利用油田技術改造海上風（fēng）電場錨固（gù）

海底錨固係統擁有遠超（chāo）現有（yǒu）錨固技術的軸向與橫向承載能（néng）力，將每個浮式裝置15千瓦（wǎ）渦輪機所需的錨（máo）固（gù）數量從9或10個（gè）減少至3或4個。這（zhè）項鑽井技術可提高海上發電的經濟性，因為它的錨固係統成本更低，軸向承載能力更高（gāo），從而降低了風力（lì）渦輪（lún）機平台的成本。通過盡可能降低資金投入，降低了海上風（fēng）電的成本（běn），同時通過（guò）減少錨固數量，減少了（le）對海洋環境的影響。

01. 從油氣向可再（zài）生能源發電的轉變（biàn）

全（quán）球能（néng）源需求，特別是電力需求（qiú）正持續增長。必須通過減少（shǎo）油氣依賴，來滿足這一需求。全球發布了許多針對（duì）海上風（fēng）電需求（qiú）的預測。其（qí）中，DNV公司《2022年能源（yuán）轉型展望報告》（ETO）中全球與地區預測表示，全球電力需求將以每年3%的速度（dù）增長，其中一半來源於公路運輸。

全球能（néng）源轉型倡議（yì）提（tí）及，全球化石燃料供應（yīng）占能源需求的比例將從80%下降到50%。2020年，原（yuán）油消費量約為7500萬桶/天，峰值（zhí）將達到8600萬桶/天，到2050年將降至5600萬桶（tǒng）/天。該需求（qiú）的差額部分將（jiāng）由風力（lì）發電（diàn）提供，預計（jì）到（dào）2050年，風電將（jiāng）從目（mù）前每年1.6 Peta吉瓦時上升到（dào）每（měi）年19Peta吉瓦時。ETO的預測如圖1所示，展望了全球對各種能源的需（xū）求。

▲圖1. DNV發布的《2022年能源轉型展望報告》

風電行業麵臨的挑戰是，將海上風電的成本降低到目前油氣或（huò）其他發電方式的成本水平。風力渦（wō）輪機容量增加至15千瓦或更大，減少所需渦輪機的數量，減少渦（wō）輪機支撐結構與錨固（gù）係統的成本以及其（qí）他降本（běn）措施，都有助於實現上述目（mù）標。

02. 錨固新技術支撐海上（shàng）風電的未來

2022年10月12日，科威谘詢公司發布的《海上風電預（yù）測：陽光明媚，偶有陣雨》表示，到2030年，全球海上風力發電需求將達到48吉瓦。這表明海上（shàng）錨固係統的市場潛（qián）力非常大。發電量（liàng）達到15千瓦的風力渦輪機，每台需使用3到4個Subsea錨固係統，意味著全球需要9000到12800個錨固係統。

現有（yǒu）錨固技術通常需要9到10個錨固係統來安裝這種（zhǒng）渦輪（lún）機，與（yǔ）成（chéng）本較低的Subsea錨（máo）定係統相比，這將是（shì）更高的（de）投資成（chéng）本。Subsea錨固係統顯著降低了總錨（máo）固成本和總投資成本。通過降低上述成本，可降低海上發電的（de）單位成本。

NO.1

海上錨（máo）固（gù）係統（tǒng）

可根據具體應用，選擇圖2所示的錨（máo）固係統，例如海底土壤條件的（de）適用性、所需的錨固或承載能力、安裝的便捷（jié）性與成本（běn）。除Subsea錨固係統外（wài），其他方法都是脫胎（tāi）於海上施工作業。這些方法的錨固或（huò）承載能力取決於它們與海底（dǐ）地層的接觸（chù）方式或接觸麵大小。這些錨固係統分為三類（lèi）。

▲圖2. 可用的錨固係統（tǒng）

第一類是傳（chuán）統拖曳錨，它依賴於附著或緊貼海底的能力，需要昂貴且複雜的錨鏈係泊係統，並需要臨（lín）時重新定位。由於其錨固能力有（yǒu）限，它們在永久性浮式設施中的（de）應用有限。

第二類是錘式與吸力錨。由於海（hǎi）底土壤條件限製了錨（máo）固（gù）或錨抓力，這兩者都具有不（bú）可預測、有限的入泥深度。並非所有土壤條件都適合，例如“硬質（zhì）岩”海底或地層強度限製了錨樁的入泥深度（dù）。大直徑樁（zhuāng）柱彌（mí）補了入泥深度不夠的缺陷，提供了所需的（de）承載能力。然而，這些套管柱成本高昂，需要專用的動員、運輸（shū）以及安裝設備。

第三類是鑽孔、灌（guàn）漿（jiāng）錨樁，基於地層強度與（yǔ）穩定性，其存在局限性（xìng）。合適的地層必須能夠維持足夠長時間的（de）穩定井況，便於鑽（zuàn）後（hòu）下入樁柱或套管。然（rán）後，往樁柱灌注（zhù）水泥漿，但井眼與樁柱之間環空的水泥覆蓋率（lǜ）會存在問題。這會導致土壤與（yǔ）樁（zhuāng）柱（zhù）的周向（xiàng）水泥膠結不（bú）佳，從而限製了軸向承載能力。

NO.2

SUBSEA錨固係統

Subsea錨固係統可利用石油行業套管鑽至所需深度（dù），以（yǐ）獲得（dé）足夠的錨固能力（lì）。套（tào）管鑽井方法適用於任何類型的地層：軟地層、不穩定地層、硬地層或超硬地層。一旦套管鑽至所需深度，就會進行（háng）油田固井作業，而不是灌漿，從而（ér）實（shí）現套管與地（dì）層的最佳膠（jiāo）結。圖3展示了不同錨固係（xì）統與Subsea錨固係統之間的抗拉（lā）強度對比。Subsea錨固係統擁有（yǒu）更深的入泥深度（dù）、更大的接觸麵（miàn）積、更（gèng）優的固井質量（liàng），其軸向抗拉（lā）強度顯著高於目前常（cháng）用的錨固（gù）係統。

▲圖3. 鑽孔/灌漿錨、軸向（xiàng）吸力錨與套管鑽進錨之間的對比

Subsea錨固係統利用單趟套管鑽井（jǐng）理（lǐ）念，一旦達到錨固深（shēn）度，立即進（jìn）行固井作（zuò）業。套管鑽井是成熟可靠（kào）的（de）油田技術。根據項目的軸向與橫向承載（zǎi）能力確定錨固深度和套管直徑。根據所需的橫向力矩或彎（wān）曲力（lì）矩確定錨樁套管的（de）鋼級（jí）、壁厚與長度。Subsea錨固係統可以使（shǐ）用油田專用的海上鑽井船，在任何（hé）水（shuǐ）深或土壤/地層條件下（xià）進行錨固作業。

NO.3

錨（máo）固力學分析（xī）

樁柱或套管錨固的軸向承載能力基於以下（xià）三個要素：

外部軸向阻力或內部（bù）軸向阻力，取決於土壤排水（shuǐ）條件；

錨（máo）的自重；

基準麵或錨末端的張力。

軸（zhóu）向阻力對（duì）軸向承載能力影響最大。這（zhè）是錨樁的表麵積（jī）與地層摩擦力的直接函（hán）數。套（tào）管鑽井至所需深度，以滿足設計錨固載荷。圖4總結了影響軸向承載能（néng）力（lì）的物理參數（shù）。

▲圖4. 影（yǐng）響軸（zhóu）向承載能力（lì）的物理參數

吸力錨（máo）的水（shuǐ）平橫向承載能力主要（yào）由錨的幾何形（xíng）狀、錨連接點的（de）位（wèi）置以及土壤條件決定（dìng）。海床上的錐形土楔、鬆（sōng）散土壤、下部繞流區域等（děng）都會造成橫向破壞。在傳統的（de）錨樁中，荷載作用點位於最（zuì）佳位置至關重要，如此一來，可將荷載分布在整（zhěng）個錨樁上。假設作用點高於最佳位置，例（lì）如錨樁的頂部。在這種情況下，錨旋轉的中心將位於（yú）錨內錐形土楔的（de）下（xià）方。 

根據需要，Subsea錨固（gù）係統可（kě）以（yǐ）使錨（máo）固深度保持在土楔（xiē）下方（fāng）的旋轉中心，從而增加橫（héng）向承載能力。根據橫向荷（hé）載的預期彎矩，選擇錨樁的壁厚與鋼級。橫向（xiàng）承載能力的力（lì）學分析見（jiàn）圖（tú）5。

▲圖5. 錨固（gù）係統橫向承（chéng）載（zǎi）能力的（de）力學分析

NO.4

無（wú）立管套管鑽井

套管（guǎn）鑽井期間安裝（zhuāng）Subsea錨固係統。由（yóu）於許多海底土壤條（tiáo）件不穩定，通（tōng）常無法通過常（cháng）規鑽井、下套管方式，鑽到所需的錨固深（shēn）度。此外，在這些鬆軟、不穩定的地層中，傳統固井可（kě）能會出現問題（tí），導致循環漏失，而套管（guǎn）鑽井則能夠（gòu）加固地（dì）層，提高水泥頂（dǐng）替效率（lǜ）。

套管鑽井是（shì）一項可靠的錨安裝技術，具有諸多優點，例如提高固井質量、減少鑽井複雜情況、達到軸向承載能力所需的錨固深度。

套管鑽井是將套管作為鑽柱，在套管下端安裝鑽頭。套管材料強度的（de）選擇取決於（yú）所需的承載能力（lì）與扭矩。連接所需數量的套管（guǎn）接頭，以便懸掛在鑽井船的轉盤上。然後，將內管柱插入Subsea Drive套管（guǎn），與Subsea Drive工具（jù）、下入/鑽井管柱一起（qǐ）下放至海底。隨著鑽井船（chuán）的（de）頂驅帶動套管（guǎn）旋轉，就開啟了（le）套管鑽井作業。

當進行套管鑽井時，鑽井液通（tōng）過鑽井/下入管柱與內管柱形成循環，並（bìng）將海底鑽屑攜至海床。套管旋轉會進一步壓碎返出（chū）鑽屑，並（bìng）塗抹於井壁上，以硬化和（hé）加固井周岩石或土壤（rǎng）。

特殊設計的套管（guǎn）接箍滿足套管鑽井所（suǒ）需的機械強度與抗疲勞性能。此外，工程評估表明，接箍/套管的累積疲勞損（sǔn）傷將小於壁厚的0.03%，對於接箍（gū）而言，這可（kě）以忽略不計（jì）。Von-Mises等效應力（VME）與渦激振動（VIV）均不會超過屈（qū）服強度。

NO.5

SUBSEA錨固係（xì）統的優勢

利用現役半（bàn）潛式鑽井（jǐng）船（chuán）來安裝SUBSEA錨固係統。SUBSEA錨固係統的安裝成本（běn）低於（yú）目前可用的（de）錨固係統，原因如下：

1、鑽井船特意配備（bèi）了最（zuì）少的設備（bèi），不（bú）需要防噴器、立管設備以及（jí）油氣鑽井作業通常（cháng）使用的大量（liàng）鑽井設備，從而將鑽（zuàn）井（jǐng）船成本降至最低。不需要專用船舶；

2、套管鑽（zuàn）井效率高，采用一趟鑽係統，可在（zài）不到一天（tiān）的時（shí）間（jiān）內快速鑽井、安裝和固井。與目前可用的錨固係（xì）統（tǒng）所（suǒ）需時間基本（běn）一致；

3、軸向承載能力比現有錨固係統更強，但尺寸更小，因此所需鋼材量顯（xiǎn）著減少。

圖6展示了SUBSEA錨固係統的可選配置，從較（jiào）淺的拉緊支腿、傾斜（xié）係（xì）泊係統到較深（shēn）的垂直（zhí）係纜（lǎn）錨（máo）固。錨固深度越深，承載/抗拉強度就越大。Subsea錨固係統（tǒng）的壓（yā）倒性優勢是提供非常高（gāo）的錨固能力。這個優勢對於錨固（gù）桅杆式浮式裝置具有很大價值，其投資成本遠低於駁船或半潛式平台。

▲圖6. Subsea錨（máo）固係統的可選配置（zhì）

Subsea錨固係統是（shì）最通用的海上錨固技（jì）術。與（yǔ）現有錨固係統（包括吸力錨或液壓錘入樁）相比，這種（zhǒng）錨固係統的主要優點是它擁有更大的承載能（néng）力。Subsea錨固係統具有以下優點：

它適用（yòng）於任何海底土壤條件，包括海底巨礫岩；

它適用於惡（è）劣的天氣與海況；

它擁有（yǒu）很高的軸向與橫向承載能力，因此可減少每個浮式裝置所需的錨數量，可使用更小、更便宜（yí）的浮式風力渦輪機支撐結構；

它噪音低，係（xì）泊/拉索或鋼筋束的（de）入泥更淺，最大限度地減少了對海洋環境的影響（xiǎng）；

它適用於任何水深；

它成本通常低於現有錨固係統，且錨樁尺寸更小，進一（yī）步降低了物流成本。

來源：石油圈