張 輝,王慧琴,王寶毅
(中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司工程設(shè)計(jì)院,北京 100028)
國(guó)外SPAR平臺(tái)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)
張 輝,王慧琴,王寶毅
(中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司工程設(shè)計(jì)院,北京 100028)
立柱式生產(chǎn)平臺(tái) (SPAR)是近年發(fā)展起來(lái)的應(yīng)用于深水的浮式平臺(tái)之一,國(guó)內(nèi)對(duì)SPAR平臺(tái)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)的研究還處于起步階段。文章對(duì)國(guó)外現(xiàn)有17座SPAR平臺(tái)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜述,對(duì)SPAR平臺(tái)的發(fā)展、整體組成和主要特點(diǎn)進(jìn)行了研究,介紹了SPAR平臺(tái)的作業(yè)海域、作業(yè)水深、平臺(tái)尺度等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù),對(duì)平臺(tái)上部組塊的功能和配置進(jìn)行了對(duì)比分析。通過(guò)分析明確了當(dāng)前國(guó)外SPAR平臺(tái)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì),以期能夠?qū)?guó)內(nèi)相關(guān)項(xiàng)目的開(kāi)展起到借鑒和指導(dǎo)作用。
海洋平臺(tái);立柱式生產(chǎn)平臺(tái);深水;上部組塊;關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)
隨著人類開(kāi)發(fā)海洋油氣的步伐逐漸邁向深海海域,很多新型的海洋平臺(tái)被不斷開(kāi)發(fā)出來(lái)并投入深水鉆井和采油作業(yè),SPAR平臺(tái)就是近年發(fā)展起來(lái)的應(yīng)用于深海的浮式平臺(tái)之一。自20世紀(jì)90年代以來(lái),SPAR平臺(tái)被應(yīng)用于開(kāi)發(fā)深海油氣資源作業(yè)中,擔(dān)負(fù)了鉆探、生產(chǎn)、海上原油處理、石油儲(chǔ)藏和裝卸等各種工作,被很多石油公司視為下一代深水平臺(tái)的發(fā)展方向之一。
目前世界上常用的深水生產(chǎn)裝備有FPSO、半潛式生產(chǎn)平臺(tái)、SPAR、TLP等。SPAR平臺(tái)相對(duì)于其它深水浮式生產(chǎn)平臺(tái),具有穩(wěn)性好、運(yùn)動(dòng)性能更優(yōu)的特點(diǎn)。SPAR是一種深吃水平臺(tái),因其重心位于浮心下方而具有恒穩(wěn)性,惡劣海洋環(huán)境條件下安全性具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。由于吃水深、水線面積小,SPAR平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)比半潛式平臺(tái)小,與張力腿平臺(tái)相當(dāng),在系泊系統(tǒng)和主體浮力控制下,具有良好的運(yùn)動(dòng)特性,特別是垂蕩運(yùn)動(dòng)和漂移小,適合于深水錨泊定位,對(duì)系泊系統(tǒng)和立管的相關(guān)技術(shù)要求相對(duì)較低,工程成本具有明顯優(yōu)勢(shì)。特別因其優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)性能,使SPAR成為目前主要的適用深水干式井口作業(yè)的浮式平臺(tái),可大大降低運(yùn)營(yíng)周期內(nèi)的維護(hù)費(fèi)用,深受業(yè)主青睞,具有非常好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。
目前,世界上建成的SPAR平臺(tái)有三種類型,按出現(xiàn)的時(shí)間順序分別是:傳統(tǒng)型 (Classic SPAR)、 桁架型 (Truss SPAR)、 蜂巢型 (Cell SPAR),如圖1所示。

圖1 現(xiàn)有SPAR平臺(tái)分類
這三種類型的平臺(tái)的主體部分都可以劃分為硬艙、中間段、軟艙三部分。其中硬艙的作用主要是提供浮力,保護(hù)中央井及立管,提供可變壓載;軟艙的作用主要是提供固定壓載,降低平臺(tái)重心;傳統(tǒng)型SPAR的中間段可以儲(chǔ)油,桁架型和蜂巢型SPAR的中間段主要起連接作用,同時(shí)位于中間段的垂蕩板還可以起到增加附加質(zhì)量、降低垂蕩響應(yīng)、延長(zhǎng)固有周期的作用。固定壓載艙室一般位于軟艙底部,主要起到降低平臺(tái)重心的作用;可變壓載艙室一般位于軟艙上部及硬艙底部,主要起到調(diào)節(jié)平臺(tái)平衡、改變平臺(tái)吃水的作用;其他部分的艙室一般為空艙。
SPAR平臺(tái)目前在國(guó)際上屬于高度壟斷的技術(shù),僅有Technip和J.Ray.McDermott兩家公司能夠進(jìn)行完整的設(shè)計(jì)、建造、安裝,已投入使用的17座SPAR平臺(tái)都出自這兩家公司,其技術(shù)壁壘很高,專利費(fèi)用高昂[1]。
中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司工程設(shè)計(jì)院作為工信部 “立柱式生產(chǎn)平臺(tái) (SPAR)關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)研究”課題的參研單位,負(fù)責(zé) “SPAR平臺(tái)功能及設(shè)備確定”、 “SPAR平臺(tái)作業(yè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)”、“SPAR平臺(tái)上部組塊方案設(shè)計(jì)”和 “SPAR平臺(tái)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究”專題的研究開(kāi)發(fā)工作。通過(guò)課題研究完成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)SPAR平臺(tái)設(shè)計(jì)方案并形成工程項(xiàng)目需要的初步開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù)能力,為將來(lái)工程項(xiàng)目提供技術(shù)參考和與國(guó)外技術(shù)機(jī)構(gòu)相銜接所必需的技術(shù)基礎(chǔ),盡快提高國(guó)內(nèi)海洋工程裝備的制造能力,對(duì)國(guó)家資源安全有著重要意義。
SPAR平臺(tái)技術(shù)應(yīng)用于海洋開(kāi)發(fā)已經(jīng)超過(guò)30年的歷史,但在1987年以前,SPAR平臺(tái)主要是作為輔助系統(tǒng)而不是直接的生產(chǎn)系統(tǒng)。到目前為止SPAR平臺(tái)已經(jīng)發(fā)展到第三代:
第一代傳統(tǒng)型SPAR平臺(tái) (Classic SPAR)的主要特點(diǎn)是主體為封閉式單柱圓筒結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)外形巨大。世界上第一座傳統(tǒng)型SPAR平臺(tái)是于1996年建成的Neptune平臺(tái)。傳統(tǒng)型SPAR平臺(tái)共有三座,其他兩座分別是1999年建成的Genesis平臺(tái)和Hoover/Diana平臺(tái),其中Genesis平臺(tái)也是世界上第一座配備鉆井模塊的同時(shí)具備鉆采功能的SPAR平臺(tái)。
第二代桁架型SPAR平臺(tái) (Truss SPAR)解決了Classic SPAR平臺(tái)由于其主體尺寸較大、有效載荷能力不高、平臺(tái)建造成本較大等問(wèn)題。與Classic SPAR相比,Truss SPAR的最大優(yōu)勢(shì)在于其鋼材用量大大降低,從而能有效地控制建造費(fèi)用,因此得到廣泛的應(yīng)用。世界上第一座Truss SPAR平臺(tái)是于2001年建成的Nansen平臺(tái) (見(jiàn)圖2)。Truss SPAR平臺(tái)是目前建成使用最多、應(yīng)用最為廣泛的SPAR平臺(tái)類型。
由于第一代和第二代SPAR平臺(tái)體積龐大,造價(jià)昂貴,而實(shí)際工程要求降低造價(jià)、體積和提高平臺(tái)的承載效率,第三代SPAR平臺(tái)為此對(duì)主體結(jié)構(gòu)做了進(jìn)一步的改進(jìn)。Cell SPAR平臺(tái)采用組合式主體結(jié)構(gòu)以取代SPAR平臺(tái)傳統(tǒng)的單圓柱主體結(jié)構(gòu),組裝時(shí)以一個(gè)小型圓柱為中心,將其他的圓柱體環(huán)繞捆綁在該中心圓柱體上,形成一個(gè)蜂巢形(Cell)的主體結(jié)構(gòu)。世界上唯一一座Cell SPAR平臺(tái)是2004年建成的Red Hawk平臺(tái) (見(jiàn)圖3)。

在已投入使用的17座SPAR平臺(tái)中,桁架型(Truss SPAR)有13座,是當(dāng)前世界上應(yīng)用最為廣泛的SPAR平臺(tái)。典型的SPAR平臺(tái)主要由四部分組成:上部組塊、主體、系泊系統(tǒng)和立管系統(tǒng),如圖4所示 (以桁架型SPAR平臺(tái)為例)。
三種類型SPAR平臺(tái)的上部組塊布置基本相似,SPAR平臺(tái)上部組塊通常由兩層至四層矩形甲板桁架結(jié)構(gòu)組成,依據(jù)平臺(tái)的功能定位配備有鉆修井模塊、柴油發(fā)電機(jī)組、吊機(jī)、油氣處理裝置、生活樓和直升機(jī)甲板等設(shè)施,可以進(jìn)行鉆井、修井、油氣處理等其他組合作業(yè)。依據(jù)平臺(tái)功能定位可以將上部組塊分為鉆 (修)井甲板、中間甲板、生產(chǎn)甲板和底層甲板,鉆 (修)井甲板鉆臺(tái)面布置絞車、轉(zhuǎn)盤等鉆井設(shè)備和司鉆房;中間甲板布置生活區(qū)、公用設(shè)施等,提供鉆井井架、直升機(jī)甲板支撐;生產(chǎn)甲板布置油氣處理裝置、生產(chǎn)設(shè)備、操作間、控制間等;底層甲板布置柴油發(fā)電機(jī)組、井口和井口裝置等,并提供與下部主體的連接支撐。

圖4 SPAR平臺(tái)典型整體組成
傳統(tǒng)SPAR平臺(tái)的主體是一個(gè)大直徑、大吃水的具有規(guī)則外形的浮式柱狀結(jié)構(gòu)。硬艙位于主體的上部, 是整個(gè)平臺(tái)系統(tǒng)的主要浮力來(lái)源。硬艙為多層多艙結(jié)構(gòu),每一層都由水密甲板分隔,而每一層又由從中央井的拐角處伸出的徑向防水壁進(jìn)一步地分為四個(gè)隔艙,以提高主體的抗沉性。用于儲(chǔ)藏柴油、原油、甲醇、飲用水等的容器通常建在平臺(tái)硬艙的頂部。位于水線處的艙層還包含有附加的雙層防水壁結(jié)構(gòu)以降低平臺(tái)由于船只碰撞破損后的灌水體積;中間部分是儲(chǔ)存艙,用以儲(chǔ)存平臺(tái)生產(chǎn)的油氣;在平臺(tái)建造時(shí),主體底部為平衡/穩(wěn)定艙,當(dāng)平臺(tái)拖航就位后準(zhǔn)備開(kāi)始生產(chǎn)時(shí),這些艙則轉(zhuǎn)化為固定壓載艙,主要用來(lái)降低重心高度;底部艙層通常作為可變壓載艙,用于吃水控制,其他艙層作為固定浮艙;另外,在主體的外殼上還裝有2~3列側(cè)板結(jié)構(gòu),沿整個(gè)主體的長(zhǎng)度方向呈螺旋狀布置。螺旋形側(cè)板能夠?qū)?jīng)過(guò)平臺(tái)圓柱形主體的水流起到分流作用,從而可以減少平臺(tái)的渦激振動(dòng)。
桁架式SPAR平臺(tái)的主體部分由硬艙、桁架和軟艙組成,以桁架結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)式SPAR平臺(tái)柱體的中部結(jié)構(gòu),作為硬艙與軟艙之間的剛性連接。桁架結(jié)構(gòu)有效地降低了平臺(tái)主體在豎直平面上的投影面積,從而降低平臺(tái)的水平外力載荷,減小了在水平方向上的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。桁架上水平設(shè)置的垂蕩板增加了平臺(tái)在垂蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)的附加質(zhì)量和阻尼,降低了平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)的固有頻率,從而減少了與波浪頻率發(fā)生共振的可能性;平臺(tái)主體在桁架以下的部分為軟艙,位于平臺(tái)的最底部。在安裝階段,軟艙為平臺(tái)主體在水中水平漂浮提供浮力。平臺(tái)豎立后,固定壓載將存放于軟艙,可以降低平臺(tái)重心,使得平臺(tái)重心低于浮心從而保證平臺(tái)的無(wú)條件穩(wěn)性。
蜂巢型SPAR平臺(tái)的主體由一束圓柱體通過(guò)其空隙間的水平和垂直的結(jié)構(gòu)單元連接而成。其上部硬艙由多個(gè)外圓柱圍繞1個(gè)中心圓柱組成,上部圓柱提供整體所需浮力;下部由外圓柱中的3個(gè)延伸到底部的圓柱腿構(gòu)成;壓載艙在這些圓柱腿的底部,以確保平臺(tái)具有足夠的穩(wěn)定性;垂蕩板裝在圓柱腿上,提供較大的垂蕩附加質(zhì)量和附加阻尼,適合剛性立管。同其他SPAR平臺(tái)一樣,由于浮心高于重心,蜂巢型SPAR平臺(tái)同樣非常穩(wěn)定。
SPAR平臺(tái)一般采用干式井口作業(yè),其硬艙內(nèi)部設(shè)置有 “中央井”,形成了一個(gè)四周封閉的空間,供頂部張緊式立管 (Top Tensioned Riser,TTR)穿過(guò)。因此中央井的尺寸將受制于TTR立管的數(shù)量及布置方式,而它又影響SPAR平臺(tái)的硬艙尺寸。
SPAR平臺(tái)的系泊系統(tǒng)對(duì)平臺(tái)起到限制位移的作用。為了減小系泊系統(tǒng)在海底的覆蓋面積,目前深水SPAR平臺(tái)的系泊索大多采用鏈—纜—鏈的張緊懸鏈線形式。每根系泊索由三部分組成,最上面的部分稱為船體鏈段,中間段為螺旋鋼纜或合成纜(尼龍纜或聚酯纖維纜),下部與海底鏈段相連,見(jiàn)圖5。海底基礎(chǔ)有樁基礎(chǔ)和吸力錨基礎(chǔ)兩種形式。系泊系統(tǒng)可以預(yù)先安裝好,在主體就位后進(jìn)行連接。導(dǎo)纜器安裝在主體重心附近的外殼上,每組系泊纜通過(guò)導(dǎo)纜器與張緊器連接,通過(guò)調(diào)整張緊器來(lái)改變系泊纜的張力。錨鏈的長(zhǎng)度和錨泊系統(tǒng)提供的張拉力應(yīng)保證除非在非常極端的工況條件下,鋼纜或尼龍纜不與海底相接觸。

系泊錨鏈可以對(duì)稱或是不對(duì)稱地分布在主體的周圍。在已建成的SPAR平臺(tái)中,桁架型SPAR平臺(tái)的系泊索一般采用的是分組式布置方式,而投入使用的蜂巢型SPAR平臺(tái)僅有一座Red Hawk,其系泊索呈散布式布置。選擇系泊索布置型式時(shí)需要對(duì)目標(biāo)海域的環(huán)境條件、立管布置型式、平臺(tái)主體型式進(jìn)行綜合考慮。
SPAR平臺(tái)的立管系統(tǒng)向上與平臺(tái)上體的生產(chǎn)設(shè)備相連,向下則深入海底,可實(shí)現(xiàn)采油 (氣)、注水、外輸?shù)裙δ堋A⒐芟到y(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)需要可以在頂部張緊式立管 (TTR)和鋼制懸鏈線立管(SCR)間進(jìn)行選擇,圖6所示是頂部張緊式立管示意圖。鋼懸鏈線立管懸掛在甲板外側(cè),而頂部張緊式立管位于SPAR平臺(tái)的中央井中,通過(guò)浮力罐或者張緊器提供立管張力支持 (如圖7所示)。頂部張緊式立管系統(tǒng)根據(jù)平臺(tái)的作業(yè)能力、油 (氣)田的開(kāi)發(fā)方案可以確定立管系統(tǒng)的性質(zhì) (鉆井隔水管、生產(chǎn)立管)、立管的數(shù)量、立管的尺寸以及立管的布置方案。
由于SPAR平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)很小,因此它可以支持頂部張緊式立管和干式采油樹(shù) (Dry trees)。平臺(tái)正常生產(chǎn)工況下由于每個(gè)立管通過(guò)自帶的浮力罐提供張力支持,因此立管的軸向載荷與主體運(yùn)動(dòng)解耦,同時(shí)使得平臺(tái)對(duì)水深也不是很敏感。SPAR平臺(tái)底部接頭 (Keel joint)的設(shè)計(jì),使得SPAR和立管之間可以有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。浮力罐從接近水表面一直延伸到水下一定深度。在一些情況下, 浮力罐超出硬艙底部。在中心井內(nèi)部,由彈簧導(dǎo)向承座提供這些浮力罐的橫向支持。柔性海底管道 (包括柔性輸出立管)可以附著在SPAR平臺(tái)的硬艙和軟艙的外部,也可以通過(guò)導(dǎo)向管拉進(jìn)桁架內(nèi)部,繼而進(jìn)入到硬艙的中心井中。

目前SPAR平臺(tái)已經(jīng)發(fā)展了三代,共17座平臺(tái),除在馬來(lái)西亞Kikeh油田作業(yè)的Kikeh平臺(tái)入籍DNV外,其余16座SPAR平臺(tái)均入籍ABS,這16座SPAR平臺(tái)也都在墨西哥灣作業(yè),表1統(tǒng)計(jì)了當(dāng)前世界上所有17座SPAR平臺(tái)的關(guān)鍵參數(shù),其中BP公司的Holstein平臺(tái)是世界上最大的SPAR平臺(tái)。圖8是所有SPAR平臺(tái)的作業(yè)水深對(duì)比圖,作業(yè)水深超過(guò)1500 m的深水SPAR平臺(tái)共有5座,其中殼牌公司 (Shell)的 Perdido平臺(tái)保持著SPAR平臺(tái)的最大作業(yè)水深,并因此成為世界上作業(yè)水深最深的鉆井生產(chǎn)設(shè)施。

表1 SPAR平臺(tái)主要參數(shù)統(tǒng)計(jì)

對(duì)在役SPAR平臺(tái)上部組塊的功能和配置參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)對(duì)比 (見(jiàn)表2),通過(guò)對(duì)比分析可見(jiàn):
(1)多數(shù)平臺(tái)上部組塊采用3層甲板結(jié)構(gòu)。
(2)在17座SPAR平臺(tái)中配備鉆井系統(tǒng)的僅有4座,僅具備修井功能的平臺(tái)占絕大多數(shù),為9座。
(3)平臺(tái)定員與平臺(tái)的功能定位關(guān)系較大,配備鉆井系統(tǒng)的平臺(tái)定員在110人以上。
SPAR平臺(tái)是深水開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)型平臺(tái),其優(yōu)良的運(yùn)動(dòng)性能使得干采油樹(shù)和剛性立管技術(shù)可以應(yīng)用于SPAR平臺(tái),因此經(jīng)濟(jì)性更加突出。從SPAR平臺(tái)的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看,未來(lái)SPAR平臺(tái)的發(fā)展呈現(xiàn)出如下特點(diǎn):
根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,第一座SPAR平臺(tái)——Neptune的作業(yè)水深只有588 m,此后SPAR平臺(tái)的應(yīng)用水深不斷增加,到目前為止,Perdido平臺(tái)的應(yīng)用最深達(dá)到2 383 m。相信隨著人類開(kāi)發(fā)深水海洋油氣資源的深入,SPAR平臺(tái)的作業(yè)水深很快會(huì)被打破。

表2 SPAR平臺(tái)上部組塊主要參數(shù)統(tǒng)計(jì)
隨著SPAR平臺(tái)技術(shù)的發(fā)展,目前各國(guó)也正在積極開(kāi)展適應(yīng)本國(guó)深海油田地理?xiàng)l件和環(huán)境條件的新型結(jié)構(gòu)型式的研究,目前已經(jīng)有兩座與SPAR平臺(tái)型式類似的Min DOC3平臺(tái)應(yīng)用到墨西哥灣的油氣生產(chǎn)中,相信未來(lái)SPAR平臺(tái)的結(jié)構(gòu)型式也將呈現(xiàn)多樣化趨勢(shì)。
近年來(lái),BP、雪佛龍、埃克森美孚、殼牌等石油工業(yè)巨頭都在積極地開(kāi)展對(duì)SPAR平臺(tái)技術(shù)的研究論證,以期在不久的將來(lái)把SPAR平臺(tái)應(yīng)用到英國(guó)的舍德蘭群島、挪威的北海油田以及西非安哥拉沿海和巴西海域,一些邊際油田對(duì)SPAR平臺(tái)的需求也日益增強(qiáng)。我國(guó)對(duì)SPAR平臺(tái)的科研工作也已紛紛啟動(dòng),科研工作者也正在致力于深水平臺(tái)的研究,相信不久的將來(lái),在中國(guó)南海也將出現(xiàn)SPAR平臺(tái)和其他深海作業(yè)平臺(tái)。
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Current Status of Overseas SPAR and Its Development Prospect
ZHANG Hui(China National Petroleum Offshore Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100028,China),WANG Hui-qin,WANG Bao-yi
SPAR as one type of floating platforms used in deep water has been developed in recent years.The domestic research of SPAR design and key technology is still in its infancy.In this paper,the development status of existing overseas 17 SPAR platforms are reviewed,and SPAR development course,typical components and main characteristics are studied.The operation region,water depth,platform size and other key technical parameters are introduced.The configurations and functions of their topsides are compared and analyzed.By analyzing the foreign SPAR development current status and trend,the paper would play a guidance and reference role in domestic related development projects.
offshore platform;SPAR;deep water;topside;key technical parameter
TE951
A
1001-2206(2011)增刊-0001-06
張 輝 (1981-),男,山東臨沂人,工程師,2008年畢業(yè)于山東大學(xué),碩士,主要研究方向:海洋工程。
2011-08-10