深海工程专题

深海工程专题0图片：图片：海洋覆盖着地球3/4的面积，深海底蕴藏着丰富的油气资源，它已成为21世纪人类最重要的能源基础之一。世界海洋石油发展的总趋势是走向深水，目前深水大型油气田达50多个，包括200多座深水平台设施、1000多套水下装置、1.2万千米的深海管道等设施，深水油田产能已达350万桶/天。深水技术的发展不断刷新世界深海作业的最新水平：钻井作业水深达3050米，海底管道铺设水深达2150米，已投产油田作业水深达2192米。深水油气田的开发正在成为世界石油工业的主要增长点和世界科技创新的热点。我国的南海有着丰富的油气资源，被称为世界四大油气聚集地之一，石油地质储量约占我国油气资源总量的1/3，其中70%蕴藏于深水。它是我国海洋石油可持续发展的最有前景的区域。随着我国对南海北部大陆架地球物理勘探的进行，南海深水区块的国际招标以中、菲、越三方在南海争议区14.5万km2区域联合勘探协议的签署，深水油田开发的步伐将会大大加快。我国海洋石油目前的开发水平仅仅在200米水深范围，相对于开发深水油田的要求有着较大的差距，这就是我们面临的巨大挑战。本专题系统地介绍了世界上已建和在建的深海顺应式平台，即张力腿平台和Spar平台，分析它们的结构特点，设计、研究、建造及使用情况。分别对目前世界深海采油的主力军——张力腿平台（TLP）、Spar平台和浮式生产储油装置（FPSO）作了系统的、较全面的介绍，讲述其发展过程、主要特点、结构形式、设计建造、经济效益以及实施结果等。对2004年前全世界所有的21座TLP和13座Spar平台作了详细分析。对于浮式生产储油装置重点介绍其转塔和系泊设备以及我国浮式生产储油装置产业的发展。本专题主要参考了2005年天津大学出版社出版董艳秋著的《深海采油平台波浪载荷及响应》和2000年石油工业出版社出版张钧主编的《海洋采油工程手册》。专题文章：1、世界深海采油工程的发展2、张力腿平台的历史、现状和明天3、张力腿平台的结构形式和特点4.MiniTLP之WestSeno5.张力腿平台的工作原理及性能6.张力腿平台的分类世界深海采油工程的发展自1920年委内瑞拉在马开波湖上用木结构平台钻井以来，海上石油资源的开发至今已有80多年的历史。1947年在美国墨西哥湾建成世界第一座钢结构平台，50多年来海上油气的开发和利用越来越受到世界各国重视。20世纪60年代，以美国为首的许多西方国家为摆脱能源危机，纷纷投资开发近海石油。70年代形成近海石油的开发高潮。当时，30多个国家的近海石油产量达3.76亿吨。80年代，全世界从事海上油气勘探开发的国家和地区超过100个，其中40多个国家海上石油年产量达6.8亿吨，占陆海石油总产量32亿吨的21%。2004年海上石油产量约13.15亿吨，占世界石油总产量的34%。据统计，地球表面积约为5.11亿km2，海洋占70.9%，约占人类生活空间的2/3。海洋平均深度为3730m，深度为3000～6000m的海域约占海洋总面积的73.8%；水深小于200m的大陆架仅占海洋总面积的7.49%。由此可见，人类从深海开发油气是今后长时期发展的必然趋势。随着海上油气开发逐渐向深海推进，传统的移动平台（如钻井船、半潜式平台）由于在海浪作用下，其运动性能难以满足深水作业的要求而受到挑战。固定式导管架平台和重力式平台随水深增加其自重和工程造价大幅度上升，因此亦不能适应深海油气开发的需要。人类从20世纪50年代开始探索深海采油新型平台，顺应式平台（compliantplatform）的概念随之被提出。经过许多实验和探索，1984年在英国北海建造了世界上第一座张力腿平台（简称TLP）即Hutton平台，它位于水深157m处。这标志着深水采油张力腿平台技术完全成熟。事实上，该平台的设计、施工以及建成后实际监测都为以后的张力腿平台的建造提供了丰富的资料。20世纪以来世界上已建成传统形式的张力腿平台11座，水深从三百米到一千多米，除一座为混凝土材料外，均为钢结构。其基础形式不仅保留桩基而且还采用了裙式重力基础。90年代以来，张力腿平台的形式有了很大的改进。现在已形成三大系列，即SeaStars系列、MOSES系列和ETLP系列。所谓SeaStarsTLP指的是1992年由Atlantia公司提出的单柱式简易小型平台设计方案，在墨西哥湾已建成4座；MOSES是MinimumOffshoreSurfaceEquipmentStructure的简称，这种Mini-TLP的概念是由美国海洋工程师协会主席PeterWybro博士提出的。其主体受波浪力的作用小，改善了平台的运动特性，可在300m到1800m处工作。这种类型平台在墨西哥湾已建成2座。ETLP是延伸式张力腿平台（ExtendedTensionLegPlatform）的缩写，目前在西非安哥拉Kizomaba油田建设这样的平台2座。至今为止，世界上已建和正建的张力腿平台共21座，其中在北海有3座、墨西哥湾有14座、东南亚有2座、西非有2座。与此同时，另一种深水采油平台Spar平台亦于1987年由EdwardE.Horton设计。它具有钻探、钻井、完井和采油、储油多种功能，亦可设计成井口平台与浮式生产储油装置（FPSO）配合使用。1997年世界上第一座Spar平台Neptune建成投产，短短几年中，它的结构产生了一些变化。人们将2001年提出的桁架式结构形式的平台称为第二代Spar平台或称为TrussSpar平台。最近，又出现主体采用蜂巢结构形式的平台，称为第三代Spar平台或称为CellSpar平台。目前这种类型平台世界上已建和在建的共13座。Spar平台是继张力腿平台之后的第二主力深水采油平台，已经受到人们的普遍青睐。值得提出的是，在深海油气开发过程中，各种浮式生产储油装置（FPSO）亦在发挥着重要作用。它与井口平台一起完成海上石油生产任务。我国海底油气资源丰富，主要集中在渤海、黄海、东海以及南海北部。大陆架勘探预计石油资源为275.3亿吨，天然气资源为10.6亿m3。目前发现率仅为18.5%和9.2%，尚具有很大潜力。2003年，中国海洋石油总公司国内外油气总产量达3336万吨油当量，其中国内产量2601万吨，海外权益产量735.4万吨。根据有关部门发布的数据表明，2003年海洋石油产量2090万吨，比上年增长4.2%，占全国石油总产量的13%。2004年海洋石油产量增长至4000万吨。随着我国国民经济的快速增长，能源需求量越来越大。因此，我国在加快近海油气开发的同时，向深海采油发展已势在必行。张力腿平台的结构形式和特点张力腿平台是一种垂直系泊的顺应式平台，在20多年的实践中不断发展，已形成了一种典型的结构形式。它一般由五大部分组成，分别是平台上体、立柱（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、立柱及下体并称为平台本体。下面，以第一代张力腿平台AugerTensionLegPlatform为例，简要地介绍张力腿平台的总体结构。图1AugerTLP平台总体示意图图1是一座第一代张力腿平台的总体结构示意图。这种张力腿平台的布局俯视一般都呈矩形或三角形，平台上体位于水面以上，通过4根或3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以下的下体浮箱提供。浮箱首尾与各立柱相接，形成环状结构。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。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。有时候为了增加平台系统的侧向刚度，还会安装侧向系泊索系统，作为垂直张力腿系统的辅助。海底基础将平台固定入位，主要有桩基或是吸力式基础两种形式。中央井道位于平台本体的中心，可以支持干树系统，生产立管通过中央井道上与生产设备相接，下与海底油井相接。从结构特点看，张力腿平台就像一个倒置的钟摆，是一个刚性系统和弹性系统两者综合的复杂非线性动力系统。张力腿平台的分类目前世界上在建和在役的张力腿平台共有21座，这些张力腿平台的基本工作原理一致，但是结构形式以及应用方式却各不相同，为了清楚地区分它们，以下从三个方面对这21座张力腿平台进行分类，在以后的文章中将从每类中选出数个平台做详尽的图文介绍。一、按照总体结构分类可以分为两个大类，即第一代张力腿平台和第二代张力腿平台；详见第二页。二、按照采油树位置不同分类可以划分为湿树平台和干树平台两大类；详见第三页。三、按照功能和应用方式分类可以分为大载荷张力腿平台、迷你型张力腿平台、井口张力腿平台三大类；详见第四页。一、按照总体结构分类从1984年至今的20年时间里，对张力腿平台结构形式的优化一直是人们关注的热点问题。为了进一步降低张力腿平台的成本，提高其适应性、稳定性和安全性，全世界的研究机构和石油公司不断提出新形式的张力腿平台，并将其投入实际生产领域进行检验，从而形成了多种多样的张力腿平台家族。根据张力腿平台结构形式进化的阶段，大致可将它们分为两个大类，即第一代张力腿平台和第二代张力腿平台。第一代张力腿平台是最早出现的张力腿平台，也是当今世界上数量最多的张力腿平台，目前在役和在建的平台共12座，占世界张力腿平台总数的一半以上，而且仍在不断发展壮大。第一代张力腿平台的总体结构形式已经在前面介绍过了，在此不再赘述。为了将它与此后发展起来的其他结构形式的张力腿平台相区别，又将其称为传统类型的张力腿平台。自1984年以来，传统类型的张力腿平台在生产实践中不断发展，其理论研究和工程应用已经趋于成熟。20世纪80年代Hutton和Jolliet平台的生产应用，为传统张力腿平台提供了丰富的数据积累和优良的工作记录。进入90年代以来，传统类型的张力腿平台继续飞速发展，SnorreTLP和HeidrunTLP分别于1992年和1995年相继建成，使北海的张力腿平台数量达到了3座；从1994年到2001年，Shell石油公司又在墨西哥湾连续制造了5座传统类型的张力腿平台，分别是AugerTLP、MarsTLP、RamPowellTLP、UrsaTLP和BrutusTLP；1999年，BP也建成了该公司的第一座张力腿平台MalinTLP；2003年，Unocal公司在印度尼西亚的加里曼丹岛以东海域建成了WestSenoTLP，从而首次将张力腿平台引入到亚洲海域。这些张力腿平台保持着张力腿平台工作性能的多项世界纪录，其中，HeidrunTLP的排水量达到290310t，是世界现役的张力腿平台中吨位最大的一座；SnorreTLP日产石油190000桶（1桶=158.9873dm3）、天然气3.2×106m3，保持张力腿平台生产能力的世界纪录；而UrsaTLP的工作水深则突破了千米大关，至2004年仍保持着张力腿平台工作水深的世界纪录。属于第一代张力腿平台的有Hutton、Jolliet、SnorreA、Auger、Heidrun、Mars、Ram、Powell、Ursa、Marlin、Brutus、WestSenoA和WestSenoB。第二代张力腿平台出现于20世纪90年代初期，它是在第一代张力腿平台的基础上发展起来的。第二代张力腿平台在继承传统类型张力腿平台优良运动性能和良好经济效益的同时，对结构形式进行了优化改进，使张力腿平台更适合于深海环境，并且降低了建造成本。世界海洋工程界发展第二代张力腿平台的积极性很高，各大公司纷纷提出了种类繁多的平台设计方案。总的来说，目前投入生产实践的第二代张力腿平台共分为三大系列，分别是由Atlantia公司设计的SeaStar系列张力腿平台、由MODEC公司设计的MOSES系列张力腿平台以及由ABB公司设计的延伸式张力腿平台（简称ETLP）。关于这些第二代张力腿平台的结构形式和特点，将在以后的章节中详细介绍。属于第二代张力腿平台的有：SeaStar、TLP、MOSESTLP、ETLP、Morpeth、Al