Cơ sở lựa chọn giải pháp kết cấu công trình cho các loại giàn khai thác dầu khí ở vùng nước sâu trong điều kiện biển Việt Nam - Phạm Khắc Hùng

Tiểu ban Năng lượng, Kỹ thuật công trình, Vận tải và Công nghệ Biển 123 CƠ SỞ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP KẾT CẤU CÔNG TRÌNH CHO CÁC LOẠI GIÀN KHAI THÁC DẦU KHÍ Ở VÙNG NƯỚC SÂU TRONG ĐIỀU KIỆN BIỂN VIỆT NAM Phạm Khắc Hùng, Đinh Quang Cường, Nguyễn Quốc Hòa, Phạm Hiền Hậu, Mai Hồng Quân, Dương Thanh Quỳnh,Vũ Đan Chỉnh Viện Xây dựng Công trình biển, Trường Đai học Xây dựng 55, Đường Giải phóng, Hai Bà Trưng, Hà Nội Email: khachungpham@gmail.com Tóm tắt: Dựa trên tổng quan thành tựu hiện nay của thế giới trong việc khai thác dầu khí ở vùng nước sâu, nhằm đáp ứng nhu cầu chuẩn bị khai thác dầu khí vùng nước sâu biển Việt Nam [1], Đề tài NCKH mã số KC.09.15/06-10 (Thuộc Chương trình Biển Cấp Nhà nước KC.09/06-10) do Trường ĐH Xây dựng chủ trì và Viện XD Công trình biển thực hiện chính, đã nghiên cứu lựa chọn một số loại công trình biển phù hợp với điều kiện biển sâu nước ta, [2]. Kết quả nghiên cứu của Đề tài đã được chuyển giao một phần cho sản xuất (Xí nghiệp Liên Doanh Vietsovpetro, [3]) , đã công bố 8 bài báo, đào tạo 2 NCS trong đó có 1 đã bảo vệ Luận văn Tiến sĩ tại Bỉ, 10 Thạc sĩ, đồng thời có 1 sáng chế đã đăng ký tại Cục Sở hữu trí tuệ (Bộ Khoa học và CN). Bài báo giới thiệu một số kết quả nghiên cứu nổi bật của Đề tài nói trên, gồm 4 loại giàn sử dụng cho vùng nước sâu từ 200 m đến 1000 m, đó là giàn thép cố định, giàn bán chìm, giàn neo đứng và hệ thống bể chứa (kho chứa) nổi và rót dầu. THE BASIS OF STRUCTURAL SOLUTION SELECTION FOR VARIOUS TYPES OF OIL AND GAS PRODUCTION OFFSHORE PLATFORMS IN DEEPWATER AREAS OF VIETNAM SEA Abstract: Basing on the current worldwide performance in deepwater oil and gas exploitation, and aiming to meet the demand of preparing to exploit hydrocarbon in Vietnam deepwater areas [1], the Scientific Research Project KC.09.15/06-10 (of the National Research Program of Marine Science and Technology KC.09/06-10) managed by National University of Civil Engineering and developed mainly by Institute “ICOFFSHORE”, studied to select some types of offshore structures appropriate to deepwater condition of Vietnam sea [2]. Research results of the Project were partly transferred to production (JV.Vietsovpetro, [3]), gave publication of 8 papers, trained 2 PhD candidates, of them there was one defending successfully doctoral thesis in Hội nghị Khoa học và Công nghệ Biển toàn quốc lần thứ V 124 Belgium., 10 Masters, and there was one special innovation registered at the Intelligent Property Department (Ministry of Science and Technology). This paper presents some main research results of the above Project, consisting of four platform types used for deepwater areas of from 200m to 1000m, they are Fixed Offshore Platform, Semi-submersible Platform, Tension Leg Platform, and FPSO System . 1. Mở đầu: Trên Hình 1 trình bày sơ đồ 7 loại giàn và phương tiện đang được sử dụng trên thế giới để khai thác dầu khí ở vùng nước sâu (từ trên 200 m đến gần 3000 m), [6]. Hình 1: Sơ đồ của 7 loại giàn đang được sử dụng cho vùng nước sâu trên thế giới [Loại giàn – từ trái sang phải: 1- Giàn thép cố định; 2-Giàn Trụ mềm; 3- Giàn nổi neo đứng (TLP); 4-Giàn nổi neo đứng Mini; 5- Giàn Trụ nổi có neo (SPAR); 6-Giàn khai thác bán chìm (Semi-submersible, Semi-FPS); 7- Bể chứa nổi neo tại 1 điểm (FPSO)] Hiện nay Việt Nam đã và đang khai thác các mỏ dầu khí ở vùng nước có độ sâu tới 110m, và đang chuẩn bị khai thác một số mỏ mới ở độ sâu tới gần 150 m. Nhiệm vụ cấp bách hiện nay được đặt ra cho ngành dầu khí Việt Nam là: Phải tiếp cận nhanh chóng các kỹ thuật và công nghệ thiết kế - xây dựng các công trình biển ở độ sâu nước 200 m và lớn hơn để đáp ứng nhu cầu khai thác tài nguyên dầu khí nước sâu trên TLĐ.VN [1]. Xuất phát từ nhu cầu khai thác dầu khí vùng nước sâu của ngành Dầu khí nước ta, đồng thời dựa trên kinh nghiệm thế giới, Đề tài lựa chọn 4 loại công trình biển (CTB) trong số 7 kiểu giàn đã nêu trên Hình 1, được cho là có khả năng cao nhất để sử dụng khai thác các mỏ dầu khí nước sâu ở TLĐ Việt Nam trong thời gian tới, [2] : 1) Loại CTB cố định bằng thép: có kết cấu khối chân để (KCĐ) kiểu Jacket của giàn cố định xây dựng ở độ sâu tới 200 m, [3-4], [7], [11-12] ; Tiểu ban Năng lượng, Kỹ thuật công trình, Vận tải và Công nghệ Biển 125 2) Loại CTB bán chìm (Semi- FPS): hiện nay đã có 1 giàn khai thác bán chìm DH-01 (đang sử dụng ở mỏ Đại Hùng với độ sâu 110 m nước), trong phạm vi dự kiến của Đề tài, nghiên cứu áp dụng cho tới độ sâu 1000 m nước, [8-10], [13] ; 3) Loại CTB nổi neo dứng (TLP): trong nước chưa có giàn nào; trong phạm vi của Đề tài, nghiên cứu áp dụng tới độ sâu 1000 m nước.[8], [10], [14] ; 4) Loại bể chứa (kho chứa) nổi và rót dầu (FPSO): trong nước đang khai thác 5 cái ở mỏ Bạch Hổ và mỏ Rồng (độ sâu nước xấp xỉ 50 m), mỏ Đại Hùng (110 m), Đề tài nghiên cứu với độ sâu nước tới 500 m, [4], [9], [13] . Cơ sở lựa chọn cấu hình kết cấu CTB của các loại giàn nói trên đều dựa trên các Tiêu chuẩn thiết kế hiện hành [11-14], mặt khác cũng sử dụng mô hình xác suất (là mô hình hiện đại, thích hợp với điều kiện nước sâu) để đối chiếu với các kết quả tính toán theo Tiêu chuẩn. Trong khổ hạn chế khối lượng của bài viết, sau đây sẽ trình bày các kết quả chủ yếu cho 3 loại CTB 1, 2 và 4 như nêu ở trên. Mọi chi tiết đầy đủ về các kết quả nghiên cứu của Đề tài KC.09.15/06-10, nếu các đồng nghiệp quan tâm, xin mời tra cứu tại Tài liệu [2]. 2. Cơ sở luận chứng KHKT và kinh tế thiết kế CTB cố định nước sâu tới 200 m: 2.1. Nội dung nghiên cứu: 1) Mô tả sóng và các tác động của sóng lên kết cấu KCĐ Jacket; 2) Lựa chọn cấu hình KCĐ Jacket hợp lý ; 3) Tính toán động kết cấu KCĐ theo mô hình tiền định và ngẫu nhiên ; 4) Kiểm tra bền của kết cấu KCĐ theo mô hình tiền định và ngẫu nhiên; 5) Kiểm tra mỏi của kết cấu KCĐ theo mô hình tiền định và ngẫu nhiên. . 2.2. Kết quả ứng dụng: 1) Lựa chọn cấu hình kết cấu KCĐ ở độ sâu nước 200 m, với điều kiện tự nhiên tại vùng nước sâu Bể Nam Côn Sơn (Hình 2). 2) Kết quả chính của bài toán bền và mỏi: Sử dụng phần mềm chuyên dụng SACS, tính tại một số nút và thanh điển hình của kết cấu cho kết quả như sau: + Các thanh ở sát đáy biển và đầu cọc có hệ số sử dụng lớn hơn các thanh ở phía trên là hợp lý về phân bố lực; + Hệ số sử dụng tại một số thanh và nút có giá trị 1.05 & 1.07, theo tiêu chuẩn API vẫn cho phép; + Kết quả tính theo mô h́nh ngẫu nhiên lớn hơn một chút so với mô h́nh tiền định; cần lưu ý rằng mô hình xác suất phản ảnh sát thực tế hơn; Hội nghị Khoa học và Công nghệ Biển toàn quốc lần thứ V 126 + Tuổi thọ mỏi tính theo mô hình xác suất đều thấp hơn so với mô hình tiền định, bằng 0.91 lần. Mối quan hệ kết quả giữa 2 mô hình ở đây cũng tương tự như trong kiểm tra bền ở trên. Hình 2: Sơ đố kết cấu KCĐ lựa chọn cho vùng nước sâu 200m (Bắc Bể Nam Côn Sơn) 3. Cơ sở luận chứng KHKT và kinh tế thiết kế CTB bán chìm ở độ sâu nước tới 1000m: 3.1. Nội dung nghiên cứu: 1) Mô tả sóng và các tác động của sóng lên kết cấu bán chìm có hệ dây neo xiên; 2) Lựa chọn cấu hình kết cấu bán chìm và hệ dây neo xiên hợp lý ; 3) Tính toán động kết cấu bán chìm có neo theo mô hình tiền định và ngẫu nhiên ; 4) Kiểm tra bền của hệ thống dây neo xiên theo mô hình tiền định và ngẫu nhiên; 5) Kiểm tra mỏi của kết cấu dây neo xiên theo mô hình tiền định và ngẫu nhiên. . 3.2. Kết quả ứng dụng : 1) Lựa chọn cấu hình kết cấu: sử dụng kết cấu Giàn bán chìm DH-1 (Hình 3), hiện đang khai thác tại mỏ Đại Hùng (ở độ sâu nước 110m), với điều kiện tự nhiên tại vùng nước sâu Bể Nam Côn Sơn . 2) Kết quả chính của bài toán: là các đặc trưng kỹ thuật và kinh tế của Giàn DH-01 (chủ yếu xét hệ thống neo) ứng với các độ sâu nước từ 200 m đến 1000m. Hình 4 cho Đồ thị quan hệ giữa chi phí xây dựng giàn với các độ sâu nước khác nhau. 3.3. Kết luận chính: 1) Từ các kết quả tính toán và xây dựng các đồ thị quan hệ giữa độ sâu nước với chiều dài dây neo, trọng lượng dây neo, chi phí xây dựng cho thấy: Khi độ sâu nước càng tăng thì Tiểu ban Năng lượng, Kỹ thuật công trình, Vận tải và Công nghệ Biển 127 chiều dài dây neo, trọng lượng dây neo, chi phí xây dựng tăng. Mức độ tăng của các chỉ tiêu về kỹ thuật và kinh tế này tăng chậm khi độ sâu nước nhỏ hơn 700m và tăng nhanh hơn khi độ sâu nước lớn hơn 800m. 2) Các tính toán kinh tế đã thực hiện ở trên có tính so sánh tương đối để phục vụ luận chứng về kinh tế khi sử dụng giàn ở các độ sâu khác nhau, ngày một tăng hơn. Trong tính toán đầy đủ, cần phải kể đến chi phí trong giai đoạn thi công và bảo dưỡng trong quá trình vận hành giàn. Hình 3: Giàn bán chìm DH-01 ĐỒ THỊ QUAN HỆ GIỮA ĐỘ SÂU NƯỚC VÀ CHI PHÍ XÂY DỰNG GIÀN 0.0 200.0 400.0 600.0 800.0 1000.0 1200.0 0 200 400 600 800 1000 1200 Độ sâu nước (m) C hi p hí x ây d ự ng g ià n (t ri ệu U SD ) Hình 4: Quan hệ giữa chi phí xây dựng giàn và độ sâu nước 4. Cơ sở luận chứng KHKT và kinh tế thiết kế hệ thống bể chứa (kho chứa) nổi và rót dầu (FPSO) ở độ sâu nước tới 500 m: 4.1. Nội dung nghiên cứu: 1) Xác định lực thủy động tác dụng lên bể chứa nổi FPSO/FSO (với hệ thống neo 1 điểm kiểu CALM và TURRET) dưới tác động của môi trường theo mô hình tiền định và ngẫu nhiên; 2) Kiểm tra bền hệ thống neo bể chứa FPSO/FSO theo mô hình tiền định và ngẫu nhiên; 3) Kiểm tra mỏi hệ thống neo bể chứa FPSO/FSO theo mô hình tiền định và ngẫu nhiên. 4.2. Kết quả ứng dụng : 1) Lựa chọn cấu hình FPSO/FSO: sử dụng bể chứa nổi FSO kiểu TURRET (VSP-01) hiện đang khai thác tại mỏ Bạch Hổ ở độ sâu 50 m (Hình 5), với điều kiện tự nhiên tại vùng nước sâu Bể Nam Côn Sơn. 2) Kết quả chính của bài toán: sử dụng phần mềm quốc tế HydroStar và Ariane (Bureau Veritas - Pháp) cho các đặc trưng kỹ thuật và kinh tế của hệ thống bể chứa nổi FSO VSP- Hội nghị Khoa học và Công nghệ Biển toàn quốc lần thứ V 128 01 (chủ yếu xét hệ thống neo) ứng với các độ sâu nước từ 50 m đến 500 m. Hình 6 cho Đồ thị quan hệ giữa giá thành hệ thống FSO VSP-01 với các độ sâu nước khác nhau. 4.3. Kết luận chính: 1) Khi độ sâu nước càng tăng thì chiều dài dây neo, trọng lượng dây neo, chi phí xây dựng tăng. Mức độ tăng của các chỉ tiêu về kỹ thuật và kinh tế này tăng dần đều tới độ sâu nước dưới 500m. 2) So sánh giá thành của hệ FSO d = 50m nước với giá thành của hệ FSO d = 500 m nước, ta thấy ưu việt rõ ràng của giải pháp bể chứa nổi cho vùng nước sâu : khi tăng độ sâu nước thêm 964% mà giá thành chỉ tăng thêm 6,7% . 3) Các tính toán kinh tế đã thực hiện, mang tính so sánh tương đối để phục vụ luận chứng về kinh tế khi sử dụng bể chứa nổi FSO với các độ sâu tăng dần. Trong tính toán đầy đủ, cần phải kể đến chi phi trong giai đoạn thi công, bảo dưỡng và các chi phí khác trong quá trình xây dựng và vận hành bể chứa. . FSO (TURRET) Hình 5: FSO neo kiểu TURRET Đồ thị quan hệ giữa giá thành hệ thống kho chứa nổi FSO và độ sâu nước 200 210 220 230 240 250 260 270 280 0 100 200 300 400 500 600 Độ sâu nước (m) G iá th àn h hệ th ốn g FS O + dâ y n eo (tr iệ u U S D ) Hình 6: Đồ thị quan hệ giữa giá thành hệ thống bể chứa nổi FSO VSP-01 và độ sâu nước 5. Lời cám ơn Các tác giả xin gửi lời cám ơn chân thành đến Văn phòng các Chương trình trọng điểm cấp NN (Bộ BHCN), Ban chủ nhiệm Chương trình Biển KC.09/06-10, Lãnh đạo xí nghiệp Liên doanh Vietsovpetro, Lãnh đạo Trường ĐH Xây dựng và Viện XD Công trình biển đã tận tình theo dõi, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho các tác giả trong quá trình nghiên cứu. Tiểu ban Năng lượng, Kỹ thuật công trình, Vận tải và Công nghệ Biển 129 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Phùng Đình Thực, “Chiến lược phát triển Tập Đoàn Dầu khí VN đến năm 2015 và định hướng tới năm 2025”. Kỷ niệm 35 năm Ngành Dầu khí VN, Tạp chí Dầu khí số 8- 2010, Tr.6-9. 2. Phạm Khắc Hùng,”Báo cáo tổng hợp kết quả KHCN Đề tài nghiên cứu điều kiện kỹ thuật môi trường biển và nền móng công trình nhằm xác định luận chứng kinh tế kỹ thuật xây dựng công trình biển vùng nước sâu Việt Nam”, Mã số KC.09.15/06-10. Số đăng ký 2011-52-398/KQNC, lưu trữ tại Cục Thông tin khoa học và Công nghệ QG – Bộ KHCN, (2011). 3. Phạm Khắc Hùng, “Xây dựng phương pháp luận tính toán thiết kế công trình biển cố định bằng thép đến độ sâu 200 m nước để phát triển khả năng của VSP trong lĩnh này“.(153 trang). Hợp đồng NCKH - Vietsovpetro. Lưu trữ tại Viện XDCT Biển – ĐHXD, (2008). 4. Phạm Hiền Hậu,”Phân tích tựa động và động ngẫu nhiên của hệ thống dây neo trạm chứa và rót dầu nổi (FPSO) trong điều kiện mỏ Bạch Hổ dựa trên các phần mềm Hydrostar và Ariane-3D”. Tạp chí Dầu khí số 9-2009, Tr.35-42. 5. Mai Hồng Quân, Vũ Đan Chỉnh, ”Cơ sở lựa chọn giải pháp kết cấu cho công trình biển cố định bằng thép ở độ sâu 200m nước trong điều kiện biển Việt Nam”. Tạp chí Dầu khí số 8/2010, Tr.33 - 40. 6. Lindsey Wilhoit and Chad Supan (Mustang Engineering), “2010 Deepwater Solutions & Records for Concept Selection”. Offshore Magazine, May 2010, Houston, USA. 7. Barltrop NDP, Adams AJ, “Dynamics of Fixed Marine Structures”. ButterWorth Heinemann – UK, (1991). 8. Barltrop NDP, “Floating Structures: a guide for design and analysis”. B.H. - UK, (1998). 9. ARGEMA – CLAROM, “Anchoring of floating structures”. Ed. Technip, France, (1990). 10. Minoo H Patel, Joel A Witz, (University College London),.”Compliant Offshore Structures”. Butterworth-Heinemann Ltd, Oxford, (1991). 11. API-RP2A-WSD, “Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms - Working Stress Design”. American Petroleum Institute, Washington, D.C., 21rst Ed, (2002). 12. DNV, “Rules for Classification of the Fixed Offshore Installation”, (1993). 13. API RP 2SK, (2005),”Recommended Practice for Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures”. 3rd Edition, (2005). 14. API RP 2T, “Recommended Practice for Planning, Designing, and Constructing Tension Leg Platforms”, 2nd Edition, (1997).