浮式海洋結(jié)構(gòu)物研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1、浮式海洋結(jié)構(gòu)物研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)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(tái)、張力腿平臺(tái)和Spar等.1.1 浮(船)式生產(chǎn)儲(chǔ)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(duì)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(tái)(見圖3)相比,后者至少要長(zhǎng)1.52a1.因而

2、對(duì)于許多石油公司來(lái)說(shuō),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(chǔ)存能力;(4)FPSO本身沒(méi)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(tái)相組合,也可以與自升式鉆采平臺(tái)相組合成為完整的海上采油、油氣處理和儲(chǔ)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(chǔ)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500m工作水深的在逐

3、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(guó)現(xiàn)代重工施工建造的“RamformBanff” 號(hào)工作水深達(dá)1524m.另一艘工作水深達(dá)2000m的FPSO,由Harland&Wolff全部負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和建造,由巴西國(guó)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(tái)(立柱穩(wěn)定式平臺(tái)) 半潛式平臺(tái),又稱立柱穩(wěn)定式平臺(tái)(見圖2),是浮式海洋平臺(tái)中的一種常見類型.它一般由平臺(tái)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(tái)之間還有一些支撐與斜撐連接.平臺(tái)上設(shè)有鉆井機(jī)械設(shè)備

4、,器材和生活艙室等,供鉆井工作用.平臺(tái)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(méi)于水下以減少波浪的擾動(dòng)力;平臺(tái)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(tái)的穩(wěn)性,所以又有立柱穩(wěn)定式之稱. 半潛式平臺(tái)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(tái)由于下體都浸沒(méi)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(tái)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(tái)、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 FPSO的主要方面 .同時(shí),能應(yīng)用于多井口海底

5、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(tái)作為生產(chǎn)平臺(tái)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(chǔ)量較小的石油儲(chǔ)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(huì)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(duì)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(tái)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5001000m的共9艘,占25.7%;工作水深大于1000m的共2艘,占5.7%.由此可見,工作水深200500

6、m的比率接近半數(shù)2.2艘最深水域采油的半潛式平臺(tái)均屬于巴西國(guó)家石油公司所有,其一是“巴油18”號(hào),工作水深達(dá)1000m,抗風(fēng)能力可適應(yīng)風(fēng) 速為99kn,浪高32m,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(hào),工作水深達(dá)1372m,是目前世界上半潛式平臺(tái)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(tái)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1632m,個(gè)別最低者也在12m以上.半潛式平臺(tái)具有適應(yīng)深水采油的能力

7、,用途廣泛,其發(fā)展僅次于FPSO. 1.3 張力腿平臺(tái)(TLP) 張力腿平臺(tái)可視為半潛式平臺(tái)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(tái)與一個(gè)彈性的系泊系統(tǒng)結(jié)合成的一種較新型平臺(tái).它是用系索(或鋼管)將浮于海面的浮動(dòng)平臺(tái)與沉浸海底的錨錠(或基座)聯(lián)結(jié)起來(lái)的,通過(guò)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(tái)具有垂直系泊的某些特征,也稱它為垂直錨泊式平臺(tái).為了能在較小的張力變化范圍內(nèi)就能限制平臺(tái)的運(yùn)動(dòng),平臺(tái)本體采用半潛式.因此,也有稱它為張緊浮力平臺(tái).從結(jié)構(gòu)上一般可將其劃分為5部分:平臺(tái)上體、立柱、下體(含沉箱)、張力腿

8、、錨固基礎(chǔ)3.通常又將平臺(tái)上體、立柱、下體三部分并稱為平臺(tái)本體,事實(shí)上張力腿平臺(tái)可以被看作一個(gè)帶有張力系泊系統(tǒng)的半潛式平臺(tái). 張力腿平臺(tái)受風(fēng)、浪作用時(shí),平臺(tái)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(tái)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(tái)控制方向的張力對(duì)非控制方向的運(yùn)動(dòng)有牽制,漂移和搖擺比一般半潛式平臺(tái)小,具有波浪中運(yùn)動(dòng)性能好、抗惡劣環(huán)境作用能力

9、強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn).與固定式平臺(tái)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(tái)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(méi)有重新安裝的經(jīng)驗(yàn).它的主要缺點(diǎn)是對(duì)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(guò)大容易產(chǎn)生系泊索松弛現(xiàn)象.由于張力腿平臺(tái)沒(méi)有儲(chǔ)油能力,主要用于生產(chǎn)平臺(tái),不能用作儲(chǔ)油裝置,在沒(méi)有管路設(shè)施的地方,需要浮式油輪. 1.4 獨(dú)柱式平臺(tái)(Spar) 為降低成本,彌補(bǔ)張力腿平臺(tái)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

10、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(chǔ)油(柱內(nèi)可儲(chǔ)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);造價(jià)低,便于安裝,可以重復(fù)使用,因而對(duì)邊際油田比較適用;并且它的柱體內(nèi)部可儲(chǔ)油;它的大吃水形成對(duì)立管的良好保護(hù),同時(shí)

11、其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)對(duì)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(tái)和浮(船)式生產(chǎn)儲(chǔ)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(tái)之外的另一種適用于深水的海洋平臺(tái),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(shì)2.13 浮式海洋結(jié)構(gòu)物的發(fā)展趨勢(shì) 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(duì)深海平臺(tái)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,FPSO和半潛式平臺(tái)都得到了很大的發(fā)展.新式的半潛式平臺(tái)的設(shè)計(jì)努力減小垂蕩運(yùn)動(dòng)以提高其性能.老式FPSO大部分由VLCC油輪改裝,近年來(lái)FPSO大多根據(jù)規(guī)范制造,這些新的FPSO船體呈長(zhǎng)方形狀以增加

12、可用體積.楊建民等對(duì)儲(chǔ)油量為32萬(wàn)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(méi)有隨流速的增加而下沉(無(wú)吸底現(xiàn)象).這一研究對(duì)采用大型FPSO開發(fā)淺水油田很有意義.FPSO在今后的發(fā)展中,工作水深在逐年增加,抗風(fēng)暴能力不斷增強(qiáng)(如“RamformBanff”號(hào)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(chǔ)存能力增

13、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(lái)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,在深海采油領(lǐng)域中,FPSO正迎來(lái)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

14、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(tái)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(duì)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(tái)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(guó)海上油田的分布特點(diǎn),100500m左右中等水深范圍是一個(gè)很有開發(fā)潛力的海域,因此對(duì)淺海和中深水海域的浮式結(jié)構(gòu)物的研究成為我國(guó)海洋工程的研究重點(diǎn).針對(duì)邊際油田和偏遠(yuǎn)油田,李潤(rùn)培等提出了一種適應(yīng)中

15、深水海域的輕型張力腿平臺(tái)(miniTLP)概念.這種平臺(tái)的浮力艙置于水下,浮力艙上豎立的空間剛架支承著平臺(tái)甲板及其上的設(shè)備,浮力艙下端用四組鋼管張力腿平臺(tái)固定于海底,張力腿與海底的連接用筒型基礎(chǔ)(吸力錨).對(duì)這種平臺(tái)在100500m水深范圍內(nèi)的理論與試驗(yàn)研究表明:這種平臺(tái)有良好的運(yùn)動(dòng)性能,完全能滿足海上油氣開發(fā)對(duì)平臺(tái)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(tái),隨著水深的增加,其在造價(jià)上的優(yōu)勢(shì)更加明顯.這種平臺(tái)將是中深水邊際油田開發(fā)的一種很有潛力的平臺(tái)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(yǔ)我國(guó)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(duì)于我國(guó)新