兩種多功能海上平臺的創新

方華燦

（中國石油大學（北京），北京102249）①

兩種多功能海上平臺的創新

方華燦

（中國石油大學（北京），北京102249）①

介紹了兩種多功能海上平臺。一種是適用于淺海的坐底式多功能海上平臺，其主要創新在于采用坐底方式、油水等質量流率置換流程、外輸系泊方案、混凝土外殼的鋼制儲罐和組合式吸力錨的筒型基礎。另一種是適用于深水的半潛式多功能海上平臺，其主要創新在于采用了提高穩性的雙層浮箱、靈活拆連的伸縮結構、裝設增大阻尼的垂蕩板，并具有鉆采儲運多種功能。提出了這兩種多功能海上平臺的創新思維與方法。

淺海；坐底式多功能平臺；深水；半潛式多功能平臺；創新方法

我國擁有3．2×104km長的海岸線（大陸海岸線1．8×104km，島嶼海岸線1．4×104km），世界排名第4；擁有437×104km2的海域面積（領海面積137×104km2，專屬經濟區面積約300×104 km2），居世界第10位。

我國的海洋資源豐富，尤其是油氣資源豐富；估計海上油氣資源約占全國總量的1／3。這些油氣資源有的分布于淺水海域，例如渤海；有的蘊藏于深水海域，例如南海。因此，開發我國海上油氣田，既需要用于淺水海域的裝備，也需要能夠用于深水海域的裝備。

在海洋進行油氣鉆探，當評價井得出有開采價值的結論時，油氣田即可投入開發，就需要應用海上生產平臺。海上油氣生產平臺的最佳選擇是多功能平臺，即在此平臺上不僅能夠進行鉆井、采油，而且還能進行油氣水分離處理，并將合格原油儲存外運。

近年來，我國在研發海上多功能平臺方面有了新進展，一是中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司提出的用于淺海的坐底式多功能平臺；二是中海油研究總院提出的用于深水的半潛式多功能平臺。這兩種多功能平臺的針對性很強，一個適應渤海淺水裝備的需要；另一個適應南海深水裝備的需要。雖然，這兩種多功能平臺還都是屬于概念設計，與詳細設計及建造、使用尚有一段距離，但筆者認為，他們在研發過程中的創新思維與方法有可取之處，在我國大力倡導“創新驅動”之時，很有啟迪作用。因此，分別介紹了這兩種多功能平臺的創新之處，以及創新思維與方法。

1　用于淺海的坐底式多功能平臺

1．1 結構組成

坐底式多功能海上平臺的概念設計是中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司提出的，平臺的總體模型如圖1所示。

圖1　用于淺海的坐底式多功能平臺模型

1．1．1 上部模塊

頂層甲板上設有生活間、直升飛機坪以及起重設備等；生產甲板設有油、氣、水分離處理裝置等；上部伸出的懸臂部分為鉆井、完井、修井作業區，設有井口、井架、鉆機等裝備。

1．1．2 中部罐體

設有7個鋼制立式圓筒形內壓儲罐，罐體上下一分為二，上部為海水壓載艙，下部為儲油艙，用作儲存合格原油及壓載海水。罐體和上部設施之間通過桁架結構連接，罐體部分側部設有外輸輔助結構。

1．1．3 底部基礎

采用組合式吸力錨筒型基礎，該基礎包括6個吸力錨，筒型基礎和罐體裝置之間通過鎖緊裝置連接。

1．2 技術性能

該平臺的試驗性裝置按50 a一遇的海洋環境條件設計。平臺的儲油量大于10 000 m3，可滿足年產量60×104 m3的油田開發需求。此坐底式平臺可在水深10～20 m（我國渤海的平均水深為18 m）移動搬遷。

1．3 創新之處

1．3．1 不用系泊系統而采用坐底方式

傳統的進行油、氣、水分離處理的移動式生產平臺，無論是FPSO還是半潛式生產平臺均采用系泊系統，使其浮于水面上時，保持定位；有的還采用高能耗、高投資的動力定位系統（DPS）。而這種新型坐底式多功能平臺，棄掉了系泊系統，采用坐底的方式，穩坐海底，相當于一座固定式油氣水處理中心平臺，他可以在淺海中移動搬遷，解決了采用系泊系統所帶來的一系列問題，而且節省投資，節約能源。

1．3．2 油水等質量流率置換流程

新型坐底式多功能平臺的中部罐體部分，其單個組合式儲艙由置換海水壓載艙和儲油艙按“上下罐”形式組成。采用密閉氣壓連通式壓載海水和原油等質量流率置換流程，這種流程可使原油進艙泵海水卸載泵、原油外輸泵海水壓載泵2組分別聯動，從而實現等質量流率置換，即某一質量的原油流入或流出儲油艙的同時，必須有相同質量的海水流出或流入海水壓載艙，以保證整個平臺的操作重心不變，實現穩坐海底。密閉氣壓連通式壓載海水和原油等質量流率置換流程如圖2所示。這種新流程除能夠確保作業過程中平臺操作重力不變、重心的水平面投影位置不變的主要目的之外，還克服了濕式儲油和傳統干式儲油的缺點，具有零污染、零排放、原油加熱方便、可儲存溶于水的液體等優點。

1．3．3 靈活選用的外輸系泊方案

新型坐底式多功能平臺生產出的合格原油，定期用穿梭油輪外輸。外輸的油輪與坐底式平臺的系泊方案有兩種可供靈活選用。其一是直接系泊方案，即外輸油輪通過系泊纜直接系泊在坐底式平臺的罐體上，如圖3所示。其二是系纜墩系泊方案，如圖4所示。兩側各設一個采用吸力錨基礎的鋼筋混凝土結構的系纜平臺，并在坐底式平臺上設置一個靠船件。這樣，即可使穿梭油輪直接停靠坐底式平臺，而其艏艉通過系泊纜系泊在系纜平臺上，從而實現系泊卸油。

圖2　密閉氣壓連通式壓載海水和原油等質量流率置換流程

圖3　直接系泊方案

圖4　系纜墩系泊方案

1．3．4 混凝土外殼的鋼制儲罐

坐底式多功能平臺的中部罐體部分，由7個鋼制立式圓筒形內壓儲罐組成。罐內高18 m，上下拱形封頭拱高4 m，筒體直徑16 m、高20 m、壁厚18 mm。如圖5所示，罐內中部下拱形封頭將罐內上下一分為二，上部為海水壓載艙，下部為儲油艙，中拱封頭中心有一根通氣管直達上拱封頭中心，使上下兩艙頂部的氣相空間密閉連通，通入帶壓氮氣，一方面作為覆蓋氣，防止外部空氣進入艙內，確保系統的安全；另一方面，可進行壓力能量的傳遞，當原油或海水外卸時，依靠艙內氮氣的壓力能，將液體提升至外輸或卸載泵的進口，再由泵完成外卸。

圖5　儲罐內部結構

儲罐采用薄膜板殼結構取代板梁結構，在滿足規范要求的同時，節約了大量鋼材。鋼制組合罐的周邊立壁、上下頂外壁，均覆蓋0．5 m厚的鋼筋混凝土層，一是起配重作用，二是提供外壁防碰撞和抗屈曲的保護層。另外，如果原油需要保溫加熱，緊貼鋼罐壁還可采用一層耐熱和隔熱混凝土材料。這種鋼結構外敷混凝土的創新設計，是基于“小水下重力坐底”的新概念，它將大容量空艙造成的水下大浮力的大部分被混凝土結構的自重所平衡，充分利用罐體的浮力，實現坐底式平臺的“小水下重力坐底”。

1．3．5 組合式吸力錨的筒型基礎

坐底式多功能平臺的基礎由6個吸力錨組合而成，如圖6所示。每個吸力錨是一個圓筒，直徑12m，高12．5 m，其水平截面圓的圓心均布于直徑51 m的圓上。組合式吸力錨的上部由6塊T形截面的弧形梁式裙板和數個加筋構件連接，T形截面的弧形裙板的頂部平面環板的徑向寬度等于吸力錨直徑12 m，垂直弧形裙板高6 m，圓弧半徑為25．5 m，頂部平面環板可防海底沖刷。

圖6　坐底式多功能平臺的組合式筒型基礎

這種組合式筒型基礎經分析計算，水平承載力101 030 k N，安全系數1．53（最大水平推力65 850 k N），抗拔力106 020 k N，抗壓力876 290 k N，安全系數5．3（最大垂向壓力164 030 k N），基礎的承載力完全滿足工作要求。進一步通過水池試驗的驗證，這種組合式筒型基礎結構具有很好的拖航穩性，滿足整體開發方案對基礎的要求。

2　用于深水的半潛式多功能平臺

中海油研究總院提出了用于深水的半潛式多功能平臺的概念設計，并已獲得國家發明專利，專利號201010199308．5。

2．1 結構組成

2．1．1 上部結構

新型半潛式多功能平臺的上部是一座傳統的半潛式平臺，這種新型平臺的主體結構如圖7。上部半潛式平臺具有兩層桁架式甲板，分別是主甲板和生產甲板，其間距為11．0 m，甲板尺寸為78．0 m× 78．0 m。操作工況及拖航工況時，甲板總設計載荷分別為176 570 k N、141 160 k N；兩甲板的重心高度分別在立柱頂甲板上12．73 m和11．77 m。主甲板上除生活樓、直升飛機坪、井架、井口作業區之外，還設有9根頂張緊立管，2根鋼懸鏈式立管，在操作工況時，它們的頂張力分別為45 400 k N、12 970 k N；另有臍帶纜，其載荷為5 240 k N。生產甲板上主要是進行油、氣、水分離及脫鹽、脫硫等處理的生產裝置以及供熱、供電、供水等設施。

上部半潛式平臺具有4根正方形截面的空心立柱，支持上部甲板模塊，立柱尺寸為19．4 m× 19．4 m×50 m，立柱（橫向／縱向）中心間距為57．8 m。4根立柱底端與半潛式平臺的下浮箱相連結，下浮箱為矩形截面，其尺寸為77．2 m×12．8 m× 8．4 m。從平臺甲板經4根立柱底端入水，有4組12根系泊纜（每組3根）組成的平臺系泊系統，從上到下采用“甲板錨鏈—聚酯纜—海底錨鏈”三段式的張緊型系泊形式，底部由吸力錨或打入式長樁固定于海底，每根系泊纜的預張力為2 225 k N。

圖7　新型深水半潛式多功能平臺模型

2．1．2 下部結構

新型半潛式多功能平臺的下部是一個可上下伸縮的結構，由可伸縮立柱及下浮箱組成。可伸縮立柱共4根，為圓柱型，截面直徑5．6 m，套在上部半潛式平臺中空的4根立柱內，形成套筒，可沿上部半潛式平臺的立柱上下伸縮。4根可伸縮立柱底端與下浮箱連接，下部浮箱（LTP）為矩形，其尺寸為77．2 m×23．0 m×7．4 m，下浮箱（橫向／縱向）中心間距為57．8 m。這樣，當可伸縮立柱縮進上部半潛式平臺的立柱套筒內，并將上部半潛式平臺的浮箱與下浮箱連接之后，既可實現上部半潛式平臺與下部浮箱在碼頭靠泊狀態下的整體組裝和調試，也可進行這座新型平臺的整體拖運和海上安裝，從而大大降低了海上安裝的周期和費用。反過來，到達預定井位，拆開連接，通過壓載便可使伸縮立柱自套筒內全部伸出，直至達到半潛吃水的目標位置時，再采用機械、焊接等連接方式，將伸縮立柱頂部與上部平臺的立柱底部進行連接后，可實現永久定位，然后安裝立管，進行作業。此時，因整個新型半潛式平臺已構成上、下雙層浮箱，使平臺浮心高于重心，提高了穩性。

2．1．3 垂蕩板

垂蕩即平臺沿垂直坐標軸的上下升沉運動，垂蕩過大，平臺的上下升沉運動位移過大，裝設于浮式生產平臺上的干式井口裝置受其影響，不能正常生產甚至受到損壞。因此，為了解決這種新型半潛式多功能平臺能夠適用干式井口的問題，在下浮箱的上面設置了垂蕩板。垂蕩板是一塊正方形的板，邊長為31．2 m，垂蕩板的中間開孔，使油氣生產立管／鉆井立管從中穿過。顯然，有了垂蕩板，可增加平臺垂蕩時的附加質量和阻尼，從而減小垂蕩運動位移，使其限制在干式井口裝置正常生產的允許范圍之內。

2．2 創新之處

2．2．1 提高穩性的雙層浮箱

新型半潛式平臺除原有的浮箱之外，又增設了可伸縮的下浮箱，構成的雙層浮箱使平臺浮心高于重心，平臺具有無條件穩性，從而降低了惡劣海況下平臺發生災害事故的風險。目前，全球尚無這種雙層浮箱的半潛式平臺，這種創新的穩性遠勝于傳統的半潛式平臺。

2．2．2 靈活拆連的伸縮結構

由于采用了可伸縮的下部結構，因而可適應平臺的不同工況，將其與上部結構連接或折分，非常靈活方便。當在碼頭靠泊時，可以將上、下部結構連接，進行整體組裝和調試；保持這種連接狀態，又可實現平臺的整體拖運；到達預定井位后，拆開連接，既可通過壓載，下潛入水；達到吃水的目標位置時，又可恢復連接，實現永久定位，進行作業。這種靈活方便的可伸縮的下部結構，在全球半潛式平臺中是絕無僅有的。

2．2．3 裝設增大阻尼的垂蕩板

新型半潛式平臺裝設垂蕩板以后，可增加平臺垂蕩的附加質量和阻尼，使半潛式平臺的垂蕩運動位移大大減小，從而使半潛式平臺允許使用干式采油系統（傳統的半潛式平臺只能用水下的濕式采油系統）。顯然，新型半潛式平臺裝設垂蕩板的這一創新，使其可靈活采用干式、濕式或干濕組合式等多種采油方式，比傳統半潛式平臺只能采用一種采油方式優越。

2．2．4 鉆采儲運多種功能

目前，世界上用于深水油氣田開發的浮式生產平臺，主要有張力腿平臺（TLP）、半潛式平臺（Semisubmersible）、立柱式平臺（Spar）、浮式生產儲卸設施（FPSO）等，與他們相比，新型半潛式平臺的技術性能優越，功能最全面。

傳統半潛式平臺目前已發展到第六代，在深水油氣田開發中應用最為廣泛，全球在水深超過1 829 m（6 000 ft）的己有50艘左右，最深的工作水深達3 048 m（10 000 ft），半潛式平臺之所以能夠應用廣泛，主要是由于它的設計建造技術成熟，使用操作經驗豐富，穩性好。但是，他的最大弱點是不能儲、卸油，功能不夠全面。例如近期由我國中遠公司南通的啟東基地為巴西建造的“SEVANDRILLER”號，是世界上首座最先進的圓筒型半潛式超深水（工作水深約3 050 m）海洋鉆井、油氣水處理、儲油（存儲能力15萬t原油）多功能平臺，但不能卸油，用穿梭油輪外運；而且，穩性遠不如新型半潛式多功能平臺。

張力腿平臺（TLP）全球共有20多座，是用于深水的一種垂直系泊的浮式順應平臺。平臺上體靠浮箱半潛于水中，用張力筋腱組成的張力腿垂直系泊于海底樁基上，還有側向系泊索輔助，平臺上體甲板上裝有鉆井、完井和修井作業裝備以及全套油氣分離、脫水等生產處理設備，但不能儲油，只能通過海底輸油管道送出處理后原油或與FPSO聯合運油；而且，工作水深受限制。

立柱式平臺（Spar）目前全球已有10多座，其平臺上體是由一根獨立的浮式圓筒狀立柱來支撐，浮式圓筒中央通過生產立管，周圍分別設有壓載艙及儲油艙，另有分段式系泊索自立柱中段將立柱系泊于海底吸力式基礎上，平臺上體由鉆井甲板、原油處理生產甲板及井口甲板組成，因為有儲油艙，故而可以儲油，但也還是不能卸油，用船外運，一般也是通過海底管道將處理后合格原油送出；而且，不能將上體與立柱靈活拆連，只能在海上安裝。

FPSO的應用非常廣泛，全球已擁有100多艘。雖然可以進行原油處理及儲、卸油，但是不能鉆井、完井、修井及采油；而且，FPSO浮于海面上，還需要1套專門的系泊裝置。

因此，新型半潛式平臺是目前全球各類型深水浮式生產平臺中的功能最全面的多功能平臺，且技術性能優越。

3　創新思維與方法應用

思維即思考，它是人腦對客觀事物間接的和概括的反映。創新思維是相對于傳統的邏輯思維而言的。邏輯思維主要包括有：分類與比較、推理與判斷、分析與綜合、抽象與概括、歸納與演繹等形式，是目前使用最廣泛的思維形式，故又稱為習慣思維。創新思維擺脫了傳統的邏輯思維，不受現成的、常規的思路的約束，來尋求對問題的全新的、獨特性的解答和方法的思維過程。創新思維可以有逆向思維、形象思維、直覺與靈感思維、發散與集中思維、聯姻思維、綜合思維等形式。在創新思維引領下具體實施創新的方法，則稱之為創新方法。

3．1 用于淺海的坐底式多功能平臺

3．1．1 創新思維

坐底式多功能平臺的創新思維屬于發散與集中的思維形式。發散是指人們思路擴散出去的意思；集中是將按照發散思維拓展出去的思路，再收攏回來，集中于某些核心點上，來實現最終目標的思維形式。

坐底式多功能平臺的最終目標是用于淺海可進行鉆、采、儲、運。首先，將思路擴散出去，想想可用于淺海的固定式油氣水處理中心生產平臺、可進行生產、儲存、卸油的FPSO以及可進行鉆井、完井、修井的坐底式平臺。然后將思路收攏回來，集中到作業期間平穩固定、鉆采儲運多種功能、能夠搬遷重復使用等幾個核心點上，“博采眾長”，取固定式平臺的“固定”；取坐底式平臺的“坐底”且“可移動”及“鉆、完、修井”；取FPSO的“生產、儲存、卸油”；取筒型基礎的“吸力錨”，從而，就產生出來“筒型基礎坐底式”加“FPSO”的用于淺海的坐底式多功能平臺的概念。這就是坐底式多功能平臺的創新思維過程。

3．1．2 創新方法用于淺海的坐底式多功能平臺的創新方法應用的是雜交法。所謂雜交法，指的是幾種事物復合交叉而成為一種新事物的方法。顯然，在上述發散與集中思維形式的引領下，它將固定式平臺的固定，坐底式平臺的坐底、可移動，FPSO的生產、儲、運，筒型基礎的吸力錨等幾種事物加以復合，就組成了一種新的用于淺海的坐底式多功能平臺。顯然，這個新事物是雜交而成的。

3．2 用于深水的半潛式多功能平臺

3．2．1 創新思維

用于深水的半潛式多功能平臺的創新思維仍然是發散與集中思維形式。針對研究的最終目標是深水用浮式生產平臺，首先將思維發散到世界上已有的4種深水浮式生產平臺，即張力腿、立柱式、半潛式平臺及FPSO；然后，再將思維“聚焦”，集中到用于深水、提高穩性、多種功能等幾個核心點上進一步思考。這時，考慮到采用半潛式可不受水深限制，優于張力腿平臺；采用雙層浮箱可提高穩性，較傳統的半潛式平臺優越；采用可伸縮的下部浮箱結構，則便于與上部結構拆連，實現整體調試、拖運和海上安裝，遠較立柱式平臺不能將上、下部結構連成整體為優越；再考慮到增設垂蕩板后，可采用干式井口，進行干式采油，再加上鉆、儲、運等功能，比FPSO的功能更加全面。至此，理性認識形成，對現有的4種深水用浮式生產平臺的“破舊立新”、“取而代之”的理念萌生。

3．2．2 創新方法

用于深水的半潛式多功能平臺的創新方法是替代法。替代法是實現“破舊立新”、“取而代之”理念的具體方法。“破舊立新”是發散與集中創新思維的一種模式，它首先運用發散思維，將己有事物中的缺點、弊端發掘出來，發現其致命弱點后，再運用集中思維，找出其要害的核心根源，從而“對癥下藥”，得出應“破舊”的及應“立新”的主要內容，構成了“取而代之”的具體實施的替代法。采用半潛式平臺取代了張力腿平臺，破除了工作水深受限制的弊端；采用雙層浮箱取代了單層浮箱的半潛式平臺，破除了傳統半潛式平臺穩性受限制的弊端；采用可伸縮下浮箱結構的半潛式平臺取代了立柱式平臺，破除了立柱式平臺不能上、下部結構連成整體進行整體調試、拖運、安裝的弊端；增設垂蕩板的新型半潛式多功能平臺，取代了FPSO，破除了FPSO只能生產，儲油，卸油，功能不全面的弊端。

4　結論

1） 我國中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司近年提出的用于淺海的坐底式多功能海上平臺的概念設計創新突出、技術性能優越，可供我國渤海油氣田開發用多功能平臺時設計與建造參考。

2） 我國中海油研究總院近年提出的用于深水的半潛式多功能平臺的概念設計，已獲得我國國家發明專利（201010199308．5），創新突出，技術性能優越，可供我國南海深水油氣田開發用多功能平臺時設計與建造的參考。

3） 筆者對2種多功能平臺的創新思維與方法的分析與概括，旨在拋磚引玉，希望在當今我國大力倡導“創新驅動”的形勢下，開展更廣泛的研討，以期對從事裝備研發的第一線的工作人員，進行自主創新，有所俾益。

［1］ 謝彬，姜哲，謝文會．一種新型深水浮式平臺：深水不倒翁平臺的自主研發［J］．中國海上油氣，2012，24（4）：

60－66．

［2］ 譚家翔．一種全新的渤海灣油田開發方案［J］．中國海上油氣，2014，，26（增刊）：85－91．

［3］ 方華燦．海洋石油工程（上、下冊）［M］．北京：石油工業出版社，2010．

The Innovations of Two Kinds of Multi－function Offshore Platforms

FANG Huacan
（China University of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China）

Two multifunction offshore platforms are introduced．One is suitable for shallow water，bottomsupported multi functional offshore platform．The main innovation is the adapt of technology of bottomsupported，oil and water flow rate replacement process，efflux mooring program，steel structure tanks with cementing envelop，and combined suck mooring system．The other is semisubmersible multifunction platform，suitable for use in deep water．Double layers floating tanks are used with flexible disconnection and connection expendable structure，heave plate with enforce damper and multifunction of drilling and storage．It is summarized that these two offshore platforms with newly developed through and method．

shallow water；bottomsupported multifunction platform；deep water；semisubmersible multifunction platform；innovation method

TE95

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．09．003

1001-3482（2015）09-0008-06

①2015-04-01

方華燦（1930），男，福建定遠人，教授，從事海洋石油裝備的研究。