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 %上在水深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。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 Spaar平臺臺簡介1.1 Spaar 平平臺發(fā)展展回顧當(dāng)前世界上上在役和和在建的的Spaar平臺臺可分為為三代，按按其發(fā)展展的時間間順序排排列分別別是：CClasssicc Sppar、Truuss Spaar和Celll Spaar。Spar 平臺在在19887 年年之前被被作為浮浮標(biāo)、海海洋科研研站、海海上通信信中轉(zhuǎn)站站、海上上裝卸和和倉

3、儲中中心等輔輔助系統(tǒng)統(tǒng)使用。1987 年Edward E. Horton 設(shè)計了一種特別適合深水作業(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,Keerr O McGGee 公司的的Nepptunne CClasssicc Sppar（經(jīng)經(jīng)典式） 建成并投產(chǎn),完成了Spar 從設(shè)計構(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,Cllasssic Spaar Deeep OOil Tecchnoologgy (DOTT) 公公司和SSparr Inn

4、terrnattionnal 經(jīng)過大大量研究究工作,提出桁桁架式SSparr Truuss Spaar（構(gòu)構(gòu)架式） 的概念,并應(yīng)用于Nansen/Boomvang 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

5、等問題。其主要采用開放式桁架結(jié)構(gòu)代替Classic Spar 中段部分,其間分層設(shè)置減少平臺波浪運動的垂蕩板(heave plate) ,與Classic 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用,因此得到廣泛的應(yīng)用。由于Claassiic SSparr 和Truuss Spaar 平平臺主體體體積龐龐大,對主體體建造場場地要求求較高,使得主主體均在在歐洲和和亞洲造造船發(fā)達(dá)達(dá)國家制制造,然后用用特種船船舶運輸輸?shù)阶鳂I(yè)業(yè)海域進(jìn)進(jìn)行組裝裝,因此運運費昂貴貴,且安裝裝困難。2004 年Edward E. Horton 設(shè)計了新一代（第三代）的多

6、柱式Spar Cell 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)同建造,由于單個柱體體積相對較小,便于運輸?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Sppar 平臺已已經(jīng)發(fā)展展了3 代,共14 座平臺臺。1. 2 Spaar 平臺展展望(1) 作作業(yè)水深深不斷增增加上上表顯示示,第一座座Spaar 平平臺Nepptunne SSparr 的作作業(yè)水深深只有5588mm ,此

7、此后Sppar 平臺的的應(yīng)用水水深不斷斷增加,到目前前為止,Devvil s TToweer 的的應(yīng)用最最深達(dá)到到17110m。(2) 形形式逐漸漸多樣化化Sppar 平臺已已經(jīng)發(fā)展展了3 代,目前各各國正在在積極開開展適應(yīng)應(yīng)本國深深海油田田地理條條件和環(huán)環(huán)境條件件的新型型結(jié)構(gòu)形形式的研研究。近近期,美國Noovelllennt LLLC 公司與與上海交交通大學(xué)學(xué)海洋工工程國家家重點實實驗室合合作,對該公公司設(shè)計計的一種種Spaar 平平臺形式式幾幾何形SSparr ( Geoomettricc Sppar , GG- ssparr) 概概念進(jìn)行行了模型型試驗研研究。(3) 應(yīng)應(yīng)用地域域不斷擴

8、擴大近近年來,Amooco 石油公公司、大大不列顛顛石油聯(lián)聯(lián)合公司司(BPP) 、Texxacoo 公司司及世界界其它石石油工業(yè)業(yè)巨頭都都在積極極地開展展對Sppar 平臺技技術(shù)的研研究論證證,以期在在不久的的將來把把Spaar 采采油平臺臺應(yīng)用到到英國的的西舍德德蘭群島島、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。我我國的科科研工作作者正在在致力于于深海平平臺的研研究,不久在在中國南南海也將將出現(xiàn)類類似于SSparr 平臺臺的深海海作業(yè)平平臺。2 Sppar 平臺結(jié)結(jié)構(gòu)組成成2. 1 頂部部甲板模模塊Spar 平臺甲甲板模塊塊通常由由兩層至至四層矩矩形甲板板結(jié)構(gòu)組組成

9、,用來進(jìn)進(jìn)行鉆探探、油井井維修、產(chǎn)產(chǎn)品處理理或其它它組合作作業(yè),井口布布置在中中部。一一般設(shè)有有油氣處處理設(shè)備備、生活活區(qū)、直直升機甲甲板以及及公共設(shè)設(shè)施等,根據(jù)作作業(yè)要求求,也可在在頂層甲甲板上安安裝重型型或輕型型鉆塔以以完成平平臺的鉆鉆探、完完井和修修井作業(yè)業(yè)。2. 2 主體體結(jié)構(gòu)平臺主體提提供主要要浮力,并保證證平臺作作業(yè)安全全。從上上到下主主要分為為硬艙、中中段、軟軟艙(見圖) 。硬艙是是一個大大直徑的的圓柱體體結(jié)構(gòu),中央井井貫穿其其中,設(shè)置固定定浮艙和和可變壓壓載艙,為平臺臺提供大大部分浮浮力,并對平平臺浮態(tài)態(tài)進(jìn)行調(diào)調(diào)整。中中段為桁桁架結(jié)構(gòu)構(gòu),在桁架架結(jié)構(gòu)中中設(shè)置兩兩至四層層垂擋板板

10、,增加平平臺的附附加質(zhì)量量和附加加阻尼,減少平平臺在波波浪中的的運動,提高穩(wěn)穩(wěn)性。軟軟艙主要要設(shè)置固固定壓載載艙,降低平平臺重心心,同時為為Spaar 平平臺“自自行豎立立”過程程提供扶扶正力矩矩。此外外,主體外外殼上還還安裝兩兩至三列列螺旋側(cè)側(cè)板結(jié)構(gòu)構(gòu),減少平平臺的渦渦激振動動,改善平平臺在渦渦流中的的性能。2. 3 立管管系統(tǒng)Spar 的立管管系統(tǒng)主主要由生生產(chǎn)立管管、鉆探探立管、輸輸出立管管以及輸輸送管線線等部分分組成。由由于Sppar 的垂蕩蕩運動很很小,可以支支持頂端端張緊立立管(TTRR) ,每個立立管通過過自帶的的浮力罐罐或甲板板上的張張緊器提提供張力力支持。浮力罐從接近水表面一

11、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) ,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 系泊泊系統(tǒng)系泊系統(tǒng)采采用的是是半張緊緊懸鏈線線系泊系系統(tǒng),下樁點點在水平平距離上上遠(yuǎn)離平平臺主體體,由多條條系泊索索組成的的纜索系系統(tǒng)覆蓋蓋了很寬寬闊的區(qū)區(qū)域。系系泊索包包括海底底樁鏈,錨鏈為為鋼纜或或聚酯纖纖維組成成。導(dǎo)纜纜器安裝裝在平臺臺主體重重心附近近的外壁壁上,目的是是減少系系泊索的的

12、動力載載荷。起起鏈機是是對系泊泊系統(tǒng)進(jìn)進(jìn)行操控控的重要要設(shè)備,分為數(shù)數(shù)組,分布在在主體頂頂甲板邊邊緣的各各個方向向上,錨所承承受的上上拔載荷荷由打樁樁或負(fù)壓壓法安裝裝的吸力力錨來承承擔(dān)。3 Sppar 平臺與與張力腿腿平臺(TLPP) 比比較(1) 運動動特性Spaar 平平臺的垂垂蕩板使使平臺的的附加質(zhì)質(zhì)量增大大,同時水水線面面面積相對對較小,其垂蕩蕩周期在在30ss 左右右,在常見見的海況況中仍然然有很好好的運動動性能。由由于張力力腿鋼筋筋束的約約束作用用,其垂蕩蕩周期很很小,僅23s ,基本本上沒有有垂蕩運運動。SSparr 平臺臺采用半半張緊裝裝置使其其水平剛剛度比TTLP 大,位置漂

13、漂移比TTLP 要小。SSparr 平臺臺縱橫搖搖運動與與TLP 相比較較大,其固有有周期為為501000s , TLLP 由于于張力腿腿提供很很大剛度度,其縱橫橫搖運動動很小,固有周周期小于于4s。(2) 穩(wěn)穩(wěn)定性Spaar 平平臺的重重心遠(yuǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于浮浮心,因此,其具有有無條件件穩(wěn)定性性。由于于Spaar 不不是從系系泊系統(tǒng)統(tǒng)獲得穩(wěn)穩(wěn)性,即使系系泊系統(tǒng)統(tǒng)失效,也不會會傾覆,因此,其在所所有安裝裝階段都都是穩(wěn)定定的。(3) 靈靈活性Spaar 平平臺由于于采用半半張緊懸懸鏈線系系泊索動動態(tài)定位位,十分便便于拖航航和安裝裝,可重復(fù)復(fù)使用,適宜邊邊際油田田,同時可可以通過過調(diào)節(jié)系系泊索的的長度使使

14、平臺進(jìn)進(jìn)行一定定范圍內(nèi)內(nèi)的移動動,便于重重新定位位。TLL P 是通過過張力腿腿系統(tǒng)錨錨固定在在地基基基礎(chǔ)上來來定位,重新定定位困難難。(4) 經(jīng)經(jīng)濟性Spaar 平平臺采用用系泊索索固定,其造價價不會隨隨著水深深的增加加而急劇劇提高,而TL P 在在深海領(lǐng)領(lǐng)域,由于張張力腿系系統(tǒng)自重重過大以以及基礎(chǔ)礎(chǔ)的設(shè)計計安裝難難度較大大,導(dǎo)致成成本增加加。如HHornn Moounttainn Trrusss Sppar 工作水水深16646mm ,總總體造價價為6 億美元元,而Sheell 石油公公司在9910mm 水深深重建成成的Brrut us TL P 項項目,耗資7. 5億億美元。由由此可見見

15、,Sppar 平臺的的價格優(yōu)優(yōu)勢明顯顯。4 Sppar 平臺總總體設(shè)計計中的幾幾點考慮慮4. 1 頂部部甲板模模塊質(zhì)量量控制及及設(shè)備布布置頂部甲板模模塊質(zhì)量量減小相相應(yīng)地會會減少主主體底部部壓載量量,進(jìn)而減減少平臺臺總排水水量、系系泊載荷荷,從而減減小主體體尺寸、系系泊索尺尺寸及降降低平臺臺造價,因此在在進(jìn)行頂頂部模塊塊設(shè)計時時應(yīng)盡量量減小頂頂部模塊塊的質(zhì)量量。甲板板上設(shè)備備的布置置要滿足足安全和和工藝流流程的前前提下,盡量布布置緊密密,以減小小甲板尺尺寸、平平臺質(zhì)量量和降低低造價。4. 2 主體體尺寸確確定及艙艙室劃分分以Trusss SSparr 為例例,主體尺尺寸包括括圓柱體體直徑、硬硬

16、艙、中中段、軟軟艙的高高度、垂垂蕩板層層數(shù)及間間距等。主主體尺寸寸確定及及艙室劃劃分主要要考慮以以下因素素: 提提供足夠夠的浮力力; 具具備足夠夠的靜穩(wěn)穩(wěn)性,即GM 值; 垂垂蕩板的的層數(shù)和和間距保保證平臺臺具有較較好的垂垂蕩性能能; 具具備足夠夠的回復(fù)復(fù)力; 具有有足夠的的干舷,減少波波浪對甲甲板的抨抨擊作用用; 軟艙的的高度保保證平臺臺在扶正正過程中中具有足足夠的回回復(fù)力矩矩; 具具有良好好的抗沉沉性; 中央央井面積積。在總總體設(shè)計計的初始始階段可可以參照照現(xiàn)有平平臺的參參數(shù)進(jìn)行行確定,據(jù)統(tǒng)計計,主體直直徑為220m 左右,長度為為1600m 左左右,干舷為為15mm 左右右,硬艙約約為總

17、長長的一半半,設(shè)置24 層的的垂蕩板板,其間距距為200m 左左右,軟艙高高度根據(jù)據(jù)壓載量量確定。4. 3 立管管形式的的選擇及及布置Spar 平臺立立管系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計中中的主要要問題是是中央井井內(nèi)立管管的布置置形式及及其之間間的間距距,中央井井的尺寸寸由立管管的數(shù)目目決定,立管一一般采用用3 3 、4 4 ,或5 5 的布布置形式式,立管之之間的間間隙隨工工作水深深的增大大而變大大,經(jīng)統(tǒng)計計,一般規(guī)規(guī)律為:水深h 220000f tt 時,間隙為為10; h 440000f tt 時,間隙為為12; h 660000f tt 時,間隙為為14。4. 4 系泊系系泊材料料的選擇擇及布置置系泊系統(tǒng)設(shè)

18、設(shè)計中涉涉及到材材料的選選擇和布布置兩個個問題。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,但是其成本較高,只有在水深超過1500m 才具有價格優(yōu)勢。Spar 平臺系泊索主要采用群組式布置,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 中國國南海應(yīng)應(yīng)用前景景分析素有“第二二個波斯斯灣”之之稱的南南中國海海被列為為中國十十大油氣氣戰(zhàn)略選選區(qū)之一一,數(shù)據(jù)顯顯

19、示,南海有有含油氣氣構(gòu)造2200 多個,油氣田田1800 個。僅在在曾母盆盆地、沙沙巴盆地地、萬安安盆地的的石油總總儲量就就將近2200 億t ,據(jù)估計計,南海的的石油總總儲量為為23003000 億t ,開發(fā)潛潛力巨大大。專家家預(yù)測,南海油油氣資源源可開發(fā)發(fā)價值超超過200 萬億億元人民民幣。在未來200 年內(nèi)內(nèi)只要開開發(fā)300 % ,每年年可為中中國GDDP 增增長貢獻(xiàn)獻(xiàn)12 個百分點點。目前前,國土資資源部等等有關(guān)部部門已經(jīng)經(jīng)在南海海南部的的14 個主要盆盆地進(jìn)行行了油氣氣資源評評價。南海的主要要含油氣氣構(gòu)造位位于50002 0000 m 水水深的海海域,而Spaar 平平臺適用用的水深

20、深為60003 0000 m ,適合南南海的深深水開發(fā)發(fā)。而且且,Sppar 平臺的的運動穩(wěn)穩(wěn)定性好好,其垂蕩運動小可可與張力力腿平臺臺媲美,其二階慢慢漂運動動遠(yuǎn)遠(yuǎn)小小于半潛潛式平臺臺。此外外,南海的的海洋環(huán)環(huán)境惡劣劣,臺風(fēng)頻頻發(fā),平臺的的動力穩(wěn)穩(wěn)定性顯顯得尤為為重要。國國外的開開發(fā)經(jīng)驗表明,半半潛式平平臺和張張力腿平平臺均有有失穩(wěn)傾傾覆的先先例,唯有Sppar 平臺還還沒有這這樣的先先例。而而且,南海的的風(fēng)浪周周期和涌涌浪周期期一般為為49 ss ,最最大為223 ss左右。而典典型的SSparr 平臺臺縱蕩周周期為1160 s ,縱搖周周期為660 ss ,因因此,與波浪浪的周期期相差較較

21、遠(yuǎn)。南南海的風(fēng)風(fēng)海流和和密度流流的流速速一般為為0. 10. 2 mm/ ss ,廣廣東東部部沿岸流流速最大大,可達(dá)0. 2550. 4 mm/ ss 。如如果Sppar 平臺的的有效直直徑按330 mm 計算算,則渦泄周期期分別為為7500 s 和3755 s ,與Spaar 平平臺的縱縱蕩周期期1600 s 相差甚甚遠(yuǎn)。因因此,只要能能夠針對對南海特特殊的海海洋環(huán)境境條件開開發(fā)出合合理的SSparr 平臺臺結(jié)構(gòu),Spaar 平平臺就能能夠在中中國南海海深水海海域的油油氣資源源開發(fā)中中發(fā)揮積積極的作作用。6 結(jié)論論回顧Spaar 平平臺的發(fā)發(fā)展歷程程,其在結(jié)結(jié)構(gòu)上不不斷地改改進(jìn)和性性能不斷斷優(yōu)