SPAR研究现状及发展展望

SPAR研究现状及发展展望随着陆上石油资源日趋枯竭,海洋石油成为人类重要的能源来源之一,已探明的海洋石油储量80%上在水深500m以内,除了少数海域外,大部分地区的近海油气资源已日趋减少,向深海开发油气已成必然趋势,深海平台技术也成为国际海洋工程界的一个热点。许多新型适应深海海洋环境的平台结构不断涌现,如顺应式平台、张力腿平台、浮式生产储油装置、Spar平台等。Spar平台由于其灵活性好、建造成本相对较低、运动性能优良,在各种深海采油平台中脱颖而出。南海海域是世界四大油气聚集地之一,石油可采量约为100亿t,占我国油气资源总量的1/3,而其中70%蕴藏于深水。我国海洋石油目前的开发水深仅仅在200m水深范围,深海平台技术与先进国家存在较大差距。目前我国正积极致力于适宜南海环境的深海采油平台结构的研究,由于南海环境与墨西哥环境的相似,以及Spar平台在墨西哥湾的成功应用,Spar平台成为南海深海采油平台首选形式之一。1Spar平台简介1.1Spar平台发展回顾当前世界上在役和在建的Spar平台可分为三代，按其发展的时间顺序排列分别是：ClassicSpar、TrussSpar和CellSpar。Spar平台在1987年之前被作为浮标、海洋科研站、海上通信中转站、海上装卸和仓储中心等辅助系统使用。1987年EdwardE.Horton设计了一种特别适合深水作业环境Spar平台,被公认为现代Spar生产平台的鼻祖。1996年,KerrOMcGee公司的NeptuneClassicSpar（经典式）建成并投产,完成了Spar从设计构思向实际生产的转变。随后在1998年和1999年GenesisClassicSpar和HooverClassicSpar相继建成投产。2001年,ClassicSparDeepOilTechnology(DOT)公司和SparInternational经过大量研究工作,提出桁架式Spar——TrussSpar（构架式）的概念,并应用于Nansen/Boomvang油田。由于采取了开放式构架结构，使得TrussSpar的主体受力面积大大减少，从而减小了平台在相应方向上的运动响应；开放式主体上水平设置的垂荡板结构也大大提高了平台的稳定性，它不但能够提供一定的压载重量，而且当平台发生垂荡运动的时候，垂荡板与上下面的海水作用，产生很大的阻力，抵消了大部分由于波浪和海流产生的垂荡力，从而限制了平台的垂荡运动。由此，解决了ClassicSpar由于其主体尺寸较大、有效载荷能力不高、平台建造成本较大等问题。其主要采用开放式桁架结构代替ClassicSpar中段部分,其间分层设置减少平台波浪运动的垂荡板(heaveplate),与ClassicSpar相比,TrussSpar的最大优势在于其钢材用量大大降低,从而能有效地控制建造费用,因此得到广泛的应用。由于ClassicSpar和TrussSpar平台主体体积庞大,对主体建造场地要求较高,使得主体均在欧洲和亚洲造船发达国家制造,然后用特种船舶运输到作业海域进行组装,因此运费昂贵,且安装困难。2004年EdwardE.Horton设计了新一代（第三代）的多柱式Spar——CellSpar(蜂巢式),并成功应用到RedHawk油田。此种Spar的主体由若干个小型中空等直径的圆柱体捆绑组成,每个单独圆柱体的体积相对较小,对建造场所要求不高,而且便于多方协同建造,由于单个柱体体积相对较小,便于运输到平台作业海域组装，而且这就使生产商在选择Spar主体建造地点时具有了更大的灵活性，可以大大降低平台的整体造价。综上所述,目前Spar平台已经发展了3代,共14座平台。1.2Spar平台展望(1)作业水深不断增加上表显示,第一座Spar平台——NeptuneSpar的作业水深只有588m,此后Spar平台的应用水深不断增加,到目前为止,DevilsTower的应用最深达到1710m。(2)形式逐渐多样化Spar平台已经发展了3代,目前各国正在积极开展适应本国深海油田地理条件和环境条件的新型结构形式的研究。近期,美国NovellentLLC公司与上海交通大学海洋工程国家重点实验室合作,对该公司设计的一种Spar平台形式——几何形Spar(GeometricSpar,G-spar)概念进行了模型试验研究。(3)应用地域不断扩大近年来,Amoco石油公司、大不列颠石油联合公司(BP)、Texaco公司及世界其它石油工业巨头都在积极地开展对Spar平台技术的研究论证,以期在不久的将来把Spar采油平台应用到英国的西舍德兰群岛、挪威的北海油田以及西非的安哥拉沿海和南美巴西沿海。我国的科研工作者正在致力于深海平台的研究,不久在中国南海也将出现类似于Spar平台的深海作业平台。2Spar平台结构组成2.1顶部甲板模块Spar平台甲板模块通常由两层至四层矩形甲板结构组成,用来进行钻探、油井维修、产品处理或其它组合作业,井口布置在中部。一般设有油气处理设备、生活区、直升机甲板以及公共设施等,根据作业要求,也可在顶层甲板上安装重型或轻型钻塔以完成平台的钻探、完井和修井作业。2.2主体结构平台主体提供主要浮力,并保证平台作业安全。从上到下主要分为硬舱、中段、软舱(见图)。硬舱是一个大直径的圆柱体结构,中央井贯穿其中,设置固定浮舱和可变压载舱,为平台提供大部分浮力,并对平台浮态进行调整。中段为桁架结构,在桁架结构中设置两至四层垂挡板,增加平台的附加质量和附加阻尼,减少平台在波浪中的运动,提高稳性。软舱主要设置固定压载舱,降低平台重心,同时为Spar平台“自行竖立”过程提供扶正力矩。此外,主体外壳上还安装两至三列螺旋侧板结构,减少平台的涡激振动,改善平台在涡流中的性能。2.3立管系统Spar的立管系统主要由生产立管、钻探立管、输出立管以及输送管线等部分组成。由于Spar的垂荡运动很小,可以支持顶端张紧立管(TTR),每个立管通过自带的浮力罐或甲板上的张紧器提供张力支持。浮力罐从接近水表面一直延伸到水下一定深度,甚至超出硬舱底部。在中心井内部,由弹簧导向承座提供这些浮罐的横向支持。柔性海底管线(包括柔性输出立管),可以附着在Spar的硬舱和软舱的外部,也可以通过导向管拉进桁架内部,继而进入到硬舱的中心井中。由于立管系统位于中央井内,因此在主体的屏障作用下不受表面波和海流的影响。2.4系泊系统系泊系统采用的是半张紧悬链线系泊系统,下桩点在水平距离上远离平台主体,由多条系泊索组成的缆索系统覆盖了很宽阔的区域。系泊索包括海底桩链,锚链为钢缆或聚酯纤维组成。导缆器安装在平台主体重心附近的外壁上,目的是减少系泊索的动力载荷。起链机是对系泊系统进行操控的重要设备,分为数组,分布在主体顶甲板边缘的各个方向上,锚所承受的上拔载荷由打桩或负压法安装的吸力锚来承担。3Spar平台与张力腿平台(TLP)比较(1)运动特性Spar平台的垂荡板使平台的附加质量增大,同时水线面面积相对较小,其垂荡周期在30s左右,在常见的海况中仍然有很好的运动性能。由于张力腿钢筋束的约束作用,其垂荡周期很小,仅2～3s,基本上没有垂荡运动。Spar平台采用半张紧装置使其水平刚度比TLP大,位置漂移比TLP要小。Spar平台纵横摇运动与TLP相比较大,其固有周期为50～100s,TLP由于张力腿提供很大刚度,其纵横摇运动很小,固有周期小于4s。(2)稳定性Spar平台的重心远远低于浮心,因此,其具有无条件稳定性。由于Spar不是从系泊系统获得稳性,即使系泊系统失效,也不会倾覆,因此,其在所有安装阶段都是稳定的。(3)灵活性Spar平台由于采用半张紧悬链线系泊索动态定位,十分便于拖航和安装,可重复使用,适宜边际油田,同时可以通过调节系泊索的长度使平台进行一定范围内的移动,便于重新定位。TLP是通过张力腿系统锚固定在地基基础上来定位,重新定位困难。(4)经济性Spar平台采用系泊索固定,其造价不会随着水深的增加而急剧提高,而TLP在深海领域,由于张力腿系统自重过大以及基础的设计安装难度较大,导致成本增加。如HornMountainTrussSpar工作水深1646m,总体造价为6亿美元,而Shell石油公司在910m水深重建成的BrutusTLP项目,耗资7.5亿美元。由此可见,Spar平台的价格优势明显。4Spar平台总体设计中的几点考虑4.1顶部甲板模块质量控制及设备布置顶部甲板模块质量减小相应地会减少主体底部压载量,进而减少平台总排水量、系泊载荷,从而减小主体尺寸、系泊索尺寸及降低平台造价,因此在进行顶部模块设计时应尽量减小顶部模块的质量。甲板上设备的布置要满足安全和工艺流程的前提下,尽量布置紧密,以减小甲板尺寸、平台质量和降低造价。4.2主体尺寸确定及舱室划分以TrussSpar为例,主体尺寸包括圆柱体直径、硬舱、中段、软舱的高度、垂荡板层数及间距等。主体尺寸确定及舱室划分主要考虑以下因素:①提供足够的浮力;②具备足够的静稳性,即GM值;③垂荡板的层数和间距保证平台具有较好的垂荡性能;④具备足够的回复力;⑤具有足够的干舷,减少波浪对甲板的抨击作用;⑥软舱的高度保证平台在扶正过程中具有足够的回复力矩;⑦具有良好的抗沉性;⑧中央井面积。在总体设计的初始阶段可以参照现有平台的参数进行确定,据统计,主体直径为20m左右,长度为160m左右,干舷为15m左右,硬舱约为总长的一半,设置2～4层的垂荡板,其间距为20m左右,软舱高度根据压载量确定。4.3立管形式的选择及布置Spar平台立管系统设计中的主要问题是中央井内立管的布置形式及其之间的间距,中央井的尺寸由立管的数目决定,立管一般采用3×3、4×4,或5×5的布置形式,立管之间的间隙随工作水深的增大而变大,经统计,一般规律为:水深h2000ft时,间隙为10″;h4000ft时,间隙为12″;h6000ft时,间隙为14″。4.4系泊系泊材料的选择及布置系泊系统设计中涉及到材料的选择和布置两个问题。Spar平台缆索主要有钢丝绳和聚酯纤维两种。相比较而言,聚酯纤维具有减轻系泊系统重量、提高有效载荷、降低平台造价的优点,但是其成本较高,只有在水深超过1500m才具有价格优势。Spar平台系泊索主要采用群组式布置,一般有2×3、3×3、4×4的形式,其中3×3形式由于其材料最省、120°的夹角定位具有很大的空间,可设置多根立管,得到广泛应用。此外也可根据平台实际的作业环境条件,在某些方向上增加或减少系泊索的数目。5中国南海应用前景分析素有“第二个波斯湾”之称的南中国海被列为中国十大油气战略选区之一,数据显示,南海有含油气构造200多个,油气田180个。仅在曾母盆地、沙巴盆地、万安盆地的石油总储量就将近200亿t,据估计,南海的石油总储量为230～300亿t,开发潜力巨大。专家预测,南海油气资源可开发价值超过20万亿元人民币。在未来20年内只要开发30%,每年可为中国GDP增长贡献1～2个百分点。目前,国土资源部等有关部门已经在南海南部的14个主要盆地进行了油气资源评价。南海的主要含油气构造位于500～2000m水深的海域,而Spar平台适用的水深为600～3000m,适合南海的深水开发。而且,Spar平台的运动稳定性好,其垂荡运动小可与张力腿平台媲美,其二阶慢漂运动远远小于半潜式平台。此外,南海的海洋环境恶劣,台风频发,平台的动力稳定性显得尤为重要。国外的开发经验表明,半潜式平台和张力腿平台均有失稳倾覆的先例,唯有Spar平台还没有这样的先例。而且,南海的风浪周期和涌浪周期一般为4～9s,最大为23s左右。而典型的Spar平台纵荡周期为160s,纵摇周期为60s,因此,与波浪的周期相差较远。南海的风海流和密度流的流速一般为0.1～0.2m/s,广东东部沿岸流速最大,可达0.25～0.4m/s。如果Spar平台的有效直径按30m计算,则涡泄周期分别为750s和375s,与Spar平台的纵荡周期160s相差甚远。因此,只要能够针对南海特殊的海洋环境条件开发出合理的Spar平台结构,Spar平台就能够在