深海海洋平臺發展綜述

周振威 孫樹民

摘要：本文綜述了深海海洋平臺的發展歷程及現狀，深海海平臺包括半潛式平臺、TLP平臺以及Spar平臺，半潛式平臺只能使用濕井口，多為鉆井平臺。TLP平臺和Spar平臺都適合用作深海采油平臺，通過對比，認為TLP平臺更為適合中國南海海域的油氣開發。最后對深海平臺未來的發展進行了展望。

關鍵詞：深海海洋平臺；半潛式平臺；TLP平臺；Spar平臺

Abstract: This paper reviews the development and current conditions of deep water offshore platform, including semi-submersible platform, TLP and Spar platform. Semi-submersible platform can only use wet wells, mostly for drilling platforms. TLP and Spar platforms are suitable for exploitation of oil in deep water. By contrast, the TLP is more suitable for the South China Sea oil and gas development. Finally, this paper examines the prospect future development of deep water offshore platform.

Key words: Deep water offshore platform;Semi-submersible; TLP;Spar

1引言

目前，對海洋石油資源的調查、勘探工作不斷擴大，也不斷地由淺海向深海發展。根據國際上流行的淺海和深海的劃分標準，水深小于5 00 m為淺海，大于5 00 m為深海，1 500 m以上為超深海。深海海洋平臺是在深海海域實施海底油氣勘探和開采的一種海洋工程結構物，傳統的海洋平臺多為固定式，自重和造價隨水深的加大而大幅度地增加，其工作水深一般不超過5 00 m，不能適應深海環境。對于深海石油的勘探和開采，主要使用移動式和順應式平臺。深海海洋平臺的類型主要有半潛式平臺、TLP平臺（即“Tension Leg Platfor m”的縮寫，中文名稱為張力腿平臺）以及Spar平臺（即單柱式平臺），它們都是浮式平臺，沒有連接平臺與海底的桁架結構，僅依靠自身的浮力來支撐其上部的重量，并使用系泊系統以及螺旋槳的動力來來對平臺進行定位。這類浮式結構使得平臺在水深增加的時候成本不會像傳統的平臺那樣大幅度地增加，非常適合應用于深海油氣的勘探與開發。結構上的優勢使這類平臺飛速地發展，成為了深海海洋開發的主要平臺類型。其中，半潛式平臺主要用于鉆井，又稱為半潛式鉆井平臺；TLP平臺和Spar平臺則多用于油氣的開采。目前世界鉆井平臺工作水深記錄為3 048 m（10000英尺），鉆井深度超過12 000 m[1-2]，采油平臺的工作水則深超過2 000 m。

2深海海洋平臺的歷史與現狀

2.1半潛式平臺

1962年，經過對坐底式鉆井平臺“藍水1號（Blue Water No.1）”的改裝，誕生了世界上第一座半潛式鉆井平臺，并于當年在墨西哥灣投入了使用。從第一座半潛式平臺的誕生到現在，已經發展到了第六代。二十世紀60年代共建造了大約30座半潛式平臺，為第一代半潛式平臺。這個時期建造的平臺，作業水深只有90~180 m，目前基本上都已經退役。隨后在七十年代中期和八十年代初期，半潛式平臺的數量迅速增加，這兩個時期的半潛式平臺分別為第二代和第三代。這段時期，設計者主要致力于改進平臺的結構和增加平臺的作業水深，第二代平臺的作業水深為180~600 m，鉆井深度為6 096 m或7 620 m；第三代平臺作業水深達到450~1 500 m，鉆井深度以7 620 m為主。第四代半潛式平臺出現于二十世紀80年代末和90年代，作業水深和鉆井水深繼續增加，作業水深達1 000~2 000 m，鉆井深度達到9 144 m。二十一世紀初至今，相繼誕生了第五代和第六代半潛式鉆井平臺。這一時期的半潛式平臺除了作業和鉆井水深的增加以外，還使用了動力定位，更加優化的平臺結構，配備了自動化作業設備，能夠適應極其惡劣的海洋環境。

半潛式鉆井平臺的結構主要包括下浮體、上層平臺和連接下浮體與上層平臺的立柱。下浮體沉沒于水面之下較深處，以減小波浪力的作用，上層平臺高出水面一定的高度，以避免波浪的沖擊。上層平臺與下浮體之間使用立柱來連接，立柱的數目一般為4個至8個，截面積較小。這樣使平臺具有小水線面、較大的固有周期的特點，在波浪中的運動就會大為減小，具有出色的深海鉆井性能。半潛式平臺的六個自由度都為順應式，運動的周期較大，大于波浪常見的周期。一般情況下，垂蕩周期為20~50 s，橫搖和縱搖周期為30~60 s，縱蕩、橫蕩以及首搖的周期都大于100 s[3~4]。一座深海半潛式鉆井平臺在生存海洋環境下的運動響應較大，最大水平位移達到了工作水深的18%，垂蕩運動超過+-10 m，橫搖和縱搖運動超過+-7o[5]。由于其運動的位移較大，只能采用濕式采油樹，一般用作鉆井平臺。

據不完全統計，目前世界上共有半潛式平臺約200座，主要分布于北海、墨西哥灣以及巴西。2010年，中國首次自主設計、建造的第六代半潛式鉆井平臺“海洋石油981”下水。該平臺自重30 670 t，長114 m，寬79 m，采用DP3動力定位，工作水深3 000 m，鉆井深度超過10 000 m，具有勘探、鉆井、完井與修井作業等多種功能，是一座達到國際先進水平的深海半潛式鉆井平臺。

2.2TLP（張力腿式）平臺

TLP平臺是在半潛式平臺基礎上發展而來的一種主要用于深水采油的順應式平臺。它的歷史可以追溯到1954年，美國學者R.D. Marsh最早提出的張力索組平臺的概念。之后到20世紀70年代末，是TLP平臺的理論研究、探索、工程醞釀階段，各國學者對TLP平臺進行了艱難而又富有成效的研究。1984年，世界上第一座TLP平臺正式安裝在英國的Hutton油田，該平臺由美國CONOCO公司建造，工作水深147 m，目前已經退役。Hutton是一個帶有實驗性質的TLP平臺，在Hutton平臺基礎上所進行的各項研究，使得TLP平臺取得了突破性的進展[6-8]。隨后，TLP平臺得以迅速發展。據統計，截至2010年，世界上已經建成的張力腿平臺共有24座，在建1座。

TLP平臺由平臺本體、張力腿系統以及錨固基礎三個部分組成，平臺本體包括上體、下體和連接上下體的立柱。上體位于水面以上，為工作區域，平臺下體在水面以下，為平臺提供浮力。浮體產生遠大于結構自重的浮力，超過總重力的那部分浮力稱為剩余浮力。剩余浮力由垂直系于海底和平臺之間的筋腱[9]來平衡，它讓筋腱時刻處于受拉緊繃的狀態，巨大的預張力使得平臺在平面內的運動（橫蕩、縱蕩、首搖）為順應性，平面外的運動（橫搖、縱搖、垂蕩）則近似剛性。平面內的運動周期較高，一般為1~2 min，高于波浪周期；平面外的的運動周期較短，為2~4 s[10]，其頻率要低于波浪周期。TLP平臺的這種結構特點，可以避免結構和波浪的主頻率發生共振，有著優良的動力性能。由于其平面外的運動近似于剛性，橫搖、縱搖、垂蕩的運動幅度都比較小，可以非常方便地安裝干式采油樹系統，因而TLP平臺非常適合用作采油平臺。根據本體結構的不同，TLP平臺可以分為兩代，第一代為傳統的TLP平臺，第二代TLP平臺包括miniTLP和ETLP（即“Extended Tension Leg Platfor m”，延伸式張力腿平臺）。

傳統的張力腿平臺的平臺本體投影呈矩形，通過四根圓柱形的立柱（Hotton平臺為六根）來連接平臺的上體和下體，立柱的位置在矩形的四個角上。浮箱首尾與各立柱相接, 形成環狀結構。張力腿由4組相互平行的筋腱組成，上端固定在浮箱與立柱之間的連接處，下端與海底基礎相連。有時候為了增加平臺系統的側向剛度，還會安裝斜線系泊索系統[11]，作為垂直張力腿系統的輔助。海底基礎將平臺固定入位，主要有樁基礎和重力式基礎兩種形式[12]。

miniTLP，即為一種小型的TLP平臺。但它并不是簡單地將傳統TLP平臺尺寸縮小，而是對整個平臺的結構進行了較大的改進，使平臺的各項參數進一步優化，達到以較小噸位獲得較大的有效載荷的目的。 miniTLP目前有兩個系列，分別是Atlantia公司設計開發的SeaStar（海之星）和由 MODEC公司開發的 MOSES（全名“ Mini mu m Offshore Surface Equip ment Structure”，最小化深海水面設備結構）。

SeaStar的平臺主體取消了傳統類型TLP的4柱式結構，僅在甲板和浮筒間使用一個圓柱體結構，稱為中央柱。中央柱垂直穿過水面，上端支撐平臺甲板，下端與的三根截面為矩形的浮筒相連接。三根浮筒成輻射狀沿中央柱法線向外延伸，彼此在水平面上的夾角為120°，在末端與張力腿系統連接。1998年， 名為“ Morpeth”的TLP平臺安裝并投入使用，這不僅是世界上第一座SeaStar TLP平臺，同時也是第一座 miniTLP。至今世界上已建成5座SeaStar TLP平臺。

MOSES是一種不同于SeaStar的 MiniTLP[13]，第一座于2001年下水，目前已經建成6座。它的平臺主體依然使用四根穿過水面的立柱，但是立柱間的距離較傳統型TLP要小得多，截面很小且為四邊形，因而水線面積較少，所受的波浪力也相應減少。采用小水線面的四柱結構可以在降低波浪力的同時給平臺上體提供更大的支撐力，改善甲板的受力情況，從而減少平臺上體的建造費用[14]。

ETLP由ABB公司設計制造，從2003年第一座下水至今共建造3座。它是在傳統型TLP平臺的基礎上進行改進，在環形浮箱的每一個角上，都有一個截面為矩形的懸臂梁向外伸出，末端與張力腿相連接。這樣設計的優點是：筋腱的距離加大使平臺穩定性更好；較小的立柱間距能給甲板提供更有效的支持；平臺的轉動慣量更小使得平臺擁有更低的自振周期；月池更大以適應傳統的頂部張緊立管；可以減少筋鍵的使用數量。這些優點使ETLP平臺性能更勝于傳統的TLP平臺，在深海海域的應用擁有更大的優勢。2005年下水的 Magnolia平臺即為一座ETLP平臺，它工作水深為1 425 m，創造了目前TLP平臺

工作水深的記錄[15]。

截至2000年，世界上11座TLP平臺中的9座是傳統型TLP平臺。2000年以后建造的張力腿平臺則以第二代張力腿平臺為主，傳統型的張力腿平臺僅在2001年建造了一座。可見2000年以后第二代TLP平臺基本上取代了傳統的TLP成為TLP平臺的主流。從張力腿平臺的分布來看，美國墨西哥灣是張力腿平臺最集中的地方，共16座，其余分布在歐洲（3座）、西非海域（4座）以及亞洲（1座）。實踐證明，TLP平臺在深海作業具有運動性能好、抗惡劣環境作用能力強以及造價低等優點，因而，TLP平臺得以蓬勃發展[16]。學者們不斷地對張力腿平臺進行著理論研究和改進，提出了懸式TLP平臺、混合平臺 [17]以及近海小型TLP平臺[18]等有建設性的概念。目前國內對TLP平臺的研究集中在平臺的波浪荷載及響應[19-22]、平臺的振動控制以及對輕型TLP平臺的研究等方面。

2.3Spar平臺

Spar平臺是一種新型的深海采油平臺，它的特點是結構尺度大，吃水深，在深水環境中運動穩定，特別適合于深水和超深水作業。Spar技術應用于人類深海的開發已有近四十年的歷史，但在早期它僅是一種輔助系統，用于儲藏石油及其它物資，并不是現代意義上的Spar平臺。1987年，Edward E.Horon設計了一種專用于深海鉆探和采油工作的Spar平臺，并以此申請了技術專利，這被公認為現代Spar生產平臺的鼻祖。之后，Spar平臺才開始正式應用于海上領域。1996年，Neptune Spar在墨西哥灣水深588 m的Viosca Knoll油田826區投入使用，這是世界上第一座現代Spar平臺，它的投入使用標志著Spar平臺從此正式登上了海洋石油生產的舞臺。Spar平臺的適用水深為600~3 000 m，直徑能達30~40 m，吃水200 m左右。由于吃水深，水線面積小，Spar平臺的垂蕩運動比半潛式平臺小，可以采用干式采油樹和剛性立管，同時，它還具有較大的儲油能力[23-25]。在結構上可以分成三個部分：平臺上體、平臺主體以及系泊系統，其中平臺上體和平臺主體并稱為平臺本體。Spar平臺的系泊系統與TLP平臺的垂直張力腿不同，它采用斜線系泊，一般采用半張緊式懸鏈線系泊，系泊纜中的預張力要比TLP平臺小得多。目前Spar平臺可以分為三代，第一代是經典式Spar平臺（Classic Spar），第二代為桁架Spar平臺（Truss Spar），第三代為蜂巢式Spar平臺（Cell Spar），三代平臺的平臺上體和系泊系統基本相同，區別主要在于平臺主體。

經典式Spar又稱為箱式Spar（Caisson Spar），它是最早出現的Spar深海采油平臺。它的主要特征是平臺主體為單個在水中豎直懸浮的封閉式圓柱體，柱體外壁安裝有螺旋狀側板，能夠減少渦流的作用。主體尺度較大，1997~1999年所建成的三座經典式Spar平臺，其主體長度都達到了215 m，最早建成的Neptune直徑為23 m，其它兩座直徑達到了37 m[26]。主體從上至下分成三個部分，上部稱為硬艙，下部稱為軟艙，硬艙和軟艙之間為中段。硬艙是整個Spar平臺系統的主要浮力來源，為提高主體的抗沉性，中間用防水板隔成多個小艙室。Spar平臺的壓載大部分來自軟艙，壓載物一般為海水。中段部分用于剛性連接硬艙和軟艙，由外殼體和內殼體組成，內殼體內是中央井，內殼體和外殼體之間則作為Spar平臺的儲油艙。經典式Spar平臺建造成本較高，且體積巨大安裝不便，僅建造了三座，隨后出現了桁架式Spar平臺和蜂巢式Spar平臺。

桁架式Spar平臺由經典式Spar平臺演化而來，是目前應用最為廣泛的Spar平臺形式。它在中段部分采用了開放式的桁架結構來代替經典式Spar平臺的雙殼體結構，并使用垂蕩板分成數層，以限制平臺的垂蕩運動。采用這種設計的優點是減小了主體的橫向受力面積，節省了平臺的用鋼量，同時垂蕩板結構可以有效地限制平臺的垂向位移；缺點是平臺沒有儲油能力。與傳統Spar相比，桁架式Spar平臺的最大優勢在于其建造時對鋼材的用量大大降低，從而能有效的控制建造費用，因此得到廣泛的應用[27]。

蜂巢式Spar平臺的主體不再是單個圓柱形結構，而是由若干個較小的圓柱體構成，以一個為中心，其它的環繞著該中央柱體并捆綁在其上。這些圓柱體相互平行，直徑相同，但長度不一樣，可以分為長分段和短分段，各分段以頂部為基準對齊。從頂部到短分段的下端為硬艙，長分段則向下延長，底部與軟艙相連接，中段部分安裝若干垂蕩板。蜂巢式Spar平臺主體用若干個小的圓柱體來組成，各圓柱體的體積不是很大，對于造船場所的要求大大降低，同時，蜂巢式Spar平臺比經典式和桁架式擁有更小更輕的主體結構，鋼材的耗用量和安裝運輸工作量都會有所減少，因而平臺的整體造價大幅降低。

Spar平臺的發展時間雖然較短，然而在這短短的十來年內，全球已經建成17座Spar平臺，其中經典式3座，桁架式14座，蜂巢式1座。除1座在馬來西亞外，其余均安裝于墨西哥灣。目前，世界各國都在積極地開展對Spar平臺技術的研究，以期能早日將這種優秀的采油平臺應用實際生產。

3深海平臺的發展趨勢

隨著陸上油氣資源的枯竭和國際原油價格的走高，從海洋開發油氣資源已經成為一個必然的趨勢。我國擁有300萬 km2的領海，其中超過一半的面積水深在300 m以上。南中國海蘊藏著豐富的油氣資源，必然成為海洋開發的重點[28-30]，而其中大部分蘊藏于500～2 000 m深海區域[31]。而我國目前涉足的油氣開發主要集中在近海，還沒有對超過500 m以上海域進行油氣開發的能力，絕大部分領海還沒有進行石油勘探工作。所以，為了能夠有效地開發我國南海的油氣資源，必然要加強深水鉆井和采油平臺的研究。結合目前世界上深海海洋平臺的現狀，為有效提升我國南海深水石油開發的能力，應該加強以下方面的研究。

3.1深水鉆井平臺

在“海洋石油981”前，我國鉆井平臺作業水深最大為505 m，石油開采平臺水深為333 m，與國外先進水平相比有著巨大的差距，不具備在南海海域進行油氣勘探和生產的能力，因而迫切需要發展深海油氣勘探和開發技術。總體而言，半潛式平臺抗風浪能力強，可變荷載大，在海上移動靈活方便，且有足夠的空間安裝大功率的鉆井設備，因而用于深海鉆井平臺有很大的優勢。“海洋石油981”半潛式鉆井平臺的建成投產，使我國達到了深海鉆井平臺的先進水平，應該繼續保持和發展這一良好勢頭，力爭趕超世界先進水平。從目前最先進的第六代半潛式鉆井平臺的技術特點來看，發展趨勢是：① 工作水深不斷增加。目前半潛式平臺海洋鉆探的最大作業水深已經超過3 000 m，據專家估計，在未來的20年內，半潛式平臺的作業水深將達到4 000~5 000 m[32]。② 平臺結構優化，可變荷載增大。③ 配備能力更強的鉆機。④ 安裝更高性能的動力定位系統。

3.2深水采油平臺

擁有3 000 m水深鉆井平臺的同時，應該配套相應的油氣生產平臺。半潛式平臺在海浪作用下的運動性能難以滿足深海采油的要求，且只能使用濕井口，故多用為鉆井平臺，用于油氣的勘探。Spar平臺具有優良的性能，可以應用于深達3 000 m水深處的石油生產。Spar平臺應用的水深范圍為600～3 000 m，在1 500 m水深范圍以內的成本較高，且由于它的尺度很大，給安裝工作帶來很大的不便。相對于半潛式平臺和Spar平臺，TLP平臺具有如下優勢：① 適用水深范圍為200~2 500 m，在600~1 500 m間競爭力較強。② 可使用干井口，適用于采油平臺。③ 維護費用較低。④ 運動性能好，抗惡劣環境作用能力強。⑤平臺尺度小，可移動，海上安裝方便。因此，TLP平臺最適合我國的南海海域，應該大力發展此類平臺。

TLP平臺中則應該重點研究和發展 miniTLP。這種小型的TLP平臺在保留傳統TLP平臺優點的同時，還具有成本低、建設周期短等優點。我國還未有建造深海采油平臺的經驗，本著循序漸進的原則，可以首先將這一平臺應用于300~500 m深的較淺海域，待技術及經驗成熟以后，再往更深的海域發展。

從TLP平臺的發展現狀來看，未來TLP平臺的研究重點將主要集中在以下幾個方面：① TLP平臺結構型式的研究和結構的優化，尋找出更加優秀的結構型式，降低張力腿平臺的建造成本，提高平臺的承載效率；② TLP平臺非線性波浪載荷和響應的研究，對平臺的響應進行研究和控制；③ TLP平臺錨固基礎的研究，使基礎適應更多的海底和不同的水深；④ 張力腿系統的研究。

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