海底錨固（gù）係統擁有遠超現有（yǒu）錨固技術的軸向與橫向承載能力，將每（měi）個浮式裝（zhuāng）置15千瓦渦輪機所需的錨固數量從9或10個減少至3或4個。這項鑽井技術可（kě）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（lì）更高，從而降低了風力渦輪機平台的成本。通過盡（jìn）可（kě）能降低資金投入（rù），降低了海上風電的成本，同時（shí）通過（guò）減少錨固數量，減少了對海洋環境的影響。
01. 從油氣向可再生能源發電的轉變
全球能源需求，特別是電力需求正持續增（zēng）長。必須通（tōng）過減少油氣依賴，來滿足這一需求。全球發布了許（xǔ）多針（zhēn）對海上風電需求的預測。其中（zhōng），DNV公司《2022年能源轉型展望報告》（ETO）中全球與地區預測表示，全球電力需求將以每年3%的速度增長，其中一半來（lái）源於（yú）公路運輸。
全（quán）球能源轉型（xíng）倡議提（tí）及（jí），全（quán）球化石燃料供應占能源需求的比例將從80%下降到50%。2020年，原油消（xiāo）費量約為7500萬（wàn）桶/天（tiān），峰（fēng）值將達到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（fā）電提供，預計到2050年，風電將（jiāng）從目前每年（nián）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（wàng）了全（quán）球對各種能源（yuán）的需求。
▲圖1. DNV發布的《2022年（nián）能源轉型（xíng）展望（wàng）報告》
風電行業麵臨的挑戰是，將海上風電的成本降低（dī）到（dào）目前油氣或其他發電方式的（de）成本水平。風力渦輪機容量增加至15千瓦或更大，減少所需渦輪機的（de）數量，減少渦輪機支（zhī）撐結構與錨固係統的成本（běn）以及其他降本措施，都有助於實現（xiàn）上述目標。
02. 錨固新技術支（zhī）撐海上風（fēng）電的未（wèi）來
2022年10月12日，科威谘詢公司發布的（de）《海（hǎi）上風電（diàn）預測：陽（yáng）光明媚，偶有陣雨》表示，到2030年，全球（qiú）海上風力（lì）發電需求（qiú）將達到48吉瓦。這表明海（hǎi）上錨固係統的市（shì）場潛力非常（cháng）大。發電量達（dá）到15千瓦的風力渦輪機，每台需使（shǐ）用3到4個Subsea錨固係統，意味著全球需（xū）要9000到12800個錨固係統。
現有錨固技術通常需要9到10個錨固係統來安裝（zhuāng）這（zhè）種渦輪機，與成本較低的Subsea錨定係（xì）統相比，這（zhè）將是更高的投資成本。Subsea錨固係統顯著降低了總錨固成本和總投資成（chéng）本。通過降低上述（shù）成本，可降低海上發電的單位（wèi）成本。
NO.1
海上（shàng）錨固係統
可根據具體應用，選擇圖2所示的錨固係統（tǒng），例（lì）如海底土壤條件的適用性、所需的錨固或（huò）承載能力、安裝的便捷（jié）性與成本。除Subsea錨固係統外（wài），其他方法都是脫（tuō）胎於（yú）海上施工作業。這些（xiē）方法的錨（máo）固或承載能力取決於它們與海底地層的接觸（chù）方式或接觸麵大小。這些錨固係（xì）統分為三類。
▲圖2. 可用的錨固係統
第一類是傳統拖曳錨，它依賴於附著或緊貼海底的能力，需要（yào）昂貴且複雜（zá）的錨鏈係泊係統，並需要臨時重新定位。由於其錨固能力有限，它們在永久性浮式設施中的應用有限。
第二類是錘式與吸力錨。由於海（hǎi）底土壤條件限製了錨固或錨抓力，這兩者都具（jù）有不可預測、有限的入泥深度。並非所有土壤條件都適合，例如“硬質岩”海底（dǐ）或地層強度限製了錨樁的入泥深度（dù）。大直徑樁柱彌補了入泥深（shēn）度不夠的缺陷，提供了所需的承載能力（lì）。然而，這些套管柱成本（běn）高昂，需要專用的（de）動員、運輸以（yǐ）及安裝設備。
第三類是鑽孔、灌漿錨樁，基於地層強度與穩定性，其存在局限性。合（hé）適的地層必須能夠維持足夠長（zhǎng）時間（jiān）的穩定井況，便（biàn）於鑽後下入樁柱或套管。然（rán）後，往（wǎng）樁柱灌注水（shuǐ）泥漿，但井眼與樁柱之間環空的（de）水泥覆（fù）蓋率（lǜ）會存在問題。這會導致土壤與樁柱（zhù）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（xì）統
Subsea錨固係統（tǒng）可利（lì）用石油行業套管鑽至所需深（shēn）度，以獲得足（zú）夠的錨固能力。套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（dì）層或超硬地層。一旦套管鑽至（zhì）所需深度，就（jiù）會進行油田固井作業，而不是灌（guàn）漿，從而實現套管（guǎn）與地（dì）層的（de）最佳（jiā）膠結。圖3展示了不同錨固係（xì）統與Subsea錨固係統之間的抗拉強度對（duì）比。Subsea錨固係統擁有更深的入泥深度、更大的接觸麵（miàn）積、更優的固井質量，其軸向抗（kàng）拉強（qiáng）度顯（xiǎn）著高於目前常用的錨固（gù）係統。
▲圖3. 鑽（zuàn）孔/灌漿錨、軸向吸力錨與套管鑽進錨之間的對比
Subsea錨固係（xì）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（jǐng）是成熟可靠的油田技術。根據項目的軸向與橫向承載能力確定錨固深度（dù）和套（tào）管直徑（jìng）。根據所需的橫向力矩或彎曲力矩（jǔ）確定（dìng）錨樁套（tào）管的鋼級（jí）、壁厚與長度（dù）。Subsea錨固係統可以使用油田專用的海上（shàng）鑽井船，在任何水深（shēn）或（huò）土壤/地層條件下進行錨固作業。
NO.3
錨固力學分析（xī）
樁柱或套管錨固的軸（zhóu）向（xiàng）承載（zǎi）能力基於以下三個要素：
外部軸向阻力或內部軸向阻力，取決（jué）於土壤排水條件；
錨的自重；
基準麵或錨（máo）末端的張力。
軸向（xiàng）阻力對軸向承載能力影響最大（dà）。這（zhè）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總結了影響軸向承載（zǎi）能力（lì）的物理參（cān）數。
▲圖4. 影響（xiǎng）軸向承載能力的物理參數
吸力錨的水平橫向承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決定。海床上的錐（zhuī）形土楔、鬆散土壤、下部繞流區域（yù）等都會造成橫向破壞。在（zài）傳統的錨樁中，荷載作用點位於最佳（jiā）位置至關重（chóng）要，如此一來，可將（jiāng）荷載（zǎi）分布在整個錨樁上。假設作用點高於最佳位置，例如錨樁的頂部。在這種情況下，錨旋（xuán）轉的中心將位於錨內錐形土楔的下方。
根據需要（yào），Subsea錨（máo）固係統可以使錨固深度保持（chí）在土楔（xiē）下方的旋轉中（zhōng）心，從而增加橫向承載能（néng）力。根據橫向荷載的預期彎矩，選擇錨樁的（de）壁厚與鋼級。橫向承載能力的力學分析見圖5。
▲圖5. 錨固係統橫向承載能力的力學分析
NO.4
無立管套管鑽井
套管鑽井期間安裝Subsea錨（máo）固係統。由於許多海底土壤條件不穩定，通（tōng）常無法通過常規鑽井、下套管方（fāng）式，鑽到所需的錨固深度。此外（wài），在這些鬆軟、不穩（wěn）定的地層中，傳統固井可能會出現問題（tí），導致循環漏（lòu）失，而套管鑽井（jǐng）則能夠加固地層，提高水泥頂替效率。
套管鑽井（jǐng）是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（jiǎn）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。套管材料強度的選擇取決（jué）於（yú）所需的（de）承載能力與扭矩。連接所需數量的套管接（jiē）頭，以（yǐ）便（biàn）懸掛在鑽井船的轉盤上。然後，將內管柱插入Subsea Drive套管，與Subsea Drive工具、下入/鑽井管（guǎn）柱（zhù）一起下放至海底。隨著鑽井船的頂驅帶動套管旋轉，就開啟了套管鑽井作業。
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（huán），並將海（hǎi）底鑽屑攜至（zhì）海床。套管旋轉會進一步壓碎返出鑽屑，並（bìng）塗抹於井壁上，以硬化和加固井周岩石或土壤。
特殊（shū）設（shè）計（jì）的套管接箍滿足套管鑽井所需的機械強度與抗（kàng）疲勞性能。此外，工程評估表明，接（jiē）箍/套管的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（luè）不計。Von-Mises等效應力（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（chuán）來安裝SUBSEA錨固係統。SUBSEA錨固係統的安裝成本低於目前可用的錨固係統（tǒng），原因如下：
1、鑽井船特意配備了最少的設備，不需要防噴（pēn）器、立管（guǎn）設備以及油（yóu）氣鑽井作業通常（cháng）使用的大量鑽井設備，從而將鑽井（jǐng）船成本降至最低。不需要專用船（chuán）舶；
2、套管鑽井效率高，采用一趟鑽係統，可在（zài）不到一天的時間內快速鑽井、安裝和固（gù）井。與目前可用的錨固係統所需時間基本一致（zhì）；
3、軸向承載能力比（bǐ）現有錨固係（xì）統更強（qiáng），但尺寸更小，因此所需鋼材量顯著減少。
圖（tú）6展示了SUBSEA錨固係統的（de）可選配置，從較淺的拉緊支腿、傾斜係（xì）泊係統到較深的垂直係纜錨固。錨固深度越深，承載/抗拉強度就越大（dà）。Subsea錨固係（xì）統的壓倒性優（yōu）勢是提供非常高的錨固能力。這（zhè）個優勢對於錨固（gù）桅杆式浮式裝置具有很（hěn）大價值，其投資成本遠低於駁船或（huò）半（bàn）潛式平台（tái）。
▲圖6. Subsea錨固係統的可選配置
Subsea錨固係統是最通用的海上錨固（gù）技術。與現有錨（máo）固係統（包括吸力錨（máo）或液壓錘入樁）相比，這種（zhǒng）錨固係（xì）統的（de）主要優點是它擁有更大的承載能力（lì）。Subsea錨固係統具有以下優（yōu）點：
它適用於任（rèn）何海底土壤條件，包括（kuò）海底巨礫岩；
它（tā）適用於惡劣（liè）的天氣與海況；
它擁有很高（gāo）的軸向與橫向承載（zǎi）能力，因此可減少每個浮式裝置（zhì）所需的錨數量，可使用更小、更便宜的浮式（shì）風力渦輪機支撐結（jié）構；
它噪音低，係泊/拉索或鋼（gāng）筋束的入泥更（gèng）淺，最大限度地減少了對海洋環境（jìng）的影響；
它適用於任何（hé）水深；
它成本通常低於現有錨（máo）固係統，且錨樁尺寸更小，進一步降低（dī）了物流成本。
來源（yuán）：石油圈
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