北海油气田退役弃置关键技术及装备

刘 鹏，殷志明

（1.中国海洋石油国际有限公司，北京 100028；2.中海油研究总院有限责任公司，北京 100028）

0 引 言

油气田退役是油气田开发全生命周期的末端环节，是油气田生命周期中不可或缺的部分［1］。根据《联合国大陆架公约》《联合国海洋法公约》《奥斯陆巴黎保护北大西洋海洋环境公约》等国际公约［2］，为了保护海洋生态环境，在油田退役弃置后，海洋钻井平台不能被丢弃于海域中，要求油气公司将海洋平台移除并运回陆地进行回收。

海上油气田建成投产后，经过若干年的开采，储层所含油气资源逐渐衰竭，当油气产量无法达到经济开采价值，即产出油气量的价值小于运维平台生产所必须的投入成本时，油公司将按照相关法律法规对海上油气田生产设施进行弃置。由于全球进行海洋油气田开发时间相对较短，20世纪70年代随着北海油田的发现步入大发展阶段，而深水油气田的开发更是最近20年才成为热点。海上油气田的经济开采周期一般都在40～50年，即最初投入大开发的海上油气田将在近10年内逐步进入退役弃置期。随着北海标志性油田布伦特油田的退役，海上油气田弃置工作逐渐拉开序幕。据英国油气行业组织（Oil& Gas UK）报告［3］，2017—2025年，北海349个油气田（其中英国214个，荷兰106个，挪威23个，以及丹麦6个）接近一半需要退役弃置，预计需要完成或部分拆除200多个平台，封堵和弃置近2 500口油气井，并退役近7 800 km的海底管道。根据油田的大小不同，通常弃置周期从几个月到几年不等。预计在接下来的5年里，每年支出27亿～36亿英镑用于弃置作业。就英国而言，估计2017—2025年度将用于退役的170亿英镑中有46%将位于北海中部，其中49%（约38亿英镑）将用于封堵和弃井作业。

1 北海油气田弃置要求与关键装备

油田弃置工作除了遵循所在国法律法规、石油天然气行业标准外，还要受到政府相关部门的监管。英国与北海油气田弃置工作管理相关的政府部门/组织，包括国家石油天然气管理局、职业健康安全管理局、工商业发展部和渔业部门等。政府各相关部门对油田弃置工作附有发放许可和监督职能，如安全环保部监督弃置工作过程中的安全和环保，工商业投资部负责审核作业者资质并发放作业许可证，渔业部门负责验收油田弃置工作结束后海域恢复原始或不影响捕鱼作业安全。英国石油行业协会根据现在的科技和工业能力制定了具体的弃置实施规范。

1.1 北海油气田弃置要求

海上油气田不同的开发模式将决定弃置施工过程中选用不同的弃置装备和技术，例如深水区的油气田采用水下井口+管汇+FPSO方式（或是半潜式生产设施开发），而浅水区则采用干式井口通过导管架支撑生产平台进行油气井田的开发。英国石油行业协会因此制定了《海上油气田退役弃置推荐做法》［4］。海上油气田弃置分为3部分：①油气井封堵弃置。此阶段遵循石油行业标准钻井部分，即用永久封堵物封堵油、气、水层，并在泥面以下切割海底井口。②水下结构回收。此阶段将海底结构清除，包括露出海底泥面的采油树、海管、管跨和水下管汇等。③海面以上结构物拆除。此阶段将水面以上结构（包括水下支撑结构）拆除，恢复海域原貌。

油气井封堵弃置，即按照规范要求将井内生产油管起出，注水泥塞封堵油气井内的油、气或水层。标准要求每层要有2个水泥塞封固，单个水泥塞长150 m，也可注连续长245 m水泥塞。为确保水泥环质量，通常选择在上一层套管鞋附近注水泥塞，也可根据固井质量检测结果选择注水泥塞的位置。

封固完地层中的油、气、水层后，在泥面以下3～5 m处切割套管并起出井口，而近海底泥面位置则可根据目标井具体情况选择性注水泥塞［5］。水下的海管、立管和电缆等需要进行切割回收，海管在泥面的切口处要做回填处理。

而平台弃置则先将能拆除并能由工作船运回陆地的生产设施拆解，再将平台上部组块构件采用热工或是冷切割的方式将其与支撑结构分开，再用驳船采用浮托法将上部平台组块整体搬迁回陆地进行拆解回收。钢结构导管架则需要浮吊将导管架吊好后，再用钢丝绳锯将导管架在海床泥面以上割断，随后由浮吊将废弃导管架运回陆地拆解。

1.2 北海油气田弃置关键装备

1.2.1 大型工程船

大型工程船是进行海上结构物提升和运输关键设备，如北海进行井口平台弃置的Pioneering Spirit是世界上最大的工程船之一（见图1）。Pioneering Spirit工程船的建造标志着海上平台安装或是拆除工作向安全高效迈出了一大步，极大地减少了海上油气平台的安装或是退役弃置相关工作的海上作业时间。该船是专为大型石油和天然气平台的安装和拆除以及海管铺设安装而设计的，Pioneering Spirit船采用DP3动力定位的双壳船，型长382 m，型宽124 m。船首处有一个长122 m、宽59 m的工程作业开口，这使得Pioneering Spirit可以驶入平台下方，可一次起吊重达48 000 t的平台，可安装重达20 000 t的导管架，并使用八组水平液压举升器将整个平台举升且运输［6］。

图1 精神先锋号Fig.1 Pioneering Spirit

作为起重系统的补充，工程船尾还有一台可起吊5 000 t的起重机，可用于较轻的上部平台或是导管架的海上安装。Pioneering Spirit的大船型具有出色的海况适应性能，涌浪主动补偿系统使其能够在高达3.5 m波高的海况条件下进行安装或拆卸平台组块和导管架作业，并通过动态定位系统使其在任何水深范围内准确平稳作业，而船体的防冰设计又保障其能在极地地区进行作业。

1.2.2 钢结构切割工具

海上导管架平台和支撑油气流动通道的井筒结构通常为管状钢材或者钢材和水泥胶连结构物，其中导管和水下套管切割一般采用金刚石绳锯（见图2）。金刚石绳锯是一种柔性超硬材料切割工具，已有40多年的发展历史，广泛应用于矿山开采、钢筋混凝土或金属结构件的切割。

图2 金刚石绳锯结构图Fig.2 Structure of diamond wire cutter

绳锯由液压动力端、绳锯托架和锯头三部分组成（见图3）。动力端提供液压动力、绳锯托架可依据水下钢结构的大小采用相适应的尺寸，托架将绳锯固定在切割位置，带钢丝绳锯索的锯头与托架通过驱动轮滑轨相连并由液压推动锯头将钢丝绳锯索压在被切割物的切割面上；钢丝绳锯索是由穿有诸多金刚石割刀环片的钢丝绳做成的。切割过程是由液力马达带动围绕固定导向滑轮高速运动的钢丝绳锯索在切割物上沿着切割线磨削的。

图3 金刚石绳锯水下切割作业Fig.3 Underwater cutting operation of diamond wire cutter

常用水下应用绳锯（型号DWS-48i-ROVSS）可切割管子的直径为508～1 219 mm（20～48 in）、整个绳锯干重780 kg，加上浮力块后海水中湿重11 kg，可在3 000 m水深中进行作业。英国北海壳牌公司在2019—2020年对布伦特油田的3座海上生产设施进行了弃置拆除，其中Alpha平台为导管架结构，弃置过程中用到了钢丝绳锯在水面下85m将导管架锯断，再由浮吊将导管架调离。钢丝绳锯切割导管架具有安全快捷、无污染、成本低等特点。

2 北海油气田弃置案例

2.1 布伦特油田退役弃置

布伦特油田位于英国北海北部，西距设特兰岛186 km，水深140 m。布伦特油田由壳牌英国公司担任作业者（见图4），布伦特油田有4座生产平台，共有开发井146口，于1976—1978年相继建成并投产。经过40多年的生产运营，油田接近经济生产年限，壳牌公司于2017年2月至4月向政府监管机构［包括英国石油天然气管理局（OGA）、英国工商能源工业部（BEIS）、健康安全环保部（HSE）］、利益关切方和相关组织提交弃置方案从而启动了油田弃置工作，截至2021年3月，壳牌公司完成了146口井的永久封井和弃置；将4座平台的上部组块移除并回收送回陆地拆解；回收A平台导管架并送回陆地拆解；清除水泥重力平台水下储罐中的残余油；清除平台周边海床上的残留钻屑及废弃物。

图4 布伦特油田位置和平台分布示意图Fig.4 Location and platform distribution of Brent Oil Field

4座平台中A平台（见图5）是由6桩腿钢制导管架作为支撑上部组块的钢架结构。该平台于2020年6月开始弃置，首先采用热工作业解除上部生产平台组块与导管架的连接，再由大型工程船浮托Pioneering Spirit（见图6）用浮托法将上部组块整体托起搬离油田现场；2020年7月，开始拆除A平台6桩腿导管架。弃置项目组利用钢丝绳锯索在水面以下85 m的位置对导管架的28处切割点进行了切割，随即由起重船Sleipnir号将导管架吊起运送回陆地进行拆解。

图5 布伦特平台结构示意图Fig.5 Structure of platform of Brent Oil Field

图6 浮拖船精神先锋号Fig.6 Towboat“Pioneering Spirit”

其余B、C、D 3座生产平台为水泥重力平台。因目前的工业水平和技术无法移除海中的水泥重力平台构件，相关法律法规也没有规定要将水泥重力构件从所处海域清除，故布伦特油田B、C、D平台均采用钢丝绳锯解除平台上部组块和水泥重力平台桩腿的连接，将上部组块用浮托法整体移除回收后再用盖板将重力平台的3个圆柱体桩腿封闭后结束作业。如图7所示，上部组块和水泥重力平台在结合部切割开，首先在直径19.8 m水泥桩柱上水平均匀分布钻6个孔便于安装金刚石钢丝绳锯，切割后在钻孔处安装剪力销以固定上部组块；再由Pioneering Spirit大型付托船将23500 t组块托起并撤离（见图8）；最后由Pioneering Spirit船尾部吊车安装桩腿盖板（见图9）。油田弃置后，留在原位的水泥重力平台的3个直径为13.9 m的桩腿高出海平面约19.8 m［7］。

图7 水泥重力平台桩腿及金刚石钢丝绳锯切割水泥桩腿示意图Fig.7 Schematic diagram of pile leg of cement gravity platform and diamond wire cutter cutting cement pile leg

图8 精神先锋号付托回收B平台上部组块Fig.8 Topside of entrusted recovery platform B of Pioneering Spirit

图9 精神先锋号吊装水泥桩腿盖板Fig.9 Hoisting of cover plate of cement pile leg by Pioneering Spirit

Pioneering Spirit工程船在布伦特油田弃置工作中，显现出多功能的高效性。Pioneering Spirit作为最大的工程船，集浮托、吊机和装载于一身，基本上可实现一次动员完成所有施工工作量，从而为甲方节约整体工程施工时间和费用。

2021年3月，随着布伦特油田的退役标志着北海油田一个时代的结束，也为随之而来的油田退役开启了序幕。随着技术进步，或许在不远的将来，石油行业能够找到水泥重力平台拆除的安全、环保、经济、可行的方法。

2.2 Ettrick/Blackbird油田退役弃置

Ettrick/Blackbird油田位于英国大陆架水域20/2a区块中，油田最近距英国海岸线80 km，水深约115 m。Ettrick油田最初发现于1981年，并于2009年投入生产。Ettrick油田是通过7口生产井和2口注水井开发的，所有这些开发井都通过海底管线接入FPSO（见图10）。Blackbird油田于2008年发现，并于2011年投入生产。Blackbird油田是通过2口生产井和1口注水井生产的，同样所有开发井都通过海底管线接入FPSO。另外，Blackbird油田还包括一口先期评价井，该井处于临时弃置状态，需要做永久性弃置处理。

图10 Ettrick/Blackbird油田示意图Fig.10 Schematic diagram of Ettrick/Blackbird Oil Field

中海油国际英国公司从2018年开始对Ettrick/Blackbird两个油田进行弃置，需要完成水下共计13口水下井口的油井弃置、海底管线和水面FPSO解脱工作。在上报英国石油天然气局（Oil&Gas Authority）获得油田停产认可后，Ettrick/Blackbird油田进入弃置阶段。整个弃置作业共分为5个阶段。第一阶段油田停产，冲洗输油管线和脐带管线；滑环管线脱离并挂接到临时悬挂桶；断开与水下采油树连接管线；FPSO蓝水号解脱，驶离油田现场。第二阶段回收海管立管、跨接管和临时悬挂桶。第三阶段油气井弃井。第四阶段清除海底集输管汇、海管并做渔业拖网试验。第五阶段油田弃置后海底杂物扫描。

油田弃置第一阶段断开采油树海底连接管线于2016年7月11日完成；FPSO蓝水号于2016年8月1日离开油田现场。此步骤关键点是将滑环上的油、水和控制管线等与FPSO链接的各类管线移接到临时浮筒上。第二、四阶段于2017年底完成。第三阶段油井弃井工程已由COSL Pioneer半潜式钻井平台完成5口井的弃置。其中第二、四阶段对水下和海底管线的切割用到了金刚石钢丝绳锯，其操作简单和快速切割的特性使得海管切割工作进程大为提升。

Ettrick/Blackbird水下管线和海底结构物弃置的关键工作节点如下：

（1）第一阶段解脱蓝水号FPSO。因蓝水号FPSO滑环系统在船体中前部，预制了浮筒用于临时挂接滑环连接处连接的各类管线和电缆。待海管和电缆挂接在临时浮筒上后，即解脱蓝水号FPSO。

（2）第二、四阶段根据水下作业特点采用多功能工程作业船进行水下作业。顺利完成切割、回收膨胀弯管、海管、海缆、临时浮筒和海底生产设施及相关构件等工作。

作业经过为2017年6月28开始动员Normand Pioneer号工程作业船（见图11）到现场解除回收锚泊系统，清除堆积在海床上的钻屑，切割回收挂接海管、油嘴管线等，共回收3 000 t物料。动员Deep Explorer号潜水作业船（见图12）到现场回收水下结构物防尘垫，海管立管切割、水下构件回收。动员Deep Arctic号工程作业船（见图13）回收结构物海床防沉垫，做水下构件回收前准备工作。动员Siem Barracuda号工程作业船（见图14）为油田区域弃置收尾工作，包括海床声呐扫描、收集海床遗留物等。

图11 Normand Pioneer工程作业船Fig.11 Workboat Normand Pioneer

图12 Deep Explorer潜水作业船Fig.12 Diving boat Deep Explorer

图13 Deep Arctic工程作业船Fig.13 Workboat Deep Arctic

图14 Siem Barracuda工程作业船Fig.14 Workboat Siem Barracuda

风险点如下：工程船作业受天气海况的影响较大，海上施工时间多选择夏季作业以避免较多的天气待机情况发生。

3 结 语

我国海上油田有些已经生产了30多年，即将进入弃置阶段。特别是在渤海的各类油田，其生产平台均采用钢结构导管架作为平台支撑，随着生产时间的增加，经济可采储量的减少，在不远的将来将会有油田进入弃置阶段。建议在工程设备的选用、工具工艺的运用等方面借鉴北海油田的弃置经验，即先井下（完成油气井封堵弃置），再水面、水中，最后是根据海床的作业顺序设计弃置过程，为安全高效地完成油田弃置做好技术储备。例如，对导管架以上的平台设施可以采用付托的方式整体移除并用驳船送回码头拆解；对导管架和其周边水中管线和膨胀弯管用金刚石钢丝绳锯在海床附件进行切割，再用浮吊将导管架回收；最后用多功能作业船回收清除海床上的相关构件。对于南海部分深水或水下井口的油田可以借鉴Ettrick/Blackbird油田弃置经验，先将水中管线与半潜式生产装置或FPSO置脱离，临时挂接在浮筒上，移除浮式生产装置，再进行水中和海床面的关系和设备的清除工作。