.2－3　工作水深大于1 000ft的固定平台

图20.2－4　墨西哥湾的超深水钻井的统计数据

随着工作水深的增加，固定结构物变得越来越昂贵，安装也越来越困难。1983年建造的Lena系索塔式平台就是一种在固定式结构物的基础上进行创新设计的平台，可以在波浪和风力的作用下漂移，海床上的系泊桩可承受弯曲变形，水平系泊索连接到平台中部，可以抵御最大的飓风。Lena平台安装在305m水深（1 000ft）的海域。1998年在墨西哥湾安装了两个顺应式平台，分别是502m水深（1 648ft）的Amerada Hess Baldpate和雪佛龙德士古公司的535m水深（1 754ft）的Petronius平台，一直到现在，Petronius仍然是世界上最高的自立式结构物。

虽然几乎所有的平台都是钢结构的，但是在20世纪80年代和90年代初，还是有大约24座混凝土平台安装在环境非常恶劣北海海域以及巴西、加拿大和菲律宾的海域。其中1996年安装在挪威北海的Troll A天然气平台（如图20.2－5所示）是最高的混凝土结构，其总高度是369m（1 210ft），共计消耗了24.5万m³的混凝土。

图20.2－5　世界上最高的混凝土结构Troll A天然气平台

与其他类型的固定结构不同，重力式结构物依靠其地基结构的重量牢牢地矗立在所在海域。以Troll平台为例，其插入海床的深度达36m（118ft）。

1975年Hamilton公司在英国北海的Argyle油田安装了世界上第一个浮式生产系统——一个经改装的半潜式生产平台，1977年壳牌石油公司（Shell）在西班牙海域Castellon油田安装了世界上第一艘船型的浮式生产储油装置。在巴西Campos盆地的油田，Petrobras公司已经成为推动浮式生产系统向更深海域发展的先驱。图20.2－6显示了适合深水生产的各种海工装备类型。大多数浮式生产系统都是直接从海底油井获取石油和天然气，与固定平台和陆地油井不同，因此，操作方不可能对海底油井进行直接的维护。

图20.2－6　深水生产系统类型

水下井由海床上的井口和“湿式采油树”构成。湿式采油树可以控制隔水管中的液体（原油）流量，紧急情况下，可以进行应急切断操作。尽管水下井非常昂贵，但是比在深水设置一个平台还是更具有经济性。如果水下井停止生产，或如果其产能不能满足经济效益要求，就有必要使用移动式钻井装置移除采油树。移除采油树的代价非常昂贵，如果回收工作存在风险或不确定性，操作方可以选择放弃。正因为如此，大部分的石油和天然气生产的水下井停产时，采油树都不移除。

上述原因促使操作方开始寻求浮动平台，采用干式采油树。浮式平台运动性能不好，以至于不能确保油井在极端风暴下的安全性要求。在20世纪70年代初期出现了一种浮式生产系统的设计方案，系泊在海底，使平台有效地停留在一定范围以内运动，类似一个系泊的顺应式平台，这就是张力腿平台（TLP）。1984年安装在英国北海的Conoco Hutton TLP平台，是TLP平台的第一次商业应用。该平台采用干式采油树，干式采油树的应用是因为TLP平台的升沉运动受限，从而限制了隔水管和平台体之间的相对运动，在极端的天气条件下可保持水下管线的连接。20世纪90年代以来，深水单柱式（SPAR）平台被应用于开发深海油气的事业中，深水SPAR平台的设想不是约束升沉运动，但是其运动性能良好，隔水管由独立的浮力罐支撑，可以保证隔水管始终在井的中央。

深水浮式生产系统（FPSO）一般都集中在墨西哥湾、西非和巴西。截至目前，SPAR平台只安装在墨西哥湾，TLP平台已安装在墨西哥湾、西非、北海和印度尼西亚。FPSO已安装在世界上除墨西哥海湾外几乎所有的海洋石油生产区域。半潜式的储油船FPS多数在北海和巴西。从2006年开始，浮式生产系统以每年近30%的速度增长，其中主要是用于深水油气生产。

选择一个深水生产装置往往是需经多年的努力，涉及了众多的研究和分析，主要因素是储油层特征及海底地表构造。它们决定了该设施的规模、井口数目、位置以及干、湿采油树的应用。钻井作业在整个深水开发项目中，投资总额往往超过50%，因此，采用何种方式进行钻井活动往往决定了水面所需开发设施的类型，比如是否去建造一个钻井平台或者是租用移动海上钻井装置。