超大型浮式海上基地概念及模塊形式研究

(寇雨豐, 肖龍飛, 于 皓

)

1.上海交通大學(xué),上海 200030;2.海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司,天津 300451

超大型浮式海上基地概念及模塊形式研究

(寇雨豐1, 肖龍飛1, 于 皓2

)

1.上海交通大學(xué),上海 200030;2.海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司,天津 300451

回顧了超大型浮式結(jié)構(gòu)物的研究歷程,在此基礎(chǔ)上提出深遠(yuǎn)海超大型浮式海上基地概念,對有潛力作為其模塊形式備選方案的新型深海平臺概念進(jìn)行了調(diào)研分析,并提出進(jìn)一步開展相關(guān)研究的建議。

超大型浮式結(jié)構(gòu)物;海上基地;深海平臺;模塊

Abstract:Based on a review of the research on Very Large Floating Structures(VLFS),a new concept of very large floating offshore base is proposed for the application in deepwater oil and gas exploration and production in the South China Sea.This concept is composed of different purpose-built modules connected by mooring lines.For the design of the modules,the recent development of new concepts of deepwater platforms is presented and analyzed.

Key words:Very Large Floating Structure;offshore base;deepwater platform;module

0 引言

海洋油氣是世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展所需能源之一,為尋找新的海洋油氣資源,世界各國正不斷向深水海域勘探。南海深水海域蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源,是未來我國海洋油氣開發(fā)的主要區(qū)域。但由于南海海域很廣,最遠(yuǎn)的區(qū)域距海南島1 000多公里,直升機(jī)的續(xù)航力無法滿足;且氣候惡劣,夏季臺風(fēng)和冬季風(fēng)會(huì)威脅海上作業(yè)船只。因而,南海油氣開發(fā)的后勤補(bǔ)給和安全得不到保障。作為開發(fā)利用海洋資源的研究基地、海上中轉(zhuǎn)基地的超大型浮式結(jié)構(gòu)物(VLFS),國外十分重視對它的研究。在南海未來的油氣開發(fā)區(qū)域中心如能利用超大型浮式結(jié)構(gòu)物,將其作為存放周邊油氣田開發(fā)所需物資的海上補(bǔ)給基地和中轉(zhuǎn)站,并滿足深水作業(yè)船風(fēng)暴期間臨時(shí)?？康男枨?這樣就能解決南海油氣勘探開發(fā)的諸多困難。因此,VLFS的研究對南海油氣開發(fā)具有重要意義,也是我國實(shí)施深遠(yuǎn)海資源開發(fā)戰(zhàn)略的一項(xiàng)重大任務(wù)。

本文回顧了各國對VLFS的研究歷程,在此基礎(chǔ)上提出深遠(yuǎn)海超大型浮式海上基地的概念,對有潛力作為其模塊形式備選方案的新型深海平臺概念進(jìn)行了調(diào)研分析,并提出進(jìn)一步開展相關(guān)研究的建議。

1 VL FS經(jīng)典概念與研究歷程

VLFS是指那些尺度以公里計(jì)的浮式海洋結(jié)構(gòu)物。日本和美國對VLFS進(jìn)行了持續(xù)深入的研究,分別提出Megafloat和移動(dòng)式海上基地(MOB)這兩種具有代表意義的VLFS概念。

Megafloat是一種箱式VLFS概念,包括箱式浮體、錨泊系統(tǒng)、通道以及防波堤等[1]。它是日本提出的一種可以實(shí)現(xiàn)陸地功能的人工島,用作海上機(jī)場、離岸集裝箱碼頭、浮動(dòng)應(yīng)急援救基地等。

1995年,日本專門成立Megafloat技術(shù)研究委員會(huì)(TRAM),研究Megafloat的設(shè)計(jì)、建造技術(shù),并通過實(shí)地實(shí)驗(yàn)證明海上機(jī)場技術(shù)的可行性。1999年,TRAM按一個(gè)小型機(jī)場等比例建成了Phase 2模型,并成功地進(jìn)行了飛機(jī)起降實(shí)驗(yàn)[2]。2001年,TRAM提出了半潛式Megafloat(SSMF)的概念,其具有良好水動(dòng)力性能的立柱和下浮體,可適應(yīng)于環(huán)境更惡劣的海域[3]。2001年后,日本造船研究中心和日本造船工程師協(xié)會(huì)繼續(xù)對VLFS進(jìn)行研究,為羽田國際機(jī)場的新跑道提出了一個(gè)海洋浮式結(jié)構(gòu)的方案[2]。在該方案中,新跑道靠近Tama河的一段是柱-箱混合形式的浮式結(jié)構(gòu)。

2006年,Wang等[4]發(fā)現(xiàn)Megafloat的變形存在碟形效應(yīng),即中部撓度明顯大于周圍部分。為解決這一問題,便在Megafloat周圍區(qū)域設(shè)置底部有小孔的箱形單體,讓海水流進(jìn)箱型體內(nèi),使得Megafloat的撓度趨于一致。

浮式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是Megafloat的一項(xiàng)重要應(yīng)用,包括箱式、半潛式、Spar式、巡航式等形式。箱式系統(tǒng)可用于較平靜的海域;半潛式和Spar式系統(tǒng)可用于海況相對惡劣的海域;巡航式系統(tǒng)是半潛式系統(tǒng)的改進(jìn),具有自航性能,可以躲避臺風(fēng)的襲擊。2008年,Manabe等[5]對五下浮體型和雙下浮體型巡航式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了研究(如圖1所示),水彈性響應(yīng)分析和強(qiáng)度評估均表明該結(jié)構(gòu)形式是可行的。

與Megafloat不同,MOB更多是為了滿足美國海軍發(fā)展的需求。MOB是指由具有推進(jìn)裝置的多個(gè)模塊連接起來的、可固定在海上的多用途浮動(dòng)后勤基地。它可以作為固定翼飛機(jī)和直升飛機(jī)的跑道和保障基地,也可以作為貨物的儲(chǔ)存中轉(zhuǎn)站以便于貨物的運(yùn)轉(zhuǎn)[6]。

1992年,美國國防部啟動(dòng)MOB研究計(jì)劃。圍繞建立可移動(dòng)的后勤基地的目標(biāo),海況、靠泊方式、飛行甲板、可移動(dòng)性、設(shè)計(jì)壽命、可維修性等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相繼確定。1993年～1997年,Brown&Root MOB、McMOB、獨(dú)立半潛式 MOB的概念相繼誕生[7]。這些概念均由幾個(gè)半潛式模塊連接而成,各模塊具有其特定的功能。它們分別采用剛性連接器、柔性連接器和動(dòng)力定位來保持整體性。獨(dú)立半潛式MOB如圖2(a)所示。進(jìn)一步的研究表明[8],作為能夠完成飛機(jī)常規(guī)起降的海上基地,應(yīng)由多個(gè)模塊相連而成,半潛式是模塊形式的必然選擇。為此,美國海上戰(zhàn)爭中心對單個(gè)、兩個(gè)和四個(gè)半潛式模塊組成的MOB進(jìn)行了水池實(shí)驗(yàn)研究,美國海軍學(xué)院也對半潛式模塊在拖航狀態(tài)下的動(dòng)力特性和在生存海況下的氣隙性能進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)研究。2003年,海上基地被美國海軍定位為海軍建設(shè)的三大基石之一,它具有物資中轉(zhuǎn)、駐扎軍隊(duì)、儲(chǔ)備軍事設(shè)施和支持飛機(jī)起降的功能。在此基礎(chǔ)上,MOB的概念也發(fā)生了變化,特指由多個(gè)功能模塊組成的較長的海上基地,具有支持飛機(jī)常規(guī)起降的功能[8]。

VLFS概念在其他國家也得到重視和發(fā)展。挪威曾提出混凝土/鋼MOB概念[9],其半潛式模塊由鋼甲板、鋼交叉支柱和水泥主體組成,具有便于拖航、良好的響應(yīng)特性和靜水力性能等優(yōu)點(diǎn),并且半潛式單體可以建造得比較長;挪威還提出柔性橋連接半潛式MOB的概念[10],模塊間采用長度410 m的柔性橋連接,如圖2(b)所示;荷蘭人Pinkster[11]提出了氣墊支撐MOB的概念,認(rèn)為其相比于其他MOB概念具有中部彎矩較低的優(yōu)點(diǎn)[12],但有研究發(fā)現(xiàn)該MOB概念在波浪作用下存在顯著的共振效應(yīng)[13];新加坡為提高儲(chǔ)油能力而提出了海上超大型浮式儲(chǔ)油設(shè)備(FFSF)的概念[14],FFSF由兩個(gè)大型箱式模塊組成,外圍設(shè)置了浮動(dòng)箱式消波堤,大大降低了浮式模塊的垂蕩運(yùn)動(dòng);中國對VLFS的水彈性響應(yīng)、MOB連接器等也進(jìn)行了大量深入的研究[15～17]。

2 深遠(yuǎn)海超大型浮式海上基地概念

從世界各國對VLFS的研究歷程可以發(fā)現(xiàn),VLFS的概念層出不窮。VLFS的發(fā)展呈現(xiàn)出這樣的趨勢:

(1)VLFS的應(yīng)用領(lǐng)域在拓展。MOB的研究出于美國海上軍事基地的需求;Megafloat最初用作海上機(jī)場等,后來被拓寬用作海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng);FFSF則是一種海上超大型浮式儲(chǔ)油設(shè)備?？梢灶A(yù)見,VLFS用途將不斷擴(kuò)展,而這也決定了其形式的多樣化。

(2)VLFS分為定點(diǎn)式和移動(dòng)式。MOB是移動(dòng)式VLFS的典型代表,它不僅要求各模塊能方便地組裝、拆分,還要求某些模塊具有自航能力。而像FFSF這樣的定點(diǎn)式VLFS則對定位、生存能力等更加關(guān)注,因此往往需要設(shè)置消波堤。

(3)VLFS的模塊形式更加豐富。對于在海灣等遮蔽水域中用作海上機(jī)場的箱型模塊是不錯(cuò)的選擇;對于在海洋環(huán)境更加惡劣的深水區(qū)域使用的MOB,半潛式模塊長期以來都是主要選擇;Spar型模塊開始引起重視;混合型模塊綜合了多種模塊的優(yōu)點(diǎn),具有相當(dāng)大的潛力。

(4)VLFS的模塊功能更加清晰。特別是作為海上基地的VLFS,需要完成儲(chǔ)藏物資、裝卸貨物、安置人員等多項(xiàng)任務(wù),這就要求各個(gè)模塊分工明細(xì)。例如,MOB的每個(gè)組成模塊往往都有其特殊的功能。

(5)VLFS的模塊之間連接方式多樣化。MOB的模塊間連接方案始終是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。人們提出用剛性連接器、柔性連接器、柔性連接橋、動(dòng)力定位等方式來保持MOB的整體性。而對于不需要大面積連續(xù)甲板的VLFS,可以采用纜繩、棧橋等方式連接模塊。

但是,目前在各種 VLFS概念中,并沒有為深海油氣開發(fā)提供補(bǔ)給的中轉(zhuǎn)基地,這是由于國內(nèi)外油氣開發(fā)絕大多數(shù)集中在補(bǔ)給較為方便的近海。然而南海深水油氣開發(fā)需要在離岸1 000多公里的深遠(yuǎn)海作業(yè),因此我們在前述研究成果的基礎(chǔ)上提出了深遠(yuǎn)海超大型浮式海上基地的概念:深遠(yuǎn)海超大型浮式海上基地是由具有儲(chǔ)備物資、庇護(hù)船舶、安置人員等功能的多個(gè)模塊連接在一起組成的能適應(yīng)惡劣海況的定點(diǎn)式超大型浮式結(jié)構(gòu)物。圖3為一種深遠(yuǎn)海超大型浮式海上基地概念的示意圖。

圖3所示的深遠(yuǎn)海超大型浮式海上基地由兩個(gè)工程船救助模塊、兩個(gè)儲(chǔ)物模塊和兩個(gè)起居模塊組成一個(gè)六邊形形狀的結(jié)構(gòu),同功能模塊分布于相對的頂點(diǎn)處,這種布置可使某功能模塊到另兩種功能模塊的距離最短。該海上基地概念并不需要起降運(yùn)輸機(jī)的功能,各模塊間通過纜繩連接并可以搭接棧橋,各模塊與海底間都有系泊系統(tǒng),這樣任意模塊的定位都是由其與相鄰模塊的纜繩和與海底間的系泊系統(tǒng)共同完成。在作業(yè)工況時(shí),模塊間的纜繩收短,并搭接棧橋,人員可以在模塊間走動(dòng);在生存工況時(shí),模塊間的纜繩放松,使模塊間距增大,并收回棧橋。

圖3 深遠(yuǎn)海超大型浮式海上基地概念示意圖

圖3中的工程船救助模塊主要功能是作為工程船舶的靠泊碼頭,并提供補(bǔ)給和維護(hù)服務(wù);儲(chǔ)物模塊主要功能是作為油氣勘探、鉆井、開采過程所需物資的中轉(zhuǎn)站;起居模塊主要功能是作為基地工作人員、工程船工作人員和周邊油田工作人員的生活場所。

3 深遠(yuǎn)海超大型浮式海上基地的模塊形式

對于深遠(yuǎn)海超大型浮式海上基地,孤立地看待每個(gè)模塊,它就是一個(gè)深海平臺。因此,可以根據(jù)模塊的功能選擇最有利的模塊形式。不斷涌現(xiàn)的深海平臺概念都是深遠(yuǎn)海超大型浮式海上基地模塊的備選形式。下面分別對有潛力作為模塊選型方案的新型半潛式、單柱式、混合形式深海平臺概念進(jìn)行介紹。

3.1 半潛式平臺

半潛式平臺概念歷經(jīng)數(shù)十年發(fā)展。外形結(jié)構(gòu)不斷簡化,立柱數(shù)量減少、橫截面積增大,立柱一般為圓形或者圓角方形;下浮體趨向于簡單箱型,常見的是雙下浮體和正方形浮箱,最近還出現(xiàn)三邊形浮箱[18]。半潛式平臺具有適用工作水深廣、抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、甲板面積大、裝載量大、轉(zhuǎn)移安裝方便和投資較少等優(yōu)點(diǎn)[19],美國的MOB就采用半潛式模塊。而圖3中的工程船救助模塊采用了雙下浮體的半潛式模塊。

近年來,深吃水半潛式平臺(DDS)概念受到廣泛重視,它比傳統(tǒng)半潛式平臺的吃水增加了10～15 m,既保持了半潛式平臺的優(yōu)點(diǎn),又在垂向響應(yīng)特性上得到明顯改善,其缺點(diǎn)是立柱在遭遇強(qiáng)海流時(shí)會(huì)產(chǎn)生渦激運(yùn)動(dòng)[20]。挪威Aker公司已開發(fā)了適用于墨西哥灣的DDS[21]。設(shè)置垂蕩板以降低垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的方案,也被一些新型半潛式平臺概念所采用。Aubault等[22]提出直接在平臺立柱底部設(shè)置垂蕩板;Murray等[23]提出在平臺中央設(shè)置一個(gè)導(dǎo)管架中心井,在中心井下端設(shè)置垂蕩板。Versabuoy平臺[24]也是一種新型半潛式平臺,其立柱和平臺甲板為鉸鏈接,這使得立柱可以相對于甲板轉(zhuǎn)動(dòng),降低了平臺甲板及上層建筑的運(yùn)動(dòng)。圖4所示為3種新型半潛式平臺概念。

圖4 新型半潛式平臺概念

3.2 單柱式平臺

Spar平臺是最典型的單柱式平臺形式,適用深水和超深水作業(yè),穩(wěn)性好,運(yùn)動(dòng)性能優(yōu)良,是我國南海油氣開發(fā)和海上基地模塊的備選平臺形式。目前,已有Classic Spar、Truss Spar、Cell Spar等3代Spar平臺投入工程應(yīng)用,新的Spar平臺形式正在研制[25]。除此之外,新型的單柱式海洋結(jié)構(gòu)物也不斷出現(xiàn),如圖5所示。

挪威Sevan Marine公司開發(fā)的Sevan Hull系列平臺具有圓柱形的殼體,底部設(shè)置了外部舭龍骨,可以通過錨鏈或動(dòng)力定位系統(tǒng)進(jìn)行定位。該系列平臺具有成本低、建造快、承載能力強(qiáng)、響應(yīng)特性好、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)[26],已開始投入工程應(yīng)用。巴西石油公司提出的MONOBR平臺形式與Sevan系列平臺相似,外形上不同之處在于MONOBR殼體在水線處的直徑有所減小,在惡劣海況下存在甲板上浪的問題[27]。挪威Aker公司提出的Buoyform平臺的外殼為錐形體,具有更強(qiáng)的抵御冰載荷的能力[28]。這幾種新型單柱式平臺的共同特點(diǎn)就是裝載量大,圖3中的儲(chǔ)物模塊采用了與之類似的圓柱殼體的單柱形式。

3.3 混合形式平臺

半潛式平臺和單柱式平臺各有明顯優(yōu)缺點(diǎn),將二者結(jié)合形成混合形式平臺概念,成為近年來新型深海平臺概念發(fā)展的熱點(diǎn),也為海上基地模塊形式提供了新的選擇,如圖6所示。

圖5 新型單柱式平臺概念

圖6 混合形式平臺

2006年,美國FloaTEC公司提出了桁架半潛式平臺(Truss Semi)的概念[29]。其主體是半潛式平臺,同時(shí)借鑒桁架式Spar平臺的理念,設(shè)置了幾塊通過桁架連接的垂蕩板,以降低半潛式平臺的垂蕩幅度,桁架則與平臺的立柱相連。美國Bennett&Associates公司提出了新型平臺概念MinDoc3[30]。其有3根立柱,按頂角為146°的等腰三角形布置;立柱的上半部直徑44 m,下半部直徑25 m,分別與上、下浮筒相連。MinD-oc3是半潛式平臺和桁架式Spar的組合改進(jìn),雖然外形像半潛式平臺,但其重心位置低于浮心,因此其穩(wěn)性和動(dòng)力特性跟Spar平臺相似。ATP公司已于2006年引進(jìn)了MinDoc3平臺概念,以付諸工程實(shí)踐。美國AGR DDS公司提出了多柱式平臺(Multi-column floater)的概念。其主體是半潛式平臺,但其立柱比傳統(tǒng)的半潛式平臺立柱長,且每個(gè)立柱由多個(gè)直徑較小的圓柱組成,立柱下端與浮筒相連[31]。這實(shí)際上是半潛式平臺和Cell Spar的組合設(shè)計(jì)。

圖3中的起居模塊采用了桁架半潛平臺的形式,是由于其在海洋環(huán)境中運(yùn)動(dòng)幅度小,可以提供較為舒適的起居環(huán)境。

4 總結(jié)與建議

國際上關(guān)于海上機(jī)場、海上基地等VLFS的研究,涵蓋概念設(shè)計(jì)、動(dòng)力特性預(yù)報(bào)、模型實(shí)驗(yàn)等多個(gè)領(lǐng)域,不同功能的海上基地在其模塊形式、模塊功能、模塊間連接方式等方面都可能不同。為適應(yīng)我國未來南海深水油氣大開發(fā)的需要,提出深遠(yuǎn)海超大型浮式海上基地的概念,即由具有儲(chǔ)備物資、庇護(hù)船舶、安置人員等功能的多個(gè)模塊連接在一起組成的能適應(yīng)惡劣海況的定點(diǎn)式超大型浮式結(jié)構(gòu)物。模塊形式的選取,可借鑒性能優(yōu)良的新型深海平臺概念。深遠(yuǎn)海超大型浮式海上基地的研究剛剛起步。有關(guān)總體方案設(shè)計(jì)、模塊選型、模塊運(yùn)動(dòng)性能與控制、模塊間的連接方案、多浮體動(dòng)力響應(yīng)分析、定位系統(tǒng)、水池模型試驗(yàn)、海上安裝與連接等一系列關(guān)鍵技術(shù)問題還需要深入研究。

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Research on the Concept and Module Type of Very Large Floating Offshore Base

KOU Yu-feng1, XIAO Long-fei1, YU Hao2
(1.Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200030,China;2.Designing Company of China Offshore Oil Engineering Co.,Ltd,Tianjin 300451,China)

P75

A

1001-4500(2010)04-0019-06

2009-11-23; 修改稿收到日期:2010-03-28

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(八六三)資助項(xiàng)目(2008AA09A107)

寇雨豐(1986-),男,碩士生,主要從事海洋結(jié)構(gòu)物水動(dòng)力學(xué)的研究。