SPAR研究现状及发展展望

1、SPAR研究现状及发展展望随着陆上石油资源日趋枯竭,海洋石油成为人类重要的能源来源之一,已探明的海洋石油储量80 %上在水深500m 以内,除了少数海域外,大部分地区的近海油气资源已日趋减少,向深海开发油气已成必然趋势,深海平台技术也成为国际海洋工程界的一个热点。许多新型适应深海海洋环境的平台结构不断涌现,如顺应式平台、张力腿平台、浮式生产储油装置、Spar 平台等。Spar 平台由于其灵活性好、建造成本相对较低、运动性能优良,在各种深海采油平台中脱颖而出。南海海域是世界四大油气聚集地之一,石油可采量约为100 亿t ,占我国油气资源总量的1/ 3 ,而其中70 %蕴藏于深水。我国海洋石油目前

2、的开发水深仅仅在200m 水深范围,深海平台技术与先进国家存在较大差距。目前我国正积极致力于适宜南海环境的深海采油平台结构的研究,由于南海环境与墨西哥环境的相似,以及Spar 平台在墨西哥湾的成功应用,Spar 平台成为南海深海采油平台首选形式之一。1 Spar平台简介1.1 Spaar 平平台发展展回顾当前世界界上在役役和在建建的Sppar平平台可分分为三代代，按其其发展的的时间顺顺序排列列分别是是：Cllasssic Spaar、Truuss Spaar和CelllSppar。Sparr 平台台在19987 年之前前被作为为浮标、海洋科科研站、海上通通信中转转站、海海上装卸卸和仓储储中心等

3、等辅助系系统使用用。19987 年Edwwardd E. Hoortoon 设设计了一一种特别别适合深深水作业业环境SSparr 平台台,被公认认为现代代Spaar 生生产平台台的鼻祖祖。19966 年,KeerrOOMcGGee 公司的的Nepptunne CClasssicc Sppar（经典式式）建成成并投产产,完成了了Spaar 从从设计构构思向实实际生产产的转变变。随后后在19998 年和19999 年Gennesiis CClasssicc Sppar 和Hoooverr Cllasssic Spaar 相相继建成成投产。20011 年,CllasssicSSparrDeeep O

4、Oil Tecchnoologgy (DOTT) 公公司和SSparr Innterrnattionnal 经过大大量研究究工作,提出桁桁架式SSparr Truuss Spaar（构构架式）的概念念,并应用用于Naanseen/BBoommvanng油田田。由于于采取了了开放式式构架结结构，使使得Trrusss Sppar的的主体受受力面积积大大减减少，从从而减小小了平台台在相应应方向上上的运动动响应；开放式式主体上上水平设设置的垂垂荡板结结构也大大大提高高了平台台的稳定定性，它它不但能能够提供供一定的的压载重重量，而而且当平平台发生生垂荡运运动的时时候，垂垂荡板与与上下面面的海水水作用，产

5、生很很大的阻阻力，抵抵消了大大部分由由于波浪浪和海流流产生的的垂荡力力，从而而限制了了平台的的垂荡运运动。由由此，解解决了CClasssicc Sppar 由于其其主体尺尺寸较大大、有效效载荷能能力不高高、平台台建造成成本较大大等问题题。其主要采采用开放放式桁架架结构代代替Cllasssic Spaar 中中段部分分,其间分分层设置置减少平平台波浪浪运动的的垂荡板板(heeavee pllatee) ,与Claassiic SSparr 相比比,Trrusss Sppar 的最大大优势在在于其钢钢材用量量大大降降低,从而能能有效地地控制建建造费用用,因此得得到广泛泛的应用用。由于Cllasss

6、ic Spaar 和和Truuss Spaar 平平台主体体体积庞庞大,对主体体建造场场地要求求较高,使得主主体均在在欧洲和和亚洲造造船发达达国家制制造,然后用用特种船船舶运输输到作业业海域进进行组装装,因此运运费昂贵贵,且安装装困难。20004 年年Edwwardd E. Hoortoon 设设计了新新一代（第三代代）的多多柱式SSparr Celll SSparr(蜂巢巢式) ,并成成功应用用到Reed HHawkk 油田田。此种种Spaar的主主体由若若干个小小型中空空等直径径的圆柱柱体捆绑绑组成,每个单单独圆柱柱体的体体积相对对较小,对建造造场所要要求不高高,而且便便于多方方协同建建造

7、,由于单单个柱体体体积相相对较小小,便于运运输到平平台作业业海域组组装，而而且这就就使生产产商在选选择Sppar主主体建造造地点时时具有了了更大的的灵活性性，可以以大大降降低平台台的整体体造价。综上所述述,目前Sppar 平台已已经发展展了3 代,共14 座平台台。1. 22 Sppar平平台展望望(1) 作业水水深不断断增加上表显显示,第一座座Spaar 平平台Nepptunne SSparr 的作作业水深深只有5588mm ,此此后Sppar 平台的的应用水水深不断断增加,到目前前为止,Devvil s TToweer 的的应用最最深达到到17110m。(2) 形式逐逐渐多样样化SSpar

8、r 平台台已经发发展了33 代,目前各各国正在在积极开开展适应应本国深深海油田田地理条条件和环环境条件件的新型型结构形形式的研研究。近近期,美国Noovelllennt LLLC 公司与与上海交交通大学学海洋工工程国家家重点实实验室合合作,对该公公司设计计的一种种Spaar 平平台形式式几几何形SSparr ( Geoomettricc Sppar , GG- ssparr) 概概念进行行了模型型试验研研究。(3) 应用地地域不断断扩大近年来来,Ammocoo 石油油公司、大不列列颠石油油联合公公司(BBP) 、Texxacoo 公司司及世界界其它石石油工业业巨头都都在积极极地开展展对Sppa

9、r 平台技技术的研研究论证证,以期在在不久的的将来把把Spaar 采采油平台台应用到到英国的的西舍德德兰群岛岛、挪威威的北海海油田以以及西非非的安哥哥拉沿海海和南美美巴西沿沿海。我我国的科科研工作作者正在在致力于于深海平平台的研研究,不久在在中国南南海也将将出现类类似于SSparr 平台台的深海海作业平平台。2 Sppar平平台结构构组成2. 11 顶顶部甲板板模块Sparr 平台台甲板模模块通常常由两层层至四层层矩形甲甲板结构构组成,用来进进行钻探探、油井井维修、产品处处理或其其它组合合作业,井口布布置在中中部。一一般设有有油气处处理设备备、生活活区、直直升机甲甲板以及及公共设设施等,根据作

10、作业要求求,也可在在顶层甲甲板上安安装重型型或轻型型钻塔以以完成平平台的钻钻探、完完井和修修井作业业。2. 22 主主体结构构平台主体体提供主主要浮力力,并保证证平台作作业安全全。从上上到下主主要分为为硬舱、中段、软舱(见图) 。硬舱是是一个大大直径的的圆柱体体结构,中央井井贯穿其其中,设置固定定浮舱和和可变压压载舱,为平台台提供大大部分浮浮力,并对平平台浮态态进行调调整。中中段为桁桁架结构构,在桁架架结构中中设置两两至四层层垂挡板板,增加平平台的附附加质量量和附加加阻尼,减少平平台在波波浪中的的运动,提高稳稳性。软软舱主要要设置固固定压载载舱,降低平平台重心心,同时为为Spaar 平平台“自

11、自行竖立立”过程程提供扶扶正力矩矩。此外外,主体外外壳上还还安装两两至三列列螺旋侧侧板结构构,减少平平台的涡涡激振动动,改善平平台在涡涡流中的的性能。2. 33 立立管系统统Sparr 的立立管系统统主要由由生产立立管、钻钻探立管管、输出出立管以以及输送送管线等等部分组组成。由由于Sppar 的垂荡荡运动很很小,可以支支持顶端端张紧立立管(TTRR) ,每个立立管通过过自带的的浮力罐罐或甲板板上的张张紧器提提供张力力支持。浮力罐罐从接近近水表面面一直延延伸到水水下一定定深度,甚至超出出硬舱底底部。在在中心井井内部,由弹簧簧导向承承座提供供这些浮浮罐的横横向支持持。柔性性海底管管线(包括柔柔性输

12、出出立管) ,可可以附着着在Sppar 的硬舱舱和软舱舱的外部部,也可以以通过导导向管拉拉进桁架架内部,继而进进入到硬硬舱的中中心井中中。由于于立管系系统位于于中央井井内,因此在在主体的的屏障作作用下不不受表面面波和海海流的影影响。2. 44 系系泊系统统系泊系统统采用的的是半张张紧悬链链线系泊泊系统,下桩点点在水平平距离上上远离平平台主体体,由多条条系泊索索组成的的缆索系系统覆盖盖了很宽宽阔的区区域。系系泊索包包括海底底桩链,锚链为为钢缆或或聚酯纤纤维组成成。导缆缆器安装装在平台台主体重重心附近近的外壁壁上,目的是是减少系系泊索的的动力载载荷。起起链机是是对系泊泊系统进进行操控控的重要要设备

13、,分为数数组,分布在在主体顶顶甲板边边缘的各各个方向向上,锚所承承受的上上拔载荷荷由打桩桩或负压压法安装装的吸力力锚来承承担。3 Sppar 平台与与张力腿腿平台(TLPP) 比比较(1) 运动特特性SSparr 平台台的垂荡荡板使平平台的附附加质量量增大,同时水水线面面面积相对对较小,其垂荡荡周期在在30ss 左右右,在常见见的海况况中仍然然有很好好的运动动性能。由于张张力腿钢钢筋束的的约束作作用,其垂荡荡周期很很小,仅23s ,基本本上没有有垂荡运运动。SSparr 平台台采用半半张紧装装置使其其水平刚刚度比TTLP 大,位置漂漂移比TTLP 要小。Spaar 平平台纵横横摇运动动与TLP

14、 相比较较大,其固有有周期为为501000s , TLLP 由于于张力腿腿提供很很大刚度度,其纵横横摇运动动很小,固有周周期小于于4s。(2) 稳定性性Sppar 平台的的重心远远远低于于浮心,因此,其具有有无条件件稳定性性。由于于Spaar 不不是从系系泊系统统获得稳稳性,即使系系泊系统统失效,也不会会倾覆,因此,其在所所有安装装阶段都都是稳定定的。(3) 灵活性性Sppar 平台由由于采用用半张紧紧悬链线线系泊索索动态定定位,十分便便于拖航航和安装装,可重复复使用,适宜边边际油田田,同时可可以通过过调节系系泊索的的长度使使平台进进行一定定范围内内的移动动,便于重重新定位位。TLL P 是通

15、过过张力腿腿系统锚锚固定在在地基基基础上来来定位,重新定定位困难难。(4) 经济性性Sppar 平台采采用系泊泊索固定定,其造价价不会随随着水深深的增加加而急剧剧提高,而TL P 在在深海领领域,由于张张力腿系系统自重重过大以以及基础础的设计计安装难难度较大大,导致成成本增加加。如HHornn Moounttainn Trrusss Sppar 工作水水深16646mm ,总总体造价价为6 亿美元元,而Sheell 石油公公司在9910mm 水深深重建成成的Brrut us TL P 项项目,耗资7. 5亿亿美元。由此可可见,SSparr 平台台的价格格优势明明显。4 Sppar 平台总总体设

16、计计中的几几点考虑虑4. 11 顶顶部甲板板模块质质量控制制及设备备布置顶部甲板板模块质质量减小小相应地地会减少少主体底底部压载载量,进而减减少平台台总排水水量、系系泊载荷荷,从而减减小主体体尺寸、系泊索索尺寸及及降低平平台造价价,因此在在进行顶顶部模块块设计时时应尽量量减小顶顶部模块块的质量量。甲板板上设备备的布置置要满足足安全和和工艺流流程的前前提下,尽量布布置紧密密,以减小小甲板尺尺寸、平平台质量量和降低低造价。4. 22 主主体尺寸寸确定及及舱室划划分以Truuss Spaar 为为例,主体尺尺寸包括括圆柱体体直径、硬舱、中段、软舱的的高度、垂荡板板层数及及间距等等。主体体尺寸确确定及

17、舱舱室划分分主要考考虑以下下因素: 提提供足够够的浮力力; 具具备足够够的静稳稳性,即GM 值; 垂垂荡板的的层数和和间距保保证平台台具有较较好的垂垂荡性能能; 具具备足够够的回复复力; 具有有足够的的干舷,减少波波浪对甲甲板的抨抨击作用用; 软舱的的高度保保证平台台在扶正正过程中中具有足足够的回回复力矩矩; 具具有良好好的抗沉沉性; 中央央井面积积。在总总体设计计的初始始阶段可可以参照照现有平平台的参参数进行行确定,据统计计,主体直直径为220m 左右,长度为为1600m 左左右,干舷为为15mm 左右右,硬舱约约为总长长的一半半,设置24 层的的垂荡板板,其间距距为200m 左左右,软舱高

18、高度根据据压载量量确定。4. 33 立立管形式式的选择择及布置置Sparr 平台台立管系系统设计计中的主主要问题题是中央央井内立立管的布布置形式式及其之之间的间间距,中央井井的尺寸寸由立管管的数目目决定,立管一一般采用用3 3 、4 4 ,或5 5 的布布置形式式,立管之之间的间间隙随工工作水深深的增大大而变大大,经统计计,一般规规律为:水深h 220000f tt 时,间隙为为10; h 440000f tt 时,间隙为为12; h 660000f tt 时,间隙为为14。4. 44 系泊泊系泊材材料的选选择及布布置系泊系统统设计中中涉及到到材料的的选择和和布置两两个问题题。Sppar 平台

19、缆缆索主要要有钢丝丝绳和聚聚酯纤维维两种。相比较较而言,聚酯纤纤维具有有减轻系系泊系统统重量、提高有有效载荷荷、降低低平台造造价的优优点,但是其其成本较较高,只有在在水深超超过15500mm 才具具有价格格优势。Spaar 平平台系泊泊索主要要采用群组组式布置置,一般有有2 3 、3 3 、4 4 的形形式,其中3 3 形式式由于其其材料最最省、1120的夹角角定位具具有很大大的空间间,可设置置多根立立管,得到广广泛应用用。此外外也可根根据平台台实际的的作业环环境条件件,在某些些方向上上增加或或减少系系泊索的的数目。5中国国南海应应用前景景分析素有“第第二个波波斯湾”之称的的南中国国海被列列为

20、中国国十大油油气战略略选区之之一,数据显显示,南海有有含油气气构造2200 多个,油气田田1800 个。仅在在曾母盆盆地、沙沙巴盆地地、万安安盆地的的石油总总储量就就将近2200 亿t ,据估计计,南海的的石油总总储量为为23003000 亿t ,开发潜潜力巨大大。专家家预测,南海油油气资源源可开发发价值超超过200 万亿亿元人民民币。在未来220 年年内只要要开发330 % ,每每年可为为中国GGDP 增长贡贡献12 个百分点点。目前前,国土资资源部等等有关部部门已经经在南海海南部的的14 个主要盆盆地进行行了油气气资源评评价。南海的主主要含油油气构造造位于55002 0000 m 水水深的

21、海海域,而Spaar 平平台适用用的水深深为60003 0000 m ,适合南南海的深深水开发发。而且且,Sppar 平台的的运动稳稳定性好好,其垂荡运动小小可与张张力腿平平台媲美美,其二阶慢慢漂运动动远远小小于半潜潜式平台台。此外外,南海的的海洋环环境恶劣劣,台风频频发,平台的的动力稳稳定性显显得尤为为重要。国外的的开发经经验表明,半潜式式平台和和张力腿腿平台均均有失稳稳倾覆的的先例,唯有Sppar 平台还还没有这这样的先先例。而而且,南海的的风浪周周期和涌涌浪周期期一般为为49 ss ,最最大为223 ss左右。而而典型的的Spaar 平平台纵荡荡周期为为1600 s ,纵摇摇周期为为60 s ,因此,与波浪浪的周期期相差较较远。南南海的风风海流和和密度流流的流速速一般为为0. 10. 2 mm/ ss ,广广东东部部沿岸流流速最大大,可达0. 2550. 4 mm/ ss 。如如果Sppar 平台的的有效直直径按330 mm 计算算,则涡泄周期期分别为为7500 s 和3755 s ,与Spaar 平平台的纵纵荡周期期1600 s 相差甚甚远。因因此,只要能能够针对对南海特特殊的海海洋环境境条件开开发出合合理的SSparr 平台台结构,Spaar 平平台就能能够在中中国南海海深水海海域的油油气资源源开发中中发挥积积极的作作