深海平台技术的研究现状与发展趋势
( h' n, A d) _: {（一）背景知识$ @# N7 Z1 O! B% T8 b
随着地球陆地上化石燃料煤、石油和天然气的日益浅少，人们把目光转向了海洋。如大阳、月球引力作用形成的潮汐能、深海中的锰结核都有很好的发展前景。近些年探明海底“可燃冰”储量极其丰富，且其开发技术亦日趋成熟。+ d; U B7 x9 r$ k# i+ O8 K
目前已探明的世界海洋石油储量的 80%以上在水深 500m 以内 , 而全部海洋面积的 90%以上水深在 200～6000m 之间 , 因而大量的海域面积有待探明。此外 , 世界上除了少数海域以外 , 大部分地区的近海油气资源已日趋减少 , 向深海发展已成必然趋势 , 深海平台技术已成为国际海洋工程界的一个热点 , 进行了大量的研究 , 新的深海平台结构不断涌现。世界上主要海洋国家 ,诸如美国、英国、法国、日本、韩国、加拿大、澳大利亚等 ,相继制定了“国家海洋发展战略” ,提出了“海洋是能源之源、立国之本”、“保证海洋的可持续发展” 等政策。
2 I3 x0 j" `$ f( R. ]/ {我国拥有 300 万 km2 的海疆 , 深海油气资源以及其他海洋资源储
( o3 p% ~" y* P) ^& _$ u; o量十分丰富。然而 , 目前我们国家海洋油气资源的开发主要是在200m
& J& h2 P# m ]4 i4 E& e水深以下的海域 , 深海平台技术的开发研究尚处于起步阶段。在3 O5 p0 D/ S9 T: w) _
面临世界各国对人类共同拥有的深海资源激烈竞争的形势下,我们必须高度重视对深海平台技术的研究与发展，密切关注国际上深海平台设计与建造技术的发展，开展相应的研究工作，并力争参与到国际深海平的设计建造中去，已逐步掌握国外先进的技术水平，这对我国未来深海资源的开发和我国海洋工程事业的发展都具有重要意义。
{% b5 f3 Q! k$ U2 } ( 二) 国外深海平台技术的研究现状$ \+ e* O3 |% \4 ~! u: Y0 r: a
1、张力腿平台
' z4 x1 H5 H: Z" B6 s2 Q1984 年世界上第一座张力腿平台由 CONOCO公司建造 , 并正式安装在欧洲北海的 Hutton 油田。此后，张力腿平台获得了迅速发展。最近投入使用的 URSA 张力腿* w. [) n) B0 I6 @% D& O. l
平台的工作水深已达 1250m。目前海洋工程界正不断对张力腿平台的新型式进行探索 , 以适应不同海上作业条件要求。例如浮力塔平台技术的研究。
* S2 I5 q. g- g( U这种平台具有以下特点 : （1）将平台的浮体置于水面以下超过150 英尺 , 使( ?9 M& U6 \/ N. r
得平台在升沉方向的大部分流体动力和95% 的纵荡的流体动力被消除; (2) 通过调整压载使整个平台的重心位于浮心之下, 以保证平台有足够的稳性; (3)采用2 J: u, R. ]0 r8 w; r) x5 s0 n
垂直的拉索和斜拉索组合的系泊系统, 以提高平台在台风和循环海流作用下的系
) _) p& N) a; }泊有效性和系泊系统安全性; (4) 平台在六个自由度上的固有周期均大于30s, 从
! {, `& I5 S% {! n而可避开波浪能量集中的频率范围; (5)浮体的底部面积很大,有利于平台浅水/ O% T& b, v/ l! h# K" w
拖航或用重大件潜水起重船进行干运; (6) 平台 ( 包括大型浮体、垂直桁架和甲板 ) `0 }5 R6 V" v8 R$ p3 u' Y) ~
可整体建造、运输和安装。$ {( M! X/ F9 a, j) u2 j- e u
浮力塔平台虽然只是处于概念研究阶段, 但它综合了自升式平台和张力腿平台的优点 , 不失为一种很好的概念。这种平台的浮力舱置于水下, 浮力舱上竖立的
F' P4 r1 q2 g0 N( F2 ]空间刚架支撑着平台甲板及其上的设备, 浮力舱下端用四组钢管张力腿将平台固3 B+ M$ T: X& O
定于海底 , 张力腿与海底的连接用筒型基础( 吸力锚 ) 。通过理论与试验研究表明,这种平台具有良好的运动性能, 完全能满足海上油气开发对平台运动的要求,将- \1 @' s! T+ w k7 r7 @8 }" M
是中深水边际油田开发的一种很好的平台形式。" r/ }$ y6 p2 Y- B( G
2、单柱式 (Spar)生产平台
# p! }3 d2 k% c* i作为运输中转装置,单柱式生产平台技术在存储和卸载上的应用已有30多年的历史。 1987 年 , Edward E. Horton在柱形浮标(Spar)和张力腿平台概
/ e& W5 u; _9 Q) q% k念的基础上提出一种用于深水的生产平台,即单柱平台。1996年, Oryx能源公* n5 E5 w% i7 ^ j8 d* A
司委托 J. Ray McDermott公司在墨西哥建造安装了世界上第一座单柱生产平台,
: O5 V! \2 p4 d) h+ }: Q& G, s2 g5 G当地水深为 588m。近几年以来 , Chevron 公司和 Exxon公司又在该地区的 Genesis$ H; Y3 ~) b" _) L1 ~0 D! k& @
和 Diana 油田分别安装投产了两座单柱平台 , 当地水深分别为 789m 和 1311m。最
?$ i$ a& }' N4 s5 {/ @近 BP公司又委托 McDrmott、Alker 等公司共同设计建造五座桁架式单柱平台 (Truss
8 V0 Q1 a8 o6 }2 w5 O+ `$ Y; CSpar), 用于水深为 1220～ 1830m 的墨西哥湾海域。( E Y# C0 T- F% a2 w
这种平台主体的一部分由以前的圆柱型变为桁架结构 , 在架下部加以压载 , 当平
+ R, q% U$ k- j2 Z; I台的储油能力要求不高时 , 这种结构更轻、运动性能和稳性更好 , 更为经济有效。单
4 |+ s: L! K' s" C! V柱式平台的优点是造价低 , 便于安装 , 可以重复使用 , 因而对边际油田比较适用。另
9 u; v* z( F/ Q$ C" C外 , 它的柱体内部可以储油 , 它较大的吃水量形成对立管的良好保护 , 同时其运动响
: E) r0 x( L8 x: |1 Q [0 r$ W应对水深变化不敏感 , 更适宜于在深水海域应用。在西方 , 单柱平: R# _/ p" ~) R0 Z
台被认为是除张力腿平台之外的另一种适用于深水的海洋平台 , 有望在今后深海平$ |3 }, n9 b4 n. z( T
台技术发展中得到推广。
4 I8 V( C. t. N7 O0 i3、浮式生产系统
/ P' L9 k* {1 m: I% q& a, ?7 t; d9 f浮式生产系统已在巴西等海域成功用于深海油气资源开发。如巴西国家石油公% U7 k( z0 _0 U! {" O8 r
司的 Seillean 号采用动力定位 , 用于水深 1900m 的 Roncado 油田 , FPSO II 号采
/ l& K3 [9 b, `% N+ P用锚泊定位 , 用于水深 1400m 的 Marlim 油田。最近国外海洋工程界提出了浮式生
! ]& i' l( B! z# i6 F产钻井系统 (FPDSO)的新概念 , 即在浮式生产系统的基础上加上钻井的功
* @" `8 U- u) l6 L$ M+ A+ K能: 浮式生产系统 (FPSO) +张力腿钻井甲板 (TLD) 。该装置采用类似张力腿平台的3 z5 }; ~7 [0 d( G6 w, t; e7 G
技术用拉索将钻井甲板系于海底 , 甲板载荷则通过舷外的重块系统平衡 , 重块位于水6 S4 u6 x, t8 u& S( z& u
下 100m, 以避免波浪作用和减少摆动。# ]4 H+ N9 i7 h
该装置的优点是: （1）钻井甲板几乎没有升沉运动; （2）FPDSO船体的升沉、纵摇和横摇运动对钻井甲板没有影响 ; （3）没有吃水变化的限制 ; （ 4）采油树和防
4 c1 \: {. ]3 m" P6 C喷器可方便地放在钻井甲板上。4 P1 \1 d; S5 X! n. k: p) k9 l# t
这种装置分别于 1998 年 6 月和 2000 年 10 月在挪威的 Marintek 水池和荷兰的Marin 水池进行了模型试验 , 并于 2001 年 8 月对巴西 1200m 水深的海域进行了可1 M3 p5 M5 j, K* S
行性研究。主要的试验研究内容是 :FPDSO的运动和系泊系统的受力
5 N2 o4 Y' x1 P( 多点系泊 ); 张力腿钻井甲板 (T LD)与船体之间的间隙;立管和张力索的动载荷;
9 m% @) g: i" g& M1 l) Q: J; |8 Z在船体月池内的波浪升高限制。' R+ F1 h$ V1 Z) w
4、深水多功能半潜式平台6 }* s$ ]! G" `4 y# ~5 i: h p
表今年新建的部分半潜式钻井平台简况2 a5 \1 o, b0 G9 J9 t3 b
平台名称设计/制建造工作钻井平台尺最大可定位系统造年份水深m深度m度m*m变载荷t& b/ v, I' F! [+ U1 P$ E' D. {7 S! d+ \: r4 r
ENSCO DI Halter20002286 m9144m73.2 ×7256 t动力定位7500 1 T69. 5
4 E: K ]! J0 yMar ine Bingo19981524 m9144m36.3 ×5000 t牵引锚机7008000Kvae21. 8
& `' o6 W# { E-mer
/ x& s0 U" T: c1 `9 P" j7 P' YBingo Dalian19993000m110×7000 t8 点锚泊9000 1 -新船厂75×45
1 v. p- ^( k0 m4 \$ B. ]AMETT韩国大宇1999-1524m6096m75.9×3500 t动力定位-HYST ⅡTDIHalte200054. 5, u2 _$ [% m3 R- t5 F
SEDCO法国 DCN19991830~1070076.2×6600 t动力定位EXPRESS2590m m68. 9+ Z* w- h/ R/ _6 z
CAJUN新加坡 Pr20002590m1070076.2×6600 t动力定位 + EXPRESS omet m68. 98 点锚泊- c" T9 n7 U( M c! `) g% \; v+ d
STENA Kvaer-ne2001503m9144m77.1×3700 t动力定位DON rWamowHo67; D! W$ x# V6 w) c+ Q
sto-ck
( e% P) h( ~% A2 l( CWESTFUTUT RE||Hita19992438m1060081.7×5500 t动力定位–U RE||chizosen m69. 6
6 y3 _: v( b+ p3 M深水多功能半潜式平台的特点是 : (1)抗风浪能力强 ( 抗风 100～120 节, 波
_! b2 V+ t) N% c9 A高16～ 32m) ; (2) 甲板面积和可变载荷大 ( 达 8000t) ; (3) 适应水深范围广 ( 深达3000m) ;(4) 钻机能力强 ( 钻井深度 6000～ 10000m) ;(5) 具有多种作业功能 ( 钻1 ^: D* o" U. T3 y% m
井、生产、起重、铺管等 ) 。
: s2 C# H$ _, X, _* [/ n如表所示，近年以来国外新建的一批适用于深海作业的移动式钻井装置中,
+ E V- F- u, g/ _/ G: S! O, a7 O% g半潜式平台大部分的工作水深超过了1500m, 半数以上水深超过2000m。
# c; D8 V" `- \- g" y6 ~5 Z# M/ L （三）国内深海平台技术的研究现状
- S& t' l! I3 R* S3 z+ G& W0 Y我国深海平台开发装备技术在引进、消化、吸收、再创新以及国产化方面取得了长足进步。我国已具备自升式平台、座底式平台的设计、建造能力, 并且有国内外多个平台、船体的建造经验 , 现已成为浮式生产储油装置( FPSO) 的设计、制造和应用大国。
" Z5 |" e3 n; s) P- Z& z# u x我国 FPSO的数量与研制技术走在世界前列, 但其他海洋工程装置还是落后" Z# q1 a# e t7 _+ Z0 O( D
于世界先进水平20 多年。我国对张力腿平台也进行了有关的探索,例如上海交通大学对工作水深为200～ 1000m 的边际油田的轻型张力腿井口平台进行了可! k/ e; Y; r% H. I: \ T
行性研究 , 并在该校海洋工程国家重点实验室进行了模型试验。中国船舶科学研究中心、天津大学等单位也开展了张力腿平台的研究。另外 , 我国 1984 年自行设计制造了半潜式平台“勘探三号” , 成功地用于东海油气田的勘探开发 , 但此后的研制工作一直处于停顿状态 , 而国外半潜式平台却不断发展 , 据业内人士分析 , 目前国外出现的半潜式平台已属第五代 , 而“勘探三号”平台大约介于第 2 和第 3 代之间 , 可见差距之大。但总的来说 , 研究工作还处于初步阶段 , 有待进一步深入与提高。 E/ b1 `# ^8 }' y3 j
目前深海平台开发装备研制已进入新阶段 , 但是我国海洋油气资源的开发仍主要集中在 300 m 水深以内的近海海域 , 尚不具备超过 500 m深水作业的能力。尽管我国在一些比较先进的油气工程装备方面己实现国产化 , 但国内厂商还基本停留在结构件的制造上 , 相关配套技术滞后 , 关键设备和技术仍然掌握在国外厂商手里 , 严重制约着海洋油气的规模开发。目前完全依赖进口的设备有 : 钻井系统配套的水下防喷器及控制设备等 ; 自升式平台升降系统齿轮和齿条等 ; 平台 ( 船 ) 配套的柴油发电机组、电控系统 ; 大型吊机、船舶主机、主推进系统、轴系、前后侧推等。另外 , 绝大多数的海洋钻机的顶部驱动系统、铁钻工和管子排放系统也主要依赖进口。
4 O+ Q* Z: N* z- u（四）深海平台技术发展趋势
- ^. w. u( H. r, Q8 [) e从以上分析来看 , 张力腿平台、单柱式 (Spar) 生产平台、浮式生产系统、深
: E) `& e# g+ W" M2 K6 |水多功能半潜式平台等都是将来深海平台技术发展的热门方向。此外，目前研究的热点主要集中在下列几个方面:
7 Y& Q0 U" f1 z# q& B（ 1）新型平台型式研究海洋工程界对此作了大量的探索,主要是对平台的( k- a/ f+ b7 ?, ^3 `
运动特性、作业功能以及造价等关键问题进行优化 , 以寻求经济与技术的最佳结合点。
8 a+ R' _6 U2 ?* t( A( J/ i（ 2）非线性动力响应研究尤其是考虑流和粘性影响的低频慢漂响应, 高频响应中的二阶和频力 (Springing)以及高阶脉冲力(Ringing)问题。此外,极限海况下的随机动力特性分析,波浪、风、流耦合对平台的作用以及晃荡问题仍为海) r1 {- t! R9 E
洋工程界所关注。
, D& D9 ~8 ^+ ]. K（ 3）柔性构件的动力特性研究主要是极限承载能力、疲劳断裂可靠性、涡
" Z% h8 @* M) Q) {$ t- d激诱导振动、系索系统与平台主体的耦合分析。
1 a2 w3 Y: G. T) l" s（4）锚固基础特性分析尤其是筒型基础在周期性变化载荷作用下产生土壤液化、渗流、剪切等而导致土体破坏问题。
% M7 f J. T( \) w& d（5）深海中材料的应用 , 包括设计、检验和腐蚀问题。
1 y, b0 p; }/ G+ N0 c（6）深海平台试验技术和建造与安装技术的研究。% ~( ?5 t3 v. _, [( ?5 [
（五）深海平台发展的关键技术& }3 X# D8 L0 T) D1 ^$ B. r
根据深海平台技术发展的方向来看，深海平台的研究具有以下技术特点，这
9 `9 f: M$ z% g$ ^5 z) F; O也是深海平台发展的关键技术。0 U& X H+ V. K$ L \: ]* [6 b
1、平台作业范围广- I6 Y! A7 u4 K; K! U
移动式钻井平台不是在固定海域作业,而是能适应移位及不同海域、不同水深、, i8 i# X0 K `2 ]2 u( F# u
不同方位的作业。移位、就位、生产作业、风暴等复杂作业工况对钻井平台提出 o; V x6 u7 T: E) X; f# }
很高的要求。- a0 r H3 U1 _' `2 Z5 i1 n# ~, q
2、可靠性指标高
$ m7 `' e9 @+ j2 O/ n0 `/ {0 ia．强度要求高永久系泊在海上除了要经受风、浪、流的作用外,还要考虑台风、冰、地震等灾害性环境力的作用。
' e/ Q1 { ]3 r5 ~ j* Db．疲劳寿命要求高一般要求25～40 a不进坞维修,因此对结构防腐、高应力
0 t. ^; D+ }* e8 n区结构型式以及焊接工艺等提出了更高要求。
1 w# C9 z; d$ l* {5 ]7 J/ _; kc．建造工艺要求高为了保证海洋工程的质量,采用了高强度或特殊钢材(包括 z 形钢材、大厚度板材和管材) 。
) Q: y6 {2 f' B) e8 `d．生产管理要求高海洋工程的建造、下水、海上运输、海上安装甚为复杂,生产管理明显地高于建造常规船舶。$ | l5 _3 U5 E
3、安全性要求高6 W) K( {6 T# q" I( l
由于海洋工程装置所产生的海损事故都十分严重,随着海洋资源开发向深海区域发展、海上安全与技术规范条款的变化、海上生产和生活水准的提高等因素变化,对海洋资源开发装备的安全性能要求大大提高,特别是对包括安全设计与要求、火灾与消防及环保设计等HSE 的贯彻执行更加严格。
/ V3 e) h3 U. t5 ]/ ^% W; Q（六）总结4 g3 D+ R$ h. y% Q
在我国研制和开发深海平台技术对本世纪海洋工程的可持续发展具有极为# P- i6 Y2 {% Z8 i2 A, l4 f$ v
深远的战略意义。作为一个海洋资源丰富的大国 , 我们必须高度重视深海平台技
3 \- d9 |3 T" `: J: Q; `- M$ n5 E( @; ^术的研究和发展。随着我国海洋资源开发的需要 , 深海平台的应用将会越来越广
1 ^* J4 f; I" k* G! C泛, 所需解决的技术问题越来越多。我们国家在深海平台的设计、建造、检验和科
& F4 Q( ?1 N- Z9 j5 }' F9 v研方面都迫切需要发展 , 特别是在浮式结构物的设计和建造上 , 大多依靠国外' |1 Q+ y1 J6 v
技术进行设计 , 我国在独立进行设计方面尚有一定差距, 对于工作水深超过
5 g4 K8 v9 f" a4 E6 b600～ 3 000 m 的动力定位平台 , 国内更无设计建造经验。- \: {: i* A! q K$ M7 F
根据上述世界深海平台技术研究的新动态 ,结合我国海洋工程事业的状况 ,提出以下几点建议 :
S$ [: r9 F6 V! s$ d2 S（1）既要肯定我国数十年来海洋工程事业发展的成绩，也要清醒认识与世界6 C* `5 U0 S5 g, H, Q$ W" K, |
先进水平之间的差距。- C2 p. i$ s ]/ i/ S. k/ r4 r
（2）要建立海洋工程事业长远的发展规划，在国际大环境中积极持续发展，
% X5 R" j* m8 @2 V才能赶超世界先进水平。
# x- R" k% m) E% |（3）加大对海洋工程事业研机构的资金投入，提高其自主创新能力，加快海
, |" _ O+ U: e' a1 U5 L7 Q- r洋工程技术专业人才的培养。* p' B8 n6 P9 e R3 P0 A
（4）引导海洋工程相关产业积极投入，在国内形成相应技术设备的生产链 ,带动相关产业的发展。
" Y o, Q. p ~) D, z) U5 y5 w（5）积极参与国际海洋资源开发，包括海洋物探、海洋钻井、油气开采平台的设" ~7 ~/ X+ Y& c0 U; l
计与建造、海洋资源开发和营运管理的投标竞争 ,逐渐壮大科研与制造管理水平和
3 i Y7 H- z$ z$ o0 L实力。
) q" Y) d) F/ g3 q: E+ H; `在经济全球化迅猛发展的形势下，世界各国都更加重视发展海洋经济。在这场轰轰烈烈的海洋开发热潮中，围绕着海洋权益和安全的斗争呈现出群雄逐鹿态, \# `: u F1 M
势。我国的海洋权益和安全也面临着严峻的挑战。为了促进发展海洋经济，维护我国的海洋权益和提升海洋安全力量，我们必须以科学发展观为指导，确立正确
' P% H8 y/ [$ S# {8 s 的海洋发展战略。二十一世纪，中国的希望在海洋，作为一个具有丰富海洋资源的大国，深海平台的研究对于我国未来的深海资源开发和海洋工程的发展都具有9 D+ ]+ A: a7 w5 k. s1 W8 D
重要的意义。, ^' P! q: R/ S) k' }
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