（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）深水半潜平台结构响应研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 辽阔的海洋蕴藏着丰富的资源，随着世界油气需求的增加，海洋油气的开发从近海 逐步向深水域和超深水域迈进。随着水深的增加，传统的导管架和重力式等平台由于自 重和成本的大幅度增大而不适合深水开发，因此适于深海作业的深水平台成为了研究的 热点。 目前适用于深海油气开发的平台型式主要有：张力腿平台、s p a r 和半潜式平台。考 虑投资成本、工作水深范围、井口数目、服务年限和工作地域等因素，半潜式平台将是 满足我国南海海域油气开发的更佳选择。目前，半潜式平台已经发展到第六代，开展第 六代深水半潜平台的研究不仅可以缩小我国与世界领先技术的差距，也是我国经济发展 的必然要求。 世界上各主要深水油田的海洋环境通常都较为恶劣。并且半潜式平台与一般航行船 舶不同，在遇到恶劣海况时不能规避，因而在结构设计阶段必须要考虑其在生命期内可 能要遭遇的极限海况，要具备足够的强度抵御“百年一遇”的恶劣海况，以保障平台上 的人员以及设备的安全。 本文是国家8 6 3 计划“3 0 0 0 米水深半潜式钻井平台关键技术”子课题。针对目前第 六代深水半潜平台的概念设计，进行平台在设计海况下的运动响应分析，重点分析平台 在各方向波浪力作用下随波浪频率变化的运动响应，从而确定平台最不利的浪向及频率 组合。确定平台最不利设计波参数后，分析平台整体结构在该工况下的整体结构变形及 应力分布状况。 本文阐述了半潜式平台波浪载荷预报和结构强度评估的分析方法和流程，首先分析 了海洋石油开采向深海发展的必然趋势，介绍了国内外深海油气勘探开发现状。简单介 绍了深海采油平台的主要类型及特点，较为详细地介绍了半潜平台特别是深水半潜平台 的发展及其结构型式变化。采用挪威船级社( d n v ) 开发的s e s a n 软件对一深水半潜式钻 井平台进行了实际数值分析。在波浪载荷计算中。采用基于三维水动力理论的设计波方 法。结构强度评估采用有限元分析方法，在获得平台主体结构的应力水平后，按照规范 规定的应力衡准进行结构强度校核。本文较好的完成了课题要求，为我国南海深水油气 田开发中的深海平台研究提供依据，具有一定的参考价值。 关键词：深水半潜平台；稳定性；环境载荷；运动响应；s e s a m ；结构强度 r e s e a r o ho ns t r u c t u r er e s p o n s eo fa d e e p w a t e rs e m i - - s u b m e r s i b l e p l a t f o r m a b s t ra c t t h e f a r - f l u n go c e a n h a sa b u n d a n tr e s o u r c ea n dt h ee x p l o i t a t i o na r e ao fo c e a no i la n dg a s i sd e v e l o p i n gf r o mo f f s h o r et od e e p w a t e ra n du l t r a - d e e p w a t e rf o l l o w i n gt h ei n c r e a s ed e m a n d f o ro i la n dg a sr e s o u r c e a st h ed e p mo fw a t e ri n c r e a s e s ，u n i f o r mp l a t f o r m s ，s u c ha sj a c k e t p l a t f o r ma n dg r a v i t yp l a t f o r m ，a r en o ts u i t a b l ef o rd e e p w a t e re x p l o i t a t i o no fo i lb c c a u s eo f t h e g r e a ti n o r e a s eo fs e r f - g r a v i t ya n dc o s t t h e r e f o r e ，d e e p w a t e rp l a t f o r mb e c o m e st h ef o c u sf o r r e s e a r c h a tp r e s e n t ，t h em a i np l a t f o r m st h a tc a l lb eu s e df o rd e e p - w a t e ro i la n dg a se x p l o i t a t i o n a r et l p ，s p a r ，a n ds e m i - s u b m e r s i b l ep l a t f o r m 。c o n s i d e r i n gt h ei n v e s t m e n tc o s t , w o r k i n g w a t e r d e p t h ，t h e n u m b e ro fw e l l s ，s e l v i c e y e a r s ，o p e r a t i n g a r e aa n ds o o n ，t h e s e m i s u b m e r s i b l ep l a t f o r mw i l lb et h eb e s tc h o i c ef o ro i la n dg a se x p l o i t a t i o ni nt h es o u t h c h i n as e a t h es i x t hg e n e r a t i o ns e m i s u b m e r s i b l ep l a t f o r mh a sa p p e a r e d ，a n dt h er e s e a r c ho n i tw i l ln o to n l ys h o r t e nt h ed i s t a n c eo ft e c h n o l o g yb e t w e e nu sa n da b o a r db u ta l s oi st h e n e c e s s 蛔d e m a n do fo u re c o n o m yd e v e l o p m e n t t h eo c e a ne n v i r o n m e n to ft h ew o r l dp r i m a r yd e e p w a t e ro i lf i e l di sh a r s h t h e s e m i - s u b m e r s i b l ep l a t f o r mc a nn o ta v o i db a ds e as t a t ew h i c hi sd i f f e r e n tf r o mo t h e rs a i l i n g s h i p s s ot h eu l t i m a t es e as t a t ei ni t sl i f em u s tb ec o n s i d e r e dd u r i n gt h es t r u c t u r ed e s i g n t h e p l a t f o r ms h o u l dh a v ee n o u g hs t r e n g t ht or e s i s tt h eh a r s hs e as t a t et h a te n c o u n t e r e di n 10 0 y e a r sa n de n s u r ct h es e c u r i t yo ft h ei n d i v i d u a l sa n de q u i p m e n t so nt h ep l a t f o r m t h i st h e s i si st h e s u b p r o j c o to ft h e “8 6 3 p r o g r a mc a l l e d k e yt e c h n o l o g yo f s e m i - s u b m e r s i b l ed r i l l i n gp l a t f o r mo f3 0 0 0m e t e r sw a t e rd e p t h ”a c c o r d i n gt ot h ec o n c e p t d e s i g no ft h es i x t hg e n e r a t i o ns e m i s u b m e r s i b l ep l a t f o r m ，t h et h e s i sa n a l y z e dt h em o t i o n r e s p o n s ei nt h ed e s i g nc o n d i t i o na n de s p e c i a l l yt h ev a r i e dr e s p o n s ef o l l o w i n gt h ew a v e f r e q u e n c y i nt h ee f f e c to fw a v ef o r c ef r o ma l ld i r e c t i o n sa n dt h e n g o tt h em o s t d i s a d v a n t a g e o u sc o m b i n a t i o no fw a v ed i r e c t i o na n df r e q u e n c y f i n a l l y ，i ta n a l y z e dt h ew h o l e s t r u c t u r e sd e f o r m a t i o na n ds t r e s sd i s t r i b u t i o ni nt h i sl o a d i n gc o n d i t i o n t h ep a p e rd e s c r i b e st h ep r e d i c t i o no ft h es e m i s u b m e r s i b l ep l a t f o r mw a v el o a d i n ga n d a n a l y s i sm e t h o da n dp r o c e d u r e o fs t r u c t u r es t r e n g t he v a l u a t i o n f i r s t l y ，i ta n a l y z e sn l c n e c e s s a r yt r e n do ft h eo i le x p l o i t a t i o nt ot h ed e 印s e aa n di n t r o d u c e st h ep r e s e n ts i t u a t i o n a b o u td e c ps e ao i la n dg a se x p l o i t a t i o nh o m ea n da b o a r d t h e ni ts i m p l yi n t r o d u c e st h em a j o r i i 大连理工大学硕士学位论文 t y p e sa n do h a r a c t e r so fd e e ps e ao i le x p l o i t a t i o np l a t f o r ma n dt h ed e v e l o p m e n ta n ds t r u c t u r e s t y l e sc h a n g eo fd e e p w a t e rs e m i s u b m e r s i b l ei nd e t a i l t h ep a p e ra n a l y z e s ad e e p w a t e r s e m i s u b m e r s i b l eu s i n gt h ea c t u a lv a l u e sb yt h es o f t v c a r es e s 蝴d e v e l o p e db yd n v d u r i n g t h ec a l c u l a t i o no fw a v el c a d , i tu s e st h ed e s i g nw a v e m e t h o dw h i o hb a s e do n3 d h y d r o d y n a m i ct h e o r y a f t e ro b t a i n i n gt h es t r e s so ft h em a i ns t r u c t u r e ，i tc h e c k st h es t r u c t u r e s t r e n g t ha c c o r d i n gt ot h es t r e s ss t a n d a r dr e g u l a t e db yt h ec o d e ，a n di tu s e st h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sm e t h o dt oe v a l u a t et h es t r u c t u r es t r e n g t h t h et h e s i s f i n i s h e st h et o p i cw e l l ，a n d p r o v i d e st h eb a s i sf o rt h er e s e a r c ho nd e e pw a t e rp l a t f o r mu s e dd u r i n gt h ed e e p w a t e ro i l e x p l o i t a t i o ni nt h es o u t hc h i n as e a ，a n di th a ss o m er e f e r e n c ev a l u e k e yw o l d s ：d e e p - w a t e rs e m i s u b m e r s i b l e ；s t a b i l i t y ；e n v i r o n m e n tl o a d ；m o t i o nr e s p o n s e ： s e s a m ；s t r u c t u r a ls t r e n g t h i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 枷乒j 2 z 己 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 蘸选 翱雠：幺 大连理工大学硕士学位论文 引言 在过去的二十年中，现代工业的急速发展，使得石油的需求量急剧增长。陆上开采 的油气资源已不能满足人类的需求，因此对油气资源的开发不断向海洋发展。据估计， 海底石油储量约为1 3 5 0 亿吨，占世界总储量的2 3 ，目前世界上已探明的海上油气田有 1 6 0 0 个，已有2 0 0 多个油气田投入生产。这些己探明的海洋石油储量的8 0 以上在水 深8 0 0 m 以内，而全部海洋面积中9 0 以上的水深在2 0 0 m 至6 0 0 0 m 之闯，所以大量的 海域面积还有待勘探。此外，世界上除了少数海域外，大部分地区的近海油气资源也已 经不能满足增长的需求，因此，油气资源开发向深海发展已成为必然趋势。 就我国而言，2 0 0 3 年，我国的原油产量只增加了1 5 ，而消费量却增加了1 1 5 ， 能源需求总量猛增了1 3 8 ，占世界石油需求增长总量的4 0 ，约每天6 0 万桶；同时， 我国的石油进口也增长了3 2 ，达到了每天2 6 0 万桶。据国际能源署公布的数据显示， 2 0 0 4 年中国已经取代日本，成为仅次于美国的世界第二大石油消费国。并且在未来2 0 年中，我国石油和天然气将以较快速度发展，石油需求量将年均递增1 2 。但是，国内 已探明的石油储量仅够开采1 4 年，到2 0 2 0 年将面临枯竭的困境，虽然新探明的陆地和 近海、浅海油田可以延长些时间，但也只是杯水车薪。太过于依赖进口，既费钱又存 在很大的安全风险。 而经初步估计，我国南海的石油地质储量大致在2 3 0 亿3 0 0 亿吨之间，约占中国总 资源量的三分之一，属于世界四大海洋油气聚集中心之一，有“第二个波斯湾”之称， 是我国海洋石油可持续发展最有前景的区域。不过，南海海域水深在8 0 0 m 到2 0 0 0 m 之 间，而我国目前开发的采油平台最大钻探水深为5 0 0 多米，最大作业水深仅为3 0 0 多米， 远远不能满足南海作业的需求。面对越来越大的能源缺口，我们不能期望其他国家为我 们提供深海采油技术和装备，而应集中主要力量独立研究，自主开发，争取早日掌握深 海采油技术。目前，国家正在积极加大开发深水油田的步伐，准备在未来的5 - 1 0 年内 海洋石油开采水深达到5 0 0 1 5 0 0 m 。建造深海采油平台势在必行。 深水半潜平台结构响应研究 1 绪论 辽阔的海洋蕴藏着丰富的资源，其中油气资源的开发是海洋资源开发的重要组成部 分。海洋的平均水深为3 7 3 0 m ，其中9 0 以上海洋面积的水深在2 0 0 m 至6 0 0 0 m 之间， 7 4 以上的水深在3 0 0 0 m 到6 0 0 0 m 刚1 1 ，而目前已探明的海洋石油储量8 0 以上在水深 5 0 0 m 以内，因此有大量的海域面积还有待勘探 2 1 。随着世界油气需求的增加，陆上及 近海常规水深的开发已趋饱和，海底油气的开采向深水域( 水深4 5 0 。1 5 0 0 m ) 和超深水 域( 水深1 5 0 0 m 以上) 发展【2 1 。图1 1 表示了近年来深海油气田开发数量的增加趋势【3 1 。 嘧 强 疆 旷 镡 图1 1 深海油气田开发趋势 f i g 1 - 1 o f f s h o r ed e e p w a t e rf i e l dd e v e l o p m e n tt r e n d 随着水深的增加，传统的导管架和重力式等平台由于自重和成本的大幅度增大而不 适合深水开发，因此适合于深海作业的钻采生产系统成为了研究的热点。近几十年来， 由于墨西哥湾、巴西、西非、北海等深水油气的不断开发，涌现出多种适于深海油气钻 大连理工大学硕士学位论文 采生产的平台型式，如张力腿平台( t l p ) 、单柱式平台( s p a r ) 、半潜式平台 ( s e m i - s u b m e r s i b l e ) 等。 1 1国内外深海油气开发状况 1 1 1 世界海洋石油向深水发展的趋势 目前，世界石油工业正面临着极大的挑战。全球油气储量增长乏力，远远无法弥补 每年的产量。然而全球的油气消耗量仍将以较快的速度增长。根据国际能源署发布的世 界能源展望预测，世界石油需求在2 0 3 0 年之前将保持年均1 6 的增长，到2 0 3 0 年达 到5 7 6 9 亿吨。天然气需求在2 0 3 0 年之前将保持年均2 4 的增长，到2 0 3 0 年达到4 2 0 3 亿吨油当量。未来的油气能源将继续在世界能源需求中占据主导地位，到2 0 3 0 年油气 需求将占世界能源总需求的6 5 。天然气资源估计将在2 0 15 年超过煤炭资源成为第二 大能源种类f 4 】。随着陆上石油资源的日渐枯竭，海洋石油已成为未来世界石油开采的主 要来源。 世界海洋石油资源量占全球石油资源总量的3 4 ，全球海洋石油蕴藏量约1 0 0 0 多 亿吨，其中已探明的储量约为3 8 0 亿吨。目前世界上已探明的海洋石油储量的8 0 以上 在水深5 0 0 m 范围内，而全部海洋面积的9 0 以上在水深2 0 0 m 到6 0 0 0 m 之间，因而大 量的海域面积还有待开发。普通水深的油气开采已接近饱和，在2 0 世纪5 0 9 0 年代， 世界油气开发主要集中在4 0 0 m 以内常规水深范围内，每年投入3 0 0 。7 0 0 艘平台，年钻 井口数以千计【5 】。历时约半个世纪的采油，常规水深的油气资源，已被大部分发现和开 采。丽在深水和超深水海洋具有令人鼓舞的油气储藏。在过去的几年里，所发现的有开 采价值的较大的油田水深均在约5 0 0 m 以上。 国外深水油气勘探始于上世纪5 0 年代末，经过近5 0 年的勘探，在南美、西非大西 洋沿岸、墨西哥湾、北海、巴伦支海、喀拉海以及东南亚、澳大利亚西北大陆架等海域 相继发现了很多大型油气田，其勘探领域己扩展到水深3 0 0 0 m 的深海区。墨西哥湾、南 大西洋两岸的巴西与西非海域己成为世界油气勘探的热点，被称为深水油气勘探的“金 三角”，这里集中了当前世界大约8 4 的深水油气勘探活动。其中，墨西哥湾最多，占 到3 2 ，其次是巴西，占3 0 ，第三位是西非。 普通水深的油气开发技术、工艺与装备的发展，提供了向深水和超深水采油必要的 条件。随着电子技术、宇航技术、造船工业、机械工业等的飞速发展，带动了海洋油气 勘探开发技术的迅速发展，海洋石油钻采平台和相应配套装备，逐步从浅水向深水推移。 深海油气储量巨大，尽管深海油田勘探开发费用显著高于浅水，但深海油气田的平均储 量规模和平均日产量都明显高于浅水油气田，因而深水和超深水采油成本由于高的采油 深水半潜平台结构响应研究 量而不再高攀，单位储量的成本不高。随着技术的进步和新技术新材料的不断开发应用， 勘探开发的成本逐年减低，由十多年前的当量桶油成本6 美元下降为现在的不足4 美元， 已经不断接近陆上油气勘探开发成本。油田建设周期也不断缩短，由十多年前的8 年下 降为5 - 6 年【6 j 。建设周期的缩短，使得项目的经济效益显著提高，又进一步促深水半潜 平台概念设计及结构总体强度分析和深海石油开发的发展。因而深海油气开采已被国外 许多大石油公司视为很好的投资机会。不断上涨的油价，更驱使了深水和超深水油气的 开发，使深水和超深水采油更加有利可图。 综上，深水和超深水采油已经成为了世界海洋石油开发的必要趋势。根据 d o u g l a s w c s t w o o d 咨询公司发布的报告，世界海洋油气产量将在2 0 1 5 年达到5 5 0 0 万桶 当量日，2 0 1 5 年海洋油气产量将分别占世界总产量的3 9 ，这些增长将主要得益于深 海油气资源开发的增加。当前全球深水油气业务主要集中在美国、英国、法国、巴西等 国的石油公司手中。 1 1 2 国内深海油气勘测状况 我国的石油资源量并不丰富。世界人均的石油可采资源量是6 8 吨，我国人均1 2 吨， 相当于世界平均水平的1 5 ；天然气的世界平均水平是7 万方，我国的人均水平只有l 万方，相当于世界平均水平的1 7 7 】。但相对来说，我国的沿海和深海的油气资源还是 比较丰富的。我国拥有3 0 0 万平方公里的海洋国土，深海油气资源十分丰富，特别是我 国南海海域具有丰富的油气资源和天然气水合物资源，石油地质储量约为2 3 0 亿到3 0 0 亿吨，占我国油气总资源量的三分之一，其中7 0 蕴藏于深海区。我国具有油气远景的 深水区主要位于东海冲绳海槽和南海中南部诸盆地。这些海域的水深范围为5 0 0 3 0 0 0 m ， 但当前我国海洋油气资源开发还主要集中于2 0 0 m 水深以下的海域。我国己经向世界公 开招标的深水区，水深是6 0 0 m - 2 0 0 0 m ，面积是6 7 0 0 0 平方公里，相当于渤海的面积。 我国南海油气资源分布见图1 2 。 大连理工大学硕士学位论文 图12 南j 母油气谥源分布图 f i g12 o f fa n dg a s em s n l b u h o ni ns o u t hc h i n as e 日 我国海洋油气勘探开发业务起步晚，深海油气开发技术与国外先进技术存在很大的 差距。i i 前，我国深水钻探的最大水深只有5 0 0 m ，己开发深海油气田的最大水深只有 3 0 0 m ，铺管最大水深只有3 0 0 m 。我国深水油气勘探开发的装各和技术都很欠缺甚至是 空白，深水区域特殊的自然环境和复杂的油气储存条件将使我国椿水油气开发在钻探、 开发、建造等方面面临诸多技术难题。技术上的巨大差距是我国深水油气田丌发面临的 最大挑战。此外，我国南海海域与周边8 个国家存在领土争议，这些国家与西方石油公 司合作，已经发现了1 0 0 多了油气田，每年开采量达到3 0 0 0 万到5 0 0 0 万吨，而我国在 南沙海域还没有建过个平台。随着国民绎济的高速发展，能源缺口和对外依存度也越 来越大。鉴于国内外的形势，亟需开发我国海域特别是深水区丰富的汕气资源。 12 深海平台的主要类型 随着海洋油气勘探开采向深海发展，深海平台技术已成为国际海洋工程界的一个热 点经过大量的研究和工程实践，新的深海平台结构不断涌现。海上沛气m 的开发从海 深水半潜平台结构响应研究 岸到5 0 0 m 的水深用了很长的时间，而从5 0 0 m 水深到1 5 0 0 m 水深却只用了十来年的时 间【7 1 。这样的发展速度得意于深海平台技术的不断更新和发展。目前用于深海采油的平 台可分为4 大类：深水半潜式平台s e m i s u b m e r s i b l e ，浮式生产储卸油系统f p s o ，深水 张力腿平台p ，深水柱筒式平台s p a r 。 从2 0 0 3 2 0 0 7 年的5 年间，在墨西哥湾、西非近海等海域，全世界将有深海采油装 置共1 1 6 艘投入工作，其中f p s 0 7 7 艘，t l p l 6 艘，s p a r l 3 艘，半潜式采油平台l o 艘。 下面简要介绍不同型式的深海平台的结构及特点。 1 2 1张力腿平台t l p 张力腿平台是一种垂直系泊的顺应式平台，如图1 3 ，它一般由五大部分组成，分 别是平台上体、立柱( 包含横撑和斜撑) 、下体( 沉箱) 、张力腿系泊系统和锚固基础。 通常将平台上体、立柱及下体称为平台本体。平台的上体位于水而以上，通过3 根或者 4 根立柱与下体连接，立柱一般为圆柱形结构。是平台波浪力和海流力的主要承受部件， 其作用是提供平台本体必要的结构强度。平台的浮力由立柱和位于水面以下的下体浮箱 提供。浮箱首尾与各立柱相连，形成环形结构。由于位于水面以下较深处，所以浮箱受 表面波浪力的影响较小瞎3 。张力腿与立柱的数量关系一般是一一对应的，每条张力腿由 2 - 4 条张力筋腱组成，上端固定在平台本体上，下端与海底基座模板相连，或者直接连 接在桩基顶端。有时候为了增加平台系统的侧向刚度，还会安装侧向系泊系统，作为垂 向张力腿系统的辅助。 张力腿平台的张力筋腱具有很大的预张力，这种欲张力是由平台本体的剩余浮力提 供的。在这种以预张力形式出现的剩余浮力作用下，张力腿时刻处于预拉紧的绷紧状态， 从而使得平台本体在平而外( 横摇、纵摇、垂荡) 的运动近于刚性，而平面内( 横荡、纵 荡、艏摇) 的运动则显示出柔性，环境载荷可以通过平面内运动的惯性力而不是结构内 力来平衡哼。张力腿平台采用的锚一般是桩锚( 即打入水底的桩作为锚使用) ，或重力 式锚( 重块) 等，不是一般容易破土的转爪锚。张力腿式平台的重力小于浮力，所相差 的力可依靠锚索向下的拉力来补偿，且此拉力应大于波浪产生的力，使锚索上经常有向 下的拉力，起着绷紧平台的作用。张力腿式平台一般用于2 0 0 m 至1 1 0 0 m 的海域，最大 用于2 0 0 0 m 深的海域。 大连理工大学硕士学位论文 圈13 张力腿平台 如图l3 所示从结构特点看，张力腿平台就像一个倒置的钟摆，是一个刚性系统 与弹性系统两者综合的复杂非线性动力系统。 122 单柱式平台s p a r s p a r 在海洋工程中，起初是作为辅助系统，直口浮标、海洋科研站、储油和卸油的浮 筒。1 9 8 7 年e d w a r de h o r t o n 在柱形浮标和张力腿平台概念的基础上提出了一种用于 深水的生产平台，即单柱平台i l ”。s p i n 的浮心高于重心，能保证无条件稳性：具有较大 的可变载苛；可将立管等钻井设各装置在壳体内部能够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，适用 于5 0 0 m 至3 0 0 0 m 水深。但由于需要大型海上吊装船在平台现场安装上部模块，费用较 高，不适用于边际油田的开采。s p a r 的设计和制造顸域都具有很强的垄断性，目前具有 s p a r 平台设计制造能力的公司大都在美国，世界j 二所有建成和在建的s p a r 采油平台大 都在墨西哥湾。 目前实际投入生产的s p a r 平台，在整体组成上一般可分为六大系统：平台上体、 主体外壳( i u l ls h e l l ) 、浮力系统、中央井( c e n t e rw e l l ) 、立管系统、系泊系统( 包括锚固 深水半潜平台结构响应研究 基础) 。而从结构上来讲， 则将s p a r 平台分为三部分：平台上体、平台主体、以及系 泊系统，其中平台上体和平台主体并称为平台本体【l 。 s p a r 主体在水中呈一竖直悬浮的圆柱体，由位于主体上部的浮舱提供浮力，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，在平时生产过程里，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， s p a r 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s p a r 安 装和转移的过程中十分重要，当s p a r 主体被拖航到安装点的时候，再向此临时浮舱中 注入海水，同时向上部的可变压载舱中压入空气，s p a r 主体便会在力矩的作用下转为 竖直悬浮的状态，完成所谓的“倒装”过程f l2 1 。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。中央井自下而上贯穿整个主体，立管系统通过中 井向上与平台上体的生产设备相连，向下则深入海底，在中央井内部还安装有卡紧装置 和立管浮筒以固定立管，减少其与主体内其他设施发生撞击的可能性。 当前世界上在役和在建的s p a r 平台可分为三代，按其发展的时间顺序排列分别是： c l a s s i cs p a r 、t r u s ss p a r 和c e l ls p a r ，这三种s p a r 平台的区别主要集中在平台主体的结 构形式上，如图1 4 所示。 大连理工大学硕士学位论文 图1d ( 幻第一代s p a r f i 814 阻) c l s i cs p 目 囝l _ 4 ( b ) 第一代s p a r f i g1 4 m 1 bs p a r 图1d ( c ) 第三代s p r i f i gl 4 ( e 、c e l ls v ” 123 浮式生产储油系统f p s 0 f p s o 是英文f l o a t i n g p r o d u e t l o ns t o r a g e 肌d o f f i o a c l i n g 的缩写，中文称为浮式生产 储油卸油船，它兼有生产、储油和卸油功能，是目前海洋工程船舶中的高技术产品m 】。 这种外型类似油船的海上油气生产装置系统复杂程度和价格远远高出同吨位的油船，根 据选用的设备状况和作业性能的差异，其造价在2 - 4 亿美元不等。f p s o 装置作为海洋 油气开发系统的组成部分，一般与水下采油装置和穿梭油船组成一套完整的生产系统。 f p s o 设备的优势在于： ( 1 ) f p s o 生产系统投产快投资低，若采用油船改装的路途建造f p s o ，优势更为 显著。尤其在当前，油船市场很容易找到船龄不高，工况适宜的大型油船。 ( 2 ) f p s o 甲板面积宽阔，承重能力与抗风浪环境能力强，便于生产设备的布置。 ( 3 ) f p s o 储油能力大，船上的原油可定期、安全、快速地通过卸油装置卸入穿梭油 船中转运输到岸上，穿梭油船不仅可与f p s o 串联，也可傍靠f p s o 系泊。最新建造的 f p s o 还具备了海上天然气分离压缩罐装能力，提高了油田作业的经济性。 深水半潜平台结构响应研究 ( 4 ) f p s o 应用灵活，移动方便，其海上自航能力是其它海洋平台系统所不具备的， 因此，f p s o 可根据作业需要和实际情况迅速转换工作海域和回厂检修。 由于f p s o 具有上述技术优势和特点，在边际油田和深海油气开采活动中，f p s o 的作用与效能相当突出，近几年，又在f p s o 上增加了钻井模块，使其功能更加全面。 1 2 4 半潜式平台s e m i - s u b m e r s i b l e 半潜式钻井平台，又称立柱稳定式钻井平台。它是大部分浮体沉没于水中的一种小 水线面的移动式钻井平台，由平台本体、立柱和下体或浮箱组成。此外，在下体与下体、 立柱与立柱、立柱与平台本体之间还有一些支撑与斜撑连接，下体间的连接支撑一般都 设在下体的上方，平台上设有钻井机械设备、器材和生活舱室等，供钻井工作用。 半潜式平台本体高出水面一定高度，以免波浪的冲击。下体或浮箱提供主要浮力， 沉没于水下以减小波浪的扰动力。平台本体与下体之间连接的立柱，具有小水线面的剖 面，主柱与主柱之间相隔适当距离，以保证平台的稳性。由于水线面很小，这使得它具 有较大的固有周期，不大可能和波谱的主要成分波发生共振，达到减小运动响应的目的； 它的浮体位于水面以下的深处，大大减小了波浪作用力，当波长和平台长度处于某些比 值时，立柱和浮体上的波浪作用力能互相抵消，从而使作用在平台上的作用力很小，理 论上甚至可以等于零。由于其优良的运动性能，半潜式平台得到了广泛的应用，经过几 十年的发展，在设计建造、安全作业等方面积累了丰富的经验，随着油气开发向深海进 军，水下技术的进步，湿采油树的成熟应用，半潜式平台进入了新的发展期。 张力腿平台、s p a r 和半潜式平台的固有周期都在常规波浪能量范围之外，见表i 1 ， 因而具有良好的运动性能。j m b e l l 和b e v e r l e yfr o n a l d s 【1 4 】对二种平台型式的特点进行 了综合的比较，见表1 2 。 表1 1 平台的固有周期( s ) t a b 1 1n a t u r a lp e r i o d so ft h ep l a t f o r m s 丈连理工大学硕士学位论文 表12 平台特点比较( s ) t a b12 t = a t u r c so f t h = p l a 岫s 天然气输出 近岸组装 x 改造再用 x 悬链线立管 超深水域 多立管 x 大甲板面积 x 主体结构重量轻 xx 受限于可变载荷 对于选择何种平台型式，则需要练台考虑成本、工作能力和安全性的要求，图15 给出了不同平台的投资成本随水深的变化。 平台成本与水源关系 6 0 08 0 0 水渫( ) 固l5 投资成本与水深的关系 f i g 】sr c l 岫曲1 0 sb c t w 咖b o dw a i c fd c p t l l 深水半潜平台结构响应研究 由此可见，与张力腿平台和s p a r 相比，半潜式平台具有相对总投资小，更大的甲 板空间和甲板可变载荷，更强的生产能力，更大的工作水深范围，易于改造并具备钻井、 修井、生产等多种工作功能，无需海上安装，全球全天候的工作能力和自存能力等优点。 考虑投资成本、工作水深范围、井口数目、服务年限和工作地域等因素，半潜式平台将 是更佳的选择。 1 3深水半潜平台特点及研究状况 1 3 1 半潜平台发展综述 世界上第一座半潜式平台出现于1 9 6 2 年，它是在一座坐底式钻井平台“蓝水1 号” 上加装立柱、增加锚泊系统而建成的。这种靠立柱穿透水面以减小水线面面积的设计思 想成功地导致了随后一系列三角形、五角形、矩形等各种甲板形状的平台的出现。 在上世纪6 0 年代，全球共建造了大约3 0 座半潜式钻井平台，目前这部分平台基本 都己经退役。随后半潜式钻井平台的数量经历了两次跳跃式的发展，7 0 年代建造了7 4 座，主要集中在1 9 7 5 1 9 7 7 这三年，共建了4 l 座；8 0 年代共建造了7 6 座，其中仅1 9 8 2 1 9 8 4 年间就新建了4 8 座。进入9 0 年代后平台数量增长缓慢，主要原因是当时对部分即将退 役的平台实施技术改造后，重新投入到了使用市场，缓解了市场的需求。进入2 1 世纪 后，随着石油价格的飘升，作业者大规模开发深海油气的愿望更为强烈，这种强烈的开 采意愿引发了对新一代深海开采装置的更大的需求，从而使得半潜式钻井平台的数量出 现了新的增长点【1 5 】，见图1 6 。可以预见，在今后5 1 0 年时间内，这种增长的趋势不会 减弱。 另外，从半潜式平台的利用率来看，其利用率最近3 年来一直维持在一个较高的水 平，特别是自2 0 0 5 年3 月份以来，平台的使用率8 0 以上，最高时期达9 2 9 ，这也 从另一个角度反映了市场对半潜式平台的极大需求。 大连理工大学硕士学位论文 半潜平台数量增长趋势( 1 9 7 0 - 2 0 1 0 ) z a u 2 0 0 f 矿 金1 5 0 h hhh 翟 。一 冀1 0 0 5 0 。 拿擎旁擎挛梦守梦一| 年份 【一一： 图1 6 半潜平台数量增长趋势 f i g 1 6 q u a l i t yi n c r e z m et r e n do fs e m i - s u b m e r s i b l e 到目前为止，半潜式平台在不到半个世纪的时间里，已经经历了两次发展浪潮，目 前正处于第3 次发展浪潮中，其技术革新的速度非常之快。以半潜式钻井平台为例，它 在不断的技术革新之中完成了由第一代到第六代的演变。几乎每隔1 0 年，平台就会发 生一次质的飞跃，而且这种间隔的时间越来越短，有时新一代平台刚出现，更新一代的 平台几乎同时出现【16 1 。在这种快速发展过程中，半潜式平台的结构型式、性能以及作业 功能都发生了很大的变化。平台结构的变化主要体现在两个方面，一是平台结构所采用 的材料的变革；另一个是主体结构型式的变化。 1 3 2 半潜平台结构特点 世界上第一座半满式平台是由一带稳定立柱的坐底式平台改建而成的，该设计思想 的成功导致了一系列具有三角形、五角形等甲板形状的平台的出现。此类半潜式平台采 用浮箱式浮体，甲板形状和立柱数目由浮箱数量而定，各立柱之间由空间结构复杂的撑 杆连接，一般均非自航。 1 9 7 0 年以后，出现了平行下体的浮体型式，以多根平行的鱼雷形结构作为下浮体， 甲板为矩形，与之对应设有四根或六根直径较大的圆柱形立柱支撑甲板，大立柱之间还 设有尺寸较小的小立柱，立柱之间有数目繁多的撑杆连接。此后出现的半潜式平台都采 深水半潜平台结构响应研究 用双平行下体的浮体型式，除初期还采用鱼雷形或圆柱形的下浮体，矩形和船形横截面 形状的下浮体成为发展的主流，甲板为矩形：立柱数目多为四个、六个或八个，依据设 计要求而定：撑杆和节点的数目减少。立柱和下体、撑杆的连接亦大为简化。最终发展 成现今的下浮体- 立柱一上甲板结构。平台的形式演变见图l7 。 聪癣 辩l i 赢洒矗 雹曩 大连理工大学硕士学位论文 巨大的下浮体提供拖航和作业时所需的浮力，一般有双下体和环形下体两种形式， 内设舱室，可以装载油水、压载水、系泊等设备。 立柱连接下浮体和上部甲板，工作时，下浮体和部分立柱沉入水下，大大减小了水 线面面积及波浪作用在船体上的载荷，它巨大的水线面惯性矩提供平台工作时所需的稳 性。立柱的数目一般为4 个或6 个，内设舱室，可装压载水和工作设备。截面一般为圆 形或矩形，近来新造的半潜式平台多采用矩形截面，使得建造更加简便，排水和舱容增 大。 上甲板是设备存放、人员居住工作的主要场所，主要的钻井器材和材料都堆放在甲 板上，甲板中间开有月池，方便平台钻井采油。上甲板主要有格框型和箱型两种结构型 式。格框型甲板由主要承载甲板及其余甲板组成，在对甲板结构提出储备浮力要求以前 建造的平台多采用这种型式。箱型甲板则主要包括具有双层底的下甲板结构、一层或多 层中间甲板和一层主甲板。撑杆用于连接下浮体或支撑上甲板。在新建造的平台中，为 降低撑杆节点的建造成本和节点的疲劳载荷及其引起的破坏，已大大减少连接立柱和上 甲板底部以支撑上甲板的撑杆数目，很多平台仅在立柱之间设直径i 2 米的横向撑杆以 保证船体产生类似船舶的“中拱”和“中垂”现象时甲板的结构安全。 目前国外出现的半潜式平台己发展到第五代，它们大都具有在水深1 5 0 0 m 以上水域 工作的能力，配备甲板大吊机，采用动力定位系统，结构设计条件高，抗风暴能力强。 新一代的半潜式平台即第六代半潜式平台亦在设计建造中。第五、第六代半潜式平台新 发展的主要特点可总结如下： ( 1 ) 可变载荷