新型多功能干樹儲油半潛平臺研發

謝文會，謝 彬，粟 京，韓旭亮，李 陽，趙晶瑞，馮加果

(中海油研究總院有限責任公司，北京 100028)

傳統的浮式生產平臺中，張力腿平臺和Spar平臺可以應用干樹采油，但建造安裝技術難度大，需要動用大型海上浮吊作業，費用高。傳統的半潛式生產平臺相對建造安裝技術難度小，費用相對較低，由于其垂蕩性能較差，不能實現海上油田的干樹開發。海上油田干樹開發具有操作運維簡便、費用低的優勢，開發具有干樹開采能力的半潛式平臺成為世界海洋工程界的研究熱點。美國FloaTEC公司提出的桁架式半潛平臺[1]，利用垂蕩板來增加附加質量，改善垂蕩運動幅值，實現油氣田干樹開發，但其桁架式垂蕩板海上安裝難度大，風險高；該公司提出的可擴展吃水式半潛式平臺[2]，也采用垂蕩板，可以根據作業狀態自由收起和放下垂蕩板，且垂蕩板中加裝固定壓載，降低平臺中心，改善平臺運動性能，但該型平臺安裝時需要向垂蕩板內注入固定壓載，同時其垂蕩板提升連接機構復雜，成本高，實用性差；Aker公司提出DPS系列平臺也采用垂蕩板來降低垂蕩運動幅值[3]，其設計理念與桁架式半潛平臺相似，存在同樣的海上安裝作業問題；最近國內相關研究機構也提出了許多干樹半潛平臺方案，如漸變立柱深吃水干樹式半潛生產平臺[4]、立柱和甲板分開的干樹式半潛生產平臺[5]，這些概念通過優化改變傳統半潛平臺形式，達到干樹采油所需的運動性能；美國Technip公司提出的可伸縮半潛式平臺，Mansour和Wu提出的自由懸掛固體壓載艙式半潛式平臺，中海油研究總院提出的深水不倒翁平臺(DTP)等干樹半潛平臺概念均是采用為傳統半潛平臺增加下部垂蕩板、增加吃水、垂蕩板中添加固定壓載等方案改善平臺運動性能，達到平臺可實現干樹開采的目的，傳統形式的深吃水半潛平臺加裝垂蕩板成為目前干樹半潛平臺開發的主要研究方向[6-11]。但目前所有增加垂蕩板形式的干樹半潛平臺均未解決垂蕩板連接結構復雜、海上施工難度大，風險高的問題。干樹半潛平臺研發不僅需要考慮平臺的運動性能滿足海上油田干樹開采的需要，更重要的是需要考慮針對特定油氣田的油氣藏特性需求，建造、安裝可行性，經濟成本等要素，才能開發出經濟、安全、實用的平臺型式。2016年，中海油研究總院針對目標氣田開發了一型適應我國南海海域環境條件的深水多功能干樹半潛平臺，作業水深1 500 m。平臺上部為傳統的深吃水半潛平臺型式，下部采用細長柔性連接結構連接垂蕩板，細長柔性連接結構采用成熟的張力腿結構型式，通過張力腿柔性連接接頭釋放平臺運動產生的巨大彎矩，結構安全可靠，建造安裝簡便，運動性能優良，可實現干式開采和回接水下井口、油氣生產處理、凝析油存儲、鉆修井等功能。該新型平臺提供了非常具有競爭力的深水油氣田開發模式，特別是適合于我國南海惡劣海況、凝析油氣田為主及南海管網相對缺乏等特點。該新型平臺工程化成熟后，相關技術將會有力的促進中國深水油氣田的開發。

1 新型干樹儲油半潛平臺結構型式

新型干樹儲油半潛平臺由上部組塊、主船體、細長柔性連接結構、箱型垂蕩板、TTR立管系統、系泊系統構成，結構型式如圖1所示。甲板結構采用桁架結構，易于組塊的建造和安裝。浮體結構由主船體、細長柔性連接結構和箱型垂蕩板三部分組成。主船體結構與傳統半潛式平臺類似，細長柔性連接結構連接主船體與箱型垂蕩板，為張力腿平臺的張力腿結構，連接點采用柔性接頭連接結構，可繞連接處轉動，釋放由于箱型垂蕩板慣性力引起的巨大彎矩，平臺在作業期間連接構件始終處于拉伸狀態。箱型垂蕩板安裝就位后與海水連通，自由懸掛于主船體。采用箱型垂蕩板結構提高垂蕩板的剖面模數，承受附連水慣性力，抑制平臺垂蕩運動。垂蕩板中間開孔，并設有導向支撐結構，TTR立管從中間穿過，通向上部組塊，實現干樹開采。系泊系統采用傳統的深水系泊方式，水深適應性好。

圖1 平臺主體結構型式Fig. 1 Global structure of the platform

圖2 平臺建造完成后狀態Fig. 2 Post-construction status of the platform

新型干樹儲油半潛平臺可在船塢、船臺建造，建造完成后如圖2所示，平臺箱型垂蕩板位于主船體下部，支撐主船體與上部組塊重量，張力腿連接構件固定于立柱外側。在濕拖過程中，箱型垂蕩板浮力遠大于其自身重量，為平臺上部結構物提供浮力，箱型垂蕩板上設置水平限位裝置，限制箱型垂蕩板與主船體之間的水平相對運動，平臺箱型垂蕩板、主船體疊放在一起，可實現整體濕拖。濕拖至安裝場地后，通過調整箱型垂蕩板中所充海水重量，調整箱型垂蕩板濕重，采用簡易機構下放箱型垂蕩板至預定位置，連接張力腿連接結構，隨后箱型垂蕩板完全充水，主船體調整壓載，平臺達到預定吃水。箱型垂蕩板可承受平臺在位水壓頭，在在位工況下通過高壓空氣可調節垂蕩板浮力，可實現在位張力腿連接構件更換。

該新型干樹儲油半潛平臺一方面通過箱型垂蕩板增加附連水質量和運動阻尼，獲得良好的垂蕩運動性能。另一方面通過成熟的張力腿連接構件形式解決了平臺主船體與垂蕩板的連接問題，其上下柔性連接接頭釋放了由于平臺運動產生的巨大彎矩，結構形式安全可靠、費用低。此種型式的半潛平臺運動性能優良，可以實現海上油氣田的干樹開發。

新型干樹儲油半潛平臺在主船體立柱內設置儲油艙，可存儲天然氣凝析油，隨后可采用動力定位穿梭油輪外輸，解決了凝析油天然氣田開發過程中天然氣凝析油的存儲外輸問題，相較管道外輸凝析油方案成本低，可實現凝析油天然氣田的經濟高效開發。

新型干樹儲油半潛平臺主要技術特點如下：

1) 平臺具有天然氣處理、天然氣外輸、凝析油存儲與卸載等多種功能，可有效開發深水海上天然氣田；

2) 平臺垂蕩運動性能優良，適用于干式、濕式或干濕組合式等多種油田開發方式；

3) 平臺主船體和箱型垂蕩板之間采用成熟的張力腿構件連接，技術成熟可靠；

4) 平臺主船體和箱型垂蕩板一體化建造，可實現整體拖航，安裝簡單，海上施工風險可控；

5) 平臺箱型垂蕩板采用采用耐水壓設計，通過調節箱型垂蕩板中的充水量可實現箱型垂蕩板的自安裝和在役狀態張力腿構件的更換。

2 新型干樹儲油半潛平臺總體方案

針對南海西部目標凝析油天然氣田，新型干樹儲油半潛平臺為天然氣開發生產平臺，平臺具有鉆修井功能。平臺自持能力10 d，生產井數11口，天然氣產量1 081×104m3/d，凝析油產量1 850 m3/d，水量1 500 m3/d。平臺設計生存環境條件為目標天然氣田百年一遇環境條件，百年一遇風速56.9 m/s(1分鐘)，百年一遇浪高13.3 m(Hs)，百年一遇流速2.39 m/s，設計水深1 500 m。平臺設計滿足API(美國石油協會)/ABS(美國船級社)相關規范要求[12-14]。平臺可實現國內主要海洋工程建造場地建造，并可以采用國內海洋工程安裝裝備安裝。

2.1 上部組塊設計

首先開展工藝流程設計確定工藝流程及選定鉆井裝備要求，進行設備選型；隨后按照生產流程和同類設備適當集中的原則進行布置，需滿足安全、防火、消防人員逃生以及救生需要，同時設備布置要考慮質量在組塊甲板上均勻分布，質量較大設備布置在船體或下甲板，降低重心高度。由于目標區域為氣田，天然氣處理設備較多，通風要求高，平臺上部組塊甲板形式采用桁架式甲板，分為兩層甲板，為主甲板和生產甲板。主甲板主要布置鉆修井設備和生活樓，生產甲板布置生產工藝設備。新型干樹儲油半潛平臺安裝12根TTR，1根SCR(鋼制懸鏈線立管)，立管垂向載荷5 200 t。考慮上部組塊工藝設備布置及TTR張緊器和干式采油樹布置，生產甲板至主甲板層高11 m。上部組塊結構、鉆井設備、工藝設備、生活樓等操作重為18 300 t。

2.2 平臺主尺度

新型干樹儲油半潛平臺主尺度設計以上部組塊載荷、儲油量為輸入條件，需要考慮建造要求、安裝要求、在位要求等限制條件進行設計。最主要的是考慮建造場地出塢吃水和航道吃水限制，拖航、安裝工況對垂蕩板的浮力及耐水壓設計要求，在位工況對垂蕩板的強度要求等綜合確定新型干樹儲油半潛平臺的主尺度。主要尺度參數見表1所示。

2.3 儲油艙設計

平臺每立柱內沿立柱高度方向設置數個儲油艙，每個立柱艙室容積5 500 m3。儲油艙室上下布置隔離空艙；與通道和海水之間設置隔離艙，隔離艙室寬度1.8 m，大于1.5 m的碰撞貫入深度，如圖3所示；同時儲油艙設置在水線面以下3 m，避免常規碰撞事故帶來的艙室損壞泄漏。隔離艙、空艙、儲油艙采用惰化系統惰化，防止發生火災爆炸事故。

表1 平臺主要尺度參數Tab. 1 Global size of the platform

圖3 儲油艙示意Fig. 3 Oil storage tank diagram

2.4 系泊系統

平臺系泊系統由4組、每組4根共16根相同的組合系泊纜組成。相鄰組系泊纜的夾角為90°，而同組相鄰系泊纜之間的夾角為5°。在設計水深1 500 m條件下，導纜孔與錨泊點的水平距離為1 900 m，表2為平臺組合系泊錨鏈主要參數。

表2 系泊纜主要物理參數Tab. 2 Main parameters of mooring line

2.5 建造方案

平臺在建造場地分段建造，首先建造箱型垂蕩板，隨后在箱型垂蕩板上設置墊木支撐，在箱型垂蕩板上組裝平臺主船體，并在箱型垂蕩板上安裝水平限位裝置，限制主船體和箱型垂蕩板之間的水平位移。上部組塊分別建造，建造完成后采用提升裝置或大噸位龍門吊提升上部組塊與船體合攏，鑒于國內船廠船塢吃水限制和船廠航道吃水限制，平臺出塢吃水限制在9.5米，同時可考慮部分設備在塢外或臨時系泊處吊裝。平臺建造完成，安裝前狀態如圖2所示。

2.6 安裝方案

平臺建造完成后處于主船體和箱型垂蕩板處于疊放狀態，可采用干拖或濕拖方式整體拖航至安裝場地；濕拖狀態下箱型垂蕩板作為平臺整體的一部分提供浮力，可在設計拖航吃水條件下拖航。到達安裝場地后，主船體壓載艙部分壓載，半潛平臺整體下沉；平臺四組系泊纜每組安裝三根系泊纜，對平臺進行初步定位；平臺每角一條錨鏈連接箱型垂蕩板，箱型垂蕩板充水，使重力大于浮力，隨后錨鏈絞車下放箱型垂蕩板至預定位置，此時張力腿連接構件同時下放，下放至預定位置后張力腿連接結構上連接接頭與主船體鎖死；放松錨鏈，箱型垂蕩板完全充水，張力腿連接結構承受箱型垂蕩板重量；船體壓載，平臺下沉至設計吃水；解脫連接在箱型垂蕩板上的錨鏈，與原先預鋪設的錨鏈連接，完成平臺每角最后一根系泊纜的安裝。隨后連接TTR和SCR立管，進行生產調試。

3 平臺關鍵性能分析

3.1 在位工況水動力性能

3.1.1 平臺設計分析工況

根據新型平臺特點結合工業界實踐確定新型平臺設計分析工況。

1)完整工況

對于完整工況，需要分析作業工況，生存工況，對應的環境條件是1年一遇，100年一遇。

2)破損工況

破損工況是指平臺有發生破壞，并對其總體性能有明顯影響的工況，主要包括：系泊纜斷裂工況，船艙浸水工況，一根張力腿連接結構損壞或移除的工況。

3.1.2 主要水動力性能

平臺水動力頻域分析采用三維勢流理論，使用WAMIT軟件。由于平臺的對稱性，計算浪向取0°至90°區間，步長15°，共7個浪向。頻率計算的波浪周期取3～50 s，共28個周期。對平臺水下濕表面部分，共劃分2 558塊單元，單元尺度為2 m，如圖4所示。由于平臺是多體(multi-body),通常的衰減運動和固有周期很難計算得到，所以在計算固有周期時，在模型中設置兩個結構(船體和箱型垂蕩板)是剛性連接(伸縮立柱柔性接頭剛度無限大)。平臺垂蕩運動周期26.3 s，橫縱搖運動周期為38 s。圖5為干樹半潛平臺垂蕩運動RAO，平臺在波浪主要能量周期內運動性能優良，基本與Spar相當。

圖4 三維濕表面模型Fig. 4 Three-D wet surface model

圖5 平臺垂蕩RAOFig. 5 Platform heave RAO

平臺總體性能時域分析采用全耦合分析方法進行，使用OrcaFlex軟件。時域分析模擬時間為10 800 s，步長為0.2 s，過渡時間為200 s。對于關鍵工況，采用了三個隨機種子，結果是三個種子計算結果的平均值。平臺運動結果主要包括平臺垂蕩、偏移、轉角，因為系泊纜采用聚酯纜，分析了系泊系統高剛度(SS)和低剛度(PI)兩種情況。表3是主要分析工況下的運動響應極值，表中SS為系泊系統高剛度情況，PI為系泊系統低剛度情況。圖6和7分別是平臺全耦合時域分析模型和百年一遇環境條件下平臺垂蕩運動時間歷程。

圖6 全耦合時域分析模型Fig. 6 Fully coupled time domain analysis model

圖7 百年一遇環境垂蕩運動時間歷程Fig. 7 Heave time history for 100-year return period environment

平臺最大垂蕩運動是2.96 m (100 a) 和0.83 m (1 a)；平臺最大位移是83.9 m (100 a) 和32.8 m (1 a)；平臺最大橫/縱搖是7.87° (100 a) 和3.06° m (1 a)。平臺運動性能可實現干樹采油，同時分析結果展示系泊系統和張力腿結構、箱型垂蕩板之間不會發生干涉碰撞。

表3 平臺運動響應統計值Tab. 3 Statistical values of platform motion response

3.2 張力腿連接構件性能

主船體與箱型垂蕩板之間的張力腿連接構件共8根，直徑0.86 m，壁厚38.1 mm，材質為API5Lx70，上下連接柔性接頭可轉動，線性化后接頭轉動剛度為100 kN·m/deg。使用OrcaFlex軟件，通過時域耦合分析，獲得張力腿連接結構最大、最小張力，上下柔性接頭轉角等關鍵數據，表4為張力腿連接結構響應統計值。張力腿連接構件最大轉角為11.9°(100 a) 和5.88°(1 a)；張力腿連接構件最小張力+575 kN (100 a) 和+4 801 kN (1 a)，滿足為正的要求；張力腿連接構件最大張力15 003 kN (100 a) 和11 404 kN (1 a)，滿足強度要求。圖8是百年一遇環境條件下張力腿連接構件接頭轉角的時間歷程，圖9是百年一遇環境條件下張力腿連接構件張力時間歷程。

表4 張力腿連接結構響應統計值Tab. 4 Statistical values of tendon response

圖8 張力腿連接構件接頭轉角Fig. 8 Rotation angle of tendon flexible connector

圖9 張力腿連接構件張力Fig. 9 Tension of tendon

3.3 TTR生產立管性能分析

一般張力腿平臺和Spar平臺利用干樹開發時利用TTR回接水下井口，進行開發生產，新型干樹儲油半潛平臺運動性能滿足干樹開發要求，由于其箱型垂蕩板和主船體結構由張力腿連接構件相連，可產生輕微相對運動，導致對TTR設計提出新的要求。新型平臺生產立管TTR直徑為0.273 m，上部通過張緊器掛在生產甲板，下部通過連接器連到井口結構。為了避免立管之間的干涉以及立管與箱型垂蕩板之間的碰撞，在箱型垂蕩板處，設計有桁架結構橫向約束立管。由于有橫向約束，此處會承受比較大的彎矩，為了避免應力過大，箱型垂蕩板橫向支撐處TTR立管設計有壁厚增加的變截面楔型結構，如圖10所示。生產立管TTR預張力為357 t，張緊器的剛度為100 kN/m，通過耦合時域分析，生產立管最大許用應力為533.5 MPa，分析計算最大應力為468 MPa，滿足要求。圖11為百年一遇環境條件下最大Von Mises應力沿立管長度的分布。

圖10 立管變截面楔型結構Fig. 10 Double tapered stress joint of TTR

圖11 最大Von Mises應力沿立管長度分布Fig. 11 Max Von Mises stress along TTR

3.4 張力腿連接構件柔性接頭轉角敏感性分析

新型干樹半潛平臺與其他類型平臺最大的區別是采用張力腿連接結構連接主船體和箱型垂蕩板，箱型垂蕩板和主船體之間可以相對運動，張力腿上下柔性連接接頭有一定轉角限制，一般為12°。同時主船體和箱型垂蕩板之間相對運動也是TTR設計的關鍵輸入指標，因此需要大量分析，設計中盡量減小主船體和箱型垂蕩板之間的相對水平運動，即使柔性接頭轉角盡量小。目前工業界張力腿柔性接頭剛度一般非線性剛度，近似線性，線性化后剛度一般為100 kN·m/deg，同時具有生產至500 kN·m/deg剛度柔性接頭的能力，研究中分析了常規柔性接頭線性化剛度、非線性剛度及線性化剛度分別為156 kN·m/deg、300 kN·m/deg、500 kN·m/deg的柔性接頭轉角對旋轉剛度的敏感性，如圖12所示。張力腿連接構件接頭剛度越大，轉角越小，同時采用線性化剛度計算，最大轉角結果相對保守。比較了張力腿連接結構最大轉角對張力腿連接立柱長度的敏感性，如圖13所示。張力腿連接結構越長，轉角越小，但張力腿連接結構過長會造成運輸安裝的不便。因此，根據盡量采用成熟現有構件和簡便運輸安裝的原則，本平臺張力腿連接結構長度為60 m，柔性接頭剛度選取100 kN·m/deg。

圖12 轉角對旋轉剛度的敏感性(SS，百年一遇，45°)Fig. 12 Sensitivity of rotation angle to rotating stiffness

圖13 轉角對張力腿連接結構長度的敏感性(SS，百年一遇，0°)Fig. 13 Sensitivity of rotation angle to tendon length

3.5 系泊系統

采用錨鏈—聚酯纜—錨鏈組成形式的系泊纜，在性能分析時，由于聚酯纜的非線性拉伸行為，單個線性剛度模型不能充分地預報平臺運動和系泊線動載荷。根據工業界常用方法，在分析中，時域計算進行兩次，一次采用高剛度(SS)，一次采用低剛度(PI)。

分析計算中使用的剛度是基于廠家的推薦值：

1) 低剛度 (PI):EA=13×MBL=319 MN

2) 高剛度 (SS):EA=28×MBL=687 MN

通過時域耦合分析，獲得系統響應統計值，如表5。系泊系統最大系泊張力為12 694 kN，安全系數都滿足工業界要求；最小的聚酯纜離海底的高度為12.2 m，不接觸海底。圖14為生存狀態系泊纜張力時間歷程，圖15為生存狀態聚酯纜底端離水面(水深1 500 m)高度時間歷程。完整工況系泊系統錨鏈安全系數為2.03，完整工況系泊系統聚酯纜安全系數為2.06，均滿足規范要求。

表5 系泊系統響應統計值Tab. 5 Statistical values of mooring line

圖14 生存狀態系泊纜張力Fig. 14 Tension of mooring line

圖15 生存狀態聚酯纜底端離水面高度Fig. 15 Bottom height from water surface of polyester line

3.6 與傳統深水浮式平臺對比

新型干樹儲油半潛平臺與傳統平臺對比如表6，新型干樹儲油半潛平臺采用現有成熟技術集成，建造安裝簡便，運動性能優良，沒有水深限制，較TLP和Spar平臺有明顯優勢，國內建造場地和安裝資源即可實現該平臺的自主建造和安裝。

表6 新型干樹儲油半潛平臺與傳統平臺對比Tab. 6 Comparison between the new type dry tree oil storage semi-submersible platform and the conventional platform

4 結 語

考慮特定油氣田的油氣藏特性需求、建造、安裝可行性和經濟成本等要素，開發了一型適應我國南海海域環境條件的深水多功能干樹半潛平臺，作業水深1 500 m。平臺運動性能優良，可實現干式開采和回接水下井口、油氣生產處理、凝析油存儲、鉆修井等功能，為中國南海凝析油天然氣田開發提供了一種新的開發理念。

新型平臺主船體和箱型垂蕩板采用成熟的張力腿構件連接，箱型垂蕩板采用承壓設計，可實現平臺的整體拖航，簡便下放安裝，安裝費用低。由于箱型垂蕩板采用承水壓設計，可實現平臺張力腿結構的在位維修或更換，安全性能優良。新型平臺在開發中考慮TTR立管、箱型垂蕩板、平臺主船體運動耦合等全系統因素，通過分析新型平臺可實現在中國南海的凝析油天然氣田的高效開發。