Spar平台结构型式及总体性能分析.pdf

收稿日期 2007 10 08 基金项目 教育部 创新团队 资助项目 IRT0411 作者简介 杨雄文 1979 男 湖北天门人 中国石油大学油气井工程专业在读博士 从事油气井力学 信息与控制方面的 研究 E mail Yangxw998 126 com 文章编号 1001 3482 2008 05 0032 04 Spar平台结构型式及总体性能分析 杨雄文 樊洪海 中国石油大学 石油工程教育部重点实验室 北京 102249 摘要 Spar 平台是一种比张力腿平台 TLP 更经济和使用水深更深的深海平台 也是深海油气勘 探开发最重要的发展概念之一 介绍了 Spar 的发展历程和 Spar 系统的总体结构组成 对比了传 统式平台 Classic Spar 桁架式平台 Truss Spar 多柱式平台 Cell Spar 的结构特点及 Spar 和 TLP 的特点 并对 Spar 未来发展趋势作了展望 关键词 Spar 平台 总体结构 特点分析 发展趋势 中图分类号 TE951 文献标识码 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 海上油气田的开发已经有近半个多世纪的历 史 在中国 大规模的海上油田的开发也有二十多年 的时间 随着世界油气资源日趋减少 向深海发展 已成为一种必然趋势 深海平台技术已成为国际海 洋工程界的一个热点 目前国内已开发的海上油气 田最大水深不超过 500 m 1 000 m 以上的深水和超 深水区域尚未涉足 深海平台技术几乎是处于零起 步阶段 因此 在能源竞争日益激烈的今天 重视深 海油气勘探 加强深海平台技术研究日益迫切 Spar 平台作为一种用于深海油气开采 生产和 加工处理的海洋结构物 是深海油气勘探开发最重 要的发展概念之一 1 Spar 平台相对于张力腿平 台 TLP 具有更好的运动性能 能够适应更深的海 域 定位和操作都相对容易 灵活性和经济性更好等 特点 被认为是最具吸引力和发展潜力的新一代深 海平台 1 Spar 发展进程 早在30 a 前 Spar 的概念就在海洋工程中得到 了应用 1987 年 Edward E Horton 在柱形浮标 Spar 和 TLP 概念的基础上提出一种用于深水的 生产平台 即单柱平台 Spar Platform 就是现代 Spar 平台的鼻祖 目前 Spar 已发展为 3 种比较成 熟的平台型式 2 即传统式平台 传统式 Spar 平 2008 年 第 37 卷 石 油 矿 场 机 械 第 5 期 第 32页 OIL FIELD EQUIPMENT 2008 37 5 32 35 台 桁架式平台 T russ Spar 和多柱式平台 Cell Spar 世界上第 1 座传统式 Spar 平台是 1996 年在墨 西哥湾建成下水的 Neptune Spar 从设计到平台 正式采油 一共只花了 25 个月 一开始就显示了高 效率的特点 其工作记录也显示了高度的稳定性 大 大提高了业主对 Spar 技术的信心 到 2000 年 世 界上已经发展了 3 座传统式 Spar 平台 分别为 Neptune Spar 588 m Genesis Spar 792 m 和 Hoover Spar 1 463 m 其中 Genesis Spar 安装了 一座钻探深度可达 7 620 m 的全装钻塔 具备自行 钻探的能力 是世界上第 1 座钻探和采油 Spar 平 台 Hoover Spar 是目前在役的规模最大的 Spar 桁架式Spar 平台的概念是Deep Oil T echnolo gy 公司和 Spar International 公司提出的 并于 2001 年第 1 次应用于 Nansen Boomvang 油田 自 2001 年第 1 座 Truss Spar Nansen Spar 安装下 水 目前全世界已有 9 座 Truss Spar 先后建成下 水 还有 2 座在建 其中包括 2004 年初安装下水的 世界上最大的 Spar 平台 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 座采用尼龙塑料系泊索系统 的 Mad Dog Spar 由于各种最新技术的采用 到 2004 年底 新建成的 T russ Spar 已在多个方面取得 了创造性的突破 为 Spar 向深水 超深水进军提供 了方向 但是不管是传统式 Spar 平台还是桁架式 Spar 平台 它们都有一个共同的缺点就是体形庞 大 造价昂贵 而且其庞大的主体对建造船坞的要求 很高 目前几乎所有的 Spar 平台的主体都是在欧 洲和亚洲建造的 然后用特种船舶运输到墨西哥湾 进行组合和安装 运费昂贵 且不易于安装 为了解 决这些 Spar 平台存在的问题 Edward E Horton 设 计了新一代的多柱式采油平台 Cell Spar 从而将 Spar 技术又向前推进了一大步 世界上第 1 座多 柱式 Spar 平台是 Kerr McGee 公司的 Red Hawk Spar 平台 4 该 Spar 主体总长 171 m 有效直径则 只有 20 m 设计排水量 15 200 t 设计日产量为 850 万 m3天然气和 10 000 15 000 bbl 原油 平台 采用 6 条尼龙系泊索固定于墨西哥湾 海底基础类 型为吸力式基础 水深 1 615 m 2 Spar 结构性能特点 2 1 传统式 Spar 平台 Classic Spar 传统式 Spar 平台如图 1 其主体是一个大直 径 大吃水的具有规则外形的浮式柱状结构 主体中 一种是硬舱 位于壳体的上部 用来提供平台的浮 力 中间部分是储存舱 在平台建造时 底部为平衡 稳定舱 当平台已经系泊并准备开始生产时 这些舱 则转化为固定压载舱 主要用来降低重心高度 还有 一些压载舱 用于吃水控制 中部由系泊索呈悬链 线状锚泊于海底 系泊索由海底桩链 锚链和钢缆 组成 锚所承受的上拔载荷由打桩或负压法安装的 吸力锚来承担 导缆孔通常位于硬舱的下部 表 1 Spar 平台基本情况汇总 平台名称类型水深 m年份 Neptune传统式5881996 Genesis传统式7931998 Hoover Diana传统式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 图 1 传统式 Spar 平台示意 33 第 37 卷 第 5 期 杨雄文 等 Spar 平台结构型式及总体性能分析 传统式 Spar 平台的水线结构是敞开的 基本不 提供浮力 以减少垂荡 水线以下部分为密封空心 体 以提供浮力 舱底部一般装水压载或用以储油 给平台提供稳定性 以适应于任意角度的风浪 能显 著减少垂荡反应 造价低 便于安装 可以重复使用 因而对边际油田比较适用 大吃水对立管有很好的 保护 其运动响应对水深变化不敏感 适宜于在深水 海域应用 2 2 桁架式 Spar 平台 Truss Spar 桁架式 Spar 平台 如图 2 是应用桁架结构代 替传统式 Spar 平台柱体的中部结构 连接顶部硬舱 和底部软舱 其桁架部分是一个类似于导管架结构 的空间钢架 与传统式 Spar 平台的金属圆柱中部结 构相比 可以节省 50 的钢材 桁架式 Spar 通常 由无内倾立腿 水平撑杆 斜杆和垂荡板组成 桁架 中的管状部件在整个 Spar 的使用过程中均产生浮 力 垂荡板通常由带支架的刚性金属结构组成 通 过水平撑杆支撑 是桁架设计的一部分 通过将桁 架腿柱构件伸长至顶部硬舱壳体结构中来连接桁架 和硬舱 图 2 桁架式 Spar 平台示意 与传统式 Spar 平台相比 桁架式 Spar 平台的 最大优势在于其建造钢材的用量大大降低 从而能 大大节省建造费用 因此得到广泛的应用 桁架式 Spar 平台最显著的特点就是运动性能优良 由于 开放式架构设计 桁架式 Spar 平台的主体受力面积 大大减小 从而减小了平台在相应方向上的运动响 应 在开放式主体上水平设置的垂荡板结构也大大 提高了平台的稳定性 当平台发生垂荡运动时 垂荡 板与上下面的海水作用 产生很大的阻力 抵消了大 部分波浪与海流产生的垂荡力 从而限制平台的垂 荡运动 中部开放的桁架构结构能减小主体吃水量 和主体长度 使质量比原来的封闭式结构轻 使耗用 钢材大大减少 降低造价 2 3 多柱式 Spar 平台 Cell Spar 多柱式 Spar 平台是一种新型的 Spar 平台 如 图 3 本体由一束圆柱体组成 称为蜂巢式平台 由 很多处在它们空隙间的水平的和垂直的结构单元连 接起来 多柱式 Spar 平台的上部结构由 6 个外圆 柱围绕 1 个中心圆柱组成 上部圆柱提供整体所需 浮力 下部由外圆柱中的 3 个延伸到底部的圆柱腿 构成 压载舱在这些圆柱腿的底部 以确保平台具有 足够的稳定性 垂荡板装在圆柱腿上 提供较大的垂 荡附加质量和附加阻尼 适合刚性立管 同其他 Spar 平台一样 由于浮心高于重心 多柱式 Spar 同 样非常稳定 图 3 多柱式 Spar 平台示意 由于传统式 Spar 平台和桁架式 Spar 平台的主 体部分都包含大直径的圆柱体 对建造工艺的要求 34 石 油 矿 场 机 械 2008 年 5 月 很高 因此 一种新型的被称作多柱式的平台被设 计出来 多柱式 Spar 平台的最大优点在于 同现有 的 Spar 平台相比 它降低了建造难度 经济性较好 多柱式 Spar 平台小型的圆柱体设计使平台拥有更 小 更轻的主体结构 大大降低了平台钢材耗用量 降低了平台造价 同时 由于小圆柱的设计 也使平 台对造船场地要求降低 使生产商选择 Spar 平台建 造地点具有更大的灵活性 更进一步降低了平台的 整体造价 3 Spar 与 TLP 性能对比 3 1 运动性能 相对 TLP 来说 Spar 平台具有更好的运动性 能 由于 Spar 平台的垂荡板质量相对较大 同时 其水线面积相对较小 因此有更小的垂荡运动 运动 性能更好 而 T LP 平台由于其张力腿钢束的约束 作用 垂荡刚度很大 垂荡周期很小 因此在海浪能 量作用下 TLP 基本没有垂荡运动 Spar 平台的半张紧系泊装置使其水平刚度比 TLP 平台大 因此 Spar 纵荡 横荡运动性能都小于 TLP 平台 水平位置漂移更小 同时 Spar 平台的纵 荡 横荡运动性能相对 T LP 平台也具有很大的不 同 主要是立管与顶层模块 而 TLP 平台的纵荡 横荡运动性能与垂荡性能类似 由张力腿刚度决定 3 2 稳定性能 与 TLP 平台不同 Spar 平台的稳定性不是从 系泊系统获得的 Spar 平台的重心大大低于浮心 即使横摇和纵摇到最大角度 Spar 平台也是个稳定 系统 而 T LP 平台稳性主要由上部结构 张力腿和 锚基等决定 3 3 操作性能 Spar 的分散系泊系统能使它直接移动到任意 一海底油井处 而不需要借助其他中间设备来接近 井口 同时也能根据需要方便地改变系泊索预张力 相对 T LP 平台 操作 定位更方便 3 4 经济成本 Spar 平台相对 T LP 平台来说更具经济性 Spar 平台对水深并不敏感 水深的增加对 Spar 的 影响只是增加系泊系统的长度和质量 而这一部分 相对于整个 Spar 来说只是很小的一部分载荷 因此 Spar 平台能适应更深的海域 在2 000 m 以内 而 水深对 T LP 平台的张力腿系统影响较大 目前较经 济适用的水深是1 300 m以内 4 Spar 未来发展趋势 随着海上油气勘探开发向更深的海域推进 Spar 平台作为一种深海优秀的平台型式必将得到 广泛的重视和发展 作为一种新技术 Spar 平台已 经在技术上完全成熟并投入实际使用 目前 世界 上在役 Spar 平台有 6 座 另有 7 座 Spar 平台在建 共发展了三代平台型式 从 Spar 平台的发展现状 来看 未来 Spar 平台的研究重点主要将集中在以下 方面 a 结构型式 寻求更经济性以适应极深海油 田或极深海边际油田开发的需要 b 整体性能 包括平台本体 系泊系统和立 管系统的受力和运动响应研究 c 系泊系统 包括系泊系统的极限承