“深海一号”半潜式能源站

李达 ,  易丛 ,  贾鲁生

Engineering ›› 2025, Vol. 50 ›› Issue (7) : 18 -23.

PDF (2626KB)
Engineering ›› 2025, Vol. 50 ›› Issue (7) : 18 -23. DOI: 10.1016/j.eng.2025.05.002
工程成就

“深海一号”半潜式能源站

作者信息 +

The Deep Sea No. 1 Semi-Submersible Energy Station

Author information +
文章历史 +
PDF (2688K)

引用本文

引用格式 ▾
李达,易丛,贾鲁生. “深海一号”半潜式能源站[J]. 工程（英文）, 2025, 50(7): 18-23 DOI:10.1016/j.eng.2025.05.002

登录浏览全文

4963

注册一个新账户 忘记密码

1 引言

作为中国首个超深水浮式生产平台，“深海一号”能源站是中国深水资源开发利用的一个里程碑。该能源站位于中国海南岛东南海岸150 km处的LS17-2气田内。该平台结构形式为半潜式（图1），排水量为 10.1万吨，作业吃水为35~40 m。通过16根4 × 4模式的锚链-聚酯-锚链系泊缆永久系泊在1422 m的深水中，并附有六根钢制悬链式立管（SCR）。它是世界上第一座也是唯一一座具有凝析油储存功能的半潜式平台，因此可以被视为浮式生产储卸油（FPSO）平台。“深海一号”能源站每年可生产30亿立方米天然气（足以供1000多万户家庭使用），是中国迈向能源独立的重要一步。

“深海一号”能源站所在的LS17-2气田于2014年被发现。2015年，该气田的开发方案制定完成，随后进行了研究和初步设计。“深海一号”于2021年6月25日投入运营，将在现场连续运行30年，无需进行坞修。

在“深海一号”能源站之前，中国的浮式生产平台位于浅水区（即水深300 m以下）。因此，作为中国首个超深水生产平台和全世界首个半潜式FPSO平台，“深海一号”能源站项目面临着巨大的技术挑战。

（1）凝析油问题。根据勘探数据，LS17-2气田产出的天然气中烃类含量较高（98%以上），主要产品为天然气和凝析油。凝析油是一种具有高挥发性和爆炸性的产品，因此加工和运输凝析油的方法直接影响该项目的安全性和经济可行性，是开发方案的主要考虑因素。

（2）总体安全性。FPSO平台很容易受到卸货船的冲击，同时凝析油的高爆炸性增加了加工和储存凝析油的难度。这些安全问题给平台的结构设计带来了挑战。

（3）恶劣环境。南海是世界上公认的环境最恶劣的海洋之一。现场测量和邻近区域记录提供的精确环境参数显示，LS17-2气田为台风易发区，平均每年会经历11次台风，极端风速可达66 m∙s-1。 百年一遇海况下的有义波高（即预计100年内只出现一次的海况对应的有义波高）为13.4 m，最大波高为23 m [1‒2]。此外，在LS17-2区域还观测到极端流速达2.39 m∙s-1的强流。与以极端海况闻名的墨西哥湾和北海相比[3‒5]，“深海一号”能源项目的环境条件面临巨大的挑战。在恶劣环境下进行石油和天然气开采时，浮式结构将承受巨大的载荷，因此需要对浮式平台进行特殊设计，并加强系泊和立管系统，这会导致设计、制造和安装成本大幅增加。

为应对上述挑战，“深海一号”能源站项目组在研究和设计中提出并应用了一系列新的理论和方法，取得了开创性的技术成果。

2 技术成果

2.1 开发方案

在石油和天然气开采中，总体开发方案是项目盈利能力的基石。开发方案包括设备的总体布置和结构形式的选取。不合理的开发方案会增加成本，甚至消灭项目利润。作为中国首个超深水气田，LS17-2气田的总体开发方案必须在确保技术可行性的同时，最大限度地提高经济效益。

2.1.1 总体布置

LS17-2气田为超深水气田，水深1220~1560 m，距离浅水区（即水深160~170 m的区域）55 km。气田的探明储量包括超过1000亿立方米的天然气。LS17-2气田开发可能依赖的现有基础设施是YC 13-1导管架平台及其通往香港的天然气管道。

LS17-2气田的天然气储量分布较为分散，共有七个区块，覆盖面积为30.4 km × 49.4 km，目前已开发了11口井，每个区块有1~2口井，区块之间的距离一般超过5 km [6]。LS17-2气田的开发设计目标是维持10年的稳定生产，年产天然气30亿立方米，日产凝析油1400 m3 [7‒8]。

为了实现这一生产目标，提出了两个候选开发方案：方案1为FPSO+动力定位穿梭油轮；方案2为浅水导管架平台+长距离外输管道。在方案1中，仅天然气通过管道外输；在方案2中，凝析油管道输运系统需要建造一条135 km长的管道，因此需要额外投资8亿元人民币[9]。考虑到经济可行性，最终选择了FPSO方案（图2），由此启动了中国首个超深水平台项目。

2.1.2 平台类型的选择

为了满足功能要求，项目组研究了所有可能的平台类型，包括船型FPSO、张力腿平台、半潜式平台、Spar平台和圆筒型FPSO。张力腿平台具有优异的运动性能，适用于干式采油树作业[10]，但其重量敏感特性使其不适合凝析油储存。深水石油开采普遍采用船型FPSO平台，但由于船型FPSO平台运动幅度较大，LS17-2气田必须采用柔性立管和单点系泊，与适用于SCR的选项相比，此方案在经济上处于劣势[9]。

综合考虑功能需求和经济可行性，潜在的候选方案是Spar平台、圆筒型FPSO或半潜式平台。Spar平台适用于干式采油树作业，且兼容SCR，但该项目的湿拖、扶正及其现场集成在中国尚属首例，这意味着高风险和高成本。对于圆筒型FPSO平台，由于其转动幅值较大，立管上端的扭转角约为25° [8]，这限制了SCR的应用。对于半潜式平台而言，SCR有较为成熟的应用案例[11‒12]，而且由于以往半潜式钻井平台方面的经验，其建造过程更易于控制。基于这些考虑，确定半潜式平台在风险及成本方面均属最低，因此确定其为最终方案。

2.2 设计理念

作为全世界首个半潜式FPSO平台，“深海一号”能源站的设计当时在全球范围内是独一无二的。此外，作为中国首个超深水平台，其建设因可用施工场地的尺寸而受到诸多限制。平台设计理念的创新对于在这些限制条件下实现最佳功能性能至关重要。

与传统的半潜式生产平台不同，“深海一号”能源站具有凝析油存储能力。由于凝析油的生产和卸载，平台的重心会发生很大的变化[13]，从而对平台的稳定性和运动产生不利影响。此外，造船厂和航道的尺寸也对平台的尺寸提出了限制。在中国的大多数造船厂，空船吃水被限制在9 m以下，而这一参数成为限制出坞及拖航的决定性参数[7‒9]。此外，对于带有SCR的平台，平台的运动会增加SCR上的载荷。因此，为了确保立管的安全性，根据SCR的强度和疲劳极限，设计中对平台运动设置了严格的限制。恶劣的环境条件增加了平台运动控制的难度。为了克服这些障碍，提出了一种“宽立柱、扁浮箱、深吃水”的船体设计理念（图3）。

基于以往的工程经验，浮筒的宽高比通常小于2.0，但由于施工条件限制，“深海一号”浮筒的宽度为21 m，高度为9 m，宽高比为2.33。这种较大的宽高比将增加垂荡阻尼比；与1.0的宽高比相比，垂荡阻尼比从2.05%提高到2.74%。但是，宽浮筒会增加结构上的波浪载荷。为了降低宽浮筒引起的波浪载荷，将平台的作业吃水增加到了35~40 m，相比之下，大多数半潜式生产平台的作业吃水低于30 m。

关于凝析油储存，若将凝析油储存舱室布置于浮箱中，则压载水须布置于立柱中，这将提高平台的重心。此外，卸载管道必须穿过所有立柱才能到达上层甲板，这增加了凝析油卸载中的风险，因此将凝析油储存在立柱中更为有利[14‒15]。因此，在“深海一号”能源站中，凝析油存储位于立柱位置，而压载水舱位于浮箱位置。此方案中，加宽立柱将提升凝析油储存量，同时提高平台的稳定性。

2.3 半潜式FPSO平台的三重安全保障

对于FPSO平台，外输作业相当频繁，因此穿梭油轮与平台发生碰撞的风险很高。如果在加工、储存或穿梭油轮冲击过程中发生凝析油泄漏，则灾难性事故将不可避免[16]。作为全世界首个半潜式FPSO平台，该平台整体安全性方面的创新至关重要。

为了确保整体安全性， 受保温瓶内胆形式启发，“深海一号”能源站项目创新性地采用了世界上首个U形凝析油储存和隔离设计理念。在这种设计中，八种类型的舱室紧密地排列在立柱中（图4），可储存20 000 m3的凝析油、9000 m3的乙二醇和其他介质。在结构和工艺设计中，提出并应用了三重安全保障的理念。

2.3.1 储存安全保障

为确保立柱舱室内凝析油储存安全，提出了适用于低闪点易挥发介质海上密闭恒压储卸的安全防护技术，通过回流稳定、能量管控、一体化储卸、叠加泄压和物理隔离实现了五级防护[17]。

1级：凝液逐级回流稳定技术。基于多级闪蒸原理，稳定凝液与凝析油，确保进入舱室的流体饱和蒸汽压符合要求。

2级：能量源头管控技术。等同采用原油稳定处理标准，大大降低了凝析油舱的超压风险。凝析油舱入口管线上设置两个紧急切断阀，以便在紧急情况下迅速切断能量来源。

3级：一体化的凝析油储卸/倒舱作业流程。通过倒舱管汇、进舱管汇和外输管汇实现装卸油流程的灵活调配，以应对复杂工况。此外，可快速切换至对角舱外输模式。

4级：高低开度放空阀叠加泄压技术。惰气供气和放空总管、惰气吹扫和驱气总管均设有高低开度2套放空阀，确保各工况均能实现快速、有效泄压。

5级：基于物理隔离的碰撞泄漏防护体系。凝析油储存舱四周和底部均设置宽1.8 m的物理隔离舱，同时凝析油进出舱管线阀门等关键区域避开上部吊机工作路径，舱内由泡沫灭火系统覆盖。

2.3.2 卸载安全保障

传统半潜式平台的立柱截面为环形，中心舱室跨距较大。对于“深海一号”能源站，如果采用常规结构配置，则中心舱室将用于凝析油储存（图5）。然而，由于该舱室的跨距较大，为了满足结构安全要求，需要较大的舱壁厚度和较大的大梁尺寸，而这将导致钢材使用量大幅增加。为了更经济地储存凝析油，创新提出了“十字形”截面的立柱设计概念。在该设计中，立柱的中心部分被均分为四份，其中三份用于凝析油储存（图5）。十字交叉的舱壁划分能够将凝析油舱壁跨距缩短一半，可大幅降低钢材用量。

与传统设计相比，新设计节省了2860 t钢材，同时提高了平台对船舶碰撞的抵抗力。对船舶碰撞的有限元分析[18]表明，仅就结构强度而言，平台可承受与速度为4.7 m∙s-1的穿梭油轮（满载排水量为2.1万吨）在立柱各个部位的正面碰撞冲击。此外，在外舱壁上还设置了橡胶护舷、防撞框架等缓冲保护结构，进一步增加了立柱所能承受的碰撞能量。

2.3.3 疲劳安全保障

为了应对南海中波浪周期范围广且浪高大的挑战（在该海域，结构疲劳损伤是墨西哥湾飓风区域的数倍），提出了一种被称为多孔减跨舱壁的结构技术（图6）。该舱壁可将应力降低15%，并将疲劳寿命提高280% [18]。

舱壁顶部和底部设有大开孔，舱壁主体上设有流通孔，充分保证了舱室的流通性。作为减跨支撑结构的舱壁采用整体连接方式，相较于传统的减跨梁局部肘板连接，多孔减跨舱壁结构的过渡连续性显著提升。该技术充分考虑了舱室内部的流通性和冲洗清洁的便捷性，同时具备更高的疲劳性能。

2.4 设计阶段机理研究

“深海一号”能源站在南海风浪流作用下的动力响应对于平台设计至关重要。由于项目选用SCR立管形式，必须精确评估平台的运动响应。平台的运动性能与平台的主尺度密切相关，而主尺度受建造能力、航道深度等因素的限制。为了描述系泊和稳定性分析中系泊缆和SCR立管的影响，研究人员建立了包括系泊缆和立管在内的数值模型，并进行了耦合分析。“深海一号”能源站是中国在南海超深水区建设的首个生产平台，运动特性具有特殊性，给作业带来不确定性。因此，针对南海半潜式生产平台的运动模式，研究人员开展了多项机理研究。

2.4.1 稳性高与横摇/纵摇运动之间的非线性关系

与传统的半潜式生产平台不同，“深海一号”能源站的设计目的是在其立柱中储存高达20 000 m3的凝析油。随着凝析油储量的增加，平台重心上升将多达3 m。重心的升高将导致稳性高以及横摇和纵摇固有周期的变化，从而影响平台的耐波性。“深海一号”能源站的横摇和纵摇固有周期超过40 s，因此其一阶运动远小于由非线性二阶力激发的低频运动。为了确保生产安全，基于时域分析结果和波浪水池试验获得的统计数据，深吃水半潜式平台的二阶运动特性被特别关注[19‒20]。

图7展示了平台稳性高与低频纵摇运动之间的非线性关系。根据运动或稳定性是否满足安全要求，建立了四个区域。可以看出，随着重心的上升，稳性高降低，低频纵摇运动加大。因此稳性高增加，运动性能更好；也就是说，宽立柱将有利于平台稳性和运动。

2.4.2 横摇/纵摇运动的参数激励

当规则波沿浮式平台的纵荡方向来袭时，传统观点认为，只会激发纵荡、垂荡和纵摇运动模式，而其他三个自由度（即横荡、横摇和艏摇）不会被激发。但是，当横摇的固有周期是规则波周期的两倍时，可能会出现一种被称为参数激励的非线性现象，其出现的原因是稳性高的周期性变化。由于波浪力周期性地激发垂荡运动，稳性高和横摇恢复力矩也周期性地变化，在某些情况下会引起横摇/纵摇运动的快速增加。

图8展示了“深海一号”能源站的有阻尼参数激励方程的稳定区和不稳定区，δ是一个无量纲因子，定义为δ = 4(T3 /Tn4)2，其中T3表示垂荡运动周期，Tn4表示横摇固有周期。当2T3 = Tn4时，δ = 1，垂荡的轻微扰动可能导致横摇的不稳定性。图8展示了“深海一号”能源站的这一临界条件，该能源站的设计位置位于稳定区内。

2.4.3 波流耦合作用下涡激运动响应

半潜式平台的涡激运动（VIM）响应是一种共振结构响应现象，当立柱周围流体流动产生的周期性漩涡脱落频率与系泊平台的固有频率相吻合时，就会发生这种现象，从而在水平方向上引起放大的振荡运动[21]。传统分析方法仅考虑水流作用下的漩涡脱落，其对系泊缆和立管疲劳损伤的贡献率可高达47%~70%。在南海半潜式平台VIM响应中忽略波流耦合特性将导致高估系泊缆和立管的疲劳损伤。这将导致对系泊缆和立管进行不必要的加固，从而增加成本。

为了研究“深海一号”能源站在波流耦合作用下的VIM响应机理，进行了一系列模型试验。通过组合不同的流速、波高和波浪周期，确定平台在各种条件下的VIM响应。

图9展示了在不同条件（包括仅有海流作用、作业工况和生存工况）下VIM响应与流速之间的关系。与仅有海流作用下的VIM响应相比，作业工况和生存工况下的VIM响应明显较小。在作业工况和生存工况下，周期性的水质点运动会干扰漩涡脱落，从而抑制平台的VIM响应。一般来说，由于波流耦合效应，VIM响应幅度可降低20%~60%，在一定程度上提高了系泊缆和SCR立管的疲劳寿命。

3 结论与展望

作为全世界首座半潜式FPSO平台和中国首座超深水浮式生产平台，“深海一号”能源站是基于一系列在平台规划、设计和机理研究阶段进行的创新建成的，这些创新在相关领域尚无先例。得益于这些创新，平台在确保安全性和技术可行性的同时实现了经济效益优化。

（1） 作为全世界首个半潜式FPSO平台，“深海一号”能源站的设计和建造具有较高的经济可行性和较低的风险。该平台自2021年投入使用以来运行平稳。截至2023年年底，“深海一号”能源站已生产天然气62.5亿立方米，凝析油418万桶，实现利润143亿元人民币，表明其具有良好的经济性。自该平台投入使用以来，六次台风过境均未发生事故，证明了其设计的可靠性。

（2） “深海一号”气田项目是一个示范性项目，标志着中国油气开采向深水拓展。从该项目的设计、建造和运营中获得的经验将指导南海天然气储量的开采，使中国成为世界上第三个能够自主开发超深水气田的国家。

（3） 作为全世界首座半潜式FPSO平台，“深海一号”能源站为开发超深水天然气（储量占深水气田储量的70%）提供了一种中国式解决方案。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
[1]

Jiang X, Xie B, Bao Y, Song Z. Global 3-hourly wind-wave and swell data for wave climate and wave energy resource research from 1950 to 2100. Sci Data 2023;10:225. . 10.1038/s41597-023-02151-w
[2]

Xie B, Ren X, Jia X, Li Z. Research on ocean wave spectrum and parameter statistics in the northern South China Sea. In: Proceedings of Offshore Technology Conference; 2019 May 6‒9; Houston, TX, USA. OTC; 2019. p. 4080‒90. . 10.4043/29547-ms
[3]

Hansen HF, Randell D, Zeeberg AR, Jonathan P. Directional‒seasonal extreme value analysis of North Sea storm conditions. Ocean Eng 2020;195:106665. . 10.1016/j.oceaneng.2019.106665
[4]

Cruz AM, Krausmann E. Damage to offshore oil and gas facilities following hurricanes Katrina and Rita: an overview. J Loss Prev Process Ind 2008;21:620‒6. . 10.1016/j.jlp.2008.04.008
[5]

Panchang V, Jeong CK, Demirbilek Z. Analyses of extreme wave heights in the Gulf of Mexico for offshore engineering applications. J Offshore Mech Arct Eng 2013;135:1‒15. . 10.1115/1.4023205
[6]

Li Q, Sun Q, Cheng B, Liu G, Yao H, Wang J, et al. Key technology for engineering design of deepwater subsea production system in LS 17-2 gas field. China Offshore Oil Gas 2021;33:180‒8. Chinese.
[7]

You X, Zhou S, Zhang X, Liu K, Xu H, Liu X, et al. Construction practice and innovation of “Deep Sea One” energy station. Strateg Study CAE 2022;24:66‒79. Chinese. . 10.15302/j-sscae-2022.03.008
[8]

Zhu H, Li D, Wei C, Li Q. The first 1500 m self-operated deep water gas field engineering development scenario research in South China Sea. China Offshore Oil Gas 2018;30:170‒217. Chinese.
[9]

Zhu H, Li D. Research on overall design and key technologies of “Deep Sea No.1” energy station in L S17-2 gas field. China Offshore Oil Gas 2021;33:160‒9. Chinese.
[10]

Aggarwal R, D’Souza R. The tension leg platform technology—historical and recent evelopments. In: Proceedings of OTC Brasil; 2013 Oct 29‒31; Rio de Janeiro, Brazil. OnePetro; 2013. p. 1899‒916. . 10.4043/24512-ms
[11]

Liu Y, Jia L, Jia X, Huang J, Li D, Cheng J, et al. The application of large diameter steel catenary riser (SCR) for deep-draft semi in South China Sea. In: Proceedings of the 28th International Ocean and Polar Engineering Conference; 2018 Jun 10‒15; Sapporo, Japan. OnePetro; 2018. . 10.1117/12.2644716
[12]

Jia L, Jia X, Liu Y. Layout assessment of steel catenary riser for deep-draft SEMI in South China Sea. In: Proceedings of International Conference on Sustainable Technology and Management (ICSTM 2022); 2022 Jul 22‒24; Macao, China. SPIE; 2022. p. 15‒24. . 10.1117/12.2644716
[13]

Yi C, Li D, Liang W, Zhao J, Bian X, Feng J, et al. Design impact of frequent loading variations to global performance of deepdraft SEMI platform with storage. In: Proceedings of the 28th International Ocean and Polar Engineering Conference; 2018 Jun 10‒15; Sapporo, Japan. OnePetro; 2018.
[14]

Xu J, Li D, Yi C, Zhu H, Bai X, Cao P, et al. Technology development and application of deep-draft semi-submersible production platform with condensate storage. In: Proceedings of the 28th International Ocean and Polar Engineering Conference; 2018 Jun 10‒15; Sapporo, Japan. OnePetro; 2018.
[15]

Li D, Yi C, Bai X, Su Y, Jing Y, Hu Z. Key technologies of oil storage by using column in “Deep Sea No.1” energy station in L S17-2 gas field. China Offshore Oil Gas 2021;33:170‒9. Chinese.
[16]

Chen J, Di Z, Shi J, Shu Y, Zhang W, Song L, et al. Marine oil spill pollution causes and governance: a case study of Sanchi tanker collision and explosion. J Clean Prod 2020;273:122978. . 10.1016/j.jclepro.2020.122978
[17]

Zhang X, Li Y, Qian J, Li X. Research on safe guarding system design for deepwater semi-submersible production and storage platform. Nat Gas Oil 2021;39:25‒30.
[18]

Su Y, Yi C, Bai X, Jia X, Li D, Fan M. Study on the structural design of a deep-draft semi-submersible storage and production platform. Ocean Eng 2019;37:12‒9. Chinese.
[19]

Li D, Lu W, Li X, Guo X, Li J, Duan W. Second-order resonant motions of a deep-draft semi-submersible under extreme irregular wave excitation. Ocean Eng 2020;209:107496. . 10.1016/j.oceaneng.2020.107496
[20]

Li D, Yi C, Chen Y. Effects of filtered slow drift motion on deepwater platform global performance. In: Proceedings of the 32nd International Ocean and Polar Engineering Conference; 2022 Jun 5‒10; Shanghai, China. OnePetro; 2022.
[21]

Fujarra ALC, Rosetti GF, de Wilde J, Gonçalves RT. State-of-art on vortex-induced motion: a comprehensive survey after more than one decade of experimental investigation. In: Proceedings of ASME 2012 31st International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering; 2012 Jul 1‒6; Rio de Janeiro, Brazil. ASME; 2012. p. 561‒82. . 10.1115/omae2012-83561

AI Summary AI Mindmap
PDF (2626KB)

16587

访问

0

被引

详细
导航
相关文章

AI思维导图

/

〈 〉