利用油（yóu）田技術改造海上風電場錨固

海底錨（máo）固係統擁有遠超現有錨固技術（shù）的軸向與橫向承載能力，將每個浮式裝置15千瓦渦（wō）輪機所需的錨固數量從9或10個減少至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（dī），軸向承載能力更高，從而降低了風力渦輪機平（píng）台的成本。通過盡可（kě）能降低資金投入，降低了海上風電的成本，同（tóng）時通過（guò）減少錨固數量，減少了對海洋環境的影響（xiǎng）。

01. 從油氣向可再生能源發電的（de）轉變（biàn）

全球能源需求，特別是電（diàn）力需求正持續增長。必須通過減少油氣依賴，來滿足這一需求。全球發布了許多針對海（hǎi）上風電需求的預測。其中，DNV公司《2022年能源轉型展望報告》（ETO）中全球與（yǔ）地區預測表（biǎo）示，全球電力需求將以每年3%的速度增長，其（qí）中（zhōng）一半來源於公路運輸。

全球能源轉型倡議提及，全球化石燃料供應占能源需求的比例將從80%下（xià）降到50%。2020年，原油消費量約為7500萬桶/天，峰值將達（dá）到8600萬桶/天，到2050年將降至5600萬桶/天。該需求的差額部分將由風力發電提供，預計到2050年，風電將（jiāng）從目前每年1.6 Peta吉瓦時上升到每年19Peta吉瓦時。ETO的預測如圖1所示，展望了全球對（duì）各種能源的需求。

▲圖1. DNV發布的《2022年能源轉型展望報告》

風電行業麵臨（lín）的挑戰是，將海（hǎi）上風電的成本降低（dī）到目前油氣或其（qí）他發電方式的成本水平。風（fēng）力渦輪機容量增加至15千（qiān）瓦或更（gèng）大，減少所需渦輪機的數量，減少（shǎo）渦輪機支撐結構與錨固係統的成本以及（jí）其他降本措施，都有助於（yú）實現上述目標。

02. 錨（máo）固新技術支撐海上風電的未來

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

現（xiàn）有錨固技術通常需（xū）要9到10個錨固係統來安裝這種渦輪機（jī），與成本較低的Subsea錨定係統相（xiàng）比，這將是更高的投資成本（běn）。Subsea錨固係統顯著降低了總錨固（gù）成本和總投（tóu）資成本。通過降低上述成本，可降低海上發電的單位成本。

NO.1

海上錨固係統

可根據具體應用，選擇圖2所示的錨固係統，例如海底土壤條件的適用性、所需的錨固或承載能力、安裝的便捷（jié）性（xìng）與成本。除Subsea錨固係統外，其他（tā）方法都是脫胎於海上施工作業。這些方法的錨固或承載能力取決於它們（men）與海底地層的接觸方式或接觸麵大（dà）小。這些錨固係統分為（wéi）三（sān）類（lèi）。

▲圖2. 可用的錨固係統

第（dì）一類是傳統拖曳（yè）錨，它依賴於附著或（huò）緊貼海底的能力，需要昂（áng）貴且複雜的錨鏈係泊係統（tǒng），並需要臨時重新定位。由（yóu）於其錨固能力有限，它們在永（yǒng）久性浮式設施中的應用（yòng）有限。

第二類是錘（chuí）式與（yǔ）吸力錨。由（yóu）於海底土壤條件限製了錨固或錨抓力，這兩者（zhě）都具有不可預測、有限的入泥深度。並非所有土（tǔ）壤（rǎng）條件都（dōu）適合，例如“硬質岩”海底或地層強度限製了（le）錨樁的入（rù）泥深度。大直徑樁柱彌補了入泥深度（dù）不夠的缺陷，提供了所需的承載能力。然而，這些套管柱成本高昂，需要專用的動員、運輸以及安（ān）裝（zhuāng）設（shè）備。

第三類是鑽孔、灌漿錨樁，基於地（dì）層強（qiáng）度與穩定性，其存在局限性。合適（shì）的地層（céng）必須能夠維持（chí）足夠長時間的穩定井況，便於鑽後下入樁柱或套管。然後，往樁柱灌注水泥漿，但井眼與樁柱之間環空的水泥覆蓋率會存在問題。這會導致土壤與樁柱的周向水泥膠結不佳，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（xū）深度，以獲得足夠的錨（máo）固能力。套管鑽井方法適用於（yú）任（rèn）何類型的地層：軟地層、不穩定地層、硬地（dì）層或超硬地層。一旦套管鑽至所需深度，就會進行油田固井作業，而不是灌漿，從而實現（xiàn）套管與地層的最佳膠結。圖3展示了不同錨固係統與Subsea錨固係統之間的抗拉強度對比。Subsea錨固係統擁有更（gèng）深的入泥深度、更大的接觸麵積、更優的固井質量，其軸向抗拉強度（dù）顯著（zhe）高於目前常用（yòng）的錨固係統。

▲圖3. 鑽孔（kǒng）/灌漿錨、軸向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理念，一旦達到錨固深度，立即進行固井作業。套管鑽井是成熟可（kě）靠的油田技術（shù）。根據項（xiàng）目的軸向與橫向承載能力確定錨固深度和套管直徑。根據所需的橫向（xiàng）力（lì）矩或彎曲力矩確定錨樁套管的鋼級、壁（bì）厚與長（zhǎng）度。Subsea錨固係統可以（yǐ）使用油田專（zhuān）用的海上鑽井船，在任何水深或土（tǔ）壤/地層（céng）條件下進行錨固作業（yè）。

NO.3

錨固力學分（fèn）析

樁柱或套管錨固的軸向承載能力基於以下三個要素：

外（wài）部軸向阻力或內部軸向阻力（lì），取決於土壤排水條件（jiàn）；

錨的自重（chóng）；

基準麵或（huò）錨末（mò）端的張力。

軸向阻力對軸向承載能力影響最大。這是錨樁的表麵積與地層摩擦力的直接函數。套管鑽井至所需深度，以滿足設計錨固載荷。圖4總結（jié）了（le）影響軸向承載能力的（de）物理參數。

▲圖4. 影響軸向承載能力的（de）物理參（cān）數

吸力錨的（de）水平橫向承（chéng）載能力主要由錨的幾何形狀、錨連接點的位置以及土壤條件（jiàn）決定。海床上（shàng）的錐形土（tǔ）楔、鬆散土壤、下部繞流區域等都會造成橫（héng）向破壞。在傳統的錨樁中，荷載作用（yòng）點位於最佳位置至關重要，如此一（yī）來，可將荷載分布在（zài）整個錨樁上。假設作用點高於最佳位置（zhì），例如錨樁的頂部。在這種情況下，錨旋轉的中心將位於錨內錐形土楔的下方。 

根據需要，Subsea錨固係統可（kě）以使錨固深度保持在土楔下方的旋轉中（zhōng）心，從而增加橫向承（chéng）載能力。根據橫向荷載的預期彎矩，選擇錨（máo）樁的壁厚（hòu）與鋼級。橫向承載能力的力學分（fèn）析（xī）見（jiàn）圖5。

▲圖（tú）5. 錨固係統橫向承載能力的力學分析

NO.4

無立管套管鑽（zuàn）井

套管鑽井期間安裝Subsea錨固係統。由於許多海底土壤條件不穩定，通常無法通（tōng）過常規鑽井、下套管方式，鑽到所需的錨固深度。此外，在這些鬆軟、不穩定的地層中，傳統（tǒng）固井可能會出現問題，導致循環漏失，而套管鑽井則能夠加（jiā）固地層，提高水泥頂替效（xiào）率。

套管鑽井是一項可靠的錨安裝技術，具有諸（zhū）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（jǐng）是（shì）將套管作為鑽柱，在套管下端安裝鑽頭。套管材料強度的選擇取（qǔ）決於所需的承載（zǎi）能（néng）力與扭矩。連接所需（xū）數量（liàng）的套管接頭，以便懸掛（guà）在鑽井船的轉（zhuǎn）盤上（shàng）。然後，將內管柱插入Subsea Drive套管（guǎn），與Subsea Drive工具（jù）、下入（rù）/鑽井管柱一起下放至（zhì）海底。隨著鑽井船的頂驅帶（dài）動套管旋轉，就開啟了套管鑽井（jǐng）作業。

當進行套管鑽井時，鑽井液通過鑽井/下入管柱與內管柱形成循環，並將海底鑽屑攜至海床。套管旋轉會進（jìn）一步壓（yā）碎返出鑽屑（xiè），並塗（tú）抹於井壁（bì）上，以硬化和加固井周岩石或土壤。

特殊設計的套（tào）管接箍滿足套（tào）管鑽井所（suǒ）需的（de）機械強度與抗疲勞性能。此（cǐ）外，工程評估（gū）表明，接箍/套管的（de）累積疲勞損傷將小於壁厚的0.03%，對於接箍而言，這可以忽略不計。Von-Mises等效（xiào）應力（VME）與渦激振動（VIV）均不會超過屈服強度。

NO.5

SUBSEA錨固係統的優勢

利用現役半潛式鑽井船來安裝SUBSEA錨固係統。SUBSEA錨固係統的安裝成本低於目前可用（yòng）的錨固係統，原因如（rú）下：

1、鑽井船特意配備了（le）最少的設備（bèi），不需要防噴器、立管設備以（yǐ）及油氣鑽（zuàn）井作業通常使用的大量鑽井設備，從而將鑽（zuàn）井船成本降至最低。不需要專用船舶；

2、套管鑽井效率（lǜ）高，采用一趟鑽（zuàn）係（xì）統，可在不到一天的時間內快速鑽井、安裝和固井。與目前可用的錨固係統所需時間基本一致；

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

圖6展示（shì）了（le）SUBSEA錨固係統的可選配置（zhì），從較淺的拉緊支腿（tuǐ）、傾斜係泊係統到較深的垂直係纜錨固。錨固深度越深，承載/抗拉強（qiáng）度就越大。Subsea錨固係統的壓倒性優勢是提供非常高的錨固能力。這個優勢對（duì）於錨固桅杆式浮式裝置具有（yǒu）很大價值，其投資（zī）成本遠（yuǎn）低於（yú）駁船或半潛式（shì）平（píng）台。

▲圖（tú）6. Subsea錨固係統的可選配置

Subsea錨固係統（tǒng）是最通用的海上錨固技術。與現（xiàn）有錨固係統（包括吸力錨（máo）或液壓錘入樁）相（xiàng）比，這種錨固係統的主要優點是它（tā）擁有更（gèng）大的承載能力。Subsea錨固係統具有以下優點（diǎn）：

它適用於任何海底土壤條件，包括海底巨礫岩；

它適用於惡劣的天氣與海況；

它擁有很高的軸向與橫向承載能力，因此可減少每個（gè）浮式裝（zhuāng）置所需的錨數量，可使（shǐ）用更小、更便（biàn）宜的浮式風力渦輪機支（zhī）撐結構；

它（tā）噪音低，係泊/拉（lā）索（suǒ）或鋼筋束的入泥（ní）更淺，最大限度地減少（shǎo）了對海洋環境的影響；

它適用於任何水深；

它成本通常低於現有（yǒu）錨固係（xì）統，且錨樁尺寸更（gèng）小，進一步降低了物流成本。

來源：石油圈