半潛式生產平臺選型及尺度規(guī)劃技術研究

杜慶貴

(中海油研究總院，北京 100028)

0 引 言

浮式生產裝置是深水油氣資源開發(fā)的重要裝備。常見的浮式生產裝置主要包括張力腿平臺(TLP)、單柱式平臺(SPAR)、半潛式生產平臺(SEMI)、浮式(生產)儲卸油裝置(FPSO/FSO)等。半潛式生產平臺由于其作業(yè)性能優(yōu)良，海況適用性好，被廣泛應用于北海、南中國海、墨西哥灣、巴西海域等重要海上油氣聚集海域[1-2]。

我國目前只有1座半潛式生產平臺在役(即“南海挑戰(zhàn)號”，由半潛式鉆井平臺改造而成)。隨著我國深海油氣資源開發(fā)步伐的加快，現有的經驗和技術積累將難以滿足生產需求，需要加快對半潛式生產平臺相關技術加以研究。本文重點研究了半潛式生產平臺的工程模式、方案選擇、平臺選型、尺度規(guī)劃及性能評估技術。

1 應用現狀

據統(tǒng)計，目前全球共有48座半潛式生產平臺在役(見圖1)，其中包括24座改造平臺、24座新建平臺(見圖2)，另有1座在建平臺(ICHTHYS CPF平臺)。

圖2 全球新建半潛式生產平臺分布圖Fig.2 Worldwide distribution of new SEMIs

世界上第一座半潛式生產平臺Argyll FPF誕生于1975年，它由Transworld 58號半潛式鉆井平臺改造而成，作業(yè)于北海海域Argyll 油田。運營時間最長的半潛式生產平臺為BUCHAN A平臺，1981年投產，作業(yè)于北海海域，至今已經安全運營35年。半潛式生產平臺投產年限分布如表1所示。

表1 半潛式生產平臺投產年限分布表

1995年，我國第一座半潛式生產平臺“南海挑戰(zhàn)號”在南海流花11-1油田投產，至今已經安全運營20余年。“南海挑戰(zhàn)號”平臺由SEDCO 700系列鉆井平臺改造而成，主要為流花油田提供鉆修井服務和電力支持[3-4]。“南海挑戰(zhàn)號”的成功應用為我們提供了很好的工程示范，積累了寶貴的工程經驗。

半潛式生產平臺前期設計包括油氣田工程模式選擇、平臺方案選擇、平臺選型和尺度規(guī)劃等。

2 工程模式選擇

選用半潛式生產平臺的油氣田開發(fā)工程模式主要有三種[5]。

A模式：半潛式生產平臺+水下生產系統(tǒng)+外輸管線(見圖3)。該模式適用于近海或周邊有可依托外輸管網的油氣田，此類油氣田產出油氣經由外輸管線直接上岸。半潛式生產平臺主要用作油氣生產處理及生活支持。此工程模式多應用于墨西哥灣和北海海域。

B模式：半潛式生產平臺+水下生產系統(tǒng)+FPSO/FSO(見圖4)。該模式適用于遠海或周邊沒有可依托外輸管網的油田，此類油田產出原油經由穿梭油輪外輸，產出氣較少，多用作燃料氣或直接經燃燒臂燒掉。半潛式生產平臺用作油氣生產處理或生產/生活支持。

C模式：半潛式生產平臺+水下生產系統(tǒng)+FPSO/FSO+外輸管線(見圖5)。該模式適用于遠海或周邊沒有可依托外輸管網的大型油氣田。此類油氣田，油、氣產量一般都比較高，油氣田所產原油經FPSO處理后由穿梭油輪外輸(不需上岸，可直接外銷)，所產氣經由外輸管線(新建)上岸。此工程模式的應用實例包括如巴西海域Marlim Sul油田，澳大利亞西北海域的ICHTHYS大型氣田等。

油氣田工程模式的選擇影響因素較多，如油氣田規(guī)模、開發(fā)壽命、油藏品質、水深、環(huán)境條件、離岸距離、周邊可依托設施、地質地貌條件、本土產業(yè)政策等，工程模式的選擇需要綜合考慮上述因素。

圖3 “半潛式生產平臺+水下生產系統(tǒng)+外輸管線”模式Fig.3 Development scheme A： SEMI+subsea facility+pipe

圖4 “半潛式生產平臺+水下生產系統(tǒng)+FPSO”模式Fig.4 Development scheme B: SEMI+subsea facility+FPSO

圖5 “半潛式生產平臺+水下生產系統(tǒng)+FPSO+外輸管線”模式Fig.5 Development scheme C: SEMI+subsea facility+FPSO+pipe

3 平臺方案選擇

半潛式生產平臺有新建和改造兩種方案可供選擇[6]。改造方案主要以目標平臺主結構為基礎進行局部結構改造，以滿足目標油氣田的作業(yè)要求，如“南海挑戰(zhàn)號”平臺；新建方案根據目標油氣田特點新設計建造一座平臺。兩種方案的優(yōu)缺點對比如表2所示。

表2 新建方案和改造方案優(yōu)缺點對比

新建方案適合應用于大型油氣田及區(qū)域性開發(fā)，改造方案更適合用于中小型油氣田開發(fā)。改造方案的應用高峰期集中在20世紀(22座改造平臺)，2000年以后只有3座平臺采用改造方案。現在適逢低油價時期，半潛式鉆井平臺嚴重過剩，二手平臺交易價格較低，改造方案在中、小型油氣田的開發(fā)中經濟性凸顯。

4 平臺選型

4.1 功能選擇

半潛式生產平臺常見功能包括：油氣生產處理；油氣生產處理兼鉆修井功能(如Thunder Horse平臺)；油氣生產處理兼儲油功能；鉆修井兼生產服務功能(如“南海挑戰(zhàn)號”平臺)等。油氣生產處理一般是半潛式生產平臺的主要功能。在20世紀，很多平臺由半潛式鉆井平臺改造而成，當時，因為鉆井資源緊缺，很多平臺兼具或是保留了鉆井功能。近幾年，新建的平臺一般考慮單一的生產處理功能。

4.2 立管選型

半潛式生產平臺常用立管型式主要有軟管和鋼懸鏈立管(SCR)。軟管運動適應性好，但造價高(造價往往是SCR的幾倍)、壽命短、容易老化；SCR造價相對較低、安全可靠性高，但運動適應性差。

立管系統(tǒng)受平臺運動的影響較大，制約著平臺的尺度規(guī)劃。根據挪威船級社(DNV)規(guī)范建議，半潛式生產平臺尺度規(guī)劃時首先要考慮立管型式。若采用軟管，平臺運動比較容易滿足要求；若選擇SCR，平臺設計時應重點考慮SCR對平臺運動幅值和加速度值的要求，以避免SCR的疲勞破壞。較淺水油氣田(水深小于500 m)，由于平臺運動無法滿足SCR要求，多采用軟管。深水油氣田出于經濟性及可靠性考慮多采用SCR。

4.3 結構選型

半潛式生產平臺主要包括浮箱、立柱和上部甲板三部分，具體如圖6所示。

圖6 典型半潛式生產平臺結構組成Fig.6 A typical SEMI rendering

半潛式生產平臺的浮箱型式有兩種：平行雙浮箱和環(huán)形浮箱。平行雙浮箱主要源于鉆井平臺設計。如前所述，很多半潛生產平臺由半潛式鉆井平臺改造而來，沿用了雙浮箱結構。自1999年VISUND平臺服役以來，所有的新建半潛式生產平臺全部采用環(huán)形浮箱。環(huán)形浮箱可以提供更好的整體強度和結構完整性，新建半潛式生產平臺建議選用環(huán)形浮箱。

半潛式生產平臺的立柱型式有兩種：平行多立柱(包括6立柱、8立柱等)和平行雙立柱(即4立柱)。對應于浮箱結構型式，平行雙浮箱多采用平行多立柱，環(huán)形浮箱多采用4立柱。在役新建半潛式生產平臺中，只有1座環(huán)形浮箱平臺采用6立柱(?SGARD B平臺，采用6立柱主要是基于上部甲板設計安裝考慮)，其他全部采用4立柱。立柱數量多，會導致平臺結構設計復雜，建造難度增加。新建半潛式生產平臺建議選用4立柱。

半潛式生產平臺的甲板型式主要有三大類：箱型甲板、桁架式甲板及介于兩者之間的混合式甲板[7]。甲板型式的選擇影響因素較多，包括油氣組分、建造安裝方案、浮吊資源、環(huán)境條件等。若用于大型氣田開發(fā)建議選取桁架式甲板，甲板空間開放，利于通風，降低安全隱患；若用于極端惡劣海域油氣田開發(fā)建議選取箱型甲板，可以提供更好的整體強度，保證平臺在極端惡劣海況下的結構完整性；若建造安裝場地缺少大型浮吊資源，建議選取箱型甲板，可以采用頂升法或浮托法實現甲板與下船體總裝。

4.4 系泊定位選型

半潛式生產平臺全部采用分布式系泊系統(tǒng)進行定位，系泊纜主要有4×2、4×3和4×4等幾種分布型式。根據水深不同，系泊系統(tǒng)分懸鏈線式系泊、半張緊式系泊和張緊式系泊三大類系泊型式。系泊系統(tǒng)選型主要受制于平臺規(guī)模、作業(yè)水深和環(huán)境條件。環(huán)境條件惡劣或平臺規(guī)模比較大時，建議選取更多的系泊纜數量(如4×4，甚至更多)，反之亦然。平臺作業(yè)于淺水時，建議選用懸鏈線式系泊；作業(yè)于中深水時，建議選用半張緊式或張緊式系泊；作業(yè)于深水時，建議選用張緊式系泊。

5 尺度規(guī)劃

尺度規(guī)劃是平臺設計中最早的一個環(huán)節(jié)，其目的是在設計之初對平臺的規(guī)模和主尺度進行快速估算，給出一個初步方案，以啟動設計螺旋。尺度規(guī)劃過程中常用基礎數據和規(guī)劃結果如下。

(1) 基礎數據。甲板面積：主梁的位置；甲板載荷：上部設備干重、操作重、重心位置、慣性半徑；其他荷載：包括立管張力、系泊系統(tǒng)預張力；環(huán)境參數：包括作業(yè)工況和生存工況下的風、浪、流環(huán)境參數。

(2) 規(guī)劃結果。主尺度：平臺浮箱和立柱尺度參數，浮箱立柱中心距；裝載工況：排水量、吃水、重量、重心、慣性半徑；系泊系統(tǒng)：系泊鏈、纜長度及規(guī)格參數。

尺度規(guī)劃越合理，后期改動工作量越小。但是，尺度規(guī)劃是多解的，關鍵看如何設置限制參數，得到或接近預期的最優(yōu)解。

常用限制參數如下。

(1) 運動周期：主要是垂蕩運動固有周期，關系到平臺的垂蕩運動幅值，根據DNV-RP-F205[8]建議，垂蕩固有周期不小于20 s。

(2) 運動RAO：主要是垂蕩運動RAO，關系到平臺的垂蕩運動幅值，對立管的設計影響較大，若采用SCR立管，垂蕩運動RAO第一峰值建議不大于0.35 m/m。

(3) 氣隙：對于新建浮式平臺，根據API RP 2FPS[9]推薦做法建議，極端工況(通常取100年重現期環(huán)境條件)凈氣隙不小于1.5 m；生存工況(通常取1 000年重現期環(huán)境條件)氣隙不能為負。

(4) GM值：對平臺穩(wěn)性的初步估算，任何工況下GM值不能為負(DNV-OS-C301[10]規(guī)定GM值不低于0.3 m)，根據經驗，尺度規(guī)劃階段GM值不小于1 m。GM值比較合理的區(qū)間為1～3 m。

(5) 碼頭水深：平臺船體主結構完成建造后一般在碼頭進行舾裝調試，浮箱高度受限于碼頭水深。

半潛式生產平臺尺度規(guī)劃流程如圖7所示。尺度規(guī)劃是以經驗公式為基礎對目標方案快速評價、循環(huán)修正的過程，通常以平臺用鋼量(關系到經濟投資)為目標，在滿足各限制參數的前提下不斷優(yōu)化，最終給出推薦方案。

圖7 半潛式生產平臺尺度規(guī)劃流程Fig.7 Flow chart for SEMI global sizing process

6 母型平臺

母型平臺選擇并不是一個必要的設計步驟。若缺少設計經驗，在尺度規(guī)劃時，可以參考現役平臺的設計參數，以提高設計的合理性。

母型平臺的選擇可以考慮幾個主要參數，按照優(yōu)先級依次為：平臺功能、上部甲板重量、油氣處理能力、作業(yè)水深。上部甲板重量獲得難度較大，但是，其主要取決于油氣處理能力。可以根據目標油氣田日產量，在現役平臺中選擇處理能力與設計預期相符或相近的平臺作為設計母型。表3統(tǒng)計了19座新建平臺設計參數。

母型平臺選定后，已經可以獲得平臺主尺度及排水量，并據此開展尺度規(guī)劃工作。尺度規(guī)劃時可以以現役平臺的浮箱長度、浮箱寬高比和立柱邊長等幾個關鍵參數(見表4)來修正規(guī)劃結果。

表3 半潛式生產平臺關鍵設計參數

表4 半潛式生產平臺尺度參數表

7 性能評估

尺度規(guī)劃方案確定后，需要用現有商業(yè)軟件對平臺運動性能進行評估。由于此時尚處于設計初級階段，可用頻域分析方法快速計算平臺的固有周期和運動響應傳遞函數(運動RAO)，預報平臺的運動、加速度和氣隙[11-12]。

7.1 建 模

半潛式生產平臺立柱及浮箱對稱，濕表面建模時，只需建立1/4濕表面模型(取一典型半潛式生產平臺模型如圖8所示)。模型網格尺寸以2 m×2 m為宜，可以在水線面附近進行局部加密。由于網格尺寸關系到計算分析時間和結果精度，建議計算前開展網格尺寸敏感性分析，以確定合理的網格尺寸。

圖8 濕表面模型Fig.8 Wet surface model

水動力建模時，垂蕩阻尼模擬可選用臨界垂蕩阻尼系數或Morison模型。臨界阻尼系數通常取值3%～5%，具體取值根據平臺吃水和排水量而定。水動力模型如圖9所示。

圖9 水動力模型Fig.9 Hydrodynamic model

7.2 計 算

頻域分析的關鍵是計算平臺的運動固有周期和運動RAO，固有周期可以根據特征值計算得到。根據不同浪向(通常取0°～180°)和波周期(通常取3～30 s)計算得到多組RAO曲線，根據上述模型取0°方向平臺六自由度運動RAO如圖10所示。

圖10 平臺運動RAOFig.10 Motion RAOs

7.3 預報

根據運動RAO和設計海況條件可以預報得到平臺的運動幅值、運動加速度和氣隙。至此，已可以判斷平臺的運動性能是否可以滿足設計要求。若滿足要求，將尺度規(guī)劃結果交由下游專業(yè)(分艙、結構、立管等)開展工作。并根據各專業(yè)的數據進一步優(yōu)化尺度。

8 結 語

半潛式生產平臺方案選型和尺度規(guī)劃技術需要長期的經驗積累。目前，我國與歐美等海洋工程強國還存在一定的差距。隨著我國深海油氣資源開發(fā)步伐的加快，現有的經驗和技術積累將難以滿足生產需求。我們需要繼續(xù)深入開展半潛式生產平臺關鍵技術研究，建立健全半潛式生產平臺設計、建造、安裝、運維和監(jiān)測技術體系，擇機將其應用于實際生產項目，為我國深水油氣田的開發(fā)和安全運營提供技術保障。

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