深水半潛式生產(chǎn)平臺總體設(shè)計思路與應(yīng)用前景＊

范 模

（中海油研究總院）

世界上第一座半潛式生產(chǎn)平臺誕生于1981年初，它是由一座半潛式鉆井平臺改裝而成，其作業(yè)水深118 m，排水量僅為18 995 t。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，近20年是半潛式生產(chǎn)平臺的發(fā)展高峰，目前全世界已有53座半潛式生產(chǎn)平臺投入使用，此數(shù)量均遠高于張力腿式平臺、深吃水立柱平臺和順應(yīng)塔式平臺的數(shù)量，其中北海、墨西哥灣與巴西海域是應(yīng)用半潛式生產(chǎn)平臺最為廣泛的海域。早期半潛式生產(chǎn)平臺多數(shù)由半潛式鉆井平臺改裝而成，其比例約占總數(shù)47%。目前大噸位且抗惡劣海況的半潛式生產(chǎn)平臺不斷涌現(xiàn)，最大作業(yè)水深已達2 414 m，最大排水量已達188 968 t，上部設(shè)施最重已達50 500 t，高峰日產(chǎn)原油達4.3萬 m3，高峰日產(chǎn)天然氣達3 679萬 m3［1］。從作業(yè)于環(huán)境條件惡劣海域的18座半潛式生產(chǎn)平臺的統(tǒng)計看，新建比例為81%，平均排水量為62175 t，上部設(shè)施重量為11 165 t，且可抵抗100年一遇以上的環(huán)境條件。

1996年3月，我國第一座半潛式生產(chǎn)平臺“南海挑戰(zhàn)”號投產(chǎn)于南海流花11－1油田，它是由一艘1975年建造的半潛式鉆井平臺改裝而成，其作業(yè)水深為310 m，設(shè)計排水量為28 379 t，采用11根系泊纜實現(xiàn)海上定位，為臺風期間不解脫設(shè)計，共有25根生產(chǎn)立管，設(shè)計高峰年產(chǎn)原油為286萬t。目前我國已能設(shè)計建造3 000 m水深作業(yè)的半潛式鉆井平臺，但深水作業(yè)的半潛式生產(chǎn)平臺還處于研發(fā)階段。

1 半潛式平臺基本特征

半潛式平臺由下浮體（主要提供浮力）和立柱（主要提供穩(wěn)性）構(gòu)成，按主體結(jié)構(gòu)形式基本上分為2種：一種為2個駁船型片體及4～8個立柱的主體結(jié)構(gòu)（圖1a），另一種為環(huán)型的下浮體及4個立柱的主體結(jié)構(gòu)（圖1 b）。前一種多用于經(jīng)常遷移的鉆井平臺，縱向水阻力小，有利于拖航；后一種為不常遷移的生產(chǎn)平臺。與常規(guī)船舶相比，半潛式平臺具有更小的水線面面積，它受波浪與海流作用小，其耐波性能好，且各方向基本相同。

圖1 半潛式平臺主體結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，波浪能量基本集中在5～20 s周期范圍之內(nèi)，其能量約占總能量90%以上。常規(guī)船舶之所以產(chǎn)生較大幅度的橫搖與縱搖等運動，主要原因是其固有周期是在波浪能量周期范圍內(nèi)；而半潛式平臺橫搖與縱搖固有周期都在25～30 s，避開了波浪能量的周期，使它不易產(chǎn)生諧振，因此具有良好的水動力性能。

圖2 浮體固有周期與波浪周期關(guān)系

2 深水半潛式生產(chǎn)平臺總體設(shè)計思路及關(guān)鍵技術(shù)

由于半潛式平臺各方向水動力性能基本一致、水平位移小，且具有搖晃幅度小等獨特性能，使其成為良好的浮式載體而在鉆井作業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，故在總體設(shè)計中考慮其小水線面的特點，不宜將它設(shè)計為可變荷載非常大的載體，且應(yīng)特別關(guān)注它的惡劣海況下的大傾角穩(wěn)性。

2.1 總體設(shè)計思路

與半潛式鉆井平臺對比，深水半潛式生產(chǎn)平臺多采用永久定位系泊，下浮體多采用大尺寸水平撐結(jié)構(gòu)或環(huán)形結(jié)構(gòu)，需抵抗100年一遇以上的惡劣海況，且整體排水量大，以支撐更重的上部生產(chǎn)設(shè)施。統(tǒng)計顯示，半潛式生產(chǎn)平臺排水量多為6萬～7萬t（較大的為10萬t左右），上部設(shè)施重1萬～2萬t。當在南海3 000 m水深作業(yè)時，此海域距離陸地較遠，應(yīng)考慮較大的系泊荷載和較大的可變荷載，建議選用10萬噸級以上的半潛式生產(chǎn)平臺。

在總體方案設(shè)計上，當海況為平緩海域時，宜采用4個立柱的主體結(jié)構(gòu)形式，以減輕浮體重量；當海況惡劣時，可采用加粗立柱，或使用更多立柱的主體結(jié)構(gòu)形式。建議南海海域使用后一種方案，平臺寬度宜小于90 m，空船吃水應(yīng)控制在9 m之內(nèi)，以滿足國內(nèi)多數(shù)船塢寬度和碼頭前沿水深的要求。表1為本文設(shè)計的大型深水半潛式生產(chǎn)平臺與“南海挑戰(zhàn)”號生產(chǎn)平臺主要技術(shù)參數(shù)對比，圖3為它們的側(cè)視圖。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 甲板面積與排水量設(shè)計

甲板面積是半潛式生產(chǎn)平臺總體設(shè)計的關(guān)鍵內(nèi)容之一，在天然氣處理平臺總體設(shè)計中顯得尤為突出，常規(guī)甲板上應(yīng)考慮布置油氣處理設(shè)備、鉆井設(shè)備、生活樓、系泊絞車、電站和熱站等，其中油氣處理設(shè)備和鉆井設(shè)備主要占用甲板面積。例如，荔灣3－1淺水平臺天然氣年處理能力為120億m3，共設(shè)有3層甲板，總面積約為17 800 m2；而2 000 m 作業(yè)水深的鉆井系統(tǒng)甲板占用面積約為2 600 m2。此外，半潛式生產(chǎn)平臺總體設(shè)計中應(yīng)將甲板下的船體內(nèi)部空間予以充分利用。

表1 本文設(shè)計的大型深水半潛式生產(chǎn)平臺與“南海挑戰(zhàn)”號生產(chǎn)平臺主要技術(shù)參數(shù)對比

圖3 大型深水半潛式生產(chǎn)平臺側(cè)視圖

排水量決定了半潛式生產(chǎn)平臺整個設(shè)施重量和系泊垂直載荷，也是惡劣海況下保證平臺穩(wěn)性的基礎(chǔ)，因此前期規(guī)劃設(shè)計時應(yīng)從排水量入手。由于深水系泊系統(tǒng)與立管系統(tǒng)的懸掛載荷非常大，排水量設(shè)計時應(yīng)予以重點關(guān)注。在圖1a所示的半潛式平臺主體結(jié)構(gòu)中，左右下浮體的排水量應(yīng)能支撐起平臺自身和上部設(shè)施的重量，并留有至少0.3 m干舷，以利于拖航穩(wěn)性，此時總重量中不包括系泊纜與立管的懸掛載荷；對于圖1b所示的半潛式平臺主體結(jié)構(gòu)，將下浮體排水量設(shè)計小一些，僅滿足自身重量的拖航要求即可，這時下浮體尺寸可得到優(yōu)化，鋼材用量會節(jié)省，但上部設(shè)施需到海上進行安裝，會給海上安裝帶來難度，從而增加海上施工成本。在南海惡劣海況條件下，大型半潛式生產(chǎn)平臺下浮體主體結(jié)構(gòu)宜采用前一種方案。

2.2.2 定位系泊系統(tǒng)設(shè)計

系泊系統(tǒng)與立管系統(tǒng)設(shè)計是深水半潛式生產(chǎn)平臺的一大特色內(nèi)容，也是總體方案設(shè)計的主要內(nèi)容之一。一般大型深水半潛式生產(chǎn)平臺多采用4×4系泊纜的構(gòu)造形式，1 500 m水深的單根纜重量約為435 t，2 000 m 水深的單根纜重量約為550 t，井流和臍帶纜等懸掛立管載荷通常在1 000～1 500 t，且隨著立管數(shù)量的增加而增加。因此，作用在平臺上的垂向懸掛載荷達10 000 t左右，總體設(shè)計時應(yīng)予以高度重視。

另一種系泊纜構(gòu)造形式即張緊式系泊纜，中間段采用聚酯纖維纜，兩端使用錨鏈。對于1 500 m作業(yè)水深，這種張緊式系泊纜長度約2 360 m，重量約160 t，它僅有錨鏈－鋼纜－錨鏈系泊纜重量的37%，對于改善浮體垂向載荷很有利。但也應(yīng)看到，聚酯纖維纜容易出現(xiàn)老化問題而不能長期使用，這也是目前國際上沒有被大量使用的原因之一。

當水深為1 500 m時，單根纜長度約為3 450 m，錨點輻射半徑約為3 000 m，水深增加后這些數(shù)據(jù)還會增大，因此前期方案設(shè)計時系泊纜長度可按2～3倍水深考慮。在定位系泊系統(tǒng)設(shè)計中，其浮體的水平偏量約為水深10%～12%，這樣可以保證立管長期使用而不發(fā)生疲勞破壞。

2.2.3 惡劣海況的適應(yīng)能力分析

我國南海深水油氣開發(fā)面臨兩大問題：其一為深水，其二為惡劣海況。由于災(zāi)害性天氣不斷出現(xiàn)，且難于預(yù)測，所以提高平臺耐波性的原則為：減少平臺搖晃與位移，減小系泊力，避免上浪，避免產(chǎn)生平臺固有周期與波浪特征周期的諧振現(xiàn)象。通常在1年一遇操作環(huán)境條件下，平臺固有周期應(yīng)避開波浪譜峰周期3s以上，以避免平臺產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，否則需要對平臺主尺度、壓載水量等進行調(diào)整。

平臺甲板底部是否會產(chǎn)生砰擊，這是惡劣海況下平臺適應(yīng)能力分析的主要內(nèi)容之一，氣隙高度可按公式（1）估算［2］，即

式（1）中：H總為氣隙總高度，m。HC為波峰高，m，HC＝1.116 H1/3，其中 H1/3為有效波高。HRAO為平臺垂蕩運動幅值，m；HRAO＝（0.10～0.25）HC，垂向阻尼好時取0.10，垂向阻尼差時取0.25。H1為平臺橫搖運動幅值，m；H1＝0.079 2（a＋b），其中a為立柱橫向中心距離，b為立柱寬度；當計算縱搖運動時，a與b為縱向值。H2為波面升高，m，H2＝0.2 HC。C為凈氣隙，m，通常取C＝1.2［3］。

大型生產(chǎn)平臺服務(wù)期一般在20～25年，操作吃水與生存吃水應(yīng)有較大的差值，以適合不同海況下的氣隙高度，南海可選其相差9～10 m，這一點不同于鉆井平臺，例如“海洋石油981”鉆井平臺操作吃水與生存吃水相差僅為4 m。

3 應(yīng)用前景

從目前我國南海油氣資源開發(fā)需求來看，深水半潛式生產(chǎn)平臺應(yīng)用前景廣泛，這是因為：①深水半潛式生產(chǎn)平臺可在80～2 400 m水深范圍內(nèi)使用，比張力腿平臺和深吃水立柱平臺作業(yè)水深都廣；②深水半潛式生產(chǎn)平臺具有良好的水動力性能，適合南海惡劣環(huán)境條件；③深水半潛式生產(chǎn)平臺甲板面積大，這對于大型生產(chǎn)平臺尤為重要；④目前深水半潛式平臺已派生出多種用途，如起重船與鋪管船等。圖4和圖5分別是最近研發(fā)的深水具有儲油功能的深水半潛式生產(chǎn)平臺方案及下浮體儲油艙布置方案，該平臺可用于早期生產(chǎn)系統(tǒng)、油氣試采系統(tǒng)、深海泄漏應(yīng)急救援等作業(yè)。該平臺的主要技術(shù)參數(shù)如下：船長105 m、船寬90 m、型深56 m、滿載吃水32 m、滿載排水量133 000 t、原油年處理能力100×104t、原油裝載量50 000 t、鉆井深度10 000 m、作業(yè)水深2 000 m、定員140人、自持力30天。目前全國已有多家船廠具備建造大型半潛式生產(chǎn)平臺能力和基礎(chǔ)設(shè)施，迄今已有幾十座30萬噸級船塢。

圖4 最近研發(fā)的具有儲油功能的半潛式生產(chǎn)平臺側(cè)視圖（紅色為儲油艙，藍色為壓載水艙）

圖5 最近研發(fā)的半潛式生產(chǎn)平臺下浮體儲油艙布置方案（紅色為儲油艙，藍色為壓載水艙）

4 結(jié)束語

深水半潛式生產(chǎn)平臺由于其自身優(yōu)良的運動性能和甲板面積大等特點，能夠滿足我國南海深水與惡劣海況的特殊需求，加之我國目前已有多家船廠具備建造大型半潛式生產(chǎn)平臺的能力與基礎(chǔ)設(shè)施，因此它將成為南海油氣開發(fā)的重要裝置。目前我們正在加緊開發(fā)不同用途的半潛式生產(chǎn)平臺，使它具有更加優(yōu)良的性能和更好的經(jīng)濟性，以滿足我國南海油氣開發(fā)的不同需求。

［1］ Chad Supan of Mustang Engineering.2011 Worldwide Survey of Semi－FPSs and FPUs.Offshore，2011.

［2］ 海洋石油工程設(shè)計指南編委會.海洋石油工程深水油氣田開發(fā)技術(shù)/海洋石油工程設(shè)計指南［S］.北京：石油工業(yè)出版，2011.

［3］ 中國船級社.海上移動平臺入級與建造規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2005.