三代SPAR平臺設計特點PK

張希華

自1997年第一臺SPAR誕生至2009年，世界上已建成19座。14年來，SPAR平臺未曾發生過任何安全事故，可以說它是一種安全、多功能、高效率的設備。但目前除美國以外，其他國家涉獵很少。因此，業界專家強烈呼吁，我國應在此領域投入較大人力、物力和財力資源，以期研究設計和建造出具有中國特色的SPAR來滿足日益增長的鉆探和采油平臺需求。

SPAR平臺是一種用于深海油氣開發、生產、處理、加工和儲存的海洋結構物。與其他平臺形式相比，SPAR平臺可應用于深達3000米水深處的石油生產；具有較大的有效載荷；剛性生產立管位于中心井內部；由于其浮心高于重心，因此能保證其無條件的穩定；與其他浮體結構相比，具有更好的運動特性；殼體可以為鋼結構或是水泥結構；可以低成本儲藏石油；系泊系統的建造、操縱和定位較為容易；立管等鉆井設備能裝置在SPAR內部，從而得到有效的保護。總的來說，SPAR平臺不僅可以顯著地提高有效荷載，優化結構設計，降低制造成本，與其他深海平臺相比，其錨泊系統投資成本降低，同時便于安裝和長期重復使用。

正因為具有上述特點，而且能夠很好地滿足500到3000米水域中石油的鉆探、生產和儲存，SPAR平臺已經逐漸變成最具吸引力和發展潛力的平臺形式之一，被很多石油公司列為新一代的海洋石油開采平臺。

其實，SPAR平臺的概念對業界來說并不陌生，它的技術早在30年前就在海洋工程中得到應用，那時的SPAR是一種儲油和卸油的浮筒裝置。1987年，“Edward E.Horton”在柱形浮筒和張力腿平臺概念的基礎上提出了一種用于深海作業的生產平臺，命名為Neptune，并于1997年建成作業于墨西哥海灣油田，水深為588米。

目前，國外正在使用的SPAR平臺主要有三代，分別是傳統單柱平臺、桁架式單柱平臺和多柱式單柱平臺。這類平臺主要由頂部模塊、殼體、系泊系統和立管4部分組成。

其中，傳統單柱平臺的頂部模塊是一個多層桁架結構，它可以用來進行鉆探、采油，維修、產品處理或其他組合作業。負責支撐鉆探設備和生產設備的生產鉆探甲板及中間甲板與固定平臺的甲板很接近，井口布置在中部。

傳統單柱平臺的主體是一個大直徑、大吃水的具有規則外形的浮式柱狀結構。水線以下部分為密封空心體，從而提供浮力，名為浮力艙，艙底部一般裝壓載水或用來儲油，中部由錨鏈呈懸鏈線狀錨泊于海底。它有4種形式的艙。第一種是硬艙，位于殼體的上部，它們的作用是提供平臺的浮力。中間部分是儲存艙，在建造平臺時底部為平衡/穩定艙，當平臺已經應用于海里作業時，這些艙室則轉化為固定壓載艙，主要用于降低重心高度。最后，還有一些壓載艙用于吃水控制。

傳統單柱平臺通過鋼懸索系泊系統來定位，系泊索包括海底樁鏈、錨鏈和鋼纜。錨所承受的上拔載荷由打樁或負壓法安裝的吸力錨來承擔。導纜孔通常位于硬艙的下部。系泊結構不僅與載荷大小有關，還與水深有關。在設計SPAR的系泊系統時，通常要求即使在一根系泊索斷開的情況下，仍然可以抵御百年一遇的惡劣海況。系泊系統可以預先安裝好，在殼體就位后進行連接。立管系統主要由生產立管、鉆探立管、輸出立管以及輸送管線等部分組成。

第二代的桁架式SPAR的概念是DOT公司和SPAR Intrenational公司從1996年起經過大量的工作，歷時5年后提出的，并于2000年2月份第一次應用于“Nansen/Boomvang”油田。

與傳統單柱平臺相比，桁架式平臺最大的優勢在于其建造時對鋼材的用量大大降低，從而能有效的控制建造費用，因此得到廣泛的應用。

它的設計概念是應用桁架結構代替傳統單柱平臺柱體的中部結構，作為連接頂部硬艙和底部軟艙的結構，這個桁架部分是一個類似于導管架結構的空間鋼架，同傳統單柱的金屬圓柱結構相比，可以節省50%的鋼材。

桁架式單柱平臺的中部結構和軟艙部分使用較少的鋼材料，所以建造成本較為便宜；總體吃水減小，使得單個部分的建造、運輸變得更加便捷；由于中部結構為開放式的撐桿，降低了環流造成的拖拽載荷；殼體的渦激振蕩響應減小了；剛性立管可以從開放式的桁架中間穿過而無需穿過硬的殼體。

由于傳統單柱平臺和桁架式平臺的主體部分都包含大直徑的圓柱體，對建造工藝的要求很高。因此，另一種新型的，被稱為多柱式的平臺被設計出來。目前正在建造中。多柱式平臺的最大優點在于同現有的兩種SPAR平臺相比，不僅降低了建造難度，而且性價比更高。這種新型的多柱式SPAR的上部結構由6個外圓柱圍繞一個中心圓組成。這些上部圓柱提供整體所需浮力，下部通過將外圓柱中的三個延伸到底部構成。壓載艙包含在這些圓柱腿的底部，從而確保平臺具有足夠的穩性。同大多數已經投入使用的SPAR平臺一樣，由于浮心高于重心，多柱式平臺同樣是無條件穩定的。

在建造過程中，圓柱體由滾壓機制成，并通過自動焊接機焊接在一起，同時，內部的環形加強構件也由相同的自動焊接機焊接到圓柱體部件上。而這種工藝在壓力艙和固定平臺的制造過程中已經使用了很多年。當需要更大直徑的中心井時，可以考慮更多的外圓柱，例如8根或者更多。但是，多柱式平臺中的其它一些結構的設計還有待進一步完善。

我國對于SPAR平臺的研究工作開始于1971年，當時受石油部的委托，由上海海樂應用技術研究所的高級工程師海飛負責該項目的研究，并提出圖紙和計算書等上百份，比美國的研發工作還早了十多年，可謂是此項工程研究的開拓者。從2004年開始，研究所繼續加大了此項目的研發力度。目前，上海海樂應用技術研究所研發的SPAR具有四大顯著特點，其中包括鉆桿和隔水管的布局有突破性構思，可大幅度提高工作效率；井口布置的設計新穎，可提高安全性；鉆探平臺，移動頻繁，故上部模塊沒入水中，下裝三個自由度可活動的螺旋槳，具有自航、拖帶和定位等多種功能；免去系泊索具，大大降低了施工成本和施工難度。

由于人力、物力和財力的限制，該所的研發和設計并不是十全十美的，尚存在非常巨大有待開發空間，如在SPAR的水動力性能和強度等方面尚需戰略合作伙伴中國船舶科學研究中心（702研究所）進行大量的試驗，實驗和計算等后續工作，進而設計出更為人性化的SPAR平臺，以滿足海洋石油開發業主的需求。