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)物研究現(xiàn)狀及開展趨勢1、浮式海洋結(jié)構(gòu)物開展現(xiàn)狀為迎接深水鉆井和采油的挑戰(zhàn),先后開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(月S)式生產(chǎn)儲運裝置(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)用該項技術(shù)已比擬成熟,這種結(jié)構(gòu)形式可提供多種用途,其主要特點為:(1)浮船型,機動性、運移性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好,具有在深水域中較大的抗風(fēng)浪水平,允許在各種氣候下裝卸油,并且運輸方便；(2)建筑本錢低,建設(shè)周期短,是一種相對廉價的結(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1.52a1.因而對于

2、許多石油公司來說,FPSO具有較好的經(jīng)濟效益；(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)處理水平以及較大的原油儲存水平；(4)FPSO本身沒有鉆井水平,但它與海底完井系統(tǒng)組合時,可具有適應(yīng)深水采油的水平.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、立管管匯和限制系統(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)計的67艘FPS計,工作水深主要在100500m,但隨著采油工作水深的增加,大于500m工作水深的在逐年增加

3、.例如,由RoarRamde和挪威海事技術(shù)公司(MaritimeTentech)聯(lián)合設(shè)計,由韓國現(xiàn)代重工施工建造的“RamformBanff'號工作水深達1524m.另一艘工作水深達2000m的FPSO由Harland&Wolff全部負(fù)責(zé)設(shè)計和建造,由巴西國家石油公司Petrobras承當(dāng)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接.平臺上設(shè)有鉆井機械設(shè)備,器材和生活艙室等

4、,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,漂浮于水下以減少波浪的擾動力；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,靠供給船運載.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動.由于半潛式平臺在波浪上的運動響應(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、供給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,能應(yīng)用于多井口海底井和較大范圍內(nèi)衛(wèi)星井的采

5、油是它的另一優(yōu)點.另外,半潛式平臺作為生產(chǎn)平臺使用時,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)逐漸由淺水向深水開展,它的應(yīng)用將會日漸增多,諸如建立離岸較遠的海上工廠、海上電站等,這對預(yù)防內(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.在工彳水深的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%.由止匕可見,工作水深200500m的比率接近半數(shù)2.2艘最深水域采油的

6、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1000m,抗風(fēng)水平可適應(yīng)風(fēng)速為99kn,浪高w32m,其錨泊為8點張緊錨,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,錨纜由高強度聚脂繩纜與錨鏈相結(jié)合.從半潛式平臺適應(yīng)風(fēng)暴水平的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,個別最低者也在85kn以上,適應(yīng)浪高普遍為1632m,個別最低者也在12m以上.半潛式平臺具有適應(yīng)深水采油的水平,用途廣泛,其開展僅次于FPSO.1.3 張力

7、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),它是由一個剛性的半潛式平臺與一個彈性的系泊系統(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)就能限制平臺的運動,平臺本體采用半潛式.因此,也有稱它為張緊浮力平臺.從結(jié)構(gòu)上一般可將其劃分為5局部:平臺上體、立柱、下體含沉箱、張力腿、錨固根底3.通常又將平臺上體、立柱、下體三局部并稱為平臺本體,事實

8、上張力腿平臺可以被看作一個帶有張力系泊系統(tǒng)的半潛式平臺.張力腿平臺受風(fēng)、浪作用時,平臺隨纜索彈性變形而產(chǎn)生微量運動,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,即在非張力限制方向可有一定的漂移.垂蕩自然周期一般在24s,遠低于海況的特征周期,而縱蕩自然周期在100200s,遠大于海況的特征周期,從而可預(yù)防在波浪中的共振現(xiàn)象.又由于平臺限制方向的張力對非限制方向的運動有牽制,漂移和搖擺比一般半潛式平臺小,具有波浪中運動性能好、抗惡劣環(huán)境作用水平強等優(yōu)點.與固定式平臺相比,除了造價低以外,其抗震水平顯著優(yōu)于固定式,且張力腿

9、平臺在必'要時還可移位,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重新安裝,大大提升了其通用性和經(jīng)濟性,但目前還沒有重新安裝的經(jīng)驗.它的主要缺點是對重量變化敏感,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水平,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 獨柱式平臺Spar為降低本錢,彌補張力腿平臺的缺乏,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行大量的設(shè)計和研究工作,目前Spar已能適用于水深達3000m的環(huán)境較惡劣的海域.

10、Spar的主體是一個大直徑、大吃水的具有規(guī)那么外形的浮式柱狀結(jié)構(gòu).它的水線結(jié)構(gòu)是敞開的,根本不提供浮力,以減少垂蕩;水線以下局部為密封空心體,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;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3000m的海域.它的優(yōu)點是在波浪中比擬穩(wěn)定,適應(yīng)于任意角度的風(fēng)浪,能顯著減少垂蕩反響；造價低,便于安裝,可以重復(fù)使用,因而對邊際油田比擬適用；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,同時其運動響應(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浮船

11、式生產(chǎn)儲運裝置的特點,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)物的開展趨勢2.13浮式海洋結(jié)構(gòu)物的開展趨勢隨著浮式結(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).為提升平安性和操作性,FPSO和半潛式平臺都得到了很大的開展.新式的半潛式平臺的設(shè)計努力減小垂蕩運動以提升其性能.老式FPSO大局部由VLCCa輪改裝,近年來FPSE：多根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)制造,這些新的FPS郵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)

12、的運動性能進行了試驗研究,其結(jié)果說明：(1)FPSO勺升沉、橫搖和縱搖的波頻運動隨著水深的減少而減少,但在水平面的低頻運動那么增大；(2)即使水深降低至21m的所謂“極淺水,FPSOfe極少碰底；(3)在“極淺水狀態(tài),FPS計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.FPSO在今后的開展中,工作水深在逐年增加,抗風(fēng)暴水平不斷增強(如“RamformBanff號工作水深達1524m,抗風(fēng)暴水平為百年一遇,浪高可達16.76m);原油儲存水平增大,船的主尺度和載重噸位提升；原油、生產(chǎn)水的處理水平增強；立管型式增多,除大量使用撓性立管外,也可采用剛性立管；

13、錨泊水平和動力配置水平增大,動力定位技術(shù)也有了新的開展,適應(yīng)海況水平增強.FPSO因其在整體技術(shù)上的完善和提升,表達出優(yōu)越的性能特點和較高的商業(yè)價值,從其近年來的開展趨勢來看,在深海采油領(lǐng)域中,FPSO正迎來其廣泛應(yīng)用的黃金時期,它已成為浮式結(jié)構(gòu)物中極具開展?jié)摿Φ囊环N結(jié)構(gòu)形式,前景極為廣闊.Spar的研究重點已轉(zhuǎn)移到保持其運動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.TrussSpart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)提供縱向強度.TrussSpa尾一種典型白復(fù)合結(jié)構(gòu),由于其重量輕、易移動和可重復(fù)使用的特點,可用于深水的

14、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開展,主要表現(xiàn)在以下幾個方面：工作水深在逐年增加；建造本錢得到降低,進一步提升了其經(jīng)濟性；注重屢次重復(fù)實用性,對可移動性的研究取得了很大進展；由單一的井口生產(chǎn)平臺向深海工作站開展,在所在地區(qū)形成一個以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,100500m左右中等水深范圍是一個很有開發(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.針對邊際油田和偏遠油田,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慨念.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根底吸力錨.對這種平臺在100500m水深范圍內(nèi)的理論與試驗研究說明：這種平臺有良好的運動性能,完全能滿足海上油氣開發(fā)對平臺運動的要求.以120m水深為例,其造價低于相應(yīng)的導(dǎo)管架平臺,隨著水深的增加,其在造價上的優(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)上更加完善和提升,在今后的開展中向著更深、更廣闊的水域進軍,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)物對于我國新世界海洋