70 年海洋油氣開發的光輝成就 : 為什麼歐美的石油公司都特別會賺錢?

石油與天然氣產業已在海洋中進行了 70 年的探索 (1954 - 2024)。這是一段令人驚嘆的歷程，人類勇敢地深入海洋深處，開採隱藏在海床下的石油和天然氣。本文回顧了離岸石油與天然氣開發的歷程，並介紹了 70 年來每次技術進步的重要時刻。

1950 年代的首次浮動式鑽井

故事始於墨西哥灣，當德克薩斯州和路易斯安那州的陸上石油生產資源開始枯竭時，工程師們創造了第一個可移動的離岸鑽井平臺，名為「Mr. Charlie」，該平臺於 1954 年開始在淺水進行鑽井。Mr. Charlie 是一種特製的半潛式駁船，在運到指定位置時能漂浮。為了在 40 英尺深的水域開始鑽井作業，它進行艙體注水操作，以便能夠穩定底坐在海底。然而，嚴格來說，這並不算是真正的「浮動」鑽井。真正的「浮動」鑽井船是由加利福尼亞標準石油（Standard Oil of California，現為雪佛龍股份有限公司）擁有的「Western Explorer」（圖 1），該船於 1955 年在美國聖塔芭芭拉外海 (Santa Barbara Channel) 開始鑽井，可以視為浮動鑽井歷史上的首個里程碑。圖 1 中船體周圍可以隱約看到繫泊線。

（圖 1）歷史上的第一艘海上浮動式鑽井平臺與現代的半潛式鑽井浮臺作對比
（來源：Laborde 及 Transocean）

以 Mr. Charlie（底部基礎）和 Western Explorer（浮動）為首批離岸鑽井平臺，另一個概念以「自升式升降平台」的形式出現。這種類型的平臺在船體下方有多條支腿。到達鑽井位置後，這些支腿會下降到海底，然後船體會被抬升離開水面，透過這種方法，可以提供一個穩定的鑽井平台。1956 年建造的第一個自升式升降平台可以在 80 英尺深的水中鑽井；在 1990 年代，設計和建造了強化型自升式升降，能在超過 400 英尺的深水域中鑽井。

石油公司意識到在墨西哥灣更深且多風暴的水域中，需要一個更「不晃動」的浮動鑽井平台。他們注意到像 Mr. Charlie 這樣的半潛式浮臺，在漂浮時的運動比一般肥胖的船舶小得多，給予他們一個新的想法，即是將繫泊系統安裝在潛水式浮臺上，將其轉換為浮動的半潛式平臺。因此，在 1961 年，Bluewater I 潛水浮臺被改裝為半潛式浮臺，隨後出現了全新打造的第一個半潛式浮臺 Ocean Driller。Ocean Driller 於 1963 年開始為德州石油（被雪佛龍合併）進行鑽井工作，該浮臺設計可用於大約 300 英尺深的水域。

1960 - 1990年鑽井船的技術升級與突破

在 1960 年代，鑽井駁船的擁有者使用由鋼索連接到 6 個或 8 個錨的繫泊系統，成為了船體在水域中停留的常見做法。在這 10 年間，這些繫泊系統使浮動平臺能夠在比自升式升降平台到更深的水域中鑽井，因此繫泊系統設計開始向深水域挑戰。因為天氣導致的船隻偏移會使船下方的鑽井導管彎曲（圖 3），甚至導致導管損壞。因此，繫泊需要仔細設計分析，以確保鑽井導管能夠與海底的防噴器 (BOP) 連接。自那時起，深海繫泊成為了石油業界的一個重要工程學科，鑽井半潛式平臺在接下來的幾十年中，經歷了好多個設計上的重要變革。在 1970 年代初，第二代半潛式平臺配備了更先進的繫泊和海底鑽油設備，可適用於 600 英尺或更深的水域；然而在 1980 年代後期，又出現了更多第三代的半潛式平臺設計，第三代能夠在超過 3,000 英尺的深水域中繫泊和進行鑽井操作。這些平臺的排水量從 1970 年代的約 18,000 噸，增加到 1980 年代的逾 40,000 噸，在 1990 年代後期，第五代平臺的排水量甚至超過了驚人的 50,000 噸。圖1 右邊為第五代鑽井半潛式平臺。

（圖 2）作者準備登上大型安錨船；作者在某個海上油田安裝先進的聚酯繫泊纜繩

1990 年代深海石油勘探技術的突飛猛進

最初，浮動鑽井是在不到 100 英尺的淺水中進行的，然後逐漸移向稍深的水域。到 1980 年代初期，鑽井船隻的繫泊可以達到幾百英尺的水域。在那段時期，鋼索和鏈條是每次繫泊作業中使用的組件。自當時以來，繫泊技術又有了卓越的改進。現在，在更深的水域中，鑽井甚至可以由配備動態定位 (DP) 系統的船隻進行，動態定位系統使用計算機控制的電動螺槳推進器 (thrusters)，來抵抗風、浪和水流的影響。

（圖 3）浮台過度漂移可能導致鑽井導管彎曲；作者在美國某工廠檢查正要出廠的鑽井導管
（來源：Stress Engineering 提供）

另一方面，深水繫泊的一個重大突破是合成纖維材料的應用，由于鋼鐵制造的錨鏈極為笨重，這種輕質的材料讓鑽井船隻的繫泊也能進入更深的水域中運作。1990 年代初期開始對聚酯和其他人工纖維進行了深水繫泊研究，研究表明，聚酯纜繩具有適合用作繫泊線的低重量和低剛度特性。1990 年代中期，巴西國家石油公司 (Petrobras) 首次成功使用聚酯纜繩在永久繫泊系統中，然而至現今，聚酯繫泊已成為全球深水浮動式產油平臺中最常用的繫泊材料。

除了聚酯繫泊，還有其他的技術進步讓此行業在過去 50 年中成功地進入深水區。例如，海錨在早期的浮動鑽井中僅使用小型傳統拖錨，現今的高效拖錨已可用於鑽井作業，能承受高垂直負荷 (vertical loads) 的強化錨，如吸力錨樁 (suction piles) 也被廣泛使用。這些技術進步使離岸油氣行業能夠進入非常深的海域和抵抗更惡劣的海洋環境。

2000 年代的深海鑽探與產油平臺的全盛爆發期

由於探勘鑽井通常持續作業 30 至 90 天，因此船隻需要定期從一個場址移動到下一個探勘場址，頻繁的移動使繫泊系統在重新部署上必須高度機動且容易。離岸鑽探作業必須由移動式離岸鑽探平臺進行，這些單位至少可分為 3 種類型：自升式駁船 (jack-up barge)、半潛式鑽井平臺 (semi-submersible drilling platform) 和鑽井船。自升式駁船利用其垂直腿部站立在海床上，並將船體抬升至海面之上，因此可能不被視為「浮動」鑽探的船隻類型。然而，由於腿部長度有限，自升式駁船只能在淺水區域工作；另外兩種類型則使用繫泊系統或動態定位系統 (Dynamic Position, DP) 來保持位置，使其能夠在深水區探勘。

（圖 4）石油公司從全球離岸油田發生過的繫泊事故中累積教訓和經驗

大多數浮動鑽井平臺屬於半潛式類型，具有良好的穩定性和抗風浪特性。由於其船體結構吃水深，半潛式平台的浮力大部分來自於位於海面下的浮筒，因此受到的波浪負荷較船型鑽井平臺小。鑽井作業是透過與海底防噴器連接的鑽井立管來進行，近年來，用於超深水（例如 8,000 英尺）的鑽井作業可能需要近百根立管，半潛平台因此變得非常龐大。鑽井船的情況類似，可在深水中操作，亦可以使用係泊系統或動態定位，在浮動鑽井作業中有著存在悠久的歷史。由於船形船隻的運動特性相對較差，如今很少使用係泊系統，大多使用動態定位。近年來，深水和超深水的鑽井船變得非常大，並配備了先進的動態定位系統。這些動態定位系統將鑽井船的海面位置維持在一個小圓圈內，能夠確保鑽井作業的順利進行。

浮動式「產油」平臺於深海水域的安裝在 2000 年代進入全盛爆發期，邁向 6,000 - 8,000 英尺的深水區域，為大規模的深水油田建造了許多生產平台。自 1940 年代末以來，石油和天然氣一直在離岸地區生產，最初使用的底部基礎結構，如固定式平台和順應塔式平台 (Compliant Tower)，其水深限制約為 1,000 - 1,800 英尺。隨著勘探和生產轉向更深的海域和更遠的地點，4 種類型的浮動式平臺開始被成功應用：浮筒式 (SPAR)、半潛式平台 (semisubmersible)、張力腿平台 (TLP) 和海上浮式生產儲油平臺 (FPSO) ，4 種類型各自經歷了顯著增長，其中尤其是 FPSO 的安裝，其數量遠超其他 3 種類型。

(作者科普註解: 產油平臺與鑽井平臺是兩種用途截然不同的海洋平臺，前者是石油公司自己建造的資產，在海上安置 20 到 30 年，長期生產油氣，後者是鑽井服務公司提供租用的移動式平臺，通常花 3 到 4 個月在一個地點鑽井，之后就陸續移動到其他地點工作。) Offshore Oil Production Matured in 2010s

2010 年代的深海油氣生產技術的全面成熟

固定式平台只能用於在水深達約 1,200 英尺的海域生產油氣，而浮動式產油平臺因應了深水勘探的需求，從多個繫泊失敗吸取經驗並得到修正，浮動式產油平臺現今已然成為了一項成熟技術，能夠在超過 8,000 英尺水深的海域生產油氣。前述主要的 4 種浮動生產平台類型－浮筒式平台 (SPAR)、半潛式平台 (semi-submersible)、張力腿平台 (TLP) 和浮式生產儲油平臺 (FPSO) ，在過去的 30 年中已廣泛被使用，累積了大量的相關經驗，並汲取教訓，現今技術已經非常成熟。

（圖 5）三種常見的深海產油平臺，浮筒式平台、半潛式平台和浮式生產儲油平臺
（圖片來源：Technip、Aker Solutions 和 Bluewater）

浮筒式 (Spar) 是一種適合於深水中的浮動生產平台。浮筒式平台的深吃水設計使其不易受海浪影響，因此有較好的運動特性，使其能夠進行技術較高的乾井（平臺甲板設備）產油，不用局限於濕井（海床設備）產油。經典的浮筒式平台包括一個大直徑的單一垂直圓筒，支撐著高甲板，圓筒底部由一個艙室壓艙以提高穩定性，透過散佈式繫泊系統 (spread mooring system) 永久地錨定在海床上。

半潛式平台，簡稱為半潛式，是一種專門設計用於離岸鑽井、生產、住宿或綜合功能型平台。當油井由鑽井船鑽探完工後，半潛式平台會被拖曳到現場，並與永久錨系統連接。半潛式平台提供了穩定且具成本效益的作業平台，且因其寬敞的甲板區域可容納大型甲板設備，以及在碼頭邊進行頂部與船體整合的便利性，半潛式為現今較廣受石油業界歡迎的平台。

張力腿平台的概念是一種適合水深在 1,000 至 5,000 英尺之間的垂直錨定浮動平台，平台由腱索永久錨定，這些腱索有效消除了平台的大部分垂直運動，使平台能將生產井口置於甲板上，並直接透過剛性立管 (rigid risers) 與海底井連接，這些腱索造價高昂，所以水深過深的區域，這種平臺就可能不符成本。而且，須注意其安裝較為困難，需要小心精確地處理安裝程序。

浮式生產儲油平臺 (FPSO) 系統是一種船型平台，用於生產和儲存原油，FPSO 船隻設計用於接收來自油井生產的石油，因此在甲板上配備有油氣的處理設備，並可儲存原油直到卸載至穿梭油輪 (Shuttle tanker) 或運輸管道。FPSO 在全盛時期，全球部署近 300 艘，被廣泛選用，數量遠超過其他類型平台。

作者後記：
在國外石油公司任職這麼多年，親身體驗了石油公司的運作，心中總是有許多感想，以下分享個人淺見。

感想一，歐美的大型石油公司各個有活力，總是積極主動的到世界各國的海域進行鑽油探勘的工作，目的就是要為公司開發出新的油田，這裡面每個成功的案子，都讓公司賺取巨大的利益，而公司頂層主管必須經常去華爾街做匯報，繳出成績單，證明公司有對投資者創造了高利潤。

感想二，歐美這些石油公司非常鼓勵新的技術發展，並且勇於嘗試新技術，數十年的技術更新，累積下來，已經創造了一個高深技術的產業鏈，在美國休士頓、英國阿伯丁、以及荷蘭等地建立了強大的工業聚集區，這些地方的產值以及就業人數都非常可觀，替他們國家的經濟注入強大的動力。

感想三，美國政府在百年前的遠見，以及當時果敢地運用公權力。這要回溯到 1911 年，當時在美國一家獨大的「標準石油公司」，硬生生被政府拆散成數家公司，聯邦政府最高法院判定該公司的獨家壟斷不利於商業發展，將其拆散成幾家公司。這個事情在百年之後回頭一看，著實讓我佩服美國政府當時的遠見與果敢，因為這些子公司在此之后，多年互相激烈競爭，追求進步，結果讓美國在這個工業領域成為世界第一的技術強權。