SPAR研究現(xiàn)狀及發(fā)展展望

1、SPAR研究現(xiàn)狀及發(fā)展展望隨著陸上石油資源日趨枯竭，海洋石油成為人類重要的能源來源之一，已探 明的海洋石油儲量80 %在水深500m以內(nèi)，除了少數(shù)海域外，大部分地區(qū)的近海 油氣資源已日趨減少，向深海開發(fā)油氣已成必然趨勢，深海平臺技術(shù)也成為國際 海洋工程界的一個熱點(diǎn)。許多新型適應(yīng)深海海洋環(huán)境的平臺結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，如順應(yīng)式平臺、張力腿平臺、浮式生產(chǎn)儲油裝置、Spar平臺等。Spar平臺由于其靈活性好、建造成本相對較低、運(yùn)動性能優(yōu)良,在各種深海 采油平臺中脫穎而出。南海海域是世界四大油氣聚集地之一，石油可采量約為100億t ,占我國油氣資源總量的1/ 3 ,而其中70 %蘊(yùn)藏于深水。我國海洋石 油目前

2、的開發(fā)水深僅僅在 200m水深范圍，深海平臺技術(shù)與先進(jìn)國家存在較大差 距。目前我國正積極致力于適宜南海環(huán)境的深海采油平臺結(jié)構(gòu)的研究，由于南海環(huán)境與墨西哥環(huán)境的相似，以及Spar平臺在墨西哥灣的成功應(yīng)用,Spar平臺成 為南海深海采油平臺首選形式之一。1 Spar平臺簡介1.1 Spar平臺發(fā)展回顧當(dāng)前世界上在役和在建的 Spar平臺可分為三代，按其發(fā)展的時間順序排列 分別是：Classic SparTruss Spa和 Cell SparSpar平臺在1987年之前被作為浮標(biāo)、海洋科研站、海上通信中轉(zhuǎn)站、海 上裝卸和倉儲中心等輔助系統(tǒng)使用。1987年Edward E. Horton 設(shè)計(jì)了一種

3、特 別適合深水作業(yè)環(huán)境Spar平臺，被公認(rèn)為現(xiàn)代Spar生產(chǎn)平臺的鼻祖。1996 年,Kerr O McGee 公司的 Neptune Classic Spar (經(jīng)典式) 建成并 投產(chǎn)，完成了 Spar從設(shè)計(jì)構(gòu)思向?qū)嶋H生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變。隨后在 1998年和1999年 Genesis Classic Spar 和 Hoover Classic Spar 相繼建成投產(chǎn)。2001 年 Classic Spar Deep Oil Technology (DOT) 公司和 Spar International經(jīng)過大量研究工作，提出桁架式SparTruss Spar (構(gòu)架式)的概念，并應(yīng)用于Nansen/B

4、oomvang油田。由于采取了開放式構(gòu)架結(jié)構(gòu)，使得 Truss Spar的主體受力面積大大減少，從而減小了平臺在相應(yīng)方向上的運(yùn)動響應(yīng)； 開放式主體上水平設(shè)置的垂蕩板結(jié)構(gòu)也大大提高了平臺的穩(wěn)定性，它不但能夠提供一定的壓載重量，而且當(dāng)平臺發(fā)生垂蕩運(yùn)動的時候，垂蕩板與上下面的海水作 用，產(chǎn)生很大的阻力，抵消了大部分由于波浪和海流產(chǎn)生的垂蕩力，從而限制了平臺的垂蕩運(yùn)動。由此，解決了 Classic Spar由于其主體尺寸較大、有效載荷 能力不高、平臺建造成本較大等問題。其主要采用開放式桁架結(jié)構(gòu)代替ClassicSpar中段部分，其間分層設(shè)置減少平臺波浪運(yùn)動的垂蕩板(heave plate), 與 Cl

5、assic Spar相比,Truss Spar的最大優(yōu)勢在于其鋼材用量大大降低，從而能有 效地控制建造費(fèi)用，因此得到廣泛的應(yīng)用。由于Classic Spar和Truss Spar平臺主體體積龐大，對主體建造場地要求較高， 使得主體均在歐洲和亞洲造船發(fā)達(dá)國家制造，然后用特種船舶運(yùn)輸?shù)阶鳂I(yè)海域進(jìn) 行組裝，因此運(yùn)費(fèi)昂貴，且安裝困難。2004年Edward E. Horton設(shè)計(jì)了新一代(第 三代)的多柱式SparCell Spar(蜂巢式)，并成功應(yīng)用到Red Hawk油田。此種Spar的主體由若干個小型中空等直徑的圓柱體捆綁組成，每個單獨(dú)圓柱體的體積相對較小，對建造場所要求不高，而且便于多方協(xié)同建

6、造，由于單個柱體體積 相對較小，便于運(yùn)輸?shù)狡脚_作業(yè)海域組裝，而且這就使生產(chǎn)商在選擇Spar主體建造地點(diǎn)時具有了更大的靈活性，可以大大降低平臺的整體造價。綜上所述，目前Spar平臺已經(jīng)發(fā)展了 3代，共14座平臺。1. 2 Spar平臺展望(1)作業(yè)水深不斷增加上表顯示，第一座Spar 臺Neptune Spar的作業(yè)水深只有588m，此后Spar平臺的應(yīng)用水深不斷增加，到目前為止，Devil sTower的應(yīng)用最深達(dá)到1710m(2)形式逐漸多樣化 Spar 平臺已經(jīng)發(fā)展了 3代，目前各國正 在積極開展適應(yīng)本國深海油田地理 條件和環(huán)境條件的新型結(jié)構(gòu)形式的 研究。近期，美國Novellent LL

7、C公 司與上海交通大學(xué)海洋工程國家重 點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合作，對該公司設(shè)計(jì)的一 種Spar 臺形式幾何形 Spar(Geometric Spar , G- spar) 概 念進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究。(3)應(yīng)用地域不斷擴(kuò)大近年來,Amoco石油公司、大不列顛石油 聯(lián)合公司(BP)、Texaco公司及世 界其它石油工業(yè)巨頭都在積極地開 展對Spar平臺技術(shù)的研究論證，以 期在不久的將來把 Spar采油平臺應(yīng)用到英國的西舍德蘭群島、挪威的北海油田以及西非的安哥拉沿海和南美巴西沿海。我國的科研工作者正在致力于深海平臺的研究, 不久在中國南海也將出現(xiàn)類似于 Spar 平臺的深海作業(yè)平臺。2 Spar 平臺結(jié)構(gòu)組成2.

8、 1 頂部甲板模塊Spar 平臺甲板模塊通常由兩層至四層矩形甲板結(jié)構(gòu)組成, 用來進(jìn)行鉆探、油井維修、產(chǎn)品處理或其它組合作業(yè), 井口布置在中部。一般設(shè)有油氣處理設(shè)備、生活區(qū)、 直升機(jī)甲板以及公共設(shè)施等, 根據(jù)作業(yè)要求, 也可在頂層甲板上安裝重型或輕型鉆塔以完成平臺的鉆探、完井和修井作業(yè)。2. 2 主體結(jié)構(gòu)平臺主體提供主要浮力, 并保證平臺作業(yè)安全。從上到下主要分為硬艙、中段、軟艙( 見圖 ) 。硬艙是一個大直徑的圓柱體結(jié)構(gòu), 中央井貫穿其中, 設(shè)置固定浮艙和可變壓載艙, 為平臺提供大部分浮力, 并對平臺浮態(tài)進(jìn)行調(diào)整。中段為桁架結(jié)構(gòu) , 在桁架結(jié)構(gòu)中設(shè)置兩至四層垂擋板, 增加平臺的附加質(zhì)量和附加阻

9、尼, 減少平臺在波浪中的運(yùn)動, 提高穩(wěn)性。軟艙主要設(shè)置固定壓載艙, 降低平臺重心, 同時為 Spar 平臺“自行豎立”過程提供扶正力矩。此外 , 主體外殼上還安裝兩至三列螺旋側(cè)板結(jié)構(gòu), 減少平臺的渦激振動, 改善平臺在渦流中的性能。2. 3 立管系統(tǒng)Spar 的立管系統(tǒng)主要由生產(chǎn)立管、鉆探立管、輸出立管以及輸送管線等部分組成。由于Spar 的垂蕩運(yùn)動很小, 可以支持頂端張緊立管(TTR) , 每個立管通過自帶的浮力罐或甲板上的張緊器提供張力支持。浮力罐從接近水表面一直延伸到水下一定深度, 甚至超出硬艙底部。在中心井內(nèi)部, 由彈簧導(dǎo)向承座提供這些浮罐的橫向支持。柔性海底管線( 包括柔性輸出立管)

10、 , 可以附著在Spar 的硬艙和軟艙的外部, 也可以通過導(dǎo)向管拉進(jìn)桁架內(nèi)部, 繼而進(jìn)入到硬艙的中心井中。由于立管系統(tǒng)位于中央井內(nèi), 因此在主體的屏障作用下不受表面波和海流的影響。2. 4 系泊系統(tǒng)系泊系統(tǒng)采用的是半張緊懸鏈線系泊系統(tǒng), 下樁點(diǎn)在水平距離上遠(yuǎn)離平臺主體,由多條系泊索組成的纜索系統(tǒng)覆蓋了很寬闊的區(qū)域。系泊索包括海底樁鏈, 錨鏈為鋼纜或聚酯纖維組成。導(dǎo)纜器安裝在平臺主體重心附近的外壁上, 目的是減少系泊索的動力載荷。起鏈機(jī)是對系泊系統(tǒng)進(jìn)行操控的重要設(shè)備, 分為數(shù)組 , 分布在主體頂甲板邊緣的各個方向上, 錨所承受的上拔載荷由打樁或負(fù)壓法安裝的吸力錨來承擔(dān)。3 Spar 平臺與張力腿

11、平臺(TLP) 比較(1) 運(yùn)動特性Spar 平臺的垂蕩板使平臺的附加質(zhì)量增大, 同時水線面面積相對較小, 其垂蕩周期在30s 左右 , 在常見的海況中仍然有很好的運(yùn)動性能。由于張力腿鋼筋束的約束作用，其垂蕩周期很小，僅23s ,基本上沒有垂蕩運(yùn)動。Spar 平臺采用半張緊裝置使其水平剛度比TLP 大 , 位置漂移比TLP 要小。 Spar平臺縱橫搖運(yùn)動與TLP相比較大，其固有周期為50100s , TLP由于張力腿提 供很大剛度, 其縱橫搖運(yùn)動很小, 固有周期小于4s。(2) 穩(wěn)定性 Spar 平臺的重心遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于浮心, 因此 , 其具有無條件穩(wěn)定性。由于 Spar 不是從系泊系統(tǒng)獲得穩(wěn)性,

12、即使系泊系統(tǒng)失效, 也不會傾覆, 因此 , 其在所有安裝階段都是穩(wěn)定的。(3) 靈活性Spar 平臺由于采用半張緊懸鏈線系泊索動態(tài)定位, 十分便于拖航和安裝, 可重復(fù)使用, 適宜邊際油田, 同時可以通過調(diào)節(jié)系泊索的長度使平臺進(jìn)行一定范圍內(nèi)的移動, 便于重新定位。TL P 是通過張力腿系統(tǒng)錨固定在地基基礎(chǔ)上來定位, 重新定位困難。(4) 經(jīng)濟(jì)性Spar 平臺采用系泊索固定, 其造價不會隨著水深的增加而急劇提高 , 而 TL P 在深海領(lǐng)域, 由于張力腿系統(tǒng)自重過大以及基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)安裝難度較大 , 導(dǎo)致成本增加。如Horn Mountain Truss Spar 工作水深1646m ,總體造價為6億

13、美元,而Shell石油公司在910m水深重建成的Brut us TL P項(xiàng)目，耗資7. 5 億美元。由此可見,Spar 平臺的價格優(yōu)勢明顯。4 Spar 平臺總體設(shè)計(jì)中的幾點(diǎn)考慮4. 1 頂部甲板模塊質(zhì)量控制及設(shè)備布置頂部甲板模塊質(zhì)量減小相應(yīng)地會減少主體底部壓載量, 進(jìn)而減少平臺總排水量、 系泊載荷, 從而減小主體尺寸、系泊索尺寸及降低平臺造價, 因此在進(jìn)行頂部模塊設(shè)計(jì)時應(yīng)盡量減小頂部模塊的質(zhì)量。甲板上設(shè)備的布置要滿足安全和工藝流程的前提下, 盡量布置緊密, 以減小甲板尺寸、平臺質(zhì)量和降低造價。4. 2 主體尺寸確定及艙室劃分以 Truss Spar 為例 , 主體尺寸包括圓柱體直徑、硬艙、

14、中段、 軟艙的高度、垂蕩板層數(shù)及間距等。主體尺寸確定及艙室劃分主要考慮以下因素: 提供足夠的浮力；具備足夠的靜穩(wěn)性，即GM值；垂蕩板的層數(shù)和間距保證平臺具有較好的垂蕩性能; 具備足夠的回復(fù)力; 具有足夠的干舷, 減少波浪對甲板的抨擊作用; 軟艙的高度保證平臺在扶正過程中具有足夠的回復(fù)力矩; 具有良好的抗沉性; 中央井面積。在總體設(shè)計(jì)的初始階段可以參照現(xiàn)有平臺的參數(shù)進(jìn)行確定, 據(jù)統(tǒng)計(jì) , 主體直徑為20m 左右 , 長度為160m 左右 , 干舷為 15m 左右 , 硬艙約為總長的一半，設(shè)置24層的垂蕩板，其間距為20m左右，軟艙高度根據(jù)壓 載量確定。4. 3 立管形式的選擇及布置Spar 平臺

15、立管系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的主要問題是中央井內(nèi)立管的布置形式及其之間的間距，中央井的尺寸由立管的數(shù)目決定，立管一般采用3 X3、4 X4，或5 X5 的布置形式, 立管之間的間隙隨工作水深的增大而變大, 經(jīng)統(tǒng)計(jì) , 一般規(guī)律為:水深 h 2000f t 時，間隙為 10 ； h 4000f t 時，間隙為 12 ； h 6000f t 時，間隙為14。4 . 4 系泊系泊材料的選擇及布置系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中涉及到材料的選擇和布置兩個問題。Spar 平臺纜索主要有鋼絲繩和聚酯纖維兩種。相比較而言, 聚酯纖維具有減輕系泊系統(tǒng)重量、提高有效載荷、降低平臺造價的優(yōu)點(diǎn), 但是其成本較高, 只有在水深超過1500m 才具有

16、價格優(yōu)勢。Spar平臺系泊索主要采用群組式布置，一般有2 X3、3 X3、4 乂 4的形式，其中3 X3形式由于其材料最省、120的夾角定位具有很大的空間， 可設(shè)置多根立管, 得到廣泛應(yīng)用。此外也可根據(jù)平臺實(shí)際的作業(yè)環(huán)境條件, 在某些方向上增加或減少系泊索的數(shù)目。5 中國南海應(yīng)用前景分析素有“第二個波斯灣”之稱的南中國海被列為中國十大油氣戰(zhàn)略選區(qū)之一 , 數(shù)據(jù)顯示, 南海有含油氣構(gòu)造200 多個 , 油氣田 180 個。 僅在曾母盆地、沙巴盆地、萬安盆地的石油總儲量就將近200億t ,據(jù)估計(jì)，南海的石油總儲量為230300億 t , 開發(fā)潛力巨大。專家預(yù)測, 南海油氣資源可開發(fā)價值超過20 萬

17、億元人民幣。在未來20年內(nèi)只要開發(fā)30 %,每年可為中國GDP增長貢獻(xiàn)12個百分點(diǎn)。目前，國土資源部等有關(guān)部門已經(jīng)在南海南部的14 個主要盆地進(jìn)行了油氣資源評價。南海的主要含油氣構(gòu)造位于5002 000 m水深的海域，而Spar平臺適用的水深 為6003 000 m ,適合南海的深水開發(fā)。而且,Spar平臺的運(yùn)動穩(wěn)定性好，其垂 蕩運(yùn)動小可與張力腿平臺媲美, 其二階慢漂運(yùn)動遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于半潛式平臺。此外 , 南海的海洋環(huán)境惡劣, 臺風(fēng)頻發(fā), 平臺的動力穩(wěn)定性顯得尤為重要。國外的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)表明 , 半潛式平臺和張力腿平臺均有失穩(wěn)傾覆的先例, 唯有 Spar 平臺還沒有這樣的先例。而且，南海的風(fēng)浪周期和涌浪

18、周期一般為49 s ,最大為23 s左右。而典型的Spar 平臺縱蕩周期為160 s , 縱搖周期為60 s , 因此 , 與波浪的周期相差較遠(yuǎn)。南海的風(fēng)海流和密度流的流速一般為 0.10. 2 m/ s , 廣東東 部沿岸流速最大，可達(dá)0. 250.4 m/ s 。如果Spar平臺的有效直徑按30 m計(jì) 算 , 則渦泄周期分別為750 s 和 375 s , 與 Spar 平臺的縱蕩周期160 s 相差甚遠(yuǎn)。因此 , 只要能夠針對南海特殊的海洋環(huán)境條件開發(fā)出合理的Spar 平臺結(jié)構(gòu),Spar平臺就能夠在中國南海深水海域的油氣資源開發(fā)中發(fā)揮積極的作用。6 結(jié)論回顧 Spar 平臺的發(fā)展歷程, 其在結(jié)構(gòu)上不斷地改進(jìn)和性能不斷優(yōu)化, 在深海采油平臺領(lǐng)域發(fā)展迅速, 并向水深更深、形式多樣、應(yīng)用地域更廣的方向發(fā)展。它與張力腿平臺一起被稱為深水采油平臺的兩大主力平臺, 同時又比張力腿具有較好的穩(wěn)性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性。目前 , 我國正處于尋找適宜南海環(huán)境的深海采油平臺結(jié)構(gòu)的研究階段,Spar平臺作為首選平臺形式受到各方面的關(guān)注對于中國南海深水油氣田的開發(fā), 采用Truss Spar的結(jié)構(gòu)形式更合理，因?yàn)槟虾?nèi)波的最大波動出現(xiàn)在100120 m ,采用 Truss Spar 的結(jié)構(gòu)能夠有效地減小內(nèi)波的作用, 從而減小平臺的運(yùn)動響應(yīng)?？梢哉f，在我國的海洋平臺技術(shù)領(lǐng)域中，Spar 的