Spar平臺(tái)結(jié)構(gòu)型式及總體性能分析.pdf

收稿日期 2007 10 08 基金項(xiàng)目 教育部 創(chuàng)新團(tuán)隊(duì) 資助項(xiàng)目 IRT0411 作者簡(jiǎn)介 楊雄文 1979 男 湖北天門人 中國(guó)石油大學(xué)油氣井工程專業(yè)在讀博士 從事油氣井力學(xué) 信息與控制方面的 研究 E mail Yangxw998 126 com 文章編號(hào) 1001 3482 2008 05 0032 04 Spar平臺(tái)結(jié)構(gòu)型式及總體性能分析 楊雄文 樊洪海 中國(guó)石油大學(xué) 石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102249 摘要 Spar 平臺(tái)是一種比張力腿平臺(tái) TLP 更經(jīng)濟(jì)和使用水深更深的深海平臺(tái) 也是深海油氣勘 探開(kāi)發(fā)最重要的發(fā)展概念之一 介紹了 Spar 的發(fā)展歷程和 Spar 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)組成 對(duì)比了傳 統(tǒng)式平臺(tái) Classic Spar 桁架式平臺(tái) Truss Spar 多柱式平臺(tái) Cell Spar 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及 Spar 和 TLP 的特點(diǎn) 并對(duì) Spar 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)作了展望 關(guān)鍵詞 Spar 平臺(tái) 總體結(jié)構(gòu) 特點(diǎn)分析 發(fā)展趨勢(shì) 中圖分類號(hào) TE951 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A Analysis of Spar Platform Character and System YANG Xiong wen1 FAN Hong hai MOE Key Lab of Petroleum Engineering China University of Petroleum Beij ing 102249 China Abstract Spar which is one of the most important development concepts compared with T LP in deepwater oil overall structure characteristic analysis development tendency 海上油氣田的開(kāi)發(fā)已經(jīng)有近半個(gè)多世紀(jì)的歷 史 在中國(guó) 大規(guī)模的海上油田的開(kāi)發(fā)也有二十多年 的時(shí)間 隨著世界油氣資源日趨減少 向深海發(fā)展 已成為一種必然趨勢(shì) 深海平臺(tái)技術(shù)已成為國(guó)際海 洋工程界的一個(gè)熱點(diǎn) 目前國(guó)內(nèi)已開(kāi)發(fā)的海上油氣 田最大水深不超過(guò) 500 m 1 000 m 以上的深水和超 深水區(qū)域尚未涉足 深海平臺(tái)技術(shù)幾乎是處于零起 步階段 因此 在能源競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的今天 重視深 海油氣勘探 加強(qiáng)深海平臺(tái)技術(shù)研究日益迫切 Spar 平臺(tái)作為一種用于深海油氣開(kāi)采 生產(chǎn)和 加工處理的海洋結(jié)構(gòu)物 是深海油氣勘探開(kāi)發(fā)最重 要的發(fā)展概念之一 1 Spar 平臺(tái)相對(duì)于張力腿平 臺(tái) TLP 具有更好的運(yùn)動(dòng)性能 能夠適應(yīng)更深的海 域 定位和操作都相對(duì)容易 靈活性和經(jīng)濟(jì)性更好等 特點(diǎn) 被認(rèn)為是最具吸引力和發(fā)展?jié)摿Φ男乱淮?海平臺(tái) 1 Spar 發(fā)展進(jìn)程 早在30 a 前 Spar 的概念就在海洋工程中得到 了應(yīng)用 1987 年 Edward E Horton 在柱形浮標(biāo) Spar 和 TLP 概念的基礎(chǔ)上提出一種用于深水的 生產(chǎn)平臺(tái) 即單柱平臺(tái) Spar Platform 就是現(xiàn)代 Spar 平臺(tái)的鼻祖 目前 Spar 已發(fā)展為 3 種比較成 熟的平臺(tái)型式 2 即傳統(tǒng)式平臺(tái) 傳統(tǒng)式 Spar 平 2008 年 第 37 卷 石 油 礦 場(chǎng) 機(jī) 械 第 5 期 第 32頁(yè) OIL FIELD EQUIPMENT 2008 37 5 32 35 臺(tái) 桁架式平臺(tái) T russ Spar 和多柱式平臺(tái) Cell Spar 世界上第 1 座傳統(tǒng)式 Spar 平臺(tái)是 1996 年在墨 西哥灣建成下水的 Neptune Spar 從設(shè)計(jì)到平臺(tái) 正式采油 一共只花了 25 個(gè)月 一開(kāi)始就顯示了高 效率的特點(diǎn) 其工作記錄也顯示了高度的穩(wěn)定性 大 大提高了業(yè)主對(duì) Spar 技術(shù)的信心 到 2000 年 世 界上已經(jīng)發(fā)展了 3 座傳統(tǒng)式 Spar 平臺(tái) 分別為 Neptune Spar 588 m Genesis Spar 792 m 和 Hoover Spar 1 463 m 其中 Genesis Spar 安裝了 一座鉆探深度可達(dá) 7 620 m 的全裝鉆塔 具備自行 鉆探的能力 是世界上第 1 座鉆探和采油 Spar 平 臺(tái) Hoover Spar 是目前在役的規(guī)模最大的 Spar 桁架式Spar 平臺(tái)的概念是Deep Oil T echnolo gy 公司和 Spar International 公司提出的 并于 2001 年第 1 次應(yīng)用于 Nansen Boomvang 油田 自 2001 年第 1 座 Truss Spar Nansen Spar 安裝下 水 目前全世界已有 9 座 Truss Spar 先后建成下 水 還有 2 座在建 其中包括 2004 年初安裝下水的 世界上最大的 Spar 平臺(tái) BP 石油公司的 Hol stein Spar Dominion 石 油公司 的 Devils Tower Spar 以及世界上第 1 座采用尼龍塑料系泊索系統(tǒng) 的 Mad Dog Spar 由于各種最新技術(shù)的采用 到 2004 年底 新建成的 T russ Spar 已在多個(gè)方面取得 了創(chuàng)造性的突破 為 Spar 向深水 超深水進(jìn)軍提供 了方向 但是不管是傳統(tǒng)式 Spar 平臺(tái)還是桁架式 Spar 平臺(tái) 它們都有一個(gè)共同的缺點(diǎn)就是體形龐 大 造價(jià)昂貴 而且其龐大的主體對(duì)建造船塢的要求 很高 目前幾乎所有的 Spar 平臺(tái)的主體都是在歐 洲和亞洲建造的 然后用特種船舶運(yùn)輸?shù)侥鞲鐬?進(jìn)行組合和安裝 運(yùn)費(fèi)昂貴 且不易于安裝 為了解 決這些 Spar 平臺(tái)存在的問(wèn)題 Edward E Horton 設(shè) 計(jì)了新一代的多柱式采油平臺(tái) Cell Spar 從而將 Spar 技術(shù)又向前推進(jìn)了一大步 世界上第 1 座多 柱式 Spar 平臺(tái)是 Kerr McGee 公司的 Red Hawk Spar 平臺(tái) 4 該 Spar 主體總長(zhǎng) 171 m 有效直徑則 只有 20 m 設(shè)計(jì)排水量 15 200 t 設(shè)計(jì)日產(chǎn)量為 850 萬(wàn) m3天然氣和 10 000 15 000 bbl 原油 平臺(tái) 采用 6 條尼龍系泊索固定于墨西哥灣 海底基礎(chǔ)類 型為吸力式基礎(chǔ) 水深 1 615 m 2 Spar 結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn) 2 1 傳統(tǒng)式 Spar 平臺(tái) Classic Spar 傳統(tǒng)式 Spar 平臺(tái)如圖 1 其主體是一個(gè)大直 徑 大吃水的具有規(guī)則外形的浮式柱狀結(jié)構(gòu) 主體中 一種是硬艙 位于殼體的上部 用來(lái)提供平臺(tái)的浮 力 中間部分是儲(chǔ)存艙 在平臺(tái)建造時(shí) 底部為平衡 穩(wěn)定艙 當(dāng)平臺(tái)已經(jīng)系泊并準(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 還有 一些壓載艙 用于吃水控制 中部由系泊索呈懸鏈 線狀錨泊于海底 系泊索由海底樁鏈 錨鏈和鋼纜 組成 錨所承受的上拔載荷由打樁或負(fù)壓法安裝的 吸力錨來(lái)承擔(dān) 導(dǎo)纜孔通常位于硬艙的下部 表 1 Spar 平臺(tái)基本情況匯總 平臺(tái)名稱類型水深 m年份 Neptune傳統(tǒng)式5881996 Genesis傳統(tǒng)式7931998 Hoover Diana傳統(tǒng)式1 4632000 Nansen桁架式1 1282001 Medusa桁架式6782002 Boomvang桁架式1 0522002 Horn Mountain桁架式1 6462002 Holstein桁架式1 3082003 Gunnison桁架式1 0702004 Mad Dog桁架式1 3472004 Devils T ower桁架式1 7102004 Front Runner桁架式1 0672004 Red Hawk多柱式1 6152004 Constitution桁架式1 5152006 Kiketh桁架式1 2802007 圖 1 傳統(tǒng)式 Spar 平臺(tái)示意 33 第 37 卷 第 5 期 楊雄文 等 Spar 平臺(tái)結(jié)構(gòu)型式及總體性能分析 傳統(tǒng)式 Spar 平臺(tái)的水線結(jié)構(gòu)是敞開(kāi)的 基本不 提供浮力 以減少垂蕩 水線以下部分為密封空心 體 以提供浮力 艙底部一般裝水壓載或用以儲(chǔ)油 給平臺(tái)提供穩(wěn)定性 以適應(yīng)于任意角度的風(fēng)浪 能顯 著減少垂蕩反應(yīng) 造價(jià)低 便于安裝 可以重復(fù)使用 因而對(duì)邊際油田比較適用 大吃水對(duì)立管有很好的 保護(hù) 其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)對(duì)水深變化不敏感 適宜于在深水 海域應(yīng)用 2 2 桁架式 Spar 平臺(tái) Truss Spar 桁架式 Spar 平臺(tái) 如圖 2 是應(yīng)用桁架結(jié)構(gòu)代 替?zhèn)鹘y(tǒng)式 Spar 平臺(tái)柱體的中部結(jié)構(gòu) 連接頂部硬艙 和底部軟艙 其桁架部分是一個(gè)類似于導(dǎo)管架結(jié)構(gòu) 的空間鋼架 與傳統(tǒng)式 Spar 平臺(tái)的金屬圓柱中部結(jié) 構(gòu)相比 可以節(jié)省 50 的鋼材 桁架式 Spar 通常 由無(wú)內(nèi)傾立腿 水平撐桿 斜桿和垂蕩板組成 桁架 中的管狀部件在整個(gè) Spar 的使用過(guò)程中均產(chǎn)生浮 力 垂蕩板通常由帶支架的剛性金屬結(jié)構(gòu)組成 通 過(guò)水平撐桿支撐 是桁架設(shè)計(jì)的一部分 通過(guò)將桁 架腿柱構(gòu)件伸長(zhǎng)至頂部硬艙殼體結(jié)構(gòu)中來(lái)連接桁架 和硬艙 圖 2 桁架式 Spar 平臺(tái)示意 與傳統(tǒng)式 Spar 平臺(tái)相比 桁架式 Spar 平臺(tái)的 最大優(yōu)勢(shì)在于其建造鋼材的用量大大降低 從而能 大大節(jié)省建造費(fèi)用 因此得到廣泛的應(yīng)用 桁架式 Spar 平臺(tái)最顯著的特點(diǎn)就是運(yùn)動(dòng)性能優(yōu)良 由于 開(kāi)放式架構(gòu)設(shè)計(jì) 桁架式 Spar 平臺(tái)的主體受力面積 大大減小 從而減小了平臺(tái)在相應(yīng)方向上的運(yùn)動(dòng)響 應(yīng) 在開(kāi)放式主體上水平設(shè)置的垂蕩板結(jié)構(gòu)也大大 提高了平臺(tái)的穩(wěn)定性 當(dāng)平臺(tái)發(fā)生垂蕩運(yùn)動(dòng)時(shí) 垂蕩 板與上下面的海水作用 產(chǎn)生很大的阻力 抵消了大 部分波浪與海流產(chǎn)生的垂蕩力 從而限制平臺(tái)的垂 蕩運(yùn)動(dòng) 中部開(kāi)放的桁架構(gòu)結(jié)構(gòu)能減小主體吃水量 和主體長(zhǎng)度 使質(zhì)量比原來(lái)的封閉式結(jié)構(gòu)輕 使耗用 鋼材大大減少 降低造價(jià) 2 3 多柱式 Spar 平臺(tái) Cell Spar 多柱式 Spar 平臺(tái)是一種新型的 Spar 平臺(tái) 如 圖 3 本體由一束圓柱體組成 稱為蜂巢式平臺(tái) 由 很多處在它們空隙間的水平的和垂直的結(jié)構(gòu)單元連 接起來(lái) 多柱式 Spar 平臺(tái)的上部結(jié)構(gòu)由 6 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 多柱式 Spar 同 樣非常穩(wěn)定 圖 3 多柱式 Spar 平臺(tái)示意 由于傳統(tǒng)式 Spar 平臺(tái)和桁架式 Spar 平臺(tái)的主 體部分都包含大直徑的圓柱體 對(duì)建造工藝的要求 34 石 油 礦 場(chǎng) 機(jī) 械 2008 年 5 月 很高 因此 一種新型的被稱作多柱式的平臺(tái)被設(shè) 計(jì)出來(lái) 多柱式 Spar 平臺(tái)的最大優(yōu)點(diǎn)在于 同現(xiàn)有 的 Spar 平臺(tái)相比 它降低了建造難度 經(jīng)濟(jì)性較好 多柱式 Spar 平臺(tái)小型的圓柱體設(shè)計(jì)使平臺(tái)擁有更 小 更輕的主體結(jié)構(gòu) 大大降低了平臺(tái)鋼材耗用量 降低了平臺(tái)造價(jià) 同時(shí) 由于小圓柱的設(shè)計(jì) 也使平 臺(tái)對(duì)造船場(chǎng)地要求降低 使生產(chǎn)商選擇 Spar 平臺(tái)建 造地點(diǎn)具有更大的靈活性 更進(jìn)一步降低了平臺(tái)的 整體造價(jià) 3 Spar 與 TLP 性能對(duì)比 3 1 運(yùn)動(dòng)性能 相對(duì) TLP 來(lái)說(shuō) Spar 平臺(tái)具有更好的運(yùn)動(dòng)性 能 由于 Spar 平臺(tái)的垂蕩板質(zhì)量相對(duì)較大 同時(shí) 其水線面積相對(duì)較小 因此有更小的垂蕩運(yùn)動(dòng) 運(yùn)動(dòng) 性能更好 而 T LP 平臺(tái)由于其張力腿鋼束的約束 作用 垂蕩剛度很大 垂蕩周期很小 因此在海浪能 量作用下 TLP 基本沒(méi)有垂蕩運(yùn)動(dòng) Spar 平臺(tái)的半張緊系泊裝置使其水平剛度比 TLP 平臺(tái)大 因此 Spar 縱蕩 橫蕩運(yùn)動(dòng)性能都小于 TLP 平臺(tái) 水平位置漂移更小 同時(shí) Spar 平臺(tái)的縱 蕩 橫蕩運(yùn)動(dòng)性能相對(duì) T LP 平臺(tái)也具有很大的不 同 主要是立管與頂層模塊 而 TLP 平臺(tái)的縱蕩 橫蕩運(yùn)動(dòng)性能與垂蕩性能類似 由張力腿剛度決定 3 2 穩(wěn)定性能 與 TLP 平臺(tái)不同 Spar 平臺(tái)的穩(wěn)定性不是從 系泊系統(tǒng)獲得的 Spar 平臺(tái)的重心大大低于浮心 即使橫搖和縱搖到最大角度 Spar 平臺(tái)也是個(gè)穩(wěn)定 系統(tǒng) 而 T LP 平臺(tái)穩(wěn)性主要由上部結(jié)構(gòu) 張力腿和 錨基等決定 3 3 操作性能 Spar 的分散系泊系統(tǒng)能使它直接移動(dòng)到任意 一海底油井處 而不需要借助其他中間設(shè)備來(lái)接近 井口 同時(shí)也能根據(jù)需要方便地改變系泊索預(yù)張力 相對(duì) T LP 平臺(tái) 操作 定位更方便 3 4 經(jīng)濟(jì)成本 Spar 平臺(tái)相對(duì) T LP 平臺(tái)來(lái)說(shuō)更具經(jīng)濟(jì)性 Spar 平臺(tái)對(duì)水深并不敏感 水深的增加對(duì) Spar 的 影響只是增加系泊系統(tǒng)的長(zhǎng)度和質(zhì)量 而這一部分 相對(duì)于整個(gè) Spar 來(lái)說(shuō)只是很小的一部分載荷 因此 Spar 平臺(tái)能適應(yīng)更深的海域 在2 000 m 以內(nèi) 而 水深對(duì) T LP 平臺(tái)的張力腿系統(tǒng)影響較大 目前較經(jīng) 濟(jì)適用的水深是1 300 m以內(nèi) 4 Spar 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) 隨著海上油氣勘探開(kāi)發(fā)向更深的海域推進(jìn) Spar 平臺(tái)作為一種深海優(yōu)秀的平臺(tái)型式必將得到 廣泛的重視和發(fā)展 作為一種新技術(shù) Spar 平臺(tái)已 經(jīng)在技術(shù)上完全成熟并投入實(shí)際使用 目前 世界 上在役 Spar 平臺(tái)有 6 座 另有 7 座 Spar 平臺(tái)在建 共發(fā)展了三代平臺(tái)型式 從 Spar 平臺(tái)的發(fā)展現(xiàn)狀 來(lái)看 未來(lái) Spar 平臺(tái)的研究重點(diǎn)主要將集中在以下 方面 a 結(jié)構(gòu)型式 尋求更經(jīng)濟(jì)性以適應(yīng)極深海油 田或極深海邊際油田開(kāi)發(fā)的需要 b 整體性能 包括平臺(tái)本體 系泊系統(tǒng)和立 管系統(tǒng)的受力和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)研究 c 系泊系統(tǒng) 包括系泊系統(tǒng)的極限承