半潛式生產(chǎn)平臺(tái)選型及尺度規(guī)劃技術(shù)研究

杜慶貴

(中海油研究總院，北京 100028)

0 引 言

浮式生產(chǎn)裝置是深水油氣資源開發(fā)的重要裝備。常見的浮式生產(chǎn)裝置主要包括張力腿平臺(tái)(TLP)、單柱式平臺(tái)(SPAR)、半潛式生產(chǎn)平臺(tái)(SEMI)、浮式(生產(chǎn))儲(chǔ)卸油裝置(FPSO/FSO)等。半潛式生產(chǎn)平臺(tái)由于其作業(yè)性能優(yōu)良，海況適用性好，被廣泛應(yīng)用于北海、南中國海、墨西哥灣、巴西海域等重要海上油氣聚集海域[1-2]。

我國目前只有1座半潛式生產(chǎn)平臺(tái)在役(即“南海挑戰(zhàn)號(hào)”，由半潛式鉆井平臺(tái)改造而成)。隨著我國深海油氣資源開發(fā)步伐的加快，現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累將難以滿足生產(chǎn)需求，需要加快對(duì)半潛式生產(chǎn)平臺(tái)相關(guān)技術(shù)加以研究。本文重點(diǎn)研究了半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的工程模式、方案選擇、平臺(tái)選型、尺度規(guī)劃及性能評(píng)估技術(shù)。

1 應(yīng)用現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全球共有48座半潛式生產(chǎn)平臺(tái)在役(見圖1)，其中包括24座改造平臺(tái)、24座新建平臺(tái)(見圖2)，另有1座在建平臺(tái)(ICHTHYS CPF平臺(tái))。

圖2 全球新建半潛式生產(chǎn)平臺(tái)分布圖Fig.2 Worldwide distribution of new SEMIs

世界上第一座半潛式生產(chǎn)平臺(tái)Argyll FPF誕生于1975年，它由Transworld 58號(hào)半潛式鉆井平臺(tái)改造而成，作業(yè)于北海海域Argyll 油田。運(yùn)營時(shí)間最長的半潛式生產(chǎn)平臺(tái)為BUCHAN A平臺(tái)，1981年投產(chǎn)，作業(yè)于北海海域，至今已經(jīng)安全運(yùn)營35年。半潛式生產(chǎn)平臺(tái)投產(chǎn)年限分布如表1所示。

表1 半潛式生產(chǎn)平臺(tái)投產(chǎn)年限分布表

1995年，我國第一座半潛式生產(chǎn)平臺(tái)“南海挑戰(zhàn)號(hào)”在南海流花11-1油田投產(chǎn)，至今已經(jīng)安全運(yùn)營20余年?！澳虾Ｌ魬?zhàn)號(hào)”平臺(tái)由SEDCO 700系列鉆井平臺(tái)改造而成，主要為流花油田提供鉆修井服務(wù)和電力支持[3-4]。“南海挑戰(zhàn)號(hào)”的成功應(yīng)用為我們提供了很好的工程示范，積累了寶貴的工程經(jīng)驗(yàn)。

半潛式生產(chǎn)平臺(tái)前期設(shè)計(jì)包括油氣田工程模式選擇、平臺(tái)方案選擇、平臺(tái)選型和尺度規(guī)劃等。

2 工程模式選擇

選用半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的油氣田開發(fā)工程模式主要有三種[5]。

A模式：半潛式生產(chǎn)平臺(tái)+水下生產(chǎn)系統(tǒng)+外輸管線(見圖3)。該模式適用于近?；蛑苓呌锌梢劳型廨敼芫W(wǎng)的油氣田，此類油氣田產(chǎn)出油氣經(jīng)由外輸管線直接上岸。半潛式生產(chǎn)平臺(tái)主要用作油氣生產(chǎn)處理及生活支持。此工程模式多應(yīng)用于墨西哥灣和北海海域。

B模式：半潛式生產(chǎn)平臺(tái)+水下生產(chǎn)系統(tǒng)+FPSO/FSO(見圖4)。該模式適用于遠(yuǎn)?；蛑苓厸]有可依托外輸管網(wǎng)的油田，此類油田產(chǎn)出原油經(jīng)由穿梭油輪外輸，產(chǎn)出氣較少，多用作燃料氣或直接經(jīng)燃燒臂燒掉。半潛式生產(chǎn)平臺(tái)用作油氣生產(chǎn)處理或生產(chǎn)/生活支持。

C模式：半潛式生產(chǎn)平臺(tái)+水下生產(chǎn)系統(tǒng)+FPSO/FSO+外輸管線(見圖5)。該模式適用于遠(yuǎn)?；蛑苓厸]有可依托外輸管網(wǎng)的大型油氣田。此類油氣田，油、氣產(chǎn)量一般都比較高，油氣田所產(chǎn)原油經(jīng)FPSO處理后由穿梭油輪外輸(不需上岸，可直接外銷)，所產(chǎn)氣經(jīng)由外輸管線(新建)上岸。此工程模式的應(yīng)用實(shí)例包括如巴西海域Marlim Sul油田，澳大利亞西北海域的ICHTHYS大型氣田等。

油氣田工程模式的選擇影響因素較多，如油氣田規(guī)模、開發(fā)壽命、油藏品質(zhì)、水深、環(huán)境條件、離岸距離、周邊可依托設(shè)施、地質(zhì)地貌條件、本土產(chǎn)業(yè)政策等，工程模式的選擇需要綜合考慮上述因素。

圖3 “半潛式生產(chǎn)平臺(tái)+水下生產(chǎn)系統(tǒng)+外輸管線”模式Fig.3 Development scheme A： SEMI+subsea facility+pipe

圖4 “半潛式生產(chǎn)平臺(tái)+水下生產(chǎn)系統(tǒng)+FPSO”模式Fig.4 Development scheme B: SEMI+subsea facility+FPSO

圖5 “半潛式生產(chǎn)平臺(tái)+水下生產(chǎn)系統(tǒng)+FPSO+外輸管線”模式Fig.5 Development scheme C: SEMI+subsea facility+FPSO+pipe

3 平臺(tái)方案選擇

半潛式生產(chǎn)平臺(tái)有新建和改造兩種方案可供選擇[6]。改造方案主要以目標(biāo)平臺(tái)主結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)改造，以滿足目標(biāo)油氣田的作業(yè)要求，如“南海挑戰(zhàn)號(hào)”平臺(tái)；新建方案根據(jù)目標(biāo)油氣田特點(diǎn)新設(shè)計(jì)建造一座平臺(tái)。兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表2所示。

表2 新建方案和改造方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

新建方案適合應(yīng)用于大型油氣田及區(qū)域性開發(fā)，改造方案更適合用于中小型油氣田開發(fā)。改造方案的應(yīng)用高峰期集中在20世紀(jì)(22座改造平臺(tái))，2000年以后只有3座平臺(tái)采用改造方案?，F(xiàn)在適逢低油價(jià)時(shí)期，半潛式鉆井平臺(tái)嚴(yán)重過剩，二手平臺(tái)交易價(jià)格較低，改造方案在中、小型油氣田的開發(fā)中經(jīng)濟(jì)性凸顯。

4 平臺(tái)選型

4.1 功能選擇

半潛式生產(chǎn)平臺(tái)常見功能包括：油氣生產(chǎn)處理；油氣生產(chǎn)處理兼鉆修井功能(如Thunder Horse平臺(tái))；油氣生產(chǎn)處理兼儲(chǔ)油功能；鉆修井兼生產(chǎn)服務(wù)功能(如“南海挑戰(zhàn)號(hào)”平臺(tái))等。油氣生產(chǎn)處理一般是半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的主要功能。在20世紀(jì)，很多平臺(tái)由半潛式鉆井平臺(tái)改造而成，當(dāng)時(shí)，因?yàn)殂@井資源緊缺，很多平臺(tái)兼具或是保留了鉆井功能。近幾年，新建的平臺(tái)一般考慮單一的生產(chǎn)處理功能。

4.2 立管選型

半潛式生產(chǎn)平臺(tái)常用立管型式主要有軟管和鋼懸鏈立管(SCR)。軟管運(yùn)動(dòng)適應(yīng)性好，但造價(jià)高(造價(jià)往往是SCR的幾倍)、壽命短、容易老化；SCR造價(jià)相對(duì)較低、安全可靠性高，但運(yùn)動(dòng)適應(yīng)性差。

立管系統(tǒng)受平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的影響較大，制約著平臺(tái)的尺度規(guī)劃。根據(jù)挪威船級(jí)社(DNV)規(guī)范建議，半潛式生產(chǎn)平臺(tái)尺度規(guī)劃時(shí)首先要考慮立管型式。若采用軟管，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)比較容易滿足要求；若選擇SCR，平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮SCR對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)幅值和加速度值的要求，以避免SCR的疲勞破壞。較淺水油氣田(水深小于500 m)，由于平臺(tái)運(yùn)動(dòng)無法滿足SCR要求，多采用軟管。深水油氣田出于經(jīng)濟(jì)性及可靠性考慮多采用SCR。

4.3 結(jié)構(gòu)選型

半潛式生產(chǎn)平臺(tái)主要包括浮箱、立柱和上部甲板三部分，具體如圖6所示。

圖6 典型半潛式生產(chǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)組成Fig.6 A typical SEMI rendering

半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的浮箱型式有兩種：平行雙浮箱和環(huán)形浮箱。平行雙浮箱主要源于鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)。如前所述，很多半潛生產(chǎn)平臺(tái)由半潛式鉆井平臺(tái)改造而來，沿用了雙浮箱結(jié)構(gòu)。自1999年VISUND平臺(tái)服役以來，所有的新建半潛式生產(chǎn)平臺(tái)全部采用環(huán)形浮箱。環(huán)形浮箱可以提供更好的整體強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)完整性，新建半潛式生產(chǎn)平臺(tái)建議選用環(huán)形浮箱。

半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的立柱型式有兩種：平行多立柱(包括6立柱、8立柱等)和平行雙立柱(即4立柱)。對(duì)應(yīng)于浮箱結(jié)構(gòu)型式，平行雙浮箱多采用平行多立柱，環(huán)形浮箱多采用4立柱。在役新建半潛式生產(chǎn)平臺(tái)中，只有1座環(huán)形浮箱平臺(tái)采用6立柱(?SGARD B平臺(tái)，采用6立柱主要是基于上部甲板設(shè)計(jì)安裝考慮)，其他全部采用4立柱。立柱數(shù)量多，會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，建造難度增加。新建半潛式生產(chǎn)平臺(tái)建議選用4立柱。

半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的甲板型式主要有三大類：箱型甲板、桁架式甲板及介于兩者之間的混合式甲板[7]。甲板型式的選擇影響因素較多，包括油氣組分、建造安裝方案、浮吊資源、環(huán)境條件等。若用于大型氣田開發(fā)建議選取桁架式甲板，甲板空間開放，利于通風(fēng)，降低安全隱患；若用于極端惡劣海域油氣田開發(fā)建議選取箱型甲板，可以提供更好的整體強(qiáng)度，保證平臺(tái)在極端惡劣海況下的結(jié)構(gòu)完整性；若建造安裝場地缺少大型浮吊資源，建議選取箱型甲板，可以采用頂升法或浮托法實(shí)現(xiàn)甲板與下船體總裝。

4.4 系泊定位選型

半潛式生產(chǎn)平臺(tái)全部采用分布式系泊系統(tǒng)進(jìn)行定位，系泊纜主要有4×2、4×3和4×4等幾種分布型式。根據(jù)水深不同，系泊系統(tǒng)分懸鏈線式系泊、半張緊式系泊和張緊式系泊三大類系泊型式。系泊系統(tǒng)選型主要受制于平臺(tái)規(guī)模、作業(yè)水深和環(huán)境條件。環(huán)境條件惡劣或平臺(tái)規(guī)模比較大時(shí)，建議選取更多的系泊纜數(shù)量(如4×4，甚至更多)，反之亦然。平臺(tái)作業(yè)于淺水時(shí)，建議選用懸鏈線式系泊；作業(yè)于中深水時(shí)，建議選用半張緊式或張緊式系泊；作業(yè)于深水時(shí)，建議選用張緊式系泊。

5 尺度規(guī)劃

尺度規(guī)劃是平臺(tái)設(shè)計(jì)中最早的一個(gè)環(huán)節(jié)，其目的是在設(shè)計(jì)之初對(duì)平臺(tái)的規(guī)模和主尺度進(jìn)行快速估算，給出一個(gè)初步方案，以啟動(dòng)設(shè)計(jì)螺旋。尺度規(guī)劃過程中常用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和規(guī)劃結(jié)果如下。

(1) 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。甲板面積：主梁的位置；甲板載荷：上部設(shè)備干重、操作重、重心位置、慣性半徑；其他荷載：包括立管張力、系泊系統(tǒng)預(yù)張力；環(huán)境參數(shù)：包括作業(yè)工況和生存工況下的風(fēng)、浪、流環(huán)境參數(shù)。

(2) 規(guī)劃結(jié)果。主尺度：平臺(tái)浮箱和立柱尺度參數(shù)，浮箱立柱中心距；裝載工況：排水量、吃水、重量、重心、慣性半徑；系泊系統(tǒng)：系泊鏈、纜長度及規(guī)格參數(shù)。

尺度規(guī)劃越合理，后期改動(dòng)工作量越小。但是，尺度規(guī)劃是多解的，關(guān)鍵看如何設(shè)置限制參數(shù)，得到或接近預(yù)期的最優(yōu)解。

常用限制參數(shù)如下。

(1) 運(yùn)動(dòng)周期：主要是垂蕩運(yùn)動(dòng)固有周期，關(guān)系到平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值，根據(jù)DNV-RP-F205[8]建議，垂蕩固有周期不小于20 s。

(2) 運(yùn)動(dòng)RAO：主要是垂蕩運(yùn)動(dòng)RAO，關(guān)系到平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值，對(duì)立管的設(shè)計(jì)影響較大，若采用SCR立管，垂蕩運(yùn)動(dòng)RAO第一峰值建議不大于0.35 m/m。

(3) 氣隙：對(duì)于新建浮式平臺(tái)，根據(jù)API RP 2FPS[9]推薦做法建議，極端工況(通常取100年重現(xiàn)期環(huán)境條件)凈氣隙不小于1.5 m；生存工況(通常取1 000年重現(xiàn)期環(huán)境條件)氣隙不能為負(fù)。

(4) GM值：對(duì)平臺(tái)穩(wěn)性的初步估算，任何工況下GM值不能為負(fù)(DNV-OS-C301[10]規(guī)定GM值不低于0.3 m)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，尺度規(guī)劃階段GM值不小于1 m。GM值比較合理的區(qū)間為1～3 m。

(5) 碼頭水深：平臺(tái)船體主結(jié)構(gòu)完成建造后一般在碼頭進(jìn)行舾裝調(diào)試，浮箱高度受限于碼頭水深。

半潛式生產(chǎn)平臺(tái)尺度規(guī)劃流程如圖7所示。尺度規(guī)劃是以經(jīng)驗(yàn)公式為基礎(chǔ)對(duì)目標(biāo)方案快速評(píng)價(jià)、循環(huán)修正的過程，通常以平臺(tái)用鋼量(關(guān)系到經(jīng)濟(jì)投資)為目標(biāo)，在滿足各限制參數(shù)的前提下不斷優(yōu)化，最終給出推薦方案。

圖7 半潛式生產(chǎn)平臺(tái)尺度規(guī)劃流程Fig.7 Flow chart for SEMI global sizing process

6 母型平臺(tái)

母型平臺(tái)選擇并不是一個(gè)必要的設(shè)計(jì)步驟。若缺少設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在尺度規(guī)劃時(shí)，可以參考現(xiàn)役平臺(tái)的設(shè)計(jì)參數(shù)，以提高設(shè)計(jì)的合理性。

母型平臺(tái)的選擇可以考慮幾個(gè)主要參數(shù)，按照優(yōu)先級(jí)依次為：平臺(tái)功能、上部甲板重量、油氣處理能力、作業(yè)水深。上部甲板重量獲得難度較大，但是，其主要取決于油氣處理能力?？梢愿鶕?jù)目標(biāo)油氣田日產(chǎn)量，在現(xiàn)役平臺(tái)中選擇處理能力與設(shè)計(jì)預(yù)期相符或相近的平臺(tái)作為設(shè)計(jì)母型。表3統(tǒng)計(jì)了19座新建平臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)。

母型平臺(tái)選定后，已經(jīng)可以獲得平臺(tái)主尺度及排水量，并據(jù)此開展尺度規(guī)劃工作。尺度規(guī)劃時(shí)可以以現(xiàn)役平臺(tái)的浮箱長度、浮箱寬高比和立柱邊長等幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)(見表4)來修正規(guī)劃結(jié)果。

表3 半潛式生產(chǎn)平臺(tái)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)

表4 半潛式生產(chǎn)平臺(tái)尺度參數(shù)表

7 性能評(píng)估

尺度規(guī)劃方案確定后，需要用現(xiàn)有商業(yè)軟件對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行評(píng)估。由于此時(shí)尚處于設(shè)計(jì)初級(jí)階段，可用頻域分析方法快速計(jì)算平臺(tái)的固有周期和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)傳遞函數(shù)(運(yùn)動(dòng)RAO)，預(yù)報(bào)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)、加速度和氣隙[11-12]。

7.1 建 模

半潛式生產(chǎn)平臺(tái)立柱及浮箱對(duì)稱，濕表面建模時(shí)，只需建立1/4濕表面模型(取一典型半潛式生產(chǎn)平臺(tái)模型如圖8所示)。模型網(wǎng)格尺寸以2 m×2 m為宜，可以在水線面附近進(jìn)行局部加密。由于網(wǎng)格尺寸關(guān)系到計(jì)算分析時(shí)間和結(jié)果精度，建議計(jì)算前開展網(wǎng)格尺寸敏感性分析，以確定合理的網(wǎng)格尺寸。

圖8 濕表面模型Fig.8 Wet surface model

水動(dòng)力建模時(shí)，垂蕩阻尼模擬可選用臨界垂蕩阻尼系數(shù)或Morison模型。臨界阻尼系數(shù)通常取值3%～5%，具體取值根據(jù)平臺(tái)吃水和排水量而定。水動(dòng)力模型如圖9所示。

圖9 水動(dòng)力模型Fig.9 Hydrodynamic model

7.2 計(jì) 算

頻域分析的關(guān)鍵是計(jì)算平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)固有周期和運(yùn)動(dòng)RAO，固有周期可以根據(jù)特征值計(jì)算得到。根據(jù)不同浪向(通常取0°～180°)和波周期(通常取3～30 s)計(jì)算得到多組RAO曲線，根據(jù)上述模型取0°方向平臺(tái)六自由度運(yùn)動(dòng)RAO如圖10所示。

圖10 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)RAOFig.10 Motion RAOs

7.3 預(yù)報(bào)

根據(jù)運(yùn)動(dòng)RAO和設(shè)計(jì)海況條件可以預(yù)報(bào)得到平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)幅值、運(yùn)動(dòng)加速度和氣隙。至此，已可以判斷平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)性能是否可以滿足設(shè)計(jì)要求。若滿足要求，將尺度規(guī)劃結(jié)果交由下游專業(yè)(分艙、結(jié)構(gòu)、立管等)開展工作。并根據(jù)各專業(yè)的數(shù)據(jù)進(jìn)一步優(yōu)化尺度。

8 結(jié) 語

半潛式生產(chǎn)平臺(tái)方案選型和尺度規(guī)劃技術(shù)需要長期的經(jīng)驗(yàn)積累。目前，我國與歐美等海洋工程強(qiáng)國還存在一定的差距。隨著我國深海油氣資源開發(fā)步伐的加快，現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累將難以滿足生產(chǎn)需求。我們需要繼續(xù)深入開展半潛式生產(chǎn)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究，建立健全半潛式生產(chǎn)平臺(tái)設(shè)計(jì)、建造、安裝、運(yùn)維和監(jiān)測技術(shù)體系，擇機(jī)將其應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目，為我國深水油氣田的開發(fā)和安全運(yùn)營提供技術(shù)保障。

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