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Spar平台技术发展现状及趋势
时间:2011-12-28 17:19 来源:《海洋工程装备》杂志 点击:

王颖|中船重工经济研究中心  

摘要:在世界海洋工程技术飞速发展的今天,深海油气勘探开发已成为世界各大石油公司竞争的关键领域。Spar平台作为离岸深水作业中的重要平台类型,自1996年首次投入使用以来得到了快速发展,成为当前业界研究的前沿和热点。与现有的其它海洋采油平台相比较,Spar平台具有特别适宜于深水作业,在深水环境中运动稳定、安全性良好、灵活性好、经济性好等优点,凭借这些优势,Spar平台成为极具竞争力的深海平台类型,进入了繁荣发展的时期。本文从Spar平台的技术发展现状、主要的结构特征及水动力特征、技术发展趋势等角度,对Spar平台进行了系统介绍。

 

关键词:Spar平台;结构;水动力;技术发展趋势

 

一、Spar平台概况

Spar在海洋工程中,起初是作为辅助系统,如浮标、海洋科研站、储油和卸油的浮筒。1987年,Edward E.Horton在柱形浮标和张力腿平台概念的基础上提出了用于深水生产的Spar平台概念。1996年世界上第一座Spar平台问世,作业于墨西哥湾588m水深海域的Neptune油田。该平台直径为22米,排水量11000吨,上层建筑2500吨,配备16根用于完井、修井和生产的立管。截至2011年6月,全球共有17座Spar平台建成投产,除一座Kikeh Truss Spar在东南亚马来西亚海域,其余全部分布在墨西哥湾海域运营,其中包括Classic Spar 3座,Truss Spar 13座,Cell Spar一座。

Spar平台的主体由单个或多个竖直柱形浮体与下部桁架及压载舱组成,以支撑上部模块,由半张紧分布式系泊系统定位,适用水深范围为550~3000米。Spar平台浮心高于重心,能保证无条件稳定;具有较大的可变载荷;可将立管等钻井设备装置在壳体内部,从而形成有效的保护作用。它六个自由度上的运动固有周期都远离常见的海洋能量集中区域,具有良好的运动性能。

与其它海洋采油平台相比较,Spar平台具有特别适宜于深水作业,在深水环境中运动稳定、安全性良好、灵活性好、经济性好等优点,凭借这些优势,Spar平台成为极具竞争力的深海平台类型,进入了繁荣发展的时期。目前Shell公司最新的Perdido Truss Spar进一步打破了深水作业记录,已于2008年8月在墨西哥湾深达2383米 (7817英尺)的超深水区域安装就位,并于2010年3月投入运营。

二、Spar平台技术发展现状

到目前为止,Spar平台已经发展出三代,分别为第一代传统式Spar(Classic Spar)、第二代桁架式Spar(Truss Spar)、第三代多柱式Spar(Cell Spar)。

Classic Spar

Classic Spar的主体是一个在水中垂直悬浮的圆柱体,整体直径较大,一般长度在20~40米之间,主体吃水均在100米以上,重心位于水线面以下很深的位置。如图1所示。

  

图1 传统式Spar平台外观图

其庞大的主体内部采用垂直隔水舱壁和水平甲板分割成多层、多舱结构,主要由硬舱(hard tank)、中段(midsection)和软舱(soft tank)三个部分组成。硬舱位于主体的上部,是整个Spar平台系统的主要浮力来源,其中又可分为固定浮舱和可变压载浮舱。中段是从可变压载舱底部至临时浮舱顶甲板之间的部分,主要功能是刚性连接Spar平台主体的硬舱和软舱。软舱则位于中段以下,主要提供压载,包括位于平台最底端的固定压载舱和临时浮舱两部分。

Truss Spar

Truss Spar的设计概念是应用桁架结构代替Classic Spar柱体的中部结构,它采用开放式空间构架结构连接顶部硬舱和底部软舱,可以节省50%的钢材;并且中部的开放式桁架结构使得Truss Spar的主体受力面积大大减少,降低了平台的水平外载荷,从而减少了平台在水平方向上的运动响应,也降低了环流造成的拖曳载荷;桁架结构中采用垂荡板来增加Spar平台垂直运动的附加质量和阻尼,同时也为TTR和SCR提供侧向支撑;垂荡板的应用能显著降低平台垂直方向的运动。Truss Spar平台如图2所示。

图2 桁架式Spar平台外观图

与Classic Spar相比,Truss Spar具有更为优良的运动性能,并且对钢材的用量大大降低,从而能够有效的控制建造费用,因此得到了广泛的应用,成为目前发展最为活跃的Spar平台类型。在现有的Spar平台中,Truss Spar最多,占全部Spar平台总数的76%。

Cell Spar

Classic Spar和Truss Spar的主体部分都包含大直径的圆柱体,对建造工艺的要求很高。Cell Spar概念的提出改善了这个问题。

  

图3多柱式Spar平台外观图

Cell Spar的最大优点在于它降低了建造难度,经济性较好。它的主体由若干个直径相对较小的圆柱体组合而成,以一个圆柱体作为中心,将其它的圆柱体环绕在中心圆柱体上,各圆柱体之间采用钢架结构固定,形成一个蜂巢形的主体结构。如图3所示。

Cell Spar的上部圆柱提供整体所需浮力,并通过将其中三个外圆柱延伸到底部来构成下部主体,柱腿之间采用数层垂荡板结构连接起来,在满足了主体自身强度要求的同时,还增加了平台的附加质量和附加阻尼,降低了垂荡运动的固有周期。压载舱设置在这些圆柱腿的底部,从而确保平台具有足够的稳性。因为结构上的改进,Cell Spar平台拥有了比前两种Spar更小、更轻的主体结构,从而进一步降低平台造价和安装运输费用。

三、Spar平台的结构特征

目前投入实际生产的Spar平台,在整体组成上一般可分为六大系统:平台上体、平台主体(hull,也称为壳体)、浮力系统、中心井(center well)、立管系统、系泊系统。图4以一座Truss Spar为例,给出了Spar平台总体结构的解剖示意图。

平台上体位于主体的顶端,甲板上安装了全套的钻探和生产处理设备,Spar平台的顶部模块是一个多层桁架结构,它可以用来进行钻探、油井维修、产品处理或其它组合作业。用来支撑钻探设备和生产设备的生产钻探甲板及中间甲板与固定平台的甲板很接近,井口布置在中部。

Spar平台的主体部分一般包含一个或多个竖直悬浮于水中的圆柱体,由位于主体上部的硬舱(hard tank)提供浮力,而平台的稳定性则由主体中部的可变压载舱和位于底部的固定压载舱来提供,可变压载舱中的压载物为海水,可以通过向其中充入或是放出压缩空气来调节压载量,固定压载舱在必要的情况下还可以加载固体压载物来增加稳定性。在固定压载舱上部还有一组临时浮舱,在平时的生产过程中,其中充满海水而起到压载的作用,当向其中充入压缩空气时,Spar主体将在浮力的作用下由竖直悬浮变为水平飘浮,以便于拖航。这一点在Spar安装和转移的过程中十分重要。当Spar 主体被拖航到安装点的时候,再向此临时浮舱中放入海水,同时向上部的可变压载舱中压入空气,Spar主体便会在力矩的作用下转为竖直悬浮的状态,完成称为“竖立”或 “倒装”(upend)的过程。在靠近水线面处的浮舱外层有双层防水壁结构,在平台发生可能的撞击损坏时能够起到保护浮舱的屏障作用。整个主体在外壁安装有螺旋状侧板,能够减少涡流的作用。

Spar平台主体中部设有中心井,中心井自下而上贯穿整个主体,顶端张紧式刚性立管系统(Top Tensioned Riser, TTR)通过中心井向上与平台上体的生产设备相连,向下则深入海底,每个TTR通过自带的浮力罐提供张力支持,因此立管的轴向载荷与壳体运动解耦,同时使得平台对水深也不是很敏感。在中心井内部还安装有导向架装置以提供浮力罐及立管的横向支持,减少其与主体内其他设施相互碰撞的可能性。

图4 典型的Spar平台结构示意图

Spar平台的立管系统主要由生产立管、钻探立管、输出立管以及输送管线等部分组成。绝大多数的Spar生产平台是干树平台,采油树位于水面之上的平台上体。柔性海底管线(包括柔性输出立管)以及钢悬链线立管(Steel Catenary Riser, SCR),可以附着在Spar的硬舱和软舱的外部,也可以通过导向管拉进桁架内部,继而进入到硬舱的中心井中。

Spar平台一般采用半张紧式悬链线系泊,能够保证平台在钻探、完井、修井和生产过程中具备良好的稳定性。导缆器(Fairlead)通常位于硬舱的下部、整个Spar平台的重心附近,该点的运动幅度较小,有利于减小系泊缆的动力载荷。导缆器为定滑轮结构,是系泊缆与平台主体的连接点。海底基础大多采用抓力锚、桩基或吸力式基础固定。

四、Spar平台的水动力特征

Spar平台的结构特征是决定它区别于其它平台型式的一个重要特点:浮心和重心在垂直方向上是分开的,并且重心低于浮心,因此Spar有着良好的漂浮稳性,是一个绝对稳定的系统。由于Spar平台不是从系泊系统获得稳性,所以即使系泊系统彻底失效,它也不会倾斜或倾覆。下面分别从Spar的六自由度运动方面阐述其各个方向上的水动力特征。

纵荡/横荡 Spar的半张紧系泊装置使其水平刚度比较大,因此其水平方向位移可有效地控制在一定范围内。一般而言,Spar平台水平方向上运动的自然周期在120秒以上,通常在设计Spar时,对于完整系泊状态,要求漂移小于水深的4%;对于有损坏的系泊状态,漂移小于水深的6%。

纵摇/横摇 Spar的纵摇/横摇刚度由GM值(重心和稳心的距离)决定。其水线下的密封空心柱体提供浮力,柱体底部装有压载以保证平台的垂向稳定,有利于控制纵摇或横摇。对于Spar的纵摇/横摇运动性能的要求通常来自于立管和顶层模块的设计,一般设计要求在百年一遇的风暴中,Spar的最大组合纵摇/横摇角小于10°。Spar的纵摇/横摇周期一般在40~100秒之间。

首摇 由于主体部分是圆柱形的,所以Spar通常受到很小的首摇激励,因此首摇运动较小。

目前,Spar平台的垂荡运动和涡激运动是两个受到广泛关注的研究方向。

垂荡 Spar的垂向刚度主要来自于它的水线面面积,而系泊系统的垂向刚度与静水压力引起的刚度相比非常小。Spar的垂荡固有周期通常在25~28秒之间。在大多数海况下,这一频率远离了波浪频率范围,因而垂荡运动并不明显。如墨西哥湾飓风引起的最大海浪的周期是14秒,在墨西哥湾百年一遇的飓风、有义波高40英尺的情况下,Truss Spar的最大垂荡运动通常是3-4英尺。但在某些海洋环境下,如西非海域,多数海浪的周期为18秒左右,与Spar的垂荡周期更为接近;并且一年中的长涌占据了一定比例,这些涌浪的周期峰值处于23~25秒的范围内,甚至可以达到30秒,风暴中的波周期为5~20秒,如果Spar平台安装并应用于在这种作业海况下,则必须考虑到平台与长周期涌产生共振的可能性。在共振的情况下,一阶波浪力比二阶差频波浪力变得更为重要,垂荡响应会增大,并可能产生纵摇耦合运动。Truss Spar和Cell Spar由于安装了垂荡板,垂荡运动性能通常要好于同量级的Classic Spar。

涡激运动 在水动力性能方面,与其他型式的海洋平台相比,Spar平台需要特殊考虑的一个问题就是涡激运动。这是由Spar平台的深吃水柱状主体的结构特征所决定的。在海洋中洋流的作用下,来流在Spar主体后方发生边界层分离并导致旋涡脱落,因此而产生的周期性涡脱激励是导致Spar平台发生涡激运动的根本原因。Spar的涡激运动主要是横荡和纵荡两个方向,即水平面内的运动。涡激运动是Spar平台研究过程的一个关键问题。

综上所述,Spar平台在运动性能方面具有如下特点:重心低于浮心,在波浪中十分稳定;适应于任意角度的风浪,首摇运动很小;各方向运动的固有周期大部分远离常见波浪周期,总体来说具有优良的运动性能;运动响应对水深变化不敏感,更适宜于在深水海域应用。

五、Spar平台技术发展趋势

近年来,一些改进的Spar平台概念被相继提出并进行了结构、疲劳、水动力等各方面性能的研究,如美国Novellent LLC 公司于2000年提出几何形Spar(Geometric Spar,G-Spar)的概念,上海交通大学海洋工程国家重点实验室于2006年提出多柱桁架式Spar(Cell-Truss Spar, CT-Spar)概念等。除此之外,在Spar平台的基础上,又衍生出了一些交叉型的新型平台概念,其中最典型、并且已经建成投入实际应用的一种概念是MinDOC,如图5所示。

MinDOC概念最先由Gulf Island公司和Bennett & Associates公司联合提出,主体结构由三个竖直柱状浮体通过桁架连接而成。延伸到水下深处的柱状浮体使整个主体结构具有较大的吃水,增加了结构稳性。与相同规模的独柱式结构相比,这种主体结构具有更大的水线面面积,可增加稳性,并且可以减小每个柱体的直径,有利于减小涡激运动。

图5 MinDOC

与Spar平台类似,MinDOC支持顶端张紧立管和干树采油,通过由9-12根系泊缆组成的半张紧式系泊系统进行定位。其建造成本低于Spar平台。总体来说,MinDOC的结构形式具有出色的运动性能,并且可承担较高的甲板载荷。除配备生产系统外,该概念还可集成油井维修钻机,甚至整套钻井装备。

一般情况下,MinDOC适合采用浮托法进行海上安装就位,当在某一油田服役结束时,可将上层模块与主体部分一起整体拖至其它作业地点,重新定位并开始作业。

全球第一座MinDOC平台“ATP Titan”号于2010年1月在墨西哥湾Mirage油田完成了上部模块的就位安装,该平台吃水430英尺,排水量61300短吨,最大有效载荷12000短吨,设计日处理能力为25000桶油,1亿立方英尺气,适应水深范围为2000-7500英尺。

总体来说,目前Spar平台的关键技术问题包括平台的动力响应、疲劳分析、垂荡板及侧板的设计、平台主体与系泊系统及平台构件之间的耦合作用、涡激运动研究等。随着研究的不断深入,Spar平台的主要发展趋势为进一步改进结构形式,改善运动性能,降低建造成本,使这一拥有强大竞争力的平台类型得到长足的发展。

来源:网络

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