“深海一号”能源站
2021年1月14日，中海油宣布，由我国自主研发建造的全球首座10万吨级深水半潜式生产储油平台——“深海一号”能源站（见图5-23）在山东烟台交付启航，它的成功交付标志着我国深水油气田开发能力和深水海洋工程装备建造水平取得重大突破，对提升我国海洋资源开发能力、保障国家能源安全和支撑海洋强国战略具有重要意义。
“深海一号”能源站由上部组块和船体两部分组成，按照“30年不回坞检修”的高质量设计标准建造，设计疲劳寿命达150年，可抵御百年一遇的超强台风。能源站搭载近200套关键油气处理设备，同时在全球首创半潜式平台立柱储油，最大储油量近2万立方米，实现了凝析油生产、存储和外输一体化功能，具有较好的经济效益和技术优势。
“深海一号”能源站尺寸巨大，总重量超过5万吨，最大平面面积相当于2个标准足球场大小，总高度达120米，相当于40层楼高，最大排水量达11万吨。使用电缆长度超800千米，可以环绕海南岛一周。该项目在建造阶段实现多项首创技术，攻克10多项行业难题，是中国海洋工程建造领域的集大成之作。
图5-23 拖航中的“深海一号”能源站
2014年夏，南海传来我国首个千亿方自营陵水17-2深水大气田勘探喜讯，分布在60千米的海底走廊，陵水17-2气田是名副其实的深水边际大气田。科研人员瞄准开发模式创新，在气藏走廊上就近部署一座深水SEMI-FPS，让水下井口可以直抵能源站，相比回接到浅水平台，这种开发方式不但工程投资更低，而且更低井口压力要求使气田增产近30亿立方米，价值几十亿元！在挑战面前，科研人员挑起了自主前期研究的重担。
1）凝析油舱设计方案
在陵水17-2气田开发还没摸到经济门槛的前提下，节省凝析油专用外输管线建设投资8亿元，让科研人员史无前例地做出了将凝析油储存到半潜式平台上的大胆选择。借鉴“保温瓶内胆”的理念，科研人员在平台的每个立柱内部创新开发了5 000立方米的凝析油舱，就像给凝析油舱量身定做了一个保温瓶内胆，让凝析油与外部有了一道安全屏障，这项创新技术被称为“凝析油U型隔离与安全储存技术”（见图5-24）。
图5-24 “凝析油U型隔离与安全储存设计”理念
科研人员自主研发的深吃水半潜式储油生产平台尺度规划软件，优化了压载舱、凝析油舱、隔离舱的比例关系，达到完美配比。突破了国际同等条件下负载与排水量1／3的天花板，将包括凝析油、上部组块、系泊立管荷载在内的有效负载与排水量控制在1／2.5以内。
2）逃离马修漩涡
马修不稳定性，俗称参数激振，是近年来海洋工程科学界的学术热点。当平台的纵摇固有周期和垂荡固有周期处于一定的倍数关系时，平台的纵摇／横摇运动可能落入Mathieu不稳定区，平台垂荡与纵摇之间存在着强烈的耦合作用，导致半潜式平台运动急剧增加。国际著名油公司曾有方案将要实施时翻车的经历；科学界将视线投注在多自由度耦合共振规律研究，以避开耦合共振范围，这是每个深水平台概念都必须逃离的神秘漩涡。
SEMI-FPS立柱储油的特殊性，使得立柱没有多余的空间进行等高度重量置换，重心时高时低导致摇摆周期变化，中海油研究总院的科研人员也被带到垂荡与摇摆周期1∶2的马修漩涡面前，虽然继续加大尺寸可以解决这一问题，但会导致国内没有整合资源、投资将增加数亿元。
科研人员从二阶摇摆运动机理入手，掌握了激发马修不稳定性阻尼边界的奥秘，在不额外增加投资前提下，从数百个主尺度参数方案中找到了答案，选择了加大波浪激励和黏性阻尼折中的解决方案，成功逃离了马修漩涡。
3）“脊梁柱”和“护体铠甲”结构
作为世界首座立柱储油的SEMI-FPS，每个立柱要储存5 000立方米凝析油，为保证连续30年经受疲劳考验，舱室结构的连续性是关键。凝析油既要求流通性好，又要求支撑不能太封闭。科研人员面对这样两难的困境，开发了新型的“脊梁柱”结构——大开孔形式的舱壁结构（见图5-25），实现了舱中有舱壁，将凝析油舱内结构疲劳寿命提高30倍以上。
半潜式平台立柱储油最大的安全隐患是碰撞，储油舱结构的破坏若造成泄露，将给海洋环境造成灾难性破坏。为了保证储油和外输期间的安全性，平台装上了一套量身定做的“护体铠甲”，把传统强框架面板创新改进为内舱壁，让双层舱壁的“护体铠甲”保护平台免去碰撞泄露的风险。
图5-25 大开孔形式的舱壁结构(https://www.daowen.com)
4）凝析油安全存储方案
在海上储存原油，不是什么新鲜事儿，中海油在役的近20艘FPSO，都在海上储存大量的原油，而陵水17-2气田采出的凝析油含有更多的轻组分，更加“活泼”和“危险”。
船舱储存的关键之一，在于避免有“气”超压，一方面需要尽可能多地把这些轻组分从合格凝析油中除去，另一方面需要把天然气窜入凝析油舱室的可能性降至最低。
科研人员采用最严苛的原油稳定标准，从饱和蒸汽压这个源头上掐住了凝析油出气的“动力”；在常规的一道关断阀之外，又增加了一处关断阀，任何压力、液位的异常波动，都会触发阀门连锁关闭，为阻止气窜上了一道双保险。
该能源站建造重量标准高、施工技术难度大，又在施工关键期遭遇新冠肺炎疫情来袭，项目团队在重量管理和安全保障等方面面临巨大挑战。中海油项目团队坚持“防疫和生产”两手抓，科学组织、高效动员，及时采取封闭式管理策略，在作业高峰期安全组织超过4 000人昼夜奋战，使项目工期缩短至21个月，为国际同等规模项目建造最短用时。
“深海一号”能源站对涂装重量和精度控制有着非常严格的要求，组块和船体连接点间距不得超过6毫米。通过成功实施合龙工程，我国半潜式平台船体总装快速搭载和精度控制技术已达到世界先进水平，多项深水施工技术突破1 500米难关，全面掌握了中心管汇等10余种水下关键装备的自主制造技术，超大型深水装备工程总包能力显著提升。同时，该项目还引进了人员定位系统，无死角开展安全网格化管理，克服受限空间作业多、交叉作业多等难题，取得了1 700万工时无事故的骄人成绩。
“深海一号”能源站（见图5-26）的三项世界级创新：①世界首创立柱储油。共设置4个凝析油舱（单舱容积5 000立方米），分别位于船体4个立柱内；②采用桁架式结构设计，其最大两个支撑轴跨距达49.5米，为世界最大跨度半潜式平台桁架式组块技术；③世界首次在陆地上采用船坞内湿式半坐墩大合拢技术。
图5-26 “深海一号”能源站
“深海一号”能源站具有13项国内首创技术：①国内首座1 500米级水深半潜式平台的整体方案设计技术；②国内首次1 500米级水深聚酯缆锚泊系统的设计与安装技术；③国内首次30年不进坞维修的浮体结构疲劳的设计与检测技术；④国内首次1 500米级水深油气混水钢制悬链线立管的设计、铺设与回接技术；⑤国内首次3万吨级船体的滑道总装搭载及精度控制技术；⑥国内首次3万吨级船体的液压滑靴横向滑移装船技术；⑦国内首次1 500米级水深水下设施总体方案一体化的设计技术；⑧国内首次1 500米级水深水下混输一体化的流动安全保障技术；⑨国内首次1 500米级水深牺牲阳极的设计与制造技术；⑩国内首次1 500米级水深18英寸大口径无缝海底管道的设计与制造技术；○1国内首次1 500米级水深大型水下结构物的集成制造技术；○12国内首次1 500米级水深聚酯缆的设计与制造技术；○13国内首次1 500米级水深钢制悬链线立管的设计与制造技术。
“深海一号”能源站2021年1月19日在3艘大马力拖船共同牵引下，从山东烟台出发，先后穿越渤海、黄海、东海和台湾海峡，最终抵达陵水海域预定位置。5.3万吨（净重）的深海半潜油气生产装备实施超长距离拖航，在国内尚属首次，面临海况复杂多变、拖航运动幅值较高、多艘拖船并行碰撞风险大等诸多挑战。
为保障拖航安全，中海油成立了由国内资深专家组成的专业拖航团队，建立海陆联动的应急保障体系，反复研究论证拖航方案，逐一识别、消除潜在风险，提前对恶劣天气、拖缆断裂、船舶失控等19种可能发生的极端情况进行应急演练，并针对每一种突发状况制订相应的应急预案。
在拖航途中，受海洋横涌影响，能源站上部横向摆幅最大达到8米；同时，受冷空气影响，海上风力一度达到9级。面对极端挑战，拖航团队全员24小时待命，通过调节平台吃水深度保持平台的平稳航行状态，并根据现场实际情况动态控制航速、拖缆长度和拖缆张力等，科学应对各种突发情况，全员共同努力顺利完成拖航作业。
在“深海一号”能源站抵达陵水海域的前一天，近80名施工人员已从海南三亚向预定海域出发，在春节期间陆续开启了海上系泊、安装和调试等后续工作，全力保障“深海一号”大气田（陵水17-2）如期投产。
2021年2月6日，“深海一号”能源站顺利抵达海南岛东南陵水海域，落位“深海一号”大气田（陵水17-2），开启海上系泊、安装和生产调试工作，标志着我国首个1 500米自营深水大气田向正式投产又迈出了关键一步。
陵水17-2是我国首个1 500米自营深水大气田，探明地质储量超千亿立方米，距海南岛150千米。气田投产后，每年将为粤、港、琼等地稳定供气30亿立方米，可以满足大湾区1／4民生用气需求。同时，利用气田设施，“深海一号”能源站可带动周边的陵水18-1、陵水25-1等新的深水中型气田开发，形成气田群，依托已建成的连通粤港澳大湾区和海南岛自由贸易港天然气管网大动脉，建成南海万亿立方米大气区。
【注释】
[1]裂纹尖端张开位移（crack tip opening displacement）实验。
[2]立方英尺为体积单位，1立方英尺＝2.832×10-2立方米。
