海上平臺發展現狀以及未來發展重點

孫華 許俊斌 蔡文軍 上海電氣集團股份有限公司中央研究院 (200070）

孫華（1974年～），男，本科，工程師，從事能源技術發展戰略研究與項目管理。

0 概 述

油氣資源依然是人類未來發展的戰略資源，海洋石油特別是深海石油成為彌補油氣供需缺口的重要領域，未來海洋油氣尤其是深海油氣產能將是全球能源的重要接替區。我國制定了大量政策引導海上平臺的產品和技術的發展方向。

1 海上平臺概況

海上平臺是海洋工程的重要裝備，是指一種海上大型結構件，通常用于裝載鉆井和（或）抽提油氣所需的人工和機械設備結構總稱，包括鉆井平臺和生產平臺。

1.1 鉆井平臺

海上鉆井平臺分為固定式和移動式兩類[1]。固定式平臺主要包括混凝土重力式平臺、深水順應塔式平臺等，雖然穩定性較好，但工作水深淺、靈活性差、性價比不高，因此市場需求已經非常小。相比之下，移動式鉆井平臺已經成為市場主流，其中自升式鉆井平臺（Jackup）、半潛式鉆井平臺（Semi-sub）和鉆井船（Drillship）是主流鉆井裝備。

據RIGZONE統計，截至2014年1月全球共有1 102座鉆井平臺，其中自升式637座、半潛式246座、鉆井船168條，如圖1所示。

圖1 各類油氣鉆井平臺的比例

(1) 自升式鉆井平臺

自升式鉆井平臺由平臺、樁腿和升降機構成，平臺能沿樁腿升降，一般無自航能力，如圖2所示。工作時樁腿下放插入海底，平臺被抬起到離開海面的安全高度，并對樁腿進行預壓，以保證平臺遇到風暴時樁腿不致下陷。完成后平臺降到海面，拔出樁腿并全部提起，整個平臺浮于海面，由拖輪拖到新的井位。

圖2 自升式鉆井平臺

(2) 半潛式鉆井平臺

半潛式鉆井平臺主要由浮體、立柱和工作平臺三大部分組成，如圖3所示。半潛式鉆井平臺的工作水深可達到3 000m；抗風暴能力強，穩定性和安全性高，因此能夠適應惡劣的海上條件；另外半潛式鉆井平臺的可變載荷大，進一步增強其適應性。

圖3 半潛式鉆井平臺

(3) 鉆井船

鉆井船是浮船式鉆井平臺，由船體和上部結構兩大部分組成，通常是在機動船或駁船上布置鉆井設備，如圖4所示。鉆井船的機動性更高，大幅提高了工作效率，同時工作水深也能達到3 000m，鉆井船的穩定性相對較差，需要較為穩定的海上條件。

圖4 鉆井船

目前自升式鉆井平臺、半潛式鉆井平臺和鉆井船在海洋油氣鉆井中應用最為廣泛，它們均有各自的特點。自升式鉆井平臺活躍于近海海域，半潛式鉆井平臺和鉆井船適合于深海鉆井，如圖5所示。

圖5 不同鉆井平臺工作水深

1.2 生產平臺

生產平臺包括浮式生產儲油船（FPSO）、半潛式生產平臺（Semi-FPSs）、張力腿式生產平臺（TLP）、單圓柱式生產平臺（SPAR）等類型，如圖6所示。

圖6 四類主要生產平臺

生產裝備中的浮式生產儲油船和半潛式生產平臺是主流生產裝備[2]，分別占總比例的53%和16%。據統計，浮式生產儲油船現役數量為148艘，其中新建數量為56艘，改裝數量為92艘，訂單32艘。張力腿平臺數量不多，全球只有24座。單圓柱式生產平臺全球共計17座，基本都在美國墨西哥灣運營，只有1座在馬來西亞，如圖7所示。

圖7 各類油氣生產裝備比例

(1) 張力腿式生產平臺

總體性能優異，深水平臺的工作水深可以達到1 000m，費用隨著平臺規模不同差別較大，大型平臺投資一般在5億～7億美元（包括立管），小型平臺投資一般在1億～2億美元。

(2) 單圓柱式生產平臺

工作水深可以達到3 000m，同時水線面積小，有良好的動力穩定性，同時有較強的經濟優勢。

(3) 半潛式生產平臺

甲板空間大，機動性較強，工作水深可以達到3 000m。造價約在2億～5億美元。

(4) 浮式生產儲油船

是四類平臺中唯一擁有儲油功能的平臺，同時在承載能力和機動性上有絕對的優勢，工作水深可達3 000m。

生產平臺的選擇是一個需要綜合考量的因素。一般來說除了考慮鉆井方式之外，還應該考慮作業海區的海洋環境條件，其中包括水深、風、波、潮流、海底地質、離岸距離等海洋情況。由于浮式生產儲油船不僅能夠生產而且可以儲存和裝卸，適合復雜水域環境，可由油輪改造而成，因此近年來成為在深海作業的主要裝備。各生產平臺特征見表1。

表1 生產平臺的分類和差異

2 海上平臺國內外發展現狀

2.1 國外發展現狀

從海上平臺的設計上來看，海洋油氣開發先驅的歐美企業在海上平臺設計領域占有絕對壟斷地位，目前全球主要的海工設計商包括GustoMSC (荷蘭)、F&G(美國)、Letourneau (美國)等。其中GustoMSC在自升式鉆井平臺 (CJ 系列)和鉆井船 (P10000 系列)領域有極強的設計能力，在半潛式平臺設計方面也有所建樹；F&G設計的各類鉆井平臺超過100座，在自升式和半潛式鉆井平臺領域有很強的實力。

從海上平臺制造來看，鉆井平臺和生產平臺的制造基本由韓國、中國、新加坡、巴西瓜分，韓國市場份額排第一，中國、新加坡、巴西分別排第二、第三、第四。韓國占據高端，中國及新加坡以中低端為主，三國船企的接單結構差異較大。韓國的訂單以高技術含量、高附加值的深水裝備為主，主要集中在浮式鉆井平臺和浮式生產平臺。

(1) 在浮式鉆井平臺方面，韓國和歐美一些國家在半潛式鉆井平臺和鉆井船制造方面有比較成熟的經驗。韓國、美國、荷蘭等國已經進入第六代半潛式鉆井平臺的生產，目前具備生產作業水深超過3 000m、鉆井深度超過10 000m的能力。第六代半潛式鉆井平臺作業水深達2 550～3 600m，多數為3 048m，鉆深大于9 144m，采用動力定位，船體結構更為優化，可變載荷大，配備自動排管等高效作業裝備，能適應極其惡劣的海洋環境。

(2) 在浮式生產平臺制造方面，特別是在浮式生產儲油船方面，韓國有整體設計的實踐，能制造出工作水深更深和儲油能力更大的浮式生產儲油船，大型油輪的建造水平也是世界領先。

2.2 國內發展現狀

從海上平臺設計上來看，我國海上平臺設計在浮式生產儲油船的研發方面有所突破，但整體還是比較薄弱，大多數涉足海上平臺領域的研究院所和企業，其海上平臺設計多集中在詳細設計和施工設計上，而前期概念設計和基礎設計均需從國外購買。

從海上平臺制造來看，我國企業經過近年的探索實踐，目前已能承建系列大噸位浮式生產儲油船（外高橋、大連重工等）、自升式鉆井平臺（大連重工、萊佛士、中遠船務、振華重工等）、深水半潛式鉆井平臺（外高橋、大連重工、萊佛士、中遠船務等）等海上平臺。雖然我國已經能制造部分海上平臺，但大部分國內企業的海上平臺制造集中在中低端水平，具備制造高端海上平臺的企業較少，這些高端海上平臺主要指的是一些適用于深水的浮式海上平臺。

在浮式鉆井平臺制造方面，我國在半潛式鉆井平臺和鉆井船制造方面起步較晚，主要受到其作業水深和鉆井深度的限制，尤其是在半潛式鉆井平臺技術方面的差距更為明顯。在半潛式鉆井平臺制造方面，國內企業尚不具備制造作業水深超過3 000m、鉆井深度超過10 000m的能力。目前我國制造的半潛式鉆井平臺大都屬于第五代，其作業水深為1 800～3 600m，鉆井能力在7 620～11 430m之間，采用錨泊輔助動力定位方式。

在浮式生產平臺制造方面，我國尚不能制造單圓柱式生產平臺、張力腿平臺、浮式天然氣生產儲油船等浮式生產平臺，浮式生產儲油船涉及的一些關鍵技術被國外長期壟斷，如單點系泊系統。在浮式生產儲油船制造方面，從單純設計、建造更大儲油能力的結構來講是沒有問題的，但目前尚無整體設計浮式生產儲油船的實踐(包括更深的工作水深和更大的儲油能力)，大型油輪的建造水平基本與當代世界水平同步，但獨立設計大型油輪的能力略遜于國外先進水平，且尚無建造特大型油輪的船塢設施。

3 海洋平臺未來發展重點

3.1 海洋平臺未來發展重點

全球油氣開采將由淺海走向深海，而且我國海上油田特別是南海領域油田大部分位于深海。適用于深海的海上平臺將會是未來市場的主流，也是我國海上平臺有機會趕超發達國家的重要機遇。

從鉆井平臺上來看，自升式鉆井平臺活躍于近海海域，半潛式鉆井平臺和鉆井船適合于深海鉆井。適用于深海的半潛式平臺及鉆井船將會是未來市場的主流。

從生產平臺上來看，與其他浮式生產平臺相比，浮式生產儲油船具有的優勢很多。浮式生產儲油船是四類浮式生產平臺中唯一擁有儲油功能的平臺，同時在承載能力和機動性上有絕對的優勢，集眾多優點于一身，是當前應用最為廣泛的生產平臺，也是未來的發展重點。

3.2 半潛式鉆井平臺關鍵技術

半潛式鉆井平臺是最常用的浮式鉆井平臺之一，從半潛式鉆井平臺設計和建造的要求來看，半潛式鉆井平臺關鍵技術主要包括：總體設計技術、平臺定位技術、總體性能分析技術、系統集成技術、結構強度與疲勞壽命分析技術[3]等。

(1) 總體設計技術

總體設計技術確定了平臺的主要功能、總費用以及各項性能指標，是對半潛式鉆井平臺的總體規劃。所涉的關鍵技術包括設備配置方案的擬定；平臺主要性能指標、主要設備參數的論證和確定；平臺定位和錨泊形式的選擇；設計標準的選用、海洋工程地質條件的分析和研究。

(2) 定位技術

半潛式鉆井平臺的定位技術主要有錨泊定位、動力定位和組合定位。通過定位能力分析，可以確定錨泊與動力定位組合的適用水深及平衡點，錨泊定位與動力定位所處的環境條件，從而選定定位方式。

(3) 總體性能分析技術

總體性能分析主要是針對平臺的運動性能和水動力性能進行預報，通過數值模擬的方法，計算在不同的海況條件下平臺的固定運動周期以及最大短期運動響應幅值，通過對計算結果進行分析，判斷平臺的總體性能。要獲得準確的結果，平臺總體性能分析還需要解決幾個問題：二階波浪力的計算與低頻慢漂運動的預報；立管渦激振動特性與抑制；非線性因素對平臺運動與載荷響應貢獻的比較；在風、浪、流聯合作用下，系泊、立管與浮體的耦合效應。

(4) 系統集成技術

整個深水半潛式鉆井平臺系統可以分為五大系統：鉆井系統、動力定位系統、壓載系統、安全和防護系統、公用電力和電站系統。所涉及的關鍵技術主要包括：壓載系統集成技術、安全和防護系統集成技術、公用電力和電站系統集成技術、鉆井系統集成技術、動力定位系統集成技術。

(5) 結構強度與疲勞壽命分析技術

結構強度所涉及的主要關鍵技術有：總體結構建模技術、子模型結構分析技術、波浪載荷的傳遞技術、強度評估的規范適應性分析。平臺結構疲勞強度分析方法包括全概率疲勞壽命計算方法、譜疲勞分析方法等，它是基于疲勞累積損傷原理，并在此基礎上衍生了各類分析方法。從理論上來說，不同的疲勞壽命分析方法應當獲得相同的結果，但往往得到的計算結果相差很大，這與應力傳遞函數的計算精度以及熱點的選取相關度很大。要獲得準確的結果需要解決的問題主要有：S-N疲勞曲線的適應性分析、應力函數的計算分析、疲勞熱點的分析。

3.3 浮式生產儲油船關鍵技術

浮式生產儲油船所涉關鍵技術包括海底系統、系泊定位系統、油氣處理系統、船體系統、生活系統等[4]。

(1) 海底系統

海底系統是浮式生產儲油船的重要組成部分，主要由液壓井控、海底管匯、基座、水下臥式采油樹等構成，如圖8所示。以陸豐22-1油田為例，海底井口成緊湊的扇型，原油通過采油樹匯集到中心管匯中，最后通過海底生產管道輸送到儲油輪上，中控室對電、液、閥等的指令以及液壓井控都是由海底電纜傳送。海底的井口系統是最具有挑戰性以及高技術含量的環節之一，陸豐22-1井口底盤由挪威KOS公司與FMC井口設備制造公司研發，它的中心模塊的總量超過了300kN，中心模塊和中心管匯在海上安裝的時間共用了331h。

圖8 海底系統

(2) 系泊定位系統

系泊定位系統按系泊方式分為單點系泊和多點系泊，是所有系統中比較有特色的系統，它主要通過吸力錨或導管架提供足夠的系泊力。

多點系泊指的是錨泊系統與船體有多個接觸點，而單點系泊是指錨泊系統與船體只有一個接觸點。以南海流花11-1油田的浮式生產儲油船為例，主要由半潛式生產平臺和浮式儲油、卸油兩套裝置組成。其中，浮式儲油和卸油裝置通過吸力錨提供錨固力，采用錨鏈系泊在一個沉沒式浮筒上，再由浮筒通過專用接頭與船體相連，為單點系泊；而半潛式生產平臺采用了錨鏈與深水吸力錨共同組成的系泊系統，為多點系泊，如圖9、圖10所示。

圖9 單點系泊系統

圖10 多點系泊系統

(3) 油氣處理系統

油氣處理系統包括計量系統、污水處理系統、油、氣、水分離系統等，它與陸地上的油氣處理系統類似，如圖11所示。油氣處理系統與陸地上的油氣處理系統有一些不同的地方，包括：油氣處理系統的安全標準更高，布局較為緊湊；其自動化控制系統集成化更高，配置更為完備；保證工藝流程的順暢，對一些重要模塊要留足維修空間；對油氣處理設備的選擇上，其要求更為高效更為緊湊。

圖11 油氣處理系統

(4) 船體系統

船體系統結構較為復雜，外形酷似油輪，但系統結構的復雜程度比油輪高很多，如圖12所示。船體系統的設計要求較高，需要考慮的因素很多：首先，船體系統要具有耐久性，防腐性較強，通常要做到20年以上不進塢維修；其次，由于船體要承受風、浪、流、潮的作用，船體所承受的載荷要比普通油輪復雜，所以船體的結構局部強度要做特殊設計；最后，設計船體時，除了要達到《船舶建造入級規范》、《移動式海上平臺入級建造規范》、《浮式生產系統入級建造規范》等通用性標準外，還要兼顧國際海事組織（IMO）規定的一些行業技術標準，對安全、救生等條件要求較高。

圖12 船體系統

(5) 生活系統

生活系統的安全性要求較高，因為生活系統無論如何布置，都處于油氣之中，無論布置在船艏或船艉，都各有優勢和劣勢。一種布局是生活系統在船艏，而外輸油系統及火炬塔在船艉，布置格局為：生活系統處于生產工藝流程模塊和艉部外輸油系統的危險油氣上風向，但處于首部輸油管危險油氣的下風向。另外一種布局是生活系統和外輸油系統在船艉，火炬塔在船艏，其布置格局為：生活系統處于艉部外輸油系統危險油氣上風向，但處于艏部輸油管和生產工藝流程模塊危險油氣的下風向。

4 結 語

未來海洋油氣尤其是深水油氣將是全球油氣能源的重要接替區，海上平臺在海上油氣開發中扮演著極其重要的角色。適合深海作業的半潛式鉆井平臺和浮式生產儲油船是海上平臺未來的發展重點。

[1] 王定亞，丁莉萍. 海洋鉆井平臺技術現狀與發展趨勢[J]. 石油機械，2010(4)：69-72.

[2] 錢亞林. 種類繁多的世界海洋油氣生產系統[J].海洋石油，2005, 25(2)：86-92.

[3] 謝彬，王世圣，馮瑋，等. 3 000m水深半潛式鉆井平臺關鍵技術綜述[J]. 高科技與產業化，2008(12)：34-36.

[4] 袁中立，李春. 浮式生產儲油船的現狀與關鍵技術[J]. 石油工程建設，2006, 31(6)：24-29.