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 Spaar平台台简介1.1 Spaar 平平台发展展回顾当前世界上上在役和和在建的的Spaar平台台可分为为三代，按按其发展展的时间间顺序排排列分别别是：CClasssicc Sppar、Truuss Spaar和Celll Spaar。Spar 平台在在19887 年年之前被被作为浮浮标、海海洋科研研站、海海上通信信中转站站、海上上装卸和和仓

3、储中中心等辅辅助系统统使用。1987 年Edward E. Horton 设计了一种特别适合深水作业环境Spar 平台,被公认为现代Spar 生产平台的鼻祖。1996 年,Keerr O McGGee 公司的的Nepptunne CClasssicc Sppar（经经典式） 建成并投产,完成了Spar 从设计构思向实际生产的转变。随后在1998 年和1999 年Genesis Classic Spar 和Hoover Classic Spar 相继建成投产。2001 年,Cllasssic Spaar Deeep OOil Tecchnoologgy (DOTT) 公公司和SSparr Inn

4、terrnattionnal 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,并应用于Nansen/Boomvang 油田。由于采取了开放式构架结构，使得Truss Spar的主体受力面积大大减少，从而减小了平台在相应方向上的运动响应；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，它不但能够提供一定的压载重量，而且当平台发生垂荡运动的时候，垂荡板与上下面的海水作用，产生很大的阻力，抵消了大部分由于波浪和海流产生的垂荡力，从而限制了平台的垂荡运动。由此，解决了Classic Spar 由于其主体尺寸较大、有效载荷能力不高、平台建造成本较大

5、等问题。其主要采用开放式桁架结构代替Classic Spar 中段部分,其间分层设置减少平台波浪运动的垂荡板(heave plate) ,与Classic Spar 相比,Truss Spar 的最大优势在于其钢材用量大大降低,从而能有效地控制建造费用,因此得到广泛的应用。由于Claassiic SSparr 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。2004 年Edward E. Horton 设计了新一代（第三代）的多

6、柱式Spar Cell Spar(蜂巢式) ,并成功应用到Red Hawk 油田。此种Spar的主体由若干个小型中空等直径的圆柱体捆绑组成,每个单独圆柱体的体积相对较小,对建造场所要求不高,而且便于多方协同建造,由于单个柱体体积相对较小,便于运输到平台作业海域组装，而且这就使生产商在选择Spar主体建造地点时具有了更大的灵活性，可以大大降低平台的整体造价。综上所述,目前Sppar 平台已已经发展展了3 代,共14 座平台台。1. 2 Spaar 平台展展望(1) 作作业水深深不断增增加上上表显示示,第一座座Spaar 平平台Nepptunne SSparr 的作作业水深深只有5588mm ,此

7、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) 形形式逐渐渐多样化化Sppar 平台已已经发展展了3 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) 应应用地域域不断扩

8、扩大近近年来,Amooco 石油公公司、大大不列颠颠石油联联合公司司(BPP) 、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Sppar 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 平台结结构组成成2. 1 顶部部甲板模模块Spar 平台甲甲板模块块通常由由两层至至四层矩矩形甲板板结构组组成

9、,用来进进行钻探探、油井井维修、产产品处理理或其它它组合作作业,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. 2 主体体结构平台主体提提供主要要浮力,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、中中段、软软舱(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

10、,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. 3 立管管系统Spar 的立管管系统主主要由生生产立管管、钻探探立管、输输出立管管以及输输送管线线等部分分组成。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。浮力罐从接近水表面一

11、直延伸到水下一定深度,甚至超出硬舱底部。在中心井内部,由弹簧导向承座提供这些浮罐的横向支持。柔性海底管线(包括柔性输出立管) ,可以附着在Spar 的硬舱和软舱的外部,也可以通过导向管拉进桁架内部,继而进入到硬舱的中心井中。由于立管系统位于中央井内,因此在主体的屏障作用下不受表面波和海流的影响。2. 4 系泊泊系统系泊系统采采用的是是半张紧紧悬链线线系泊系系统,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

12、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,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) 运动动特性Spaar 平平台的垂垂荡板使使平台的的附加质质量增大大,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。由由于张力力腿钢筋筋束的约约束作用用,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

13、漂移比TTLP 要小。SSparr 平台台纵横摇摇运动与与TLP 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) 稳稳定性Spaar 平平台的重重心远远远低于浮浮心,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) 灵灵活性Spaar 平平台由于于采用半半张紧悬悬链线系系泊索动动态定位位,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

14、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) 经经济性Spaar 平平台采用用系泊索索固定,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。由由此可见见

15、,Sppar 平台的的价格优优势明显显。4 Sppar 平台总总体设计计中的几几点考虑虑4. 1 顶部部甲板模模块质量量控制及及设备布布置顶部甲板模模块质量量减小相相应地会会减少主主体底部部压载量量,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、系系泊索尺尺寸及降降低平台台造价,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. 2 主体体尺寸确确定及舱舱室划分分以Trusss SSparr 为例例,主体尺尺寸包括括圆柱体体直径、硬硬

16、舱、中中段、软软舱的高高度、垂垂荡板层层数及间间距等。主主体尺寸寸确定及及舱室划划分主要要考虑以以下因素素: 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

17、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,软舱高高度根据据压载量量确定。4. 3 立管管形式的的选择及及布置Spar 平台立立管系统统设计中中的主要要问题是是中央井井内立管管的布置置形式及及其之间间的间距距,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. 4 系泊系系泊材料料的选择择及布置置系泊系统设

18、设计中涉涉及到材材料的选选择和布布置两个个问题。Spar 平台缆索主要有钢丝绳和聚酯纤维两种。相比较而言,聚酯纤维具有减轻系泊系统重量、提高有效载荷、降低平台造价的优点,但是其成本较高,只有在水深超过1500m 才具有价格优势。Spar 平台系泊索主要采用群组式布置,一般有2 3 、3 3 、4 4 的形式,其中3 3 形式由于其材料最省、120的夹角定位具有很大的空间,可设置多根立管,得到广泛应用。此外也可根据平台实际的作业环境条件,在某些方向上增加或减少系泊索的数目。5 中国国南海应应用前景景分析素有“第二二个波斯斯湾”之之称的南南中国海海被列为为中国十十大油气气战略选选区之一一,数据显显

19、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200 年内内只要开开发300 % ,每年年可为中中国GDDP 增增长贡献献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。南海的主要要含油气气构造位位于50002 0000 m 水水深的海海域,而Spaar 平平台适用用的水深

20、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,其垂荡运动小可可与张力力腿平台台媲美,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。国国外的开开发经验表明,半半潜式平平台和张张力腿平平台均有有失稳倾倾覆的先先例,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。而典典型的SSparr 平台台纵荡周周期为1160 s ,纵摇周周期为660 ss ,因因此,与波浪浪的周期期相差较较

21、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用。6 结论论回顾Spaar 平平台的发发展历程程,其在结结构上不不断地改改进和性性能不断断优