1

Bài giảng môn học:

Công trình biển mềm và Phương tiện nổi

Người soạn: TS Phạm Hiền Hậu

Viện XD Công Trình Biển, ĐHXD

---------------- Hà nội Tháng 09-2012 --------

2

Chương 1: MỞ ĐẦU

1. Quá trình chinh phục độ sâu nước dể thăm dò và khai thác dầu khí ngoài khơi

2. Trữ lượng và nhu cầu khai thác dầu khí vùng nước sâu trên thế giới và ở Việt Nam

2.1. Tình hình khai thác dầu khí biển trên thế giới hiện nay

2.2. Nhu cầu đẩy mạnh khai thác dầu khí biển ở Việt Nam

3. Sự phát triển các loại công trình biển phục vụ khai thác dầu khí vùng nước sâu

3.1. Phân loại độ sâu nước theo yêu cầu xây dựng công trình biển

3.2. Phân loại công trình biển

3.3. Thành tựu các công trình biển nước sâu trên thế giới đến năm 2010

3.3.1. Các loại CTB nước sâu

3.3.2. Phân phối số lượng các CTB mềm theo thời gian

3.3.3. Phân phối số lượng các CTB mềm theo vùng biển

4. Đặc điểm chung của các công trình biển mềm và phương tiện nổi

4.1. Đặc điểm các công trình biển nổi

4.2. Đặc điểm các phương tiện nổi

5. Phạm vi và nội dung nghiên cứu các công trình biển mềm và phương tiện nổi

6. Phần thực hành

Tài liệu tham khảo (Chương 1)

3

Chương 1: MỞ ĐẦU

1. Quá trình chinh phục độ sâu nước dể thăm dò và khai thác dầu khí ngoài khơi

Việc khai thác dầu khí ở ngoài biển trên thế giới được đánh dấu bởi công trình biển cố định đầu tiên xây dựng ở độ sâu nước 5m để khai thác một mỏ trên đất liền mở rộng ra vùng nước nông ven bờ ở Lousiana, Mỹ (thuộc Vịnh Mexico), cuối thập kỷ 40 thế kỷ 20. Tiếp theo đó, trong nửa sau của thế kỷ 20, loại công trình biển cố định (CTBCĐ) bằng thép kiểu jacket - móng cọc (và một số ít bằng CTBCĐ bằng bê tông, móng trọng lực) đã được phát triển mạnh để khai thác các mỏ ở độ sâu trong phạm vi từ 300 - 400 m. CTBCĐ đã xây dựng ở độ sâu nước lớn nhất, 412m (1353 ft) là dàn Bullwinkle (Vịnh Mexico, Mỹ), năm 1991. Nhu cầu năng lượng của thế giới ngày càng lớn đã thúc đẩy việc thăm dò và khai thác các mỏ ở các độ sâu nước ngày càng tăng. Trên Hình 1 biểu diễn quá trình chinh phục độ sâu nước để khai thác dầu khí cho tới năm 2004. Đồ thị cho thấy độ sâu nước tăng vọt bắt đầu từ năm 1984 cho đến năm 1994 đạt tới độ sâu nước 1000m, sau đó lại đánh dấu một bước mới tăng nhanh hơn, dạt tới 2000m ở năm 2000 (Offshore Magazine, 8/1998).

Hình 1: Quá trình chinh phục độ sâu nước để khai thác dầu khí.

4

Hình 2 biểu diễn chi tiết hơn quá trình chinh phục độ sâu nước: các hoạt động thăm dò (đường ở trên) đi trước các hoạt động khai thác dầu khí (đường phía dưới). Từ năm 1975 hoạt động thăm dò khởi đầu bước nhảy vọt từ độ sâu nước 600m, tới năm 1980 đạt 1500m , và 18 năm sau (năm 1998) khai thác mới đạt tới độ sâu 1500m Thăm dò đã đạt tới 2300m trong những năm từ 1987 – 1998, và tiếp tục thăm dò ra sâu tới trên 3047,9m ở những năm 2003 - 2010. Tuy nhiên, đến thập kỷ 90, thập kỷ cuối cùng của thế kỷ 20 và những năm thập kỷ đầu của thế kỷ 21, trước cuộc khủng hoảng về năng lượng dầu khí, việc khai thác các mỏ nước sâu đã có bước nhảy vọt, đã rút ngắn khoảng thời gian giữa thăm dò và khai thác chỉ còn khoảng 10 năm; Việc khai thác đã đạt tới độ sâu trên 1800m ở năm 2000, và khai thác bằng các giàn nổi đã đạt tới độ sâu trên 2438m ở những năm 2008-2010, tới độ sâu gần 3.000m nếu sử dụng công nghệ đầu giếng ngầm (Offshore Magazine, 5/2010).

Hình 2: Quá trình chinh phục độ sâu nước để thăm dò và khai thác dầu khí.

Cũng trong thập kỷ cuối của thế kỷ 20, ngành công nghiệp dầu khí thế giới tập trung phát triển kỹ thuật nước sâu và cực sâu, kèm theo là nhiều Công ty Dầu khí chuyên về kỹ thuật nước sâu ra đời và không ngừng mở rộng các hoạt động cho tới ngày nay, có những Công ty lớn như Mustang Engineering, Petrobras (BR), ConocoPhillips, Chevron, Total, Technip, Total, Unocal,...Điển hình là Tập Đoàn “DeepStar” chuyên về công nghệ nước sâu đã thành lập từ 1992 đến nay, đã liên danh được 56 Đơn vị Thành viên, Hình 3 [5].

5

Hình 3a: Tập Đoàn công nghệ nước sâu “ DeepStar”

6

Hình 3b: Các Đơn vị Thành viên của Tập Đoàn “DeepStar”

7

2. Trữ lượng và nhu cầu khai thác dầu khí vùng nước sâu trên thế giới và ở Việt Nam 2.1. Tình hình khai thác dầu khí biển trên thế giới hiện nay

Trữ lượng dầu thế giới hiện nay có khoảng 140 tỷ tấn dầu, 135 nghìn tỷ m3 khí và trữ lượng này phân bố không đều ở các khu vực khác nhau trên thế giới cụ thể như sau:

- Khu vực Trung Đông : 50 %

- Khu vực Bắc và Nam Mỹ : 25 %

- Khu vực Châu Âu : 13 %

- Khu vực Châu Phi : 6.5 %

- Khu vực Châu Á : 5.5 %

Sản lượng khai thác dầu khí của toàn thế giới là 3260 triệu tấn/năm và phân bố thành 8 khu vực như sau:

- Khu vực Bắc Mỹ chiếm : 15.3 %

- Khu vực Trung Mỹ chiếm : 4.5 %

- Khu vực Châu Mỹ La Tinh chiếm : 3.1 %

- Khu vực Tây Âu chiếm : 9.08 %

- Khu vực Đông Âu và Liên Xô cũ chiếm : 11 %

- Khu vực Châu Phi chiếm : 10.4 %

- Khu vực Trung Đông chiếm : 30 %

- Khu vực Viễn Đông chiếm : 11 %

Như vậy thấy rằng trên thế giới thì Trung Đông và Bắc Mỹ là những khu vực có sản lượng khai thác dầu khí lớn nhất thế giới, trong đó có Mỹ với sản lượng khai thác là 389 triệu tấn dầu mỗi năm chiếm 11.9% sản lượng dầu thế giới.

Bức tranh toàn cảnh các vùng đang khai thác dầu khí biển sâu trên thế giới được thấy trên Hình 4 dưới đây, trong đó các nước đang khai thác và có tiềm năng dầu khí biển sâu điển hình là ở các khu vực Vịnh Mexico (GoM), Tây Phi, Brazil và đặc biệt gần đây là ở khu vực Đông Nam Á.

8

Hình 4 : Bức tranh tổng thể khai thác các mỏ nước sâu trên thế giới (Offshore, 2004).

Các nước Khu vực ASEAN (Brunei, Campuchia, Trung Quốc, Indonesia, Malaysia, Thái Lan, Myanmar, Philippines và Việt Nam), trong năm 2005 đã thực hiện 237 thăm dò và đánh giá (trong đó VN-14, Inđô – 61- nhiều nhất), với 20 giếng có độ sâu nước trên 300 m, với nhận xét rất lạc quan về tiềm năng vùng nước sâu ở khu vực; Malaysia đã triển khai dự án nước cực sâu đầu tiên ở độ sâu nước từ 1305 - 1876 m. Tháng 1/2007 vừa qua tại Kuala Lumpur (Malaysia) đã có Hội nghị Khoa học Offshore Asia về “Kỹ thuật và công nghệ các Công trình biển ở vùng nước sâu Châu Á” để đáp ứng nhu cầu khai thác dầu khí vùng nước sâu ở Khu vực. Indonesia đang khai thác các mỏ ở vùng nước sâu và cực sâu Makassar Strait rất hiệu quả với các CTB nổi, như dàn neo đứngTLP tại mỏ West Seno ở độ sâu nước 3350 ft. Ấn Độ với diện tích TLĐ 3,14 triệu km2, mới thăm dò và khai thác 18% diện tích TLĐ, còn bỏ trống 82% là vùng nước sâu, Chính phủ đang mở rộng đầu tư của nước ngoài để khai thác vùng nước sâu.

2.2. Nhu cầu đẩy mạnh khai thác dầu khí biển ở Việt Nam Dầu và khí được khai thác ở Việt Nam từ 1986 đến nay, đã đóng góp rất quan

trọng vào GDP hàng năm cho quốc gia. Tổng sản lượng dầu và khí ước tính trên 200 triệu tấn dầu khô và hơn 30 tỷ m3 khí với giá trị trên 40 tỷ USD (Hình 5).

9

Hình 5 : Tình hình khai thác dầu khí từ 1989- 2010 ở Việt nam

[Ghi chú: ( Nguồn PetroVietnam): màu đỏ - sản lượng khí (Đơn vị : tỷ feet khối); màu xanh - sản lượng dầu (Đơn vị : triệu thùng) ; 1feet khối ~ 0, 01 m3 ; 1 thùng ~ 0,14 tấn

Gas BCF – Gas Billion Cubic Feet ; Oil MMbbls = Oil Million barrels ] Tổng sản lượng dầu qui đổi của năm 2010:

Trong chiến lược biển của Nhà nước tới năm 2020, Nhiệm vụ của ngành Dầu khí Việt Nam trong giai đoạn mới là “Đẩy mạnh tìm kiếm thăm dò, gia tăng trữ lượng có thể khai thác, ưu tiên phát triển những vùng biển nước sâu, xa bờ. Phấn đấu khai thác 25 - 35 Triệu tấn quy dầu / năm” [6]. Tiềm năng dầu khí ở vùng biển VN [8]: Việt Nam - nước sản xuất dầu lớn đứng thứ 3 trong khối các nước Đông Nam Châu Á. Nguồn trữ lượng dầu khí chủ yếu trên thềm lục địa VN, điển hình là 7 Bể trầm tích gồm Sông Hồng, Phú Khánh, Cửu Long, Nam Côn Sơn, Malay-Thổ Chu, Hoàng Sa và Trường Sa (Hình 6).

Các số liệu nghiên cứu mới đây tại 3 Bể trầm tích dầu khí cho kết quả như sau: + Bể Phú Khánh: Diện tích 95.000 km2, Độ sâu nước từ trên 200m đến trên 1000m, xa hơn nữa lên tới 2500m, trữ lượng: 509 triệu tấn dầu quy đổi; + Bể Tư Chính - Vũng Mây & Tây Nam QĐ. TSa: Diện tích 93.000 km2 Độ sâu nước từ 200m trở lên, Trữ lượng: 750 triệu tấn dầu quy đổi; + Khu vực thềm lục địa Tây Nam & vùng chồng lấn: Diện tích 90.000 km2, là vùng nước nông (độ sâu dưới 100 m), Trữ lượng 394 triệu tấn dầu quy đổi.

dầu (MMbbls)

dầu (T)

dầu (tr T)

khí (tỷ ft³)

khí (tỷ m³)

khí (tỷ m³) = oil (tr T)

dầu+ khí qui đổi (tr T)

127 17780000 17,78 370 3,7 3,7 21,48

10

Hình 6: Hình ảnh các bể trầm tích dầu khí trên thềm lục địa VN [Ghi chú Hình 2( Nguồn PetroVietnam): Tiềm năng trữ lượng các bể trầm tích – 8,5 tỷ thùng dầu và 100 nghìn tỷ feet khối; trong đó đánh giá trữ lượng khai thác khoảng 4 tỷ thùng dầu và 23 nghìn tỷ feet khí; Đánh giá sản lượng khai thác khoảng 400 nghìn thùng dầu/ngày, và 600 triệu feet khối khí /ngày; Tổng sản lượng thu hồi khoảng trên 200 triệu tấn dầu và trên 20 tỷ m3 khí. Gas TCF = Gas Trillion cubic feet = nghìn tỷ ft3; Gas cfd = Gas ft3 per day].

Triển vọng khai thác các mỏ dầu khí nước sâu ở vùng biển VN Hiện nay Việt Nam mới đang tiến hành khai thác dầu khí đang ở các mỏ ở vùng

nước có độ sâu tới 110m, gồm các bể: Cửu Long - trên dưới 50 m; vùng chồng lấn VN-Malaysia - độ sâu dưới 50 m; Nam Côn Sơn - độ sâu từ 80 m đến 110 m.

Gần đây, một số mỏ đã được phát hiện ở độ sâu tới 150 m và 200 m, cho hứa hẹn khả quan về khả năng khai thác hiệu quả.

Nhiệm vụ cấp bách hiện nay được đặt ra cho chúng ta 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. 3. Sự phát triển các loại công trình biển phục vụ khai thác dầu khí vùng nước sâu 3.1. Phân loại độ sâu nước theo yêu cầu xây dựng công trình biển

11

Hiện nay thế giới sử dụng “Phân loại độ sâu nước” theo Định nghĩa của Cơ quan quản ly khoáng sản thuộc Bộ Nội vụ Mỹ (US MMS - The Minerals Management Service) áp dụng cho vùng Vịnh Mexico (GOM), cụ thể như sau [2]:

1) Vùng nước nông (Shallow Water): từ 0 - 1000 ft (304,8 m) 2) Vùng nước sâu (Deep Water): từ 1000 ft - 5000 ft (1523,9 m) 3) Vùng nước cực sâu (Ultra-Deep Water): từ 5000 ft - 10 000 ft (3047,9 m).

Trên thế giới hiện nay, phần lớn sử dụng cách phân chia các vùng nước theo cách phân loại này. Tuy nhiên, việc phân chia vùng nước còn phụ thuộc vào thực tế khai thác dầu khí ở vùng biển của từng nước. Như ở Việt Nam, hiện nay đang phấn đấu thăm dò và khai thác các mỏ ở vùng nước sâu tới 200m.

3.2. Phân loại công trình biển Công trình biển có thể chia làm 2 loại chính, theo Buslov & Karsan, 1985, [1]), và được sử dụng rộng rãi hiện nay [2], như trình bày trên Hình 7: (1) Công trình biển cố định: gồm loại móng cọc và móng trọng lực, và (2) Công trình biển mềm: gồm công trình dạng trụ mềm và các công trình dạng kết cấu nổi có neo.

Loại công trình biển cố định chủ yếu sử dụng cho “vùng nước nông”, vì khi ra nước sâu, trọng lượng kết cấu tăng nhanh kéo theo tăng nhanh giá thành CTB. Mặt khác, về thi công sẽ gặp trở ngại như phải dùng cẩu rất lớn (Jacket Bullwinkle, 412m, ở vùng nước sâu, nặng 70 000 tấn, kể cả cọc), hoặc phải chia jacket thành một số khối nhỏ và dựng lắp tại mỏ. Đối với “vùng nước sâu đến cực sâu”, có độ sâu nước trên 400 m, các loại công trình biển mềm được chế tạo thay thế cho các CTBCĐ, đó là CTB dạng trụ mềm, công trình bán chìm, công trình neo đứng TLP, và các loại bể chứa kiểu SPAR, FPSO. Trên Hình 8 cho thấy mối quan hệ giữa độ sâu nước và giá thành công trình, cho phép lựa chọn loại kết cấu thích hợp khi ra vùng nước sâu.

12

Tµu chøa dÇu, tµu biÓn cã neo

c¸c lo¹i c«ng tr×nh biÓn(Classes of Offshore Platforms)

(Fixed Structures)ctb cè ®Þnh ctb mÒm

(Compliant Structures)

mãng cäc(Piled)

mãng träng lùC(Gravity)

d¹ng trô(Towers) (Moored Floating Units)

d¹ng kÕt cÊu næi cã neo

(neo ®øng)CT ''TLP''(neo xiªn)

CT b¸n ch×m Mãng cäcCã g¾n phao

(FPSO/moored vessels)(Semi-Submersible)

Hình 7: Phân loại công trình biển

Hình 8: So sánh tương đối về giá thành các loại CTB khi tăng độ sâu nước, gồm CTB cố định - Trụ mềm - TLP (A.Bernard, GEP, France, 1997).

13

3.3. Thành tựu các công trình biển nước sâu trên thế giới đến năm 2010 3.3.1. Các loại CTB nước sâu

Các loại CTB được sử dụng cho vùng nước sâu trên thế giới hiện nay, bao gồm:

1) CTB cố định (lớn nhất là 412 m)

2) Trụ mềm (lớn nhất là 531m)

3) TLP thế hệ mới (mini-TLP)

4) TLP truyền thống

5) Bán chìm (Semi-FPUs)

6) Trụ nổi kết cấu giàn (Truss Spar)

7) Trụ nổi cổ điển (Classic Spar)

8) Trụ nổi đa thân (Cell Spar)

9) Bể chứa nổi (hoán cải từ tàu biển, đóng mới, phi truyền thống)

10) Phao điều khiển và thiết bị đầu giếng ngầm liên kết với bể chứa nổi

Theo phân loại các CTB (Hình 5), các CTB2 đến CTB 9 đều thuộc loại CTB mềm, trong đó các CTB 3 – CTB9 được sử dụng cho các vùng nước sâu và cực sâu (từ 5000 feet /1.523,9m đến 10 000 feet/3047,9 m).

Hình 9 dưới đây giới thiệu các loại công trình biển nêu trên cho vùng nước sâu [2].

Hình 9a: Các loại công trình biển vùng nước sâu

14

Hình 9b: Các loại công trình biển vùng nước sâu

15

Hình 10 dưới đây giới thiệu các loại CTB và thiết bị ngầm kết hợp với CTB, để khai thác Dầu khí cho độ sâu nước tương ứng (nông - sâu - cực sâu), số liệu thống kê tới tháng 3/2010 [2].

Hình 10: Thành tựu các loại công trình biển ở các vùng nước khác nhau

Trong đó, các loại CTB chủ yếu & Thiết bị sử dụng cho các vùng nước sâu, gồm: (1) CTB cố định truyền thống (Conventional Fixed Deepwater Platforms): Ở

vùng nước nông và nước sâu tới 1650 ft, thực tế mới ở độ sâu 1350 ft (412 m) (Hình 11)

Hình 11: Một số công trình biển cố định truyền thống xây dựng ở vùng nước sâu

16

(2) CTB trụ mềm (Compliant/Guyed Towers): Có 3 kiểu trụ mềm (Compliant Tower - CT; Compliant Piled Tower - CPT; Compliant Guyed Tower - CGT), được sử dụng ở độ sâu từ 1000 ft - 3000 ft. Trên thế giới hiện có 4 CTB loại Trụ mềm, ở độ sâu nước từ 1000 ft (304,8m-GoM) đến 1754 ft (534,6 m-GoM). Giàn ChevronTexaco’s Petronius xây dựng vào năm 1998 ở độ sâu nước 1,754 ft GOM là giàn Compliant Towers có độ sâu lớn nhất trên thế giới (Hình 12).

Hình 12: Một số dạng công trình biển trụ mềm ở vùng nước sâu

(3) Bể chứa và rót dầu (FPSOs - Floating Production - Storage - Offloading Units: loại hoán cải từ tàu biển, loại chế tạo chuyên dụng, và loại phi truyền thống): dùng được cả 3 vùng nước ( 0 - 10000 ft), tuy nhiên thực tế mới sử dụng tới độ sâu 6000 ft, dự án tới 7500 ft.

Hiện nay có 15 FPSOs có độ sâu nước lớn nhất, ở độ sâu ít nhất P-54 (2006) - BR, 4315 ft (1315 m), và độ sâu lớn nhất Capixiba (2006)-SBM, 6578 ft (2005 m). H.13.

FPSO là loại được sử dụng rộng rãi từ vùng nước nông và đang dẫn đầu trong các loại CTB nước sâu, nên đã có nhiều công bố trong hầu hết các Hội nghị KH quốc tế về CTB, đưa ra các kết quả nghiên cứu nhằm hoàn thiện và phát triển FPSO đặc biệt cho vùng nước ngày càng sâu hơn, trong đó có phần về kết cấu nổi và các loại hệ thống neo, chống phá huỷ mỏi tích luỹ từ các sóng nhỏ (điển hình là kiểu TURRET ngoài và trong, đang được sử dụng phổ biển hiện nay).

17

Hình 13: Các dạng bể chứa và rót dầu FPSOs

(4) CTB neo đứng (TLPs) : dùng được cho cả 3 vùng, thực tế mới tới độ sâu 4760 ft, và dự án tới 9000 ft; gồm loại TLP truyền thống (Conventional TLPs), các loại thế hệ mới (Mini-TLP, Dàn Đầu giếng -TLWP ). Hiện nay có 23 CTB loại TLP, trong đó 2 CT ở vùng nước nông, 21 CT ở vùng nước sâu (từ 335 m đến 1425 m), 5 Mini-TLPs và 5 TLWPs; 15 TLPs ở vùng GoM, 3 TLPs ở Biển Bắc, 4 TLPs - Châu Phi và 1 TLP - Châu Á (Indonesia), tính đến 10/2005. Giàn TLP có độ sâu nước lớn nhất trên thế giới đó là giàn ConocoPhillips’ Magnolia (Garden Banks Block 783), xây dựng vào tháng 09/2004 tại độ sâu 4674ft (khoảng 1425 m). Hình 14.

Hình 14: Các dạng công trình biển neo đứng TLPs CTB neo đứng TLP là thế hệ CTB nổi ra đời sau CTB bán chìm neo xiên, được sử

dụng khá phổ biến cho vùng nước sâu, nên đã có nhiều nghiên cứu để hoàn thiện và phát triển các thế hệ mới, đặc biệt là điều khiển tối ưu lực căng trước trong hệ neo đứng để giảm dao động và khống chế rủi ro khi 1 dây neo bi đứt trong bão cực hạn .

18

(5) Trụ nổi có neo các loại (Spars, DDFs, DDCVs, SCFs): ở vùng nước sâu và cực sâu, thực tế tới độ sâu 5600 ft, dự án tới 10000 ft;

Hiện nay có 15 SPARs, trong đó CTB ở độ sâu ít nhất là Neptune (1996), 1930 ft (588 m) và CTB ở độ sâu lớn nhất là Devils Tower (2004)-Dominion ở độ sâu 5610 ft (1710m). Hình 15.

CTB loại spar đã phát triển 3 thế hệ: Thế hệ 1 - “Classic Spar”; Thế hệ 2- “Truss Spar”; Thế hệ 3 - “Cell Spar” TECHNIP và “Wet Tree Spar” SparTEC. Loại này được

phát triển gần đây với đa chức năng (vừa khai thác và chứa đựng), sử dụng hiệu quả cho vùng nước sâu và cực sâu. Một số nghiên cứu mới đây về sử dụng Spar để khai thác các mỏ nhỏ vùng nước sâu, đánh giá phản ứng động bậc 1 và 2 của Truss Spar và nghiên cứu điều kiện địa kỹ thuật để thiết kế neo của Spar.

Hình 15: Các dạng công trình biển trụ nổi SPARs

(6) CTB bán chìm - Dàn khai thác (Semi-FPSs): Là các kết cấu giàn bán chìm, phần nổi đủ trọng lượng để cho công trình luôn giữ ở trạng thái thẳng đứng. Những giàn bán chìm có thể di chuyển được tới các vị trí khác nhau. Chúng có khả năng hạ thấp hoặc nổi lên nhờ vào sự điều chỉnh của những thùng chìm. Tuy nhiên nói chung trong quá trình hoạt động (khoan khai thác) thì những giàn này đều được neo giữ bởi hệ thống cáp neo nhằm tăng tính ổn định. Giàn sử dụng cho vùng nước có độ sâu thay đổi từ 600 đến 6000 feet (khoảng 180 đến 1800 m). Ví dụ, Independence Hub - giàn bán chìm ở độ sâu nước 8000 feet (khoảng 2438m). Hình 16.

19

Hình 16: Các dạng công trình biển bán chìm (Semi-FPSs).

Semi-FPS là loại CTB nổi neo xiên dùng trong khai thác đa chức năng (công nghệ sơ chế, chứa đựng) được sử dụng phổ biến cho vùng nước sâu và cực sâu, nên cũng được thường xuyên nghiên cứu hoàn thiện cả về mặt lý thuyết và thực nghiệm trên mô hình, đặc biệt là hệ thống neo giữ để làm giảm độ rung lắc của giàn khi chịu tác động của sóng bão.

(7) Phao điều khiển / Thiết bị đầu giếng ngầm (Control Buoy/ Subsea tieback): ở cả 3 vùng nước. 3.3.2. Phân phối số lượng các CTB mềm theo thời gian Trên Hình 17 cho hình ảnh về số lượng các loại CTB mềm được sử dụng trong các giai đoạn [2]: (1) 1980-1989; (2) 1990- 1994; (3) 1995 – 1999; (4) 2000 – 2004; (5) 2005 – 2009; (6) 2010 – 2015 (dự báo). Trong đó khối các loại CTB mềm được xếp từ trên xuống dưới:

1) Các loại Trụ mềm (Compliant Towers) 2) Các trụ nổi (Spar) / Trụ có mớn nước sâu (DDCV) 3) Giàn neo đứng (TLPs) 4) Giàn Bán chìm (Semi-FPUs) 5) Bể chứa nổi (FPSOs)

20

Hình 17: Phân phối số lượng các loại CTB mềm được sử dụng trong các giai đoạn

1980-2015 [2].

Nhận xét: Loại Bể chứa nổi (FPSO) chiểm ưu thế tuyệt đối khi ra biển sâu và cực sâu,

tiếp theo là loại Giàn bán chìm, Giàn neo đứng TLP, rồi đến Trụ nổi Spar.

3.3.3. Phân phối số lượng các CTB mềm theo vùng biển

Trên Hình 16 cho số lượng các loại CTB mềm đang được sử dụng tại các vùng

biển khác nhau, tại thời điểm tháng 3/2010 [2].

21

Hình 18: Phân phối số lượng các loại CTB mềm đang được sử dụng tại các vùng biển

khác nhau, tới thời điểm tháng 3/2010.

Nếu kể tất cả các vùng biển và các CTB mềm đã dựng lắp, tổng số CTB mềm trên thế giới tính đến tháng 3/2010 là 262 công trình. Nhận xét: Phân bố tỷ lệ từng loại CTB mềm + Loại FPSO : 65 %

+ CT bán chìm : 17,5 % + CT Spar : 6,5 % + CTB neo đứng TLP: 9,5 % + CTB trụ mềm: 2,5%

22

Số lượng các CTB mềm đang khai thác/dựng lắp ở các vùng biển được nêu trong bảng sau. Số lượng từng loại CTN mềm phân bố tại các vùng biển

Loại CTB Trụ mềm TLP Spar

Semi-FPU

FPSO Tổng cộng Vùng biển

Canada 2 2 Vịnh Mexico 3 16 17 4 8 48 Brazil 1 21 33 55 Biển Bắc 3 15 25 43 Tây Âu 1 1 Bắc Phi 5 5 Tây Phi 2 4 1 38 45 Nam Phi 1 1 Trung Quốc 1 17 18 Ấn Độ 1 1 2 Đông Nam Á 1 1 1 22 25 Úc 17 17 Tổng cộng 5 25 18 44 170 262 Tỷ lệ % 2,5 9,5 6,5 17,5 65 100%

4. Đặc điểm chung của các công trình biển mềm và phương tiện nổi 4.1. Đặc điểm các công trình biển nổi 1) Các CTB mềm đều có “liên kết mềm” với đáy biển: thể hiện bởi chu kỳ dao động riêng lớn nhất (Tmax) của kết cấu lớn hơn chu kỳ lớn nhất trong dải chu kỳ của sóng biển (từ 2 – 20 sec). Hình 19 minh họa các CTB mềm luôn nằm bên phải của đường cong phổ sóng biểu diễn theo chu kỳ, ngược lại, CTB cố định (Fixed Jacket) có liên kết cứng với đáy biển nên chu kỳ cơ bản luôn nằm ở bên trái đường cong phổ sóng. 2) CTB mềm có chuyển vị tựa tĩnh lớn (vì liên kết mềm), nhưng chuyển vị động có thể khống chế để có giá trị nhỏ, bằng cách thiết kế kết cấu sao cho có chu kỳ dao động riêng nằm xa vùng chu kỳ sóng.

23

Hình 19: Minh hoạ Chu kỳ cơ bản của các CTB mềm ở bên phải đường cong phổ sóng 3) Các CTB mềm dạng nổi phục vụ khai thác có 2 trạng thái: + Trạng thái có neo giữ: là trạng thái “hoạt động” của công trình, phải được tính toán thiết kế sao cho đảm bảo công trình hoạt động được an toàn trong suốt cả thời gian vận hành công trình, hoặc thời gian khai thác mỏ; + Trạng thái di chuyển: là trạng thái “nghỉ” của công trình, với hệ neo được nhổ lên, để đưa công trình đến “hoạt động” tại vị trí khác, hoặc kéo vào bờ để duy tu sửa chữa.

4.2. Đặc điểm các phương tiện nổi Các phương tiện nổi như các tàu biển hoặc xà lan dịch vụ các hoạt động thi công

CTB, sửa chữa các CTB, dịch vụ chuyên chở cung cấp ống cho tàu thả ống. Các phương tiện nổi cũng có 2 trạng thái: + Trạng thái di chuyển: là trạng thái “hoạt động chủ yếu” của phương tiện nhằm

đưa “đối tượng vận chuyển” đến vị trí mới trên biển, phải được tính toán thiết kế sao cho phương tiện được an toàn (ổn định của phương tiện trên biển, an toàn cho đối tượng vận chuyển) trên suốt hành trình vận chuyển. + Trạng thái cố định: là trạng thái “nghỉ”, phương tiện nổi được neo đậu để chuyển giao đối tượng vận chuyển ở vị trí mới. Nhận xét: Tính chất của 2 trạng thái cố định và di chuyển của CTB mềm dang nổi và phương tiện nổi là ngược nhau.

24

5. Phạm vi và nội dung nghiên cứu các công trình biển mềm và phương tiện nổi Trong phạm vi của bài giảng sẽ đề cập:

1) Các loại CTB mềm: chỉ xét các loại CTB nổi hiện đang được sử dụng rộng rãi: (1) CTB bán chìm phục vụ khai thác mỏ (Semi-Submersible/ Semi-FPU= Semi- Floating Production Unit) (2) Bể chứa nổi (FPSO- Floating Production, Storage and Offloading System) (3) CTB neo đứng (TLP- Tension Leg Platform) Nội dung nghiên cứu: + Cấu tạo và vận hành công trình + Xác định các loại tải trọng môi trường (chủ yếu mô hình sóng tiền định) + Bài toán tựa tĩnh và động + Tính toán kiểm tra bền và mỏi (dựa trên Tiêu chuẩn API [4]) 2) Phương tiện nổi: + Phân loại phương tiện nổi (chủ yếu là các loại tàu biển) + Vai trò PTN trong hoạt động CTB + Mô tả cấu hình phương tiện nổi + Ổn định tĩnh của tàu biển + Ổn định động của tàu biển 6. Phần thực hành: Tiểu luận: Tính toán hệ thống neo của Giàn bán chìm / FPSO

25

Tài liệu tham khảo (Chương 1) [1] Zeki Demirbilek, (1989). Tension Leg Platform: An Overview of the Concept, Analysis, and Design. TLP – A state of the Art Review, The Task Group on Compliant Offshore Platforms. ASCE – The American Society of Civil Engineers.

[2] Lindsey Wilhoit and Chad Supan, Mustang Engineering, (2008). 2010 Deepwater Solutions & Records for Concept Selection. Offshore Magazine, May 2010, Houston, USA.

[3] Minoo H Patel, Joel A Witz, University College London (2007). Compliant Offshore Structures. Butterworth-Heinemann Ltd, Oxford.

[4] API RP 2SK, (2005), Recommended Practice for Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures. 3rd Edition.

[5] Phạm Khắc Hùng, (2009). Báo cáo đánh giá tổng hợp về sự phát triển các loại công trình biển nước sâu trên thế giới và dự báo nhu cầu xây dựng các CTB nước sâu ở VN trong thời gian tới. Đề tài NCKH cấp Nhà nước KC.09.15/06-10, Sản phẩm 1/2009.

[6] Đinh La Thăng, Chủ tịch Tập đoàn Dầu khí QG.VN, (2007). Xây dựng Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam trở thành tập đoàn kinh tế mạnh của đất nước. Tạp chí Dầu khí , số 1-2007.

[7] Phạm Khắc Hùng, (2005). Tổng hợp CTB mềm loại neo đứng TLP bằng thép và bê tông cốt thép ở các độ sâu nước trên 200m, nguyên tắc thiết kế và thi công. Chuyên đề 01, Sản phẩm 9, Đề tài KHCN cấp Nhà nước KC.09.16.

[8] Nguyễn Huy Quý (2006). Nghiên cứu cấu trúc địa chất và địa động lực làm cơ sở đánh giá tiềm năng dầu khí ở các vùng biển sâu và xa bờ của Việt Nam. Báo cáo kết quả NCKH Đề tài cấp NN KC.09.06, Tuyển tập các kết quả chủ yếu của Chương trình KC.09, Tập I.