海洋工程结构的发展历史.ppt

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1、海洋工程结构的发展历史,海洋工程结构的发展历史,1.1 概述 1.2 深水挑战 1.3 海洋结构的功能 1.4 海洋结构的构造 1.5 底部支撑的固定式结构 1.6 顺应式结构 1.7 浮式结构 1.8 船级社和工业标准组织,1.1 概 述,1.1.1 海洋结构的定义1.1.2 发展历史1.1.3 深水生产方案的选择1.1.4 海上灾难,随着海洋石油开发的不断进展，出现了多种形式的海洋结构物。新的石油/天然气田正在深水、超深水中被发现，这些油气田中有很多储量很少，其经济开发对当今的海洋工程师是一个挑战。这就促进了新结构和新方案的发展，在很多方面它们是独特的，高效且经济的设计和安装是很大的挑战。

2、这些海洋结构物的功能特点、环境荷载、响应特性及其疲劳和抗屈曲等特性，受到广泛地关注。本章既包括在浅水和中深水中已经安装的较早期的海洋结构，也包括适合于深水开发的各种方案以及建议作为超深水结构的各种方案，还扼要描述了这些结构及其应用。,1.1 概述,没有通往干陆地的固定通道，可能要求在所有的天气状况下都保留在海上原位的结构叫做海洋结构。海洋结构可能被固定在海床上，或者是漂浮在海面上。这些海洋结构可分类如下：,1.1.1 海洋结构的定义,1.1.1 海洋结构的定义,图1.2 主要的固定式结构,图1.3 主要的浮式生产装置,本课程的关注点主要集中在用于油气生产、储存和卸载的结构，并在较小程度上集中在

3、用来勘探的结构。,1.1.2 发展历史,海洋工业的诞生通常被认为是1947年，Kerr-McGee公司在墨西哥湾成功地完成了第一口海上油井，此井位于离路易斯安那海岸4.6m的水中。钻井塔架和绞车支持在长21.6m、宽11.6m的木制甲板平台上，此平台建在16根打入海底31.7m的24in的桩柱上。自在墨西哥湾安装第一座平台以来，海洋工业已经建成了许多创新的固定式或者浮式结构，建造在不断加深的水域和更具挑战性和恶劣的环境中。1975年，水深达到144m。在接下来的三年里，水深戏剧性地跳跃了两倍，达到312m。20世纪90年代，在超过328m的水深区建造了五座固定式结构，其中最深的一座是1991年

4、在412m水中安装的Bullwinkle平台。1998年，在墨西哥湾502m的水中安装了Baldpate塔，在535米的水深安装了Petronius塔。Petronius塔是世界上最高的自由直立式结构。,1.1.2 发展历史,自1947年以来，全世界已经建造并安装了10000座以上各种类型和尺寸的海洋平台。几乎所有平台都是钢结构，但在北海等非常恶劣的海域，也安装有少量大型混凝土结构，其中Troll A天然气平台是现存最高的混凝土结构。,图1.4全世界最高的混凝土结构Troll A天然气平台,我国海上石油勘探开发起步于1957-1979年，并于1979-1999年对外合作中得到高速、高效发展，从

5、1999年开始，我国海洋石油工业实行自营勘探开发与对外合作相结合，以自营为主的方式，取得了高速发展，2010年，我国海洋油气产量将超过5000万吨，海洋石油生产进入高速发展时期。,1.1.3 深水生产方案的选择,图1.5 深水系统类型,图1.5说明了深水生产可得到的生产方案的类型。大多数浮式生产装置和几乎所有的半潜、浮式生产系统和FPSO都从海底的油气井里生产石油和天然气，这些井称为“海底井”。与固定式平台上和陆地上的井不同，海底井不允许操作者拥有通往井口进行维修或进行重完井的直接路径（从一口现存井钻入新储油层）。,1.1.3 深水生产方案的选择,对特定的项目来说，哪个方案是“正确的”这一问题

6、没有简单的答案。为深水生产选择一个方案常常需要多年的努力，包括无数研究和分析。主要的驱动因素是储油层特征和基础设施，这些因素将决定设备的尺寸、井的数量、井的位置和需要湿式还是干式采油树。钻井通常占深水项目总值的一半以上，所以钻井方法通常确定了所需要的水面设备的类型，例如，这个设备是否需要支持钻井装备或者是否要使用租赁的可移式海洋钻井装置。,1.1.4 海上灾难,20世纪80年代，两座半潜式平台倾覆并沉没：一座是居住和供应船Alexander Keilland（1980），另一座是Ocean Ranger（1982），这两起事故导致了几百人丧生。最严重的海上灾难发生在1988年，Piper Al

7、pha石油和天然气平台发生火灾，167条性命丧生于火海。2001年3月，世界上最大的浮式生产系统巴西石油公司的P-36在Campos盆地失事沉没，导致10人丧生性命。1979年11月，我国“渤海2号”钻井平台在井位迁移时倾覆。1983年12月，美国阿科公司租用的“爪哇海”号钻井船在南海受台风袭击翻沉，这两次事故均造成严重的人员伤亡。,图1.6 改造的半潜式平台P-36在一个立柱进水后发生事故,第一章 海洋工程结构的发展历史,1.1 概述 1.2 深水挑战 1.3 海洋结构的功能 1.4 海洋结构的构造 1.5 底部支撑的固定式结构 1.6 顺应式结构 1.7 浮式结构 1.8 船级社和工业标准

8、组织,1.2 深水挑战,深水的界定，随时间、区域和专业的不同而变化，随着科技的进步和海洋石油的发展，深水的定义也在不断发展。目前可以将水深大于500m定义为深水，水深超过1500m定义为超深水。,深水海洋环境主要特点在于：1）工作水深深 2）海床不稳定 3）破裂梯度低 4）海床温度低 5）存在水合物 6）高压浅层流 7）有内波活动,1.2 深水挑战,从技术和经济角度来看，只能使用浮式系泊的结构。在深水尤其是在超深水中，立管和系泊系统提出了相当大的挑战。这些水深需要新材料和创新性的方案。更轻、更坚固且更费用高效的人造纤维缆索正开始取代钢丝绳和锚链。拉紧的人造聚酯系泊绳在浮式平台上会产生较小的垂直

9、载荷。,用于水下回接到浮式结构的柔性立管，目前限制到大约1800m水深。钢悬链线立管在深水和超深水域正变得更加普遍。新立管正在用具有高强度与重量比和良好疲劳特性的钛合金钢设计。用于顶部张紧立管的钛合金和复合材料也在研发中。,第一章 海洋工程结构的发展历史,1.1 概述 1.2 深水挑战 1.3 海洋结构的功能 1.4 海洋结构的构造 1.5 底部支撑的固定式结构 1.6 顺应式结构 1.7 浮式结构 1.8 船级社和工业标准组织,1.3 海洋结构的功能,1.3.1勘探钻井结构1.3.2 生产结构1.3.3 储存结构1.3.4 输出系统,1.3 海洋结构的功能,海洋结构可以由功能和构造这两个相互

10、依赖的参数确定。可移式海洋钻井装置的构造主要由可变甲板有效荷载和运移速度要求决定。一个生产装置可能有几种功能，例如加工处理、钻井、修井、生活起居和供应、储油和立管支持。储油层和流体的特征、水深和海洋环境是变量，这些变量主要确定海洋设备的功能要求。尽管结构的功能以及水深和环境主要影响结构的大小和构造，其它同样重要的因素是现场的基础设施、管理特点和操作者的财政力量以及法令、条例规定和国家法律。海洋结构的设计显然是根据结构的类型、而不是它的功能。,1.3.1 勘探钻井结构,适用于勘探钻井装置的一些合意的特性，同样可适用于生产装置。由于它们将要遇到的钻井要求不同，可移式海洋钻井装置必须适应高度变化的甲

11、板载荷，并且通常被设计成适用于相对高的运移速度，以使搬移费用减到最少。三种最常见的钻井结构形式是钻井船、自升式驳船和半潜式平台。任何一种勘探结构，进行合适的改进，适合用作生产结构。许多浮式生产装置是改造的钻井装置，只是钻井设备由生产设备取代而已。,钻井船,1.3.2 生产结构,生产平台在使用寿命内都固定在井位上，一般为20到30年。导管架是最常见的固定式平台，是通过打入桩或钻孔灌注桩固定在海底的管状结构。固定式平台的经济水深极限随环境而变化。当水深超过这些极限时，顺应塔或浮式生产平台变得较有吸引力。这些结构的经济极限可能是535m。在更深的水域或更恶劣的环境下，需要采用浮式生产结构。,1.3.

12、3 储存结构,在海洋石油生产期间，在原油运输到岸上进行加工之前，在海上位置暂时储存原油可能是符合要求的。储存能力由穿梭油轮的大小和往返频率决定。石油储存舱通常采用惰性气体覆盖层维持在大气压下。货物和压载物管理是FPSO操作的一个重要组成部分，下图是一个专用储油结构。,图1.7 500000桶容量的储油结构,1.3.4 输出系统,海上生产的石油需要从井场运输到岸上。如果结构坐落在海岸附近，或者有现有的基础设施可连接，那么可用水下管线或管网输出。对于边远的海上位置，使用管线运输不是经济可行的，通常由穿梭油轮完成。这些油轮直接系泊在储存或生产结构上，或者用专门的结构系泊。石油用装油软管从结构传输给油

13、轮。,第一章 海洋工程结构的发展历史,1.1 概述 1.2 深水挑战 1.3 海洋结构的功能 1.4 海洋结构的构造 1.5 底部支撑的固定式结构 1.6 顺应式结构 1.7 浮式结构 1.8 船级社和工业标准组织,1.4 海洋结构的构造,1.4.1底部支持式结构1.4.2浮式海洋结构1.4.3浮式与固定式海洋结构的比较,1.4 海洋结构的构造,海洋结构可分成底部支持式或浮式两类。底部支持式结构既可以是“固定的”，例如导管架和重力基础结构，也可以是“顺应的”，例如绷绳塔和顺应塔。浮式结构本质上是顺应的。它们可被看作为“中浮性的”，例如基于半潜的浮式生产系统、船形FPSO和单立柱的柱筒式平台，或

14、者被看作为“正浮力的”，例如张力腿平台。,1.4.1 底部支持式结构,坐底式结构通常是由焊接的钢管构件建造的，重力基础结构明显例外。这些构件用作为桁架，来支持处理设备的重量以及来自风、海浪和海流的环境力。当弯曲运动的最低固有频率高于有效海浪激励的最高频率时，坐底式结构称为“固定式”。它们就像刚体一样起作用，并必须抵抗环境的全部动态力。通常也会设计“顺应式”坐底结构，为的是使它们的最低固有频率在海浪的能量以下。风、海浪和海流导致这些结构弯曲，但动力载荷的幅值被大大降低。对于固定结构不可行的水深，允许设计经济的坐底式结构。另一类底部支持式结构在温和的环境里表现得如同固定式结构。这样的结构按照功能既

15、像固定式也像顺应式结构的方式进行设计。顺应性利用选定的方法来实现，例如，当作用的侧向风、海浪和海流力超出设计极限时，锚链被提离海底或者桩连接被释放，把固定式结构转变为转动顺应式结构（从零自由度成为绕海底的二自由度结构）。,1.4.2 浮式海洋结构,浮式结构具有各种程度的顺应性。中浮性结构，例如半潜式平台、柱筒式平台和钻井船动力不受约束，因而允许有六个自由度（升沉、纵荡、横荡、纵摇、横摇和艏摇）。正浮力结构，例如张力腿平台和系泊浮力塔或浮力腿结构，被系泊在海底上，因而是升沉约束的。所有这些有整体顺应性的平台在结构上是刚性的。顺应性用系泊系统实现，浮式结构尺寸大小由浮力和稳定性确定。这些结构的上部

16、组块重量比坐底式结构的重量更为关键。半潜式平台和船形船体的稳定性依赖于水面积，重心一般在浮心以上。柱筒式平台必须设计成重心比浮心低，因而它本质上是稳定的。正浮力结构依赖于水面积和系缆刚度的组合来达到稳定性。,1.4.2 浮式海洋结构,浮式结构通常由加强的平板格建造而成，构成一个排水主体。这种建造方法与坐底式结构的管状构造使用的方法涉及不同的过程。中浮性浮式结构的运动可以作为受到激励力作用的六自由度系统准确地确定。在深水中的正浮力浮式结构具有相当大质量的约束系统，并且这个约束系统也受到激励力影响。平台的运动与系泊系统的动力相耦合。随着水深增加，平台、立管和系泊系统之间的运动耦合变得日益更重要。这

17、些平台在环境力作用下的动力分析在本课程的后面讨论。,1.4.3 浮式与固定式海洋结构的比较,表1.1 坐底式与浮式结构对比,表1.1总结了坐底式和浮式结构设计的主要不同点。固定式和浮式平台不但在外形上、而且在结构的构件上是非常不同的。它们在如何建造、运输和安装，受到哪种激励力，如何对这些激励力作出响应，以及在设计寿命结束时如何退役和再应用/回收利用方面是独特的。,第一章 海洋工程结构的发展历史,1.1 概述 1.2 深水挑战 1.3 海洋结构的功能 1.4 海洋结构的构造 1.5 底部支撑的固定式结构 1.6 顺应式结构 1.7 浮式结构 1.8 船级社和工业标准组织,1.5 底部支撑的固定式

18、结构,1.5.1最小型平台1.5.2导管架结构1.5.3重力基础结构1.5.4自升式平台 1.5.5水下底盘1.5.6海底管线,1.5.1 最小型平台,对于浅水中的边际油田开发，经常使用有小型甲板的固定式生产平台。在最小型状态下，这些结构可能支持下列各项：（1）少量的井，典型地不足10口；（2）小型甲板，有足够的空间来处理连续油管或试井车；（3）一个试验分离器和一个井口装置；（4）一个小型起重机；（5）一个登船平台；（6）一个最小的直升机甲板。,图1.8 用于边际油田的最小化平台方案举例,Chevron公司完成了一项研究，在现有的生产平台方案中，对于三种不同的设计重现期（25、50和100年）

19、，识别并选择能使46m和61m水深油田的开发最优化的平台方案。图1.8描述了三种这样的方案。,1.5.2 导管架结构,导管架或底盘结构仍然是用于钻井和生产的最常见的海洋结构。一些结构包括延伸的腿，这些结构适合于井场安装过程中的自浮。固定式导管架结构由互相连接的管状构件制成，形成一个三维空间框架（图1.9）。这些结构通常具有4到8根倾斜腿，在海浪中抵抗倾翻实现稳定。管状的主桩通常支撑着导管架并穿过导管架打入海底。这些平台通常支持有两层或三层甲板的上层结构，甲板上有钻井和生产设备以及修井机。,图1.9 Fulmar导管架平台,目前的纪录保持者是Bullwinkle平台，其导管架重49375吨，甲板

20、重6033吨，1988年，被安装在412m水深的井场。,1.5.3 重力基础结构,放置在海底上并由自身重量固定就位的海洋结构叫做重力式结构。因此，这些结构并不需要桩或锚的附加帮助。这些结构十分适合于生产和存储石油。它们在靠近海岸的位置或有遮蔽的水域（例如峡湾）建造。一旦建成，它们就以直立状态拖航到最终的目的地并浸没就位，并经常可与结构一起运载上部组块甲板。由于重力式结构需要大体积和大重量，混凝土一直是重力式结构的常用材料。拥有两百万桶石油储量的Statoil Gullfaks C平台如图1.10所示,图1.10 2百万桶湿储油量的Gullfaks C生产平台,1.5.4 自升式平台,自升式驳船

21、一般是三腿结构，甲板支撑在它们的腿上。这些腿由管状桁架构件组成。甲板一般是能漂浮的。自升式平台用于勘探钻井作业，因此，按照能在不同井位之间移动进行设计。自升式驳船在自身的船体浮力支撑下拖航。有时，它们在运输驳船的顶部运输。它们被称为自升式平台，因为一旦到达钻井位置，它们的腿就被固定在海底上，而且甲板在这些腿上被举升到水线以上。自升式驳船在钻井作业期间如固定平台一样作业。,图1.11 自升式钻井驳船,1.5.5 水下底盘,水下底盘的作用：1）提供合适的井距，并为钻井设备提供导引。2）减少钻井与开发之间的时间，使油田能较早投产。3）与卫星井相比，采用底盘井集中，可节省管线。对高凝原油来说，管线越短

22、、热量损失少，有利于保温输送。4）卫星井分散、底盘井集中。5）底盘既可适用于固定式采油平台，也可用于浮式采油平台及张力腿平台，还可用于钻井和采油，操作简单，灵活方便，能使钻井速度加快。水下底盘的类型：定距式底盘、组合式底盘和整体式底盘三类。,图1.12 水下底盘示意图,1.5.6 海底管线,海底管线用来把油气从生产平台传输到储存设施或岸上，具有连续、快捷、安全、经济的特点，可达到较高的输送效率和速度，能量利用也颇为合理。海底管线的安装在几百米的中深水和深水都很常见。,常见的管线铺设方法包括：使用倾斜塔的J型铺设使用垂直塔的J型铺设S型铺设卷筒式铺设串接多重铺设,海底管线的设计、建造和安装将在后

23、面讨论。,第一章 海洋工程结构的发展历史,1.1 概述 1.2 深水挑战 1.3 海洋结构的功能 1.4 海洋结构的构造 1.5 底部支撑的固定式结构 1.6 顺应式结构 1.7 浮式结构 1.8 船级社和工业标准组织,1.6 顺应式结构,1.6.1铰接式平台1.6.2顺应塔1.6.3绷绳塔,1.6 顺应式结构,顺应式结构包括那些延伸到海底并用桩和/或导向索直接固定在海床上的结构。这些结构通常被设计成最低阶模态频率在海浪能量以下，与固定式结构恰恰相反，固定式结构的第一阶模态频率大于海浪能量频率。顺应式平台主要包括铰接塔、顺应塔和绷绳塔。,1.6.1 铰接式平台,铰接塔平台是在较浅水域起步并缓慢

24、移进深水中的最早的顺应式结构之一。铰接塔是一个直立塔，在其基础上用万向接头铰接，并且由于环境的影响可绕这个接头自由振荡。在海床上的万向接头以下的基础可以是重力式基础，也可以是桩式基础。铰接塔在万向接头附近进行压载，并且在自由水面上有足够大的浮力箱，来提供大的恢复力（力矩）。铰接塔延伸到自由水面以上，容纳甲板和液压水龙头。在更深的水域，采用双铰链往往更有优势，第二个铰接头在中间深度位置。,铰接塔被用作为单点系泊系统，永久地系泊储存和生产油轮，或被用作穿梭油轮的一种系泊和卸载的中间媒介。铰接塔必须在寿命风暴以及与油轮连接时的作业海况下能够自存。疲劳是这类系统的一个重要标准。在中深水，这种结构可能需

25、要处理成一种柔性结构，进行疲劳应力评估。,图1.13 铰接塔平台示意图,1.6.1 铰接式平台,表1.2 已安装的铰接式平台的实例,表1.2表示到目前为止建造的单点系泊系统的实例，单点系泊系统的实际应用和经济性通常限制到几百米水深。,1.6.2 顺应塔,顺应塔与传统的平台相似，也是从水面延伸到海底，并且对波浪是相当透射的。顺应塔被设计成在风、海浪和海流力作用下能弯曲。对于同样的水深，它比传统的平台使用的钢材少。表1.3比较了世界上最深的固定式平台Bullwinkle与墨西哥湾中最高的顺应式结构的结构重量。,表1.3 顺应塔的结构重量,1.6.2 顺应塔,目前，Petronius是全世界最高的自

26、由竖立式结构,图 1.14 Petronius 顺应塔示意图,1.6.3 绷绳塔,绷绳塔是一种由桁架构件组成的细长结构，它放置在海床上，由一系列对称的悬链线绷绳固定就位。绷绳塔可应用在很深的险恶水域，环境产生的作用在重力基础或导管架型结构上的载荷惊人地大。绷绳通常有几段，上面部分是引导缆索，在中等海况下，它就像一根刚硬的弹簧那样发挥作用；下面部分是带有集中重量的重型链条，在汹涌的海况下被提离海底，并且像一根软弹簧那样发挥作用，从而使得塔更加顺应。,图 1.15 绷绳塔示意图,1.6.3 绷绳塔,1983年，Exxon公司在密西西比大峡谷区块300m的水深区安装了第一座名为Lena Guyed塔

27、的绷绳塔。它类似导管架结构，但是顺应的，并由悬链线系泊缆在360度范围内系泊。,图 1.15(b)Lena 绷绳塔示意图,第一章 海洋工程结构的发展历史,1.1 概述 1.2 深水挑战 1.3 海洋结构的功能 1.4 海洋结构的构造 1.5 底部支撑的固定式结构 1.6 顺应式结构 1.7 浮式结构 1.8 船级社和工业标准组织,1.7 浮式结构,1.7.1浮式平台的类型1.7.2钻井装置1.7.3生产装置（FPSO和浮式生产系统）1.7.5平台构造,1.7.1 浮式平台的类型,浮式结构可以划分为中浮性和正浮力两类。中浮性结构包括柱筒式平台、半潜可移式海洋钻井装置和浮式生产系统、船形FPSO和

28、钻井船。正浮力结构的例子有张力腿平台、张力腿井口平台和浮力塔。,浮式平台的功能按用途划分为：1）可移式钻井型2）生产型,表1.4 浮式系统的分类,浮式装置没有标准化。虽然按照相同或相似的设计方案设计多座平台可显著节约成本，但对于大部分设计，每个深水油田一直延用“适合目标”的设计进行开发。,1.7.2 钻井装置,在开发钻井之前进行勘探钻井，当开发井钻成并完井时，就开始生产。因此，钻井装置多于生产装置。可移式海洋钻井装置包括自升式装置、钻井驳船、半潜式平台和钻井船等。,图1.16 钻井船示意图,1.7.3 生产装置（FPSO和浮式生产系统）,大多数浮式生产装置是中浮性结构（允许六个自由度），这些结

29、构预定成本高效地生产和输出石油和天然气。FPSO通常指的是具有几个不同系泊系统的船形结构。系泊系统包括扩展式或可解脱的内、外转塔，以便在飓风或台风到来时，FPSO能被移到一个受保护的环境中。对于边际油田和深水油田开发，浮式生产装置已经成为一种有效的解决方案。但20世纪90年代投入使用的大多数浮式生产系统，却基于新建造的半潜式平台和柱筒式装置。因为这些结构具有通用性、可移性、相对低的成本和自我遏制的优势。,1.7.3 生产装置（FPSO和浮式生产系统）,在墨西哥湾水深大于600m的范围内，已经发现了50多个油气田，这些油气田拥有超过4000万桶原油当量的可开采储量。这些油田的大多数很可能利用浮式

30、生产系统或许还用FPSO系统来开发。,图1.17 浮式生产储油卸油装置FPSO,1.7.4 钻井和生产装置,典型说来，浮式装置需要设计成钻井装置或生产装置，以使装置的甲板有效负载和总体尺寸/位移达到最小。这种规则的基本例外是张力腿平台和柱筒式平台。这些装置具有有限的运动，并为水面完井提供了合适的设施。,图1.18 FPDSO结构示意图,对于具有很大位移的船形FPSO来说，由于钻井系统的采用，甲板有效负荷的增加不是一个问题。然而，船舶的运动一直是发展浮式生产、钻井、储存和卸油装置（FPDSO）踌躇不前的主要原因。技术进步和在相对温和的环境下开发西非近海深水域的潜在可能，导致了具有船中月池的FPD

31、SO投入使用。,1.7.5 平台构造,1.7.5.1半潜式平台1.7.5.2 柱筒式平台1.7.5.3张力腿平台1.7.5.4 最小型张力腿平台1.7.5.5 ETLP的总体结构和特点,1.7.5.1 半潜式平台,半潜式平台由上部组块、浮体、系泊系统、悬链线立管（外输/输入）和桩基础构成。浮体的作用是保持足够的浮力支撑上部组块、系泊系统和立管的重量。系泊系统把浮式平台锚泊在海底的桩基础或锚上，使平台在环境力作用下的运动在允许的范围内。平台的立柱在水下用水平浮力构件（浮筒）在底部彼此连接。,图1.19 半潜式平台及其工程模式,一些较早期的半潜式平台由于两个浮筒具有船艏和船艉而类似船形结构。这种结

32、构被认为适合在其自身的动力作用下、或者由拖船拖曳从钻一口井重新定位到钻另一口井的位置。早期的半潜式平台还包括重要的斜交叉撑，来抵抗由波浪引起的撬动力和推压力。,1.7.5.1 半潜式平台,油气田生产的需要，导致了半潜式平台方案的进一步发展。新型半潜式平台典型地是带有四个立柱的正方形，箱型或圆柱型浮筒把这些立柱相连接。箱型浮筒经常是流线型的，从而消除尖角，便于更好地定位；斜撑常常被消除来简化建造。,图1.20 新型半潜式平台,1.7.5.2 柱筒式平台,随着近海油气工业朝着深水和超深水未勘探地区寻找新油气发现和生产的发展，Spar平台因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

33、好，经济性好，已成为最富吸引力的发展概念之一。下面的图表为1996年后，Spar平台的发展情况。,图1.21 柱筒式平台的进展情况,1.7.5.2 柱筒式平台,1996年后，Spar平台的发展情况,1.7.5.2 柱筒式平台,柱筒式（Spar）平台由上部组块、筒式浮体、系泊缆、顶部浮筒式井口立管、悬链线立管（外输/输入）和桩基础构成，一般是采油生产平台。浮体的作用是保持足够的浮力支撑上部组块、系泊缆和悬链线立管的重量，并通过底部压载使浮心高于平台重心，形成不倒翁的浮体性能。系泊缆一般是由锚链+钢缆+锚链构成，其作用是把浮式平台锚泊在海底的桩基础上，使平台在环境力作用下的运动在允许的范围内。顶部

34、浮筒式井口立管由自带浮筒支撑。,目前柱筒式平台有三种类型，都有专利保护1）传统式(Classic Spar)2）桁架式(Truss Spar)3）多柱筒式(Cell Spar)平台。,传统式 框架式 多筒式,1.7.5.2 柱筒式平台,（a）Classic Spar的总体结构和特点,图1.22 Spar的结构示意图及其外轮廓图,Spar平台总体上是一个庞大的直立圆柱体，依靠浮力支撑水面上的设备，其稳定性源于重心低于浮心，并通过系于船壳的侧向悬链线锚缆固定。Spar由平台上体、平台主体和系泊系统组成。,1.7.5.2 柱筒式平台,平台上体：传统式Spar平台上体是平台生产和生活的中心，一般为二层

35、或三层甲板的模块结构，甲板形状为矩形。各层甲板之间采用立柱和斜撑结构连接固定。平台主体顶部装有立柱基座，与主体的垂直防水壁形成整体。平台上体的主支撑立柱直接与立柱基座对接，并贯入主体内部以便达到较好的固定效果。生产和生活设施基本上按照传统平台的甲板布局方式布置。根据设计要求，可在顶层甲板上安装重型或轻型钻塔，以完成平台钻探、完井和修井作业。平台主体：Spar平台的主体是一个在水中垂直悬浮的封闭单圆柱筒体，体型较大，重心位于水线面以下很深的位置。庞大的主体内部采用垂直隔水舱壁和水平甲板分隔成多层、多舱结构，并具有各自的功能。平台主体主要由硬舱、中段和软舱三部分构成。平台船体的上部水密舱提供浮力，

36、支承设备、船体、压舱物、舾装设备和垂直锚索载荷的重量。在这些坚固的液体舱下，中间部分是没有充水的。在船体的底部是一个软液舱，它在从船厂到安装地点水平拖动时提供浮力。单柱式平台本身是倒立的，一旦到达安装位置，中间部分和软液舱被注水，当软液舱的顶部被浸没时，软液舱中的一个大开口允许整个软液舱迅速注水，使平台在不足两分钟内颠倒过来。,1.7.5.2 柱筒式平台,锚泊系统：这是一个绷紧的悬链系统，它在每个井口装置上为单柱平台提供定位，进行立管回接作业。立管本身是由套管组成的，套管靠位于中央井的浮力桶罐绷紧。这些桶罐提供不变的张紧力，并且有效地隔离了垂荡运动对立管的影响。中心井和单柱平台船体还保护立管免

37、受波浪和潮流力的作用，作用在立管上的力只由水平和垂直摩擦产生，这些力在中心井和龙骨处在立管导轨上被转移。在立管脱离平台船体的位置，龙骨的运动很小，对立管产生的动力效应也很小，这种优良的载荷条件允许立管使用比较便宜的套管接头。在存在高局部弯曲载荷的龙骨处，有特殊要求，需用一个特殊的龙骨接头适应这些载荷。还要求这个接头耐磨，因为平台船体相对于立管作垂荡运动。,1.7.5.2 柱筒式平台,Spar的主要优点如下：1、可支持水上干式采油树，可直接进行井口作业，便于维修，井口立管可由自成一体的浮筒或顶部液压张力设备支撑。2、升沉运动和TLP相比大的多。但和半潜或钻井船相比仍很小。平台的重心通常较低，这样

38、运动相对减小。3、对上部结构的敏感性相对较小。通常上部结构的增加会导致主体部分的增加。但对锚泊系统的影响不敏感。4、机动性较大。通过调节系泊系统，可在一定范围内移动进行钻井，重新定位较容易。5、对特别深的水域，造价上比张力腿平台有明显优势。6、造价低，便于安装，可重复使用，对边际油田比较适用。,1.7.5.2 柱筒式平台,表1.6 传统Spar的构造资料,7、它的柱体内部可以储油，它的大吃水形成对立管的良好保护，同时其运动响应对水深变化不敏感，更适宜于在深水域应用。由于不需要另外的浮式储油系统，将生产和储油合在一个平台，这种平台特别适合于孤立油田的开发。下表为传统Spar的构造资料。,1.7.

39、5.2 柱筒式平台,桁架式 Spar(Truss Spar)是第二代Spar采油平台，它对第一代Spar的主体结构进行了改进。,图1.23 Truss Spar结构示意图,（b）TRUSS SPAR的总体结构和特点,Truss Spar的主体分为三部分：1）封闭式主体主要负责提供浮力，浮舱、可变压载舱等都位于其中；2）中段的开放式主体为桁架结构，采用垂荡板分为数层；3）底部压载舱则主要负责提供压载，平台的稳定性由垂荡板和底部压载舱提供。,位于主体上部的硬舱与Classic Spar平台一样，都是封闭式圆柱体结构；平台主体的中段采用了开放式桁架结构，取代Classic Spar平台的封闭中段；位

40、于主体下部的是底部压载舱。因为Truss Spar将主体中段改成了开放式桁架结构，所以不具有石油储藏能力。,1.7.5.2 柱筒式平台,Truss Spar的桁架部分组成隔舱，隔舱由甲板隔开，甲板有效的限制了升沉方向隔舱内的水，甲板还可以延伸到排水船体周边以外，这将导致升沉粘性阻尼的极大增加。因而，尽管排水船体吃水较浅，升沉响应胜过深吃水“经典”单柱平台，即使在较低的总吃水下也是如此。因而，Truss Spar对于浮式生产，即使在使用深吃水单圆柱平台不实际的较浅水域，也是一种潜在的选择方式。Truss Spar是目前发展最为活跃的Spar海上采油平台，这种平台主体的一部分由以前的圆柱型变为桁架

41、结构，在架下部加以压载，当平台的储油能力要求不高时，这种结构更轻，运动性能和稳定性更好，更为经济有效。下表列出了目前世界上所有Truss Spar平台的构造资料。,1.7.5.2 柱筒式平台,表1.7 Truss Spar平台的构造资料,1.7.5.2 柱筒式平台,Spar采油平台以其结构上的优势在世界深海采油领域获得了极大的发展，创造了良好的经济效益。为了克服其体积庞大，造价昂贵，对建造船坞的要求很高，且不易安装的缺点，2004年，设计了第三代多柱筒Spar(Cell Spar)采油平台。,图1.24 Cell Spar平台主体示意图,（c）Cell Spar的总体结构和特点,Cell Sp

42、ar的主要改进点仍集中在主体结构上，平台主体也可以分为上部硬舱、中段和软舱三个部分，但是它采用了一种组合式主体构造，取代了Spar平台传统的单圆柱主体结构。,Cell Spar平台的主体是由若干个小型的、中空的圆柱形主体组成的。这些分段式主体可以在不同的地点独立建造，然后再组装起来形成完整的Cell Spar平台主体。组装时，以一个小型圆柱体作为中心，将其他的圆柱体环绕捆绑在该中心圆柱体上，从而形成一个蜂巢形的主体结构。,1.7.5.2 柱筒式平台,Cell Spar每一个圆柱形主体组件的直径都相同，但是长度不一样，可以分为长组件和短组件两类。各圆柱体组件以顶部为基准对齐，并采用钢架结构固定组

43、装在一起，位于主体中央的是一个短圆柱体，其他的圆柱体组件构成了主体的外围。从主体顶甲板至短圆柱体分布的底甲板之间的部分是硬舱，平台的固定浮舱和可变压载舱都位于这一部分。在硬舱以下直至软舱顶甲板是平台主体的中段部分，中段是由数根处于主体外围的长圆柱体组件组成的。这几根长圆柱体组件向下一直延伸到平台主体的底部，并在它们的下端与软舱的外沿固定，充当了刚性连接硬舱和软舱的支撑腿。各支撑腿之间采用数层垂荡板结构连接起来，一方面满足了主体自身强度的要求，另一方面还增加了平台的附加质量，降低了垂荡运动的固有周期。另外，主体的硬舱和中段支撑腿上都安装了螺旋形侧板结构，目的是减少涡流对平台运动的影响。平台的软舱

44、位于主体的底部，与支撑腿连接，平台的固定压载舱位于这一部分，其中安装了固体永久压载物以提高平台的稳定性。,1.7.5.2 柱筒式平台,因为结构上的改进，Cell Spar拥有比Classic Spar和Truss Spar更小、更轻的主体结构，从而进一步降低了Spar的造价和安装运输费用。并且由于Cell Spar平台的主体是分为数部分各自建造，每一个圆柱形主体的体积都不是过于庞大，对造船场所的要求不是太高，这就使生产商在选择Cell Spar主体建造地点时具有更大的灵活性，可以大大降低平台的整体造价。下表为这座平台的特征资料。,1.7.5.3 张力腿平台,1984年，第一座实用化TLP在北海

45、Hutton油田建成之后，TLP在生产领域的应用越来越普遍，技术得到了迅速发展。图1.25为TLP按照建成时间和水深列的图表，借助此图表可以大致了解世界TLP的发展状况。,图1.25 张力腿平台的发展历程,1.7.5.3 张力腿平台,张力腿平台（TLP）是一种竖直系泊的顺应式平台，它由上部组块、浮体、张力腿、顶张力井口立管、悬链线立管（外输/输入）和桩基础构成。浮体的作用是保持足够的浮力使张力腿一直处于伸张状态，并能支撑上部组块和立管的重量。张力腿的作用是把浮式平台拉紧固定在海底的桩基础上，使平台结构在竖直方向上受到约束，从而消除了在竖直方向（升沉）和旋转方向（纵摇和横摇）的运动。它在水平方向

46、上是顺应的，允许侧向运动（纵荡和横荡），使平台在环境力作用下的运动保持在允许的范围内。,张力腿平台有四种型式：1）传统式(Classic)2）海之星(Seastar)3）摩西(MOSES)4）延伸式(ETLP)张力腿平台右图为张力腿平台的示意图,1.7.5.3 张力腿平台,传统式张力腿平台，应用时间长、分布范围广、占了平台总数的一半以上，并正朝着更大水深、更大吨位的方向发展。传统TLP结构和特点如下：,图1.26 Classic TLP结构示意图,一座典型的TLP的总体结构，布局一般都是矩形或三角形，平台上体位于水面以上，通过3根或4根立柱连接下体，立柱一般为圆柱形结构，是平台波浪力和海流力的

47、主要承受部件，主要作用是提供给平台本体必要的结构刚度。平台的浮力由立柱和位于水面之下的沉体浮箱提供。浮箱首尾与各立柱相接，形成环状结构。张力腿与立柱呈一一对应关系，每条张力腿由1-4根张力筋腱组成，上端固定在平台本体上，下端与海底基座模板相连，或是直接连接在桩基顶端。有时为了增加平台系统的侧向刚度，还会安装斜向系泊索系统，作为垂直张力腿系统的辅助。海底基础将平台固定入位，中央井位于平台上体，可以支持干树系统，生产立管通过中央井上与生产设备相接，下与海底油井相接。,1.7.5.3 张力腿平台,传统张力腿平台有许多优点：1、平台由张力腿固定于海底，运动很小，几乎没有竖向位移和转动，整个结构很平稳。

48、2、可以使用“干式采油树”，使钻井、完井、修井等作业和井口操作变得简单，且便于维修。由于平台的位移很小，可以从平台上直接钻井和直接在甲板上进行采油作业。3、由于在水面以上进行作业，降低了采油作业费用。4、简化了钢悬链线立管（SCR）的连接。平台运动的减少相应地对疲劳的要求降低，这对SCR的连接起到了很大的帮助。5、能同时具有顶张力井口立管和悬链线立管。6、实践证明其技术成熟，可应用于大型和小型油气田，水深也可从几百米到二千米左右。张力腿平台显著缺点是：对重量很敏感，因而可能对适应重型的有效负荷具有限制性。,1.7.5.3 张力腿平台,表1.8为部分传统型TLP本体结构列表，从中可了解这类平台的

49、基本情况。,表1.8(a)部分传统式TLP本体结构一览表,1.7.5.3 张力腿平台,表1.8(b)部分传统型TLP张力腿及基础结构一览表,1.7.5.4 最小型张力腿平台：海之星和摩西,最小型张力腿（MiniTLP）不是一种简单缩小化的传统TLP，它是由底部的大基座和数根立柱组成，张力腿连接到基座上，浮力主要由基座提供。它通过对平台上体、立柱以及张力腿系统进行结构上的改进，从而达到优化各项参数、以更小吨位获得更大有效载荷的目标，主要特点是动力响应性能好。由于立柱的水切面较小，自由浮动时的稳定性受到一定限制。,目前，世界上出现的Mini-TLP主要有两大系列：1）由Atlantia公司设计的S

50、eaStar TLP系列2）由MODEC公司设计的MOSES TLP 系列,Mini-TLP体积小、造价低、灵活性好、受环境载荷的影响也较传统TLP要小，非常适合于开发中小油田。,1.7.5.4 最小型张力腿平台：海之星和摩西,SeaStar TLP是最早按照Mini-TLP概念设计的张力腿平台。经过多年的生产实践，被公认为是一种安全、可靠、稳定、经济的张力腿平台形式，并已形成了一个完整的系列，其技术已经趋于成熟。,SeaStar TLP打破了传统TLP的三柱或四柱式结构，其主体采用了一种非常独特的单柱式设计，这一圆柱体结构称为中央柱，中央柱穿过水平面，上端支撑平台甲板，在接近下端的部位，通过