浮式海洋結(jié)構(gòu)物研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1、實(shí)用文檔浮式海洋結(jié)構(gòu)物研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1、浮式海洋結(jié)構(gòu)物發(fā)展現(xiàn)狀為迎接深水鉆井和采油的挑戰(zhàn)，先后發(fā)展了幾大類適合于深水作業(yè)的浮式結(jié)構(gòu)物：FPSO半潛式平臺、張力腿平臺和Spar等.1.1浮(船)式生產(chǎn)儲運(yùn)裝置(FPSO)FPSO目前已在邊際油田和油田的早期生產(chǎn)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，該項(xiàng)技術(shù)已比較成熟，這種結(jié)構(gòu)形式可提供多種用途，其主要特點(diǎn)為:(1)浮船型,機(jī)動(dòng)性、運(yùn)移性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，具有在深水域中較大的抗風(fēng) 浪能力，允許在各種氣候下裝卸油，并且運(yùn)輸方便；(2)建筑成本低，建設(shè)周期 短,是一種相對廉價(jià)的結(jié)構(gòu).典型的新建FPSO需2.5a左右,與張力腿 平臺(見圖3)相比，后者至少要長1.52a

2、1.因而對于許多石油公 司來說,FPSO具有較好的經(jīng)濟(jì)效益;(3)工作面開闊，可在甲板上裝卸 油,具有大產(chǎn)量的油、氣、水生產(chǎn)處理能力以及較大的原油儲存能 力;(4)FPSO本身沒有鉆井能力，但它與海底完井系統(tǒng)組合時(shí)，可具有 適應(yīng)深水采油的能力.它可以與導(dǎo)管架井口平臺相組合，也可以與自 升式鉆采平臺相組合成為完整的海上采油、油氣處理和儲油、卸油系 統(tǒng),但更主要的適用于深水采油與海底采油系統(tǒng)(包括海底采油樹、海 底注水井井口、海底管匯、立管管匯和控制系統(tǒng)等)組合成為完整的深水采油、油氣處理、原油儲存和卸油系統(tǒng).從被統(tǒng)計(jì)的67艘FPSO中,工作水深主要在100500m,但隨著采油工作水深的增加，大于

3、500m工作水深的在逐年增加.例如，由RoarRamde和挪威海事技術(shù)公司（MaritimeTentech）聯(lián)合設(shè)計(jì)，由韓國現(xiàn)代重工施工建造的“RamformBanff” 號工作水深達(dá)1524m.另一艘工作水深達(dá)2000m的實(shí)用文檔FPSO由Harland&Wolff全部負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和建造，由巴西國家石油公司（Petrobras）承擔(dān)操作，用于與深海海底完井系統(tǒng)相結(jié)合的采油.1.2半潛式平臺（立柱穩(wěn)定式平臺）半潛式平臺，又稱立柱穩(wěn)定式平臺（見圖2）,是浮式海洋平臺中的一種 常見類型.它一般由平臺本體，立柱和下體或浮箱組成.此外,在下體 與下體,立柱與立柱，立柱與平臺之間還有一些支撐與斜撐連

4、接.平臺 上設(shè)有鉆井機(jī)械設(shè)備，器材和生活艙室等，供鉆井工作用.平臺本體高 出水面一定高度，以免波浪的沖擊；下體或浮箱提供主要浮力，沉沒于 水下以減少波浪的擾動(dòng)力；平臺本體與下體之間連接的立柱，具有小 水線面的剖面，立柱與立柱之間相隔適當(dāng)距離，以保證平臺的穩(wěn)性，所 以又有立柱穩(wěn)定式之稱.半潛式平臺在深水區(qū)域作業(yè)，需依靠定位設(shè) 備,深水錨泊系統(tǒng)，需要大量鏈條，靠供應(yīng)船運(yùn)載.半潛式平臺由于下 體都浸沒在水中，其橫搖與縱搖的幅值都很小，有較大影響的是垂蕩 運(yùn)動(dòng).由于半潛式平臺在波浪上的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)較小，在海洋工程中，不僅 可用于鉆井，其他如生產(chǎn)平臺、鋪管船、供應(yīng)船和海上起重船等都可 采用，這也是它優(yōu)于FP

5、SO的主要方面.同時(shí)，能應(yīng)用于多井口海底井 和較大范圍內(nèi)衛(wèi)星井的采油是它的另一優(yōu)點(diǎn).另外,半潛式平臺作為 生產(chǎn)平臺使用時(shí)，可使開發(fā)者于鉆探出石油之后即可迅速轉(zhuǎn)入采油，特別適用于深水下儲量較小的石油儲層（例如45a內(nèi)采完）.隨著海 洋開發(fā)逐漸由淺水向深水發(fā)展，它的應(yīng)用將會日漸增多，諸如建立離 岸較遠(yuǎn)的海上工廠、海上電站等，這對防止內(nèi)陸和沿海的環(huán)境污染將 有很大的好處.目前，世界上共有半潛式生產(chǎn)平臺40艘左右.在已知 工作水深的35艘中,工作水深小于200m共9艘,占25.7%;工作水深200500m的共15艘，占42.9%;工作水深500實(shí)用文檔1000m的共9艘，占25.7%;工作水深大于10

6、00m的共2艘，占5.7%.由此可見，工作水深200500m的比率接近半數(shù)2.2艘最深水域采油的半潛式平臺均屬 于巴西國家石油公司所有，其一是“巴油18”號,工作水深達(dá)1000m,抗風(fēng)能力可適應(yīng)風(fēng) 速為99kn,浪高 w32m其錨泊為8點(diǎn)張緊錨，由錨 鏈與鋼纜相結(jié)合.其二是“巴油36”號,工作水深達(dá)1372m是目前世 界上半潛式平臺最深的工作水深，可適應(yīng)巴西近海百年一遇的海況條 件,為16輻射張緊錨，錨為樁腿式，錨纜由高強(qiáng)度聚脂繩纜與錨鏈相 結(jié)合.從半潛式平臺適應(yīng)風(fēng)暴能力已知的21艘中,幾乎均能適應(yīng)百年 一遇的海況條件，適應(yīng)風(fēng)速普遍為100120kn,個(gè)別最低者也在85kn以上，適應(yīng)浪高普遍為

7、1632m,個(gè)別最低者也在12m以上.半潛式平 臺具有適應(yīng)深水采油的能力，用途廣泛，其發(fā)展僅次于FPSO.1.3張力腿平臺（TLP）張力腿平臺可視為半潛式平臺的派生分支，是一種順應(yīng)式結(jié)構(gòu)，它是由一個(gè)剛性的半潛式平臺與一個(gè)彈性的系泊系統(tǒng)結(jié)合成的一種較新 型平臺.它是用系索（或鋼管）將浮于海面的浮動(dòng)平臺與沉浸海底的錨 錠（或基座）聯(lián)結(jié)起來的，通過收緊系索，使浮體的吃水比靜平衡浮態(tài) 時(shí)大，導(dǎo)致浮力大于浮體重力，該剩余浮力由系索的張力予以平衡.由于張力腿平臺具有垂直系泊的某些特征，也稱它為垂直錨泊式平臺為了能在較小的張力變化范圍內(nèi)就能限制平臺的運(yùn)動(dòng)，平臺本體采用半潛式.因此,也有稱它為張緊浮力平臺.從

8、結(jié)構(gòu)上一般可將其劃分為5部分：平臺上體、立柱、下體（含沉箱）、張力腿、錨固基礎(chǔ)3.通 常又將平臺上體、立柱、下體三部分并稱為平臺本體，事實(shí)上張力腿平臺可以被看作一個(gè)帶有張力系泊系統(tǒng)的半潛式平臺.張力腿平臺實(shí)用文檔受風(fēng)、浪作用時(shí),平臺隨纜索彈性變形而產(chǎn)生微量運(yùn)動(dòng)，就像有樁腿插 入海底一樣，所以稱為張力腿.平臺系統(tǒng)在垂直方向（垂蕩、縱搖和橫 搖）是剛性的，在水平方向（縱蕩、橫蕩和首搖）是柔性的，即在非張力 控制方向可有一定的漂移.垂蕩自然周期一般在24s,遠(yuǎn)低于海況的 特征周期，而縱蕩自然周期在100200s,遠(yuǎn)大于海況的特征周期，從 而可避免在波浪中的共振現(xiàn)象.又由于平臺控制方向的張力對非控制

9、方向的運(yùn)動(dòng)有牽制，漂移和搖擺比一般半潛式平臺小，具有波浪中運(yùn) 動(dòng)性能好、抗惡劣環(huán)境作用能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn).與固定式平臺相比，除了造 價(jià)低以外，其抗震能力顯著優(yōu)于固定式，且張力腿平臺在必要時(shí)還可 移位,至多損失錨基和鋼索，故適用于開采周期稍短的油田，在該油田 開采完后，可將其移至不同地點(diǎn)重新安裝，大大提高了其通用性和經(jīng) 濟(jì)性，但目前還沒有重新安裝的經(jīng)驗(yàn)它的主要缺點(diǎn)是對重量變化敏 感,有效載荷的調(diào)節(jié)有限制，在大波高的狀況下，甲板載荷過大容易產(chǎn) 生系泊索松弛現(xiàn)象.由于張力腿平臺沒有儲油能力，主要用于生產(chǎn)平 臺,不能用作儲油裝置，在沒有管路設(shè)施的地方，需要浮式油輪.1.4獨(dú)柱式平臺（Spar）為降低成本，彌

10、補(bǔ)張力腿平臺的不足，有人 提出了Spar（見圖4）的概念.最近20年在挪威海灣和墨西哥海灣都在進(jìn)行大量的設(shè)計(jì)和研究工作，目前Spar已能適用于水深達(dá)3000m的環(huán) 境較惡劣的海域.Spar的主體是一個(gè)大直徑、大吃水的具有規(guī)則外 形的浮式柱狀結(jié)構(gòu).它的水線結(jié)構(gòu)是敞開的，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，又稱浮力艙，艙底部 一般裝水壓載或用以儲油（柱內(nèi)可儲油也成為Spar的顯著優(yōu)點(diǎn)）;中 部有錨鏈呈懸鏈線狀錨泊于海底，底部有系纜或系留管錨固于海實(shí)用文檔底.Spar可適用于深達(dá)3000m的海域.它的優(yōu)點(diǎn)是在波浪中比較穩(wěn)定，適應(yīng)于任意角度的風(fēng)浪，能顯著減少垂蕩反應(yīng)；造

11、價(jià)低,便于安裝，可 以重復(fù)使用，因而對邊際油田比較適用；并且它的柱體內(nèi)部可儲油；它 的大吃水形成對立管的良好保護(hù)，同時(shí)其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)對水深變化不敏感，更適宜于在深水海域應(yīng)用4.Spar兼具了張力腿平臺和?。ù┦缴?產(chǎn)儲運(yùn)裝置的特點(diǎn)，優(yōu)越性顯著.被認(rèn)為是除了張力腿平臺之外的另 一種適用于深水的海洋平臺，有望在今后得到推廣.2、浮式海洋結(jié)構(gòu)物的發(fā)展趨勢2.13浮式海洋結(jié)構(gòu)物的發(fā)展趨勢隨著浮式結(jié)構(gòu)物在深海油氣開發(fā)中的廣泛應(yīng)用，不少專家和學(xué)者 對深海平臺開展了大量的研究，開發(fā)了幾種新型系統(tǒng).為提高安全性 和操作性，F(xiàn)PSO和半潛式平臺都得到了很大的發(fā)展.新式的半潛式平 臺的設(shè)計(jì)努力減小垂蕩運(yùn)動(dòng)以提高其性

12、能.老式FPSC大部分由VLCC油輪改裝,近年來FPS次多根據(jù)規(guī)范制造，這些新的FPSO船體呈長方 形狀以增加可用體積.楊建民等對儲油量為32萬t,吃水為19.49m的 軟剛臂塔式大型FPSO在淺水中(水深為2126m)的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行了 試驗(yàn)研究,其結(jié)果表明：(1)FPSO的升沉、橫搖和縱搖的波頻運(yùn)動(dòng)隨著 水深的減少而減少，但在水平面的低頻運(yùn)動(dòng)則增大；(2)即使水深降低 至21m的所謂“極淺水”,FPSO也極少碰底；(3)在“極淺水”狀態(tài),FPSO并沒有隨流速的增加而下沉(無吸底現(xiàn)象).這一研究對采用大型FPSO開發(fā)淺水油田很有意義.實(shí)用文檔FPSOi今后的發(fā)展中，工作水深在逐年增加，抗風(fēng)暴能

13、力不斷增強(qiáng)(如“RamformBanff”號工作水深達(dá)1524m,抗風(fēng)暴能力為百年一遇，浪高 可達(dá)16.76m);原油儲存能力增大，船的主尺度和載重噸位提高；原油、 生產(chǎn)水的處理能力增強(qiáng)；立管型式增多，除大量使用撓性立管外，也可 采用剛性立管；錨泊能力和動(dòng)力配置能力增大，動(dòng)力定位技術(shù)也有了 新的發(fā)展，適應(yīng)海況能力增強(qiáng).FPSO因其在整體技術(shù)上的完善和提高，體現(xiàn)出優(yōu)越的性能特點(diǎn)和較高的商業(yè)價(jià)值，從其近年來的發(fā)展趨勢來 看,在深海采油領(lǐng)域中,FPSO正迎來其廣泛應(yīng)用的黃金時(shí)期，它已成為 浮式結(jié)構(gòu)物中極具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N結(jié)構(gòu)形式，前景極為廣闊.Spar的 研究重點(diǎn)已轉(zhuǎn)移到保持其運(yùn)動(dòng)性能而不增加主體與水

14、線上部重量之 比上.提出了一種復(fù)合概念-TrussSpar.TrussSpar上部的圓柱箱體提供浮力,1216根懸鏈線錨鏈保持位置，圓柱箱體下面桁架結(jié)構(gòu) 提供縱向強(qiáng)度.TrussSpar是一種典型的復(fù)合結(jié)構(gòu)，由于其重量輕、易 移動(dòng)和可重復(fù)使用的特點(diǎn)，可用于深水的邊際油田TLP作為一種深海理想的平臺型式得到了廣泛的重視和發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：工作水深在逐年增加；建造成本得到降低，進(jìn)一步 提高了其經(jīng)濟(jì)性；注重多次重復(fù)實(shí)用性，對可移動(dòng)性的研究取得了很 大進(jìn)展；由單一的井口生產(chǎn)平臺向深海工作站發(fā)展，在所在地區(qū)形成一個(gè)以TLP為核心的油氣開發(fā)群.根據(jù)我國海上油田的分布特點(diǎn),100500m左右中等

15、水深范圍是一個(gè)很有開發(fā)潛力的海域，因此對 淺海和中深水海域的浮式結(jié)構(gòu)物的研究成為我國海洋工程的研究重 點(diǎn).針對邊際油田和偏遠(yuǎn)油田，李潤培等提出了一種適應(yīng)中深水海域 的輕型張力腿平臺（miniTLP）實(shí)用文檔概念.這種平臺的浮力艙置于水下，浮力 艙上豎立的空間剛架支承著平臺甲板及其上的設(shè)備，浮力艙下端用四組鋼管張力腿平臺固定于海底，張力腿與海底的連接用筒型基礎(chǔ)（吸 力錨）.對這種平臺在100500m水深范圍內(nèi)的理論與試驗(yàn)研究表明：這種平臺有良好的運(yùn)動(dòng)性能，完全能滿足海上油氣開發(fā)對平臺運(yùn)動(dòng)的 要求.以120m水深為例，其造價(jià)低于相應(yīng)的導(dǎo)管架平臺，隨著水深的 增加,其在造價(jià)上的優(yōu)勢更加明顯.這種平臺將是中深水邊際油田開 發(fā)的一種很有潛力的平臺形式.由于TLP在整體技術(shù)上更加完善和提 高,在今后的發(fā)展中向著更深、更廣闊的水域進(jìn)軍，必將超出海洋油氣 開發(fā)的范疇而應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域中去.4結(jié)束語我國的海岸線遼闊，海洋資源十分豐富，浮式海洋工程結(jié)構(gòu)物對于我 國新