论柔性开发系统的主要装备及其关键技术

论柔性开发系统的主要装备及其关键技术姓名学号专业年级摘要近年来受到国内石油需求加大及国家石油生产战略转变的影响，海洋石油开采发展迅猛，产能不断扩大，海洋石油生产设备进口量也大幅增长。目前，我国乃至整个世界的海洋石油行业己经进入高速发展期。深海石油的开采己经被认为是石油工业的一个重要前沿阵地，在墨西哥湾、巴西以及西非等地，深海石油开发己经有了极大的发展。目前世界上主要存在两种石油开发方式，第一种是刚性开发系统，第二种是柔性开发系统。柔性开发系统主要应用湿树采油系统，对平台的垂荡运动要求相对而言不是很高，并且可以应用多种立管组合形式，但是修井不方便。各国综合各自海域的特点油田规模、环境条件、水深影响、距岸或其他油田设施的距离等，并且考虑一系列的经济、安全因素的影响，开发出了适合本国基本情况的深水工程开发模式。比如美国深水开发模式和巴西深水开发模式。本文主要介绍了由半潜式平台组成的深水柔性开发系统，分别从组成结构半潜式平台、立管及锚泊系统的特点，适用性，以及其主要装备的等方面进行论述，并且结合我国南海的环境特征给出了初步的开发设想。关键字柔性开发系统；半潜式平台；立管；锚泊系统1绪论11引言众所周知，石油、天然气是国家的重要能源。随着世界经济的不断发展，人类社会对油气资源的需求也不断上升，这对油气资源的勘探和开发提出了更高的要求。据英国石油公司BP2009年世界能源统计年评统计报告，2008年全球一次能源消费增幅为14，虽然增速少许放缓，但仍然处在增长状态。我国2008年的一次能源消费量增幅明显高于世界平均水平，达到72，占世界全部能源消费增量的3/4。截至2008年底，全球原油探明可采储量为1258万亿桶不含加拿大油砂。如按2008年的年开采速度计算，还可继续开采42年。全球天然气探明可采储量为18502万亿立方米，按2008年的年开采速度能满足60年的开采。报告中揭示的中国化石资源数据，呈现了一幅化石能源难以支撑我国经济社会可持续发展的现实情景。截至2008年底，中国原油剩余探明可采储量为155亿桶，仅占全球总量的12，按2008年的年开采速度计算，还可继续开采11年；天然气剩余探明储量为246万亿立方米，仅占全球总量的13，按2008年的年开采速度计算，还可继续开采32年。可见我国的能源形势已相当紧迫。目前，世界石油工业正面临着极大的挑战。全球油气储量增长乏力，难以弥补每年的产量，然而全球的油气消费量仍将以较快的速度增长。未来巨大的油气需求将如何得以满足，这是摆在世界石油工业面前的一个大难题。根据BP的能源统计资料，全球对于油气的需求正在强劲增长。1981年的油气消费量各为299亿吨和147万亿立方米，而到2001年已分别达到357亿吨、245万亿立方米，2008年则达到了393亿吨、302万亿立方米。根据国际能源署1EA发布的世界能源展望预测，从2000年至2030年，世界石油需求预计年均增长16，到2030年将达到5769亿吨；天然气的需求量年均增长24，到2030年将达到4203亿吨油当量；未来油气仍将在世界一次能源需求中居主导地位，到2030年油气需求占世界一次能源总需求的65，而且在2015年天然气将超过煤炭成为一次能源中第二大能源种类。2030年9972亿吨油当量的油气需求要得以满足，再加上陆上石油资源危机问题日渐突出，因此急需寻找储量的接替区域。而未来石油界的希望应该在海上，而且对于石油公司来说，海上油气的基础设施不易遭到恐怖袭击的破坏，这点使海上油气的勘探开发更有吸引力。研究世界海洋石油工业的现状特别是发展趋势，无论对于整个世界石油工业，还是对于未来世界经济的发展，都有非常重要的意义。12深海海洋平台的发展与应用早期的海上石油开发主要是面向近海。随着深海油田的不断发展，传统的导管架平台和重力式平台由于其自重和工程造价随水深增加而大幅度增加，己经不适应深海油气开发，取而代之的是浮式生产系统。由于深海环境相对更为恶劣以及投资成本加剧，近二十多年来，海洋工程界在降低投资及减少海上结构物的受力方面不断进行开发研究和技术创新，卓有成效地开发出许多类型的浮式生产系统，包括以油轮为基础的FPSOFLOATINGPRODUCTION，STORAGEANDOFFLOADINGSYSTEM，简称FPSO、半潜式平台SEMISUBMERSIBLE，TLPTENSIONLEGPLATFORM，简称TLP，SPAR、浮式塔FLOATINGTOWER及FPDSOFLOATINGPRODUCTION，DRILLING，STORAGEANDOFFLOADINGSYSTEM，简称FPDSO等。其中，实际应用于深海油田工程中的主要为FPSO，SEMISUBMERSIBLE，TLP，SPAR四种型式。FPSO由于集储油、卸油及生产为一体的优点，自1977年首次在CASTELLOR油田投入使用以来，己迅速成为当今海洋石油开发的主流设施1。由FPSO可变载荷大，又具有风标效应，因此在环境恶劣的深海海域也有广泛应用。但FPSO在水面处水线面面积较大，在风浪流作用下的动力响应亦较大，不适于钻井作业，加之所选用的水下完井系统及柔性立管等技术问题以及对生产处理设备的要求较高等原因，使得FPSO的投资成本增加，致使其在深海海域的应用受到一定的限制。张力腿平台是利用浮力让联系平台船体及海底锚固基础的张力腿受到预张力，使平台主要处于受拉状态，从而保证了平台本体与海底井口的相对位置在允许的工作范围内，其工作水深为457M一1828M。其主要特点是垂向运动在张力缆索的系泊下得到了很大的改善。与FPSO相比，TLP最大的优点是可以采用刚性立管，进口可以安装在甲板上，操作起来犹如固定式平台。总体而言。虽然TLP的垂向运动在张力索的作用下得到改善，但是水平方向的运动还不尽人意。而且锚泊系统的投资成本也相当的高。因此，人们开始寻求一种锚系投资成本低、运动响应小的平台，这就是近几年来发展的单柱式SPAR平台。SPAR的设计要点是重心低于浮心以保持SPAR的稳定。由于浮心和重心在垂直方向是分开的，SPAR有着良好的漂浮稳性，即使在极端破坏的情况下也不会倾覆。其工作水深457M1828M。与TLP和FPSO相比，SPAR锚系的投资成本相对较低，只有一半左右，而且便于安装，可以重复使用，因而对边际油田比较适用。半潜式海洋平台由沉箱PONTOON、立柱COLUMN和上层结构所组成，立柱截面形状一般为圆形或方形。由于半潜式海洋平台具有较小的水线面面积，使其在对波浪和海流的响应方面有着良好的性能，抗风能力可达100KNOT120KNOT，抗波浪能力可达16M32M。同时，具有甲板面积和可变载荷大可达10000T、适应水深范围广3000M、钻机能力强钻井深度6000M10000M、具有多种作业功能钻井、生产、起重、铺管等等特点。半潜式海洋平台在深海领域得到了广泛的应用，技术相对成熟。目前国际上的半潜式海洋平台己经发展到了第五代，有些国外的设计公司己经推出了半潜平台的系列产品。1996年以来国外新建了一批适用于深海作业的移动式钻井装置，其中19艘新建的半潜式平台中有18艘的工作水深超过了1500M，半数以上水深超过2000M。我国海洋工程界在浅海平台技术方面有过辉煌的成就，80年代开始就自行设计建造了各种类型的钢结构平台，如1982年大连造船厂建造的“大脚III”自升式平台，1984年上海船厂建造的“勘探三号”半潜式平台，1988年北海船厂建造的“胜利二号”极浅海步行式平台，1988年中华船厂与烟台船厂建造的“胜利三号”坐底式钻井平台等。目前，我国FPSO的设计和建造技术水平，不考虑系泊系统等配套设施，也基本与国外相近或同步。我国对张力腿平台也进行了有关的探索性研究。上海交通大学对应用于中等水深边际油田的轻型TLP进行了方案设计与可行性研究，并在上海交通大学海洋工程国家重点实验室进行了水动力模型试验24。天津大学对深水TLP的结构型式与设计进行了探讨降56，对其水动力特性及涡激响应进行了研究78。中科院力学所也对TLP张力腿的涡激响应问题进行了探讨9。但总的来说，研究工作还处于初步阶段，有待进一步深入。我国对SPAR平台的研究起步较晚，直到2002年上海交通大学与美国NOVELLENTTECHNOLOGIESLLC就一种新型GEOMETRICSPAR概念进行了试验研究，才有所接触。但近年来随着深海油气开发的热潮，SPAR作为一种较新的深海浮式平台形式，引起了国内学者及科研单位的广泛关注。迄今为止，我国对领海油气资源的开发主要集中在200米以内的海域10深海平台技术的研究尚处于初步阶段，与世界先进水平相比有一定差距，这与最近几年国际深海平台创新概念层出、技术发展飞速的局面形成巨大反差，成为与国外海洋工程技术水平主要差距之一。意识到这种不利局面以及海洋工程向深海发展的必然趋势，国内海洋工程界也掀起了对深海领域问题研究的热潮，在面临世界各国对人类共同拥有的深海资源激烈竞争的形势下，促进我国海洋工程的科技进步，振兴我国民族工业，增强国际竞争力。而且深海平台是高技术、高性能、高附加值的装备，其自主研究开发必将推动高新技术的发展，带来巨大的经济效益和社会效益。13论文主要研究内容本文主要介绍了半潜式海洋平台为主体组成的柔性开发系统，重点阐述了半潜式海洋平台的发展历史、结构构造、立管及锚泊系统、建造及安装过程、发展趋势等。并且结合美国、巴西及西非深水工程开发模式，初步提出了我国南海的石油开发设想。2半潜式深海平台21发展历史半潜式海洋平台属于移动式平台。为了克服钻井船在波浪上运动响应大，稍有风浪就会引起很大运动，钻井作业无法再进行下去的缺点。既能在深水钻井又有较高作业效率，在1962年出现了第一艘半潜式钻井平台。这种平台的基本结构形式和坐底式相仿，是由坐底式平台发展而来。它上有平台甲板，在水面以上不受波浪侵袭，下有浮体，沉于水面以下以减小波浪的扰动力，连接于其间的是小水线面的立柱，图211至图213所示为半潜式平台的几种型式。双下浮体结构形式便于拖航，但与环形下浮体相比，强度有所降低。由于半潜式平台具有小的水线面面积，使整个平台在波浪中的运动响应较小，因而它具有出色的深海钻井的工作性能。作业时，下浮体潜入水中，提供主要浮力。与开放式的单层甲板结构相比，箱形上船体能增加总强度和内部空间，并可在破舱时提供附加浮力。上船体高出水面一定距离，保持气隙，以免受波浪的冲击。一般在作业海况下其升沉不大于M，水平位移不大于水深的，1556平台的纵横倾角不大于，这种性能对漂浮子水面钻井的平台具有十分要的23意义11。平台上设有钻井机械设备、器材和生活舱室等，主要由主甲板为钻井作业提供空间。可采用锚泊定位和动力定位，锚泊定位的半潜式平台一般适用于200500M水深的海域内作业。图211三立柱圆沉箱半潜式平合（SEDCO135）图212五立柱半潜式平合图213双下体半潜式平台图214浮体固有周期与波浪周期关系如图214所示，波浪能量基本集中在520秒周期范围之内，其能量约占总能量90以上。常规船舶之所以产生较大幅度的横摇与纵摇等运动，主要原因是其固有周期是在波浪能量周期范围内；而半潜式平台横摇与纵摇固有周期都在2530S，避开了波浪能量的周期，使它不易产生谐振，因此具有良好的水动力性能。半潜式钻井平台的设计技术含量极高。目前国际上设计半潜式钻井平台的公司主要有美国的FRIEDEGOLDMAN公司、挪威的AKERKVAERNERAKER公司、新加坡的HARALDFRIGSTAD工程设计公司、挪威的GLOBALMARITIME公司、瑞典的GAV咨询公司、荷兰的海洋结构咨询公司、美国的JRAYMCDERMOTT公司和新加坡的吉宝公司（KEPPELFELS）等。22发展阶段第一代建造时间19601970年工作水深90M180MDVL甲板活荷载2000公吨锚泊定位系统典型代表RIGN01半潜式平台（SHELL公司设计），1966年SEDCO135半潜式平台（FRIEDEGOLDMAN公司设计）。这个时期的平台结构布局大多不合理，设备自动化程度低。目前仅有小部分继续服役，其余均拆除或者升级。第二代建造时间20世纪70年代典型的代表AKERH3，SEDCO700，FG900，南海二号工作水深180M600M钻井能力6096M7620M采用锚泊定位系统，自动化程度不高。南海2号第三代建造时间20世纪80年代典型的代表SEDCO714，ATWOODHUNTER，ATWOODEAGLE，ATWOODFALCON，南海5号，南海6号等结构较为合理，操作自动化程度不高。这类平台是20世纪8090年代的主力平台，建造数量最多。同期平台还有FGENHANCEDPACESETTER公司设计的PRIDEVENEZUELA；PRIDESOUTHATLANTIC，以及AKERH23设计的OCEANWINNER和DEEPSEABERGEN等。工作水深400M1500M钻井能力以7620M为主采用锚泊定位系统，自动化程度不高。南海5号ATWOODHUNTER第四代建造时间20世纪90年代末典型的代表JACKBATES，NOBLEAMOSRUNNER，NOBLEPAULROMANO，NOBLEMAXSMITH。DEHOOPMEGATHYST公司设计的PRIDEBRAZIL，PRIDECARLOSWALTER，PRIDEPORTLAND，PRIDERIODEJANEIRO均属于此级别工作水深1000M2000M钻井能力以7620M和9144M为主锚泊定位为主，采用推进器辅助定位并配有部分自动化钻台甲板机械，设备能力与甲板可变载荷都有提高。JACKBATES第五代建造时间20002005年期间典型的代表OCEANROVER，SEDCOENERGY，SEDCOEXPRES，DEEPWATERHORIZON由SEDCOFOREX公司设计的第5代半潜式平台采用模块化的甲板构件和2台独立的管了垂直移运排放机等白动化设备，提高了钻管移放速度3。同期平台有FRIEDEGOLDMAN公司设计的GSFDEVELOPMENTDRILLERIII和READINGBATESRBS8DANDRBS8M设计的DEEPWATERHORIZON，DEEPWATERNAUTILUS工作水深18003600M钻井能力7620M11430M（2500037500英尺）之间采用动力定位为主，锚泊定位为辅的定位方式，能适应更加恶劣的海洋环境。DEEPWATERHORIZONSEDCOENERGY第六代建造时间21世纪初典型的代表SCARABEO9,AKERH6E,GVA7500,MSCDSS21“海洋石油981”等作业水深25503600M，多数为3048M钻井深度大于9144M（30000英尺）采用动力定位体结构更为优化，可变载荷更大，配备白动排管等高效作业设备，能适应极其恶劣的海洋环境。“海洋石油981”是中国首次自主设计、建造的第六代3000米深水半潜式钻井平台，代表了当今世界海洋石油钻井平台技术的最高水平。于2012年5月9日，在南海首钻。“海洋石油981”23平台一般结构半潜式平台由平台主体、立柱（COLUMN）、下体（SUBMERGEDBODY）或浮箱（BUOYANCYTANK）组成，在下体与下体、立柱与立柱、立柱与平台之间通常布置一些支撑连接。平台上设有钻井机械设备、器材和生活舱室等，供钻井工作用。平台本体高出水面一定高度，以免波浪的冲击；下体或浮箱提供主要浮力，沉没于水下以减少波浪的干扰力（当波长和平台长度处于某些比值时，立柱和浮体上的波浪作用力能互相抵消，从而使作用在平台上的作用力很小，理论上甚至可以等于零）；平台本体与下体之间连接的立柱，具有小水线面的剖面，使得它具有较大的固有周期，不大可能和波谱的主要成分波发生共振，达到减小运动响应的目的；立柱与立柱之间相隔适当的距离，以保证平台的稳定。因而，半潜式海洋钻井平台具有极强的抗风浪能力、优良的运动性能、巨大的甲板面积和装载容量、高效的作业效率、易于改造并具备钻井、修井、生产等多种工作功能，无需海上安装，全球全天候的工作能力和自存能力等优点。其在深海能源开采中具有其他形式平台无法比拟的优势。半潜式钻井平台的类型有多种，其主要差别在于水下浮体的式样和数目。按下体的式样，其大体上可分为浮箱式和下体式两类。浮箱式一般将几根立柱布置在同一圆周上，每一根立柱下方设一个下体，成为浮箱（BUOYANCYTANK）。浮箱的剖面通常有圆形、矩形、靴形。浮箱的数目，也就是立柱的数目，有三个、四个、五个不等。下体式一般分为双下体和四下体两种，其中最常见的为双下体式。半潜式平台下体皆沿纵向对称地布置于平台的左右。其横剖面形状可为圆形、矩形或四隅呈圆弧的矩形。为了减小平台移航时的水阻力，下体的首尾封头可做成流线型。1、平台主体结构平台主体是由甲板、围壁以及若干纵向和横向舱壁组成的空间箱形结构。其甲板可以有几层，如主甲板、中间甲板、下甲板等。平台主体应具有储备浮力，即要求平台主体为水密或具有一定的水密性。平台主体可以是一个整体的箱型结构，也可以是若干个纵横箱结构的组合体，如“田”字形、“井”字形、“”字形。“勘探3号”的平台由主甲板、上甲板、前后和内外侧板、纵横框架和纵横骨架及相应内围壁组成，平台内挖掉四个大方孔，故实际可视为若干个箱型剖面组成的“田”字形平台。结构采用纵横混合骨架形式，每个区域内主向梁的方向不同，同时垂直于主向梁长度方向内设距离不等的强框架，所有主要侧壁骨架都采用水平布置，所有内壁均采用垂向扶强材。勘探3号2、立柱结构半潜式平台立柱从外形可以分为圆立柱和方立柱、等截面立柱和变截面立柱。立柱大多数为等截面圆立柱，有少数为方柱。半潜式平台立柱从立柱的粗细上可分为起稳定作用的粗立柱和只起支撑作用的细立柱。半潜式平台的立柱一般由外壳、垂向扶强材、水平桁材、水密平台、非水密平台、水密通道围壁和水密舱所组成。半潜式平台立柱结构主要可分为普通构架结构、交替构架结构、纵横隔板式结构、环筋桁架式结构等。一、普通构架结构这种构建一般由纵筋（VERTICALCOLUMN）与环筋（INTERCONNECTINGMEMBERS）组成，由于纵向力较大，一般纵筋与环筋相交处纵筋连续。二、交替构架结构1）纵向交替式。这种构架由小尺寸的普通纵筋、大截面尺寸的强纵筋及（隔几档布置）强环筋（肋骨）组成，这样强纵筋与强环筋互相支持组成强构件，作为与之相交的弱构件支座，可以使弱构件的尺寸减小。2）横向交替式。横向环筋布置中，每隔3档5档普通环筋布置一档强环筋，以增加横向刚度。三、纵横隔板式结构这种结构特点是用纵、横向隔板一般是两块正交布置或布置成一个封闭通道，隔板一般开有减轻孔（LIGHTENINGHOLE），或者用横向隔板代替横向加强筋，横向隔板有水密的或非水密的，隔板也需要布置加强筋。四、环筋桁架式结构这种结构由环筋与桁架组成。较大直径的立柱，除了有纵筋、环筋，中间还布置空间桁架结构，桁架与立柱壳板中的纵横加强筋相连组成一整体空间桁架。3、下体或浮箱结构（1）浮箱结构浮箱式一般将几根立柱布置在同一圆周上，每一根立柱下方设一个浮箱。浮箱的剖面有圆形、矩形、靴形，彼此互不相连。三角形半潜式平台和五角形半潜式平台用的较多。浮箱主要承受周围海水静水压力、立柱传来的平台的重力以及风浪流作用下的弯矩。浮箱结构形式一般由外形形状及强度确定。圆形及矩形浮箱上部平面板架由板和正交布置的或圆心辐射布置的水平型材组成；四周围壁采用环形水平型材与垂直型材一起布置；底部型材一般与浮箱上部型材布置尽可能位置一致。底部结构有单底及双底结构两种形式。浮箱与立柱间的连接部位需要承受较大的载荷，因此该处结构需要特别加强。一般立柱延伸到浮箱的底部，浮箱与立柱延伸部分之间用正交的纵横舱壁或桁架坚固连接。立柱也可与甲板正交，甲板与立柱间设肘板，立柱下部需要板或型材加强。（2）下浮体结构下浮体结构一般有平行浮体与组合浮体两种形式。平行浮体多为两个平行浮体式，也有四个或多个平行浮体。下浮体结构就是由若干个总横舱壁以外壳板架组成水密壳体。结构设计需要保证其解雇的水密性和强度，由于浮体纵向弯矩较大，因此其多采用纵骨架式结构，许多平台的下浮体还布置至少一个纵向水密舱壁。组合浮体为多个浮体组合成各种形状各异的浮体，多立柱式平台由不同形状纵横相交的浮体组成的平台。24立管海洋立管是连接上端平台和下端管线或井口的必要设备，立管上端通常是使用滑移节与平台相连接，立管下端通常是使用万向节与海底管线或井口相连接。海洋立管按照其结构形式的不同可以分为张紧式立管TOPTENSIONRISER，TTR、柔性立管FLEXIBLERISER，钢悬链线立管STEELCATENARYRISER，SCR以及混合立管HYBRIDRISER等。图231为作用在SPAR平台以及张力腿平台上的张紧式立管结构示意图；图232为柔性立管的结构示意图；图233是作用在浮式生产储运系统FLOATINGPRODUCTIONSTORAGEANDOFFLOADING，FPSO上SCR结构示意图。图231与SPAR平台以及张力腿平台连接的张紧式立管图232柔性立管的不同结构形式图233与浮式生产储运系统上相连接的钢悬链式立管241钢悬链式立管国内外研究现状虽然国外在钢悬链式立管的研究领域积累了比较丰富的成果和经验，但是国内关于钢悬链式立管的研究还处于起步阶段。其中，中国海洋大学的黄维平等人12阐述了SCR的研究现状以及SCR在我国的发展前景，对SCR的结构特点、海底接触以及疲劳损伤等诸多问题进行了介绍。哈尔滨工程大学的姚熊亮和孙丽萍13对深水中减小SCR的疲劳方法进行了研究。研究结果表明DOEE曲线可以很好地用在工程项目估算中；VIV引起的疲劳损伤安全系数通常可取为150。董永强在其硕士论文14中采用了有限元软件ABAQUS对SCR做了静力分析和动力分析，并且基于前面得到的SCR的应力响应，基于雨流计数法对立管做了运动疲劳分析，得到了立管的运动疲劳寿命。通过研究得到如下结论疲劳损伤的最大位置出现在立管与海底接触的地方，即触地点区域，因此在设计过程中应该对触地点区域进行局部的加强；平台运动数据的准确获得需要将平台设计与立管设计相互结合起来。白兴兰在其博士论文15中采用具有弯曲刚度的大挠度细长梁模型模拟SCR，该方法可考虑触地点SCR曲率的影响。采用了非线性有限元法来描述SPAR平台的非线性刚度。该方法可以在浮式平台的动力分析时考虑系泊系统的大变形状态下的非线性特征。基于绕射理论计算了SPAR平台本体的波浪载荷，研究表明极端海况下SPAR平台的垂荡波浪力较大，计算过程中不可忽略。基于SPAR平台与SCR的惯性祸合模型，开发了分析程序VCABLE3D，该程序可以将平台的垂荡以及纵荡运动作为顶端的运动输入并进行祸合计算。引入了吸力模型来考虑SCR与海床之间的相互作用。分析表明吸力会引起立管运动、弯矩以及张力时间历程曲线出现小幅度的高频振动。高秦岭在其硕士论文16中采用了DP土体本构模型，建立了SCR与土壤之间相互作用的ANSYS有限元模型，并对SCR进行了静力和动力分析。分析结果表明在浮力和重力的共同作用下，土壤的弹性模量越大，SCR变形则越小；土壤弹性模量的变化对触地区域SCR的弯矩和等效应力影响较小；粘性力的变化对悬挂段部分SCR的变形、弯矩以及等效应力影响很小；若同时考虑海流以及波浪，触地点区域的弯曲应力最大；当保持流速不变时，上端靠近海面处的SCR的位移平均值则随着波高的增大而增大；当保持波浪和波浪周期不变时，弯曲应力则随着流速的增大而增大；若同时增大波高、波浪周期以及流速，触地点处水平位移平均值有所减小，其他部位的立管的位移平均值、位移幅值以及弯曲应力均增大。孟丹在其博士论文17中考虑了内部流体流动以及管外海洋环境载荷的共同作用，采用了能量守恒原理建立了SCR的振动方程，使用尾流振子模型描述内部流体对SCR的作用力，同时将上端浮体的运动作为边界条件施加于立管悬挂点处，通过编程计算对SCR的动力响应进行数值模拟。通过计算研究得到如下结论能量的方法可以考虑轴向变形、弯曲刚度以及内部流体的影响，该模型可以很好地描述SCR的动力学特性；SCR的固有频率随着内部流体流速的增加而减小，随着弹性模量的增加而增加；立管的浮体激励响应随着内部流体流速的变化而发生变化，立管底部的弯矩随着内部流体流速的增加而大幅增加。王安庆在其硕士论文18中对钢悬链式立管进行了参数分析，并使用了数值方法对立管涡激振动和触地点进行了模拟。通过研究分析得到如下结论使用有限差分法求解变形方程可以较好地模拟不同海况下的SCR静态变形；VANDERPOL尾流振子模型可以很好的描述结构一流体祸合特性；将土壤看成非线性弹簧、使用有限差分法模拟SCR在TDPTOUCHDOWNPOINT处与土壤的相互作用是可行的。25锚泊系统为了提供给半潜平台水平面内的回复力，这就需要安装定位系统，平衡作用在浮体的外力，减小浮体的水平运动，使其不致发生位移。近年来，为了适应深海钻探的要求，出现了不采用锚的自动动力定位系统DYNAMICPOSITION以保持井位。它可以在锚泊有极大困难的海域作业，如极深海域、海底土质不利于抛锚的区域等等；另外动力定位机动性好，一旦到达作业海域，立即可以开始工作；遇有恶劣环境突袭时，又能迅速撤离躲避。但是全动力定位系统初始投资和营运成本都比较高。海上的定位，最普遍的还是锚泊系统MOORINGSYSTEMS，这种方法很早就在船舶上应用，具有结构简单、可靠、经济性好等优点。由于开采石油向深海的发展趋势，这对深水锚泊装置提出了更高、更严格的要求，并使得其设计、建造、使用操作等方面都增加了困难，因此对深海半潜式平台的锚泊系统的研究具有重要的意义，也具有很大的发展空间和研究价值。锚泊系统可以分为柔性和刚性两种形式。柔性系统包括悬链线锚泊SMS见图241左和张紧式锚泊TMS见图241右。这两种锚泊系统的工作机理都与弹簧类似，分别用锚泊线的垂向悬链线效应或锚泊线伸长的弹性效应引起的恢复力，使作用在浮体水平面内的外力传递到海床上，使平台保持允许的位移。图241悬链式锚泊系统与张紧式锚泊系统悬链线锚泊系统即传统展开式锚泊系统，具有悠久的使用历史，能适应较恶劣的海洋环境，在当前的深水海洋油气浮式生产结构定位技术中仍然占有重要的地位。悬链线锚泊由标准的悬链线方程定义，它与锚缆的淹没重量、水平锚泊载荷、锚泊线张力、导向孔处锚泊线的角度等因素有关。悬链线锚泊系统的受力由锚泊线的几何变形和轴向弹性变形一起来确定。锚泊线的几何变形使横向拖曳力对锚泊系统产生的影响较大。由于水深的增加导致了传统的钢质锚链和钢筋束系统的自重增加，水平刚度减小，造成了锚泊的有效性变差。另外在深水中悬链线形状的锚泊系统覆盖着相当大的区域，严重地影响到当地管线与缆线的敷设和其它船舶在该水域的锚泊。为了解决这一问题，传统的呈悬链线形状的锚链已逐渐为张紧或半张紧形状的锚泊线所代替，锚泊线质量相对较小，在锚和导缆孔之间呈张紧状态，从而减小了锚缆覆盖的区域。张紧锚泊系统没有经历大的横向几何改变，恢复力完全由锚泊线的轴向弹力来提供。但是受力方式的改变，使锚基受到了会随着锚泊线的长度的增加而减少的垂向力作用，因此张紧或半张紧形状的锚泊系统对锚基要求更高。锚泊线材料锚泊线材料的成分选取除了考虑锚泊线状态的要求外，还要考虑磨损破坏、老化和疲劳寿命等因素。不同类型的锚泊线，如锚链、合成纤维绳、钢丝绳等或它们之间的组合都已有应用。锚泊线一般由钢丝绳和锚链组成，有时由于布置形式的需要，还要加上重块和浮筒。锚链耐磨损、不易破坏，但一般较重，造价也高。对于悬链锚泊系统而言，锚泊线的长度与水深成一定的比例关系。水越深，锚链越粗重，船体需要承担锚泊线悬链部分的重量。深水半潜式平台的锚泊系统需要的锚泊线长、尺寸大，因而深海锚泊系统设计面临着垂向载荷增加、水平恢复力降低、漂移增大和锚泊半径大等问题。在深水锚泊系统中，为了降低重量和成本，一般不采用全链系统。由于同样的断裂强度，钢丝绳比锚链轻得多，悬浮部分常常采用钢丝绳代替锚链，增加系泊链的强度，减少上部张力。但钢丝绳的抗磨损能力差，与锚连接并触底的一段依然采用锚链。金属索通常多根缠绕在一起，形成复杂的结构，有螺旋形、6股或多股等缠绕形式。随着水深的增加，锚链钢丝绳组合系统的优越性越来越明显。当产生相同的位移时，锚链钢丝绳这样的多成分系统的回复力明显大于全索链系统19。在超深水的恶劣环境条件中，平台的锚泊系统的设计与以往平台有很大的不同。由于自重大，水平刚度小，锚链钢丝绳系统无法承担外载荷，这些传统的悬链线形状的布置形式被张紧式的布置形式所代替。材料和构成都不同的合成纤维绳由于具有强度/重量比大、弹性好、成本低等优点，已经广泛代替锚链和钢丝绳。合成纤维绳的材料包括尼龙、聚酯、聚乙烯、聚丙烯等。这些新的锚泊材料的使用给工程提供了更多的选择，但是与锚链和钢丝绳相比，合成纤维绳显示出来更加复杂的非线性作用，这使得其相关的机理特性、动力因素的模拟等方面需要进行更深入的研究，为深水锚泊系统中的使用提供更有效和精确的理论支撑。锚设备的型式锚是保持平台固定在一定位置的关键设备。随着锚的移动，传统的拖曳嵌入式锚的锚泊线张力能够在锚链之间进行相互调整，即使在恶劣的环境下，锚产生一定运动后还能具有相当大的维持能力。但是随着水深的增加，平台的锚泊定位系统有时要求考虑垂直方向的载荷，传统的拖曳嵌入式锚只能产生水平方向的抓力，难以在深海的工作环境中发挥效用。另外锚泊线材料、状态，海床状况的改变也需要在不增加锚重的条件下提高抓力，这都导致了可以抵御垂直载荷的锚泊设备及其基础出现新的形式20。国内外陆续开发了一些不同于传统的拖曳嵌入式锚的其他形式的深海锚泊，以满足深水域内对大抓力深海锚泊的设计需求和发展趋势。26半潜钻井平台的建造技术261半潜式钻井平台的建造概述一般说来，平台与船舶，尽管在外形上、功能上都有很大不同，但从建造过程、建造工艺上看，二者还是十分相似的。半潜式钻井平台建造的特点1平台由于其巨大的外形和建造上的特点，因而要求有一个比较大的装配场地，场地应能承受规定的承载压力，并应有起重设备运行的适当通道。2要有与建造方法相适应的起重设施，包括大型的移动式吊车和起重卷扬机。3下水方法独特。半潜式钻井平台根据各制造厂的条件多采用分段下水、下水后在坞内或水上最后总装。4质量控制极其严格，对加工精度，装配准确性，焊接质量以及检验要求等均比船舶要高。5对工程项目的计划、进度、估算、成本、采购等进行严格的控制。半潜式钻井平台建造的基本方法半潜式钻井平台建造方法随着平台的结构形式、尺度以及制造工厂的条件场地、起重设施、下水方式而不同，其目的是保证质量、缩短建造周期。方法的要点是力争使高空作业和水上作业减到最少。这里介绍具有通用性的工序流程方框图21。检验工作是贯穿在每个过程之中，例如材料的质量、零件的质理，装配的质量，焊接的质量等。下面以“海洋石油981”平台的设计建造过程中，结合深水半潜式钻井平台的设计建造难点，介绍设计、生产难点及关键技术221）总体建造方案制定深水半潜式钻井平台的建造方案时，首先要进行结构的分段/总段划分。分段划分图是平台建造的指导性文件，分段划分的有效合理直接影响到平台建造周原材料号料切割分段及节点制造管材及型材制作应力消除（按需要）下水总段安装（设备安装）水上或者乌内组装和安装密性实验期。平台的下浮体、立柱和上船体既有纵向骨架，又有横向密集的肋板，而横撑、克令吊、钻台等结构钢级较高、板厚较厚，因此在平台分段/总段划分时，应充分考虑其结构特点，遵循相关原则，最大可能地提供预舾装率，同时根据具体建造场地及设施条件，尽最大可能发挥各个设备和场地的功效，减少分段/总段数量。分段、总段划分方案经过优化后，整个平台分为159个分段、35个总段，在建造过程中，根据工程项目关键设备的到货情况，及时调整立柱和上船体的总段划分方案，从建造过程看，围绕提高预舾装率为目标展开分段、总段的划分工作符合半潜式钻井平台的结构和设备/系统布置特点。2）有限元数值模拟技术坞墩布置计算深水半潜式钻井平台本身重量较大，而可布置坞墩的面积较小，再则，坞内总装过程中，上船体重量通过4个立柱传递到2个下浮体上，这样下部坞墩的受力非常之巨大且分布极不均匀。在制定坞墩布置方案时，对平台总装建造的坞墩布置进行受力分析及优化，保证总装建造过程中平台、坞墩及坞底承力的安全性，见下图。图251坞墩布置吊装计算结合平台分段/总段的划分，在采用“塔式法”进行总装建造时，需分析平台上船体包括生活楼、钻台结构各总段结构特点，制定吊装方案。为保证吊装作业的安全性，控制吊装作业对平台主体结构的变形，对于重量大于200T的分段和总段结构以及尺度较大的结构如柔性较大的上船体的双层底总段，应用有限元技术，分析吊装状态下各总段结构在重力作用下的应力及位移响应，对吊装方案进行评估及优化，并提出了对总段结构吊装进行加强的建议和措施，见图252。图252双层底总段吊装、钻台吊装的数值计算精度测量在精度控制方面，现场精度测量技术可以与有限元数值精度分析技术相结合，建立并应用了深水半潜式钻井平台精度控制技术方案，改变了国内依据经验制定总段反变形值的传统方法，实现平台建造精度的可控性，见图253。图253数值计算与精度控制的结介3）焊接技术焊接工作对于平台建造有着极其重要的意义。在深水半潜式钻井平台的建造过程中，焊接方面的研究主要围绕EQ56/EQ70超高强度钢的应用、复杂节点的焊接技术、焊接残余应力的控制以及高压管线的焊接技术等展开。4）码头抗台风系泊技术出坞后，平台在码头舾装的时间较长，期间将会经历一个台风季。为确保平台码头系泊的安全性，采用数值计算和试验验证相结合的研究方法，对深水半潜式钻井平台、浮箱、驳船组成的多浮体进行风、流载荷共同作用下的受力计算分析，系泊带缆采用高强度尼龙缆和钢丝绳混合带缆的方式。计算结果表明，系泊系统可承受12级台风和3节流的共同作用。在平台舾装期间，该系泊系统可确保作业安全，同时具备足够的弹性避免系泊装置局部受力过大产生结构破损。多浮体混合系泊带缆系统已应用于目标平台进行码头系泊，并可推广应用到具有类似码头条件的建造场地，为船级社相应规范的补充提供依据，见图254。图254码头系泊安全性试验5）复杂系统的调试技术通过对主发电机、电站、推进器等大型设备的研究，掌握了码头调试过程中，深水半潜式钻井平台相关大型设备及系统的安装调试技术要点，制定了相关安装调试方案及程序文件。以钻井设备和系统为载体，研究了深水半潜式钻井平台的钻井设备和系统的安装调试技术，制定了超高井架的安装方案，明确了相关钻井设备安装精度要求，并通过分析高低压泥浆和散料系统等的控制逻辑和系统操作情况，掌握了钻井系统的调试技术。6）重量控制技术重量控制贯穿于平台的设计建造全过程，通过对平台各部分的细致定义、分类，跟踪全过程中的重量变化，采取各种减重措施，达到控制重量的目的。通过重量控制技术在平台建造中的应用，出坞时根据平台实测吃水得出的总重与预计值相比，减轻了28，确保了平台在作业状态下的最大可变载荷，实现了对平台建造重量的控制。27国内研究现状271半潜式生产平台1996年3月，我国第一座半潜式生产平台“南海挑战”号投产于南海流花111油田，它是由一艘1975年建造的半潜式钻井平台改装而成，其作业水深为310M，设计排水量为28379T，采用11根系泊缆实现海上定位，为台风期间不解脱设计，共有25根生产立管，设计高峰年产原油为286万吨目前前我国己能设计建造3000M水深作业的半潜式钻井平台，但深水作业的半潜式生产平台还处于研发阶段24。传统的半潜式生产平台垂荡运动幅值较大，无法支持干式采油树。国外一些设计公司从不同角度出发，尝试改善半潜式平台的水动力性能，提出了一系列采用干式采油树的新型半潜式生产平台概念，并进行了大量的数值分析和试验研究，已取得了一定的进展，比如析于架式半潜平台，可伸展吃水半潜式平台，斜立柱半潜式平台，自由悬挂固体压载舱半潜式平台。图261析架式半潜式平台图262可仲展吃水半潜式平台图263展开式半潜式平台拖航状态图264展开式半潜式平台作业状态图265FOURSTA半潜式平台（斜立柱式）图266自由悬挂固体压载舱半潜式平台随着我国海油工程技术能力的不断提高，国内一些船厂已具备了半潜式平台的建造能力，但深水浮式平台的白主设计能力不足25。为了推动我国海洋油气开发的发展，迫切需要开发一个适应我国南海环境条件，符合国内现有建造安装条件，具有白主知识产权的新型半潜式生产平台。综合半潜式生产平台的现状和发展趋势，所开发的新型平台需要实现以下儿点目标第一，为降低油田整体开发成本，新型平台要能够支持干式采油树；第二，针对南海台风较多的特点，新型平台应具有更好的抗风性和稳定性；第三，要尽可能地降低新型平台建造和安装的难度；第四，通过优化研究，提高平台的可变载荷效率。272半潜式钻井平台1984年，我国第1台半潜式平台一“勘探3号”诞生，由中国船舶与海洋工程设计研究院、地质矿产部海洋地质调查局和上海船厂联合设计，由上海船厂建造。该平台为非自航半潜式钻井平台，工作水深30200M，最大钻井深度6000M，井架由宝鸡石油机械有限责任公司制造，高49M，钻井设备主要由美国大陆EMSCO公司供应，泥浆泵为2台FB1300型三缸单作用泵。近年来，通过购买旧船方式，我国新增了数座半潜式钻井平台。中海油拥有南海2号、南海5号、南海6号，中石化的勘探4号为AKERH3，FRIEDEGOLDMAN公司设计的第3代半潜式平台，这几座平台的工作水深除勘探4号为600M左右，其余均小于500M，钻井深度为7620M25000英尺，服役均在20年以上。目前我国南海深水区域已有重大的油气发现，但受深水钻井装备的限制，开发进展缓慢，为此，我国已经将“深水半潜式钻井船设计与建造关键技术”列为国家863项目。近年来，我国半潜平台制造发展有所突破。2008年4月28日开工建造的海洋石油981深水半潜式钻井平台是中国首座自主设计、建造的第六代深水半潜式钻井平台，由中国海洋石油总公司全额投资建造，中国海油拥有该船型自主知识产权。该平台的建成，标志着中国在海洋工程装备领域已经具备了自主研发能力和国际竞争能力。2011年10月21日，我国深水半潜式钻井平台COSLINNOVATOR在烟台实现顺利交付，平台由烟台中集来福士海洋工程有限公司为中海油田服务股份有限公司的全资子公司COSLDRILLINGEUROPEAS总包承建。COSLINNOVATOR是中集来福士一年内连续交付的第五座深水半潜式钻井平台，第六座深水半潜钻井平台COSLPROMOTOR即将在今年12月交付使用。其中COSL系列三座平台应用同一种定型设计GM4000，交付于同一客户CDE，均满足挪威北海作业规范的要求，标志着我国已具备同类型第六代深水半潜式钻井平台批量生产能力，并得到了国际主流石油公司的认可，强化了中国自主开发深海油气资源的装备保障能力，使中国制造真正意义上走向了世界。2012年9月26日，中远船务工程集团有限公司旗下南通中远船务工程有限公司为挪威船东设计、建造的第六代深水半潜式钻井平台“创新者”号在舟山海域交付。“创新者”号是目前世界同类产品中技术水平最高、满足规范最多、调试难度最大的钻井与修井多功能平台。“创新者”号按挪威北海海域的相关法规设计和建造，满足国际海事组织、挪威船级社、挪威海事局、挪威石油安全局等的规范和标准要求，可在全球海况最恶劣、最复杂的挪威北海海域作业。中远船务提供了该平台的详细设计、生产设计、全部设备采购、建造、系统安装调试等“一条龙”总包服务，这对推动我国船舶工业进军高端海洋工程装备领域具有重要意义26。28半潜式钻井平台未来趋势随着第五代、第六代半潜式钻井平台的研制与使用，使得对未来半潜式钻井平台的研究呈现了如下热点271、高效钻井作业系统如何配置多井口作业系统、钻杆处理系统、动力锚道等，以提高工作效率，是研制半潜式钻井平台的关键。2、升沉补偿系统在深海钻井作业过程中为了保持钻头恒定接触井底，必须设法补偿平台由于风浪作用而产生的升沉落差，早期的方法是使用伸缩钻杆，目前主要采用天车补偿、游车补偿以及绞车补偿等方法。3、定位系统半潜式钻井平台在海中处于飘浮状态，受风、浪、流的影响要发生纵摇、横摇运动，因此必须采用可靠的定位方法对其进行定位。半潜式平台的定位方式主要有锚泊定位和动力定位2种，当水深大于1500M时，多采用动力定位的方式。4、水下设备水下设备主要包括水下井口系统、水下封井器系统、隔水管系统、水下设备控制系统等。5、平台设备集成控制平台设备集成控制技术研究是为航行、定位、钻井、完井作业创建一个数字化、智能化的控制平台。3现有油田开发模式31美国深水开发模式在美国，由联邦政府、石油公司和工程公司联合资助深海技术的开发计划，目前正在实施联合工业技术开发项目DEEPSTAR，该项目主要研究15003000M水深的超深海油田开发关技术。美国各石油公司也一直致力于开发新的深海平台技术，使各种新型平台不断涌现，形成了以张力腿式平台TLP、浮筒式立柱式平台SPAR和半潜式平台SEMI为代表的多种多样的深水平台系列。墨西哥湾的深水开发大多采用干式树钻采平台，如TLP和SPAR平台，其优点是可以充分借用浅水干式树钻采平台的实践经验，便于井口设施维护和修理，因而，具备同样功能的、采用湿式采油树的半潜式平台一直被忽视。目前，进入1500M以上超深水开发阶段后，随着水下生产系统的大量使用、水下系统的操作性和可靠性的改善和操作维护费用的降低，作业者出于加快开发进程和增强商业竞争力的需要，使其重新认识和评价湿式采油树的半潜式平台模式，世界范围内的海洋油气开发也已趋向于扩大水下生产系统的应用。从深水平台的应用来看，SPAR平台主要集中在墨西哥湾。TLP以墨西哥湾居多，其他分布在北海、印尼和西非。顺应塔式平台应用较少。半潜式平台主要分布在墨西哥湾、北海和巴西。浮式生产储油装置FPSO是另一种广泛使用的深、浅海油气田开发设施，但美国目前没有广泛使用，其主要原因是受美国地矿部的法规所限，此限制已于2001年解除。但现在美国一些石油公司已经开始研究使用FPSO，并发现对于小型油田少于12口井并且生产年限少于15年的油田，使用FPSO是非常有利的。由于美国对FPSO的限制，采出的海上油气只能通过海底管道输送上岸，所以墨西哥湾建立了发达的海底管道管网，干线和支线纵横交错，为平台外输管线的接入和油气外输创造了便利条件，从而形成了“浮式钻采平台水下井口水下生产系统海底管网”的油气田开发工程模式，简称“美国模式”。图31“浮式平台水下井口海底管网”的工程模式示意图图32墨西哥湾的浮式平台示意图32巴西的深水工程开发模式20世纪80年代末，巴西石油日产量仅有67万桶，每年需花费上百亿美元进口石油。针对本国75的石油储量位于深海的实际情况，巴西开始大力发展深水石油工业。巴西石油公司PETROBRAS为开发深海油气田和建立自主的深海技术，制订了为期15年分三个阶段的技术发展规划。1986年至1991年为第一阶段，实施了PROCAP1000计划，目标是形成1000M水深海洋油气田开发技术能力；1992年至1999年为第二阶段，实施了PROCAP2000计划，目标是形成2000M水深海洋油气田开发技术能