深海半潛浮式生產平臺關鍵理論與技術問題

張新曙，尤云祥，滕明清

(1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240；2.高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，上海 200240；3.上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；4.Sugar Land,TX ,USA,77479)

深海半潛浮式生產平臺關鍵理論與技術問題

張新曙1,2,3，尤云祥1,2,3，滕明清4

(1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240；2.高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，上海 200240；3.上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；4.Sugar Land,TX ,USA,77479)

深海半潛浮式生產平臺FPU (floating production unit) 是國際海洋油氣資源開發的關鍵基礎性裝備。針對半潛浮式生產平臺的技術特點，系統闡述其各方面特性(包括：總布置、系泊和立管、水動力性能、結構設計與分析等)及相關研究現狀和未來發展趨勢。并結合我國南海地理、水文和資源環境等特點，對未來半潛浮式生產平臺的開發提出了一些建議。

半潛浮式生產平臺；系泊系統；立管系統；水動力性能；結構設計；中國南海

Abstract:The research and development of floating production unit (FPU) is of strategic importance to oil and gas exploration in South China Sea and the sustainable development of China.Semi-submersible FPU is one of the most popular platforms adopted for deep water oil and gas exploration over the world.Owing to its unique characteristics and performance,we systematically introduce and analyze the key researches and developments of semi-submersible FPU over the past two decades,including general arrangement,global hydrodynamic performance,structural design and analyses,station-keeping and riser systems,etc.The future trend is also discussed in this paper.Based on previous research and development experiences,together with the background of geophysical,oil and gas reserves in South China Sea,we offer some suggestions on the future research and development of semi-submersible FPU for offshore oil and gas exploration.

Keywords:semi-submersible floating production unit; station-keeping; riser system; hydrodynamic performance; structural analyses; South China Sea

地球上海洋的總面積約為3.6億平方公里，約占地表面積的71%，海洋中不僅含有豐富的漁業、礦業資源，而且蘊藏著大量的石油和天然氣。到目前為止，人類已探索和開發的海洋只有10%，其余90%的深海是未知的。我國擁有遼闊的海域面積，其中南海已經探明的石油儲量達418 億噸左右，屬于世界海洋油氣的四大聚集中心之一，被稱為“第二個波斯灣”[1]。這些石油、天然氣資源若能全部被開發和利用，我國今后百年的能源需求都可以得到滿足。因此，為緩解我國目前面臨的能源短缺問題，迫切需要大力開發中國南海的油氣儲備。

一般而言，海洋石油和天然氣的開發需經歷一個先鉆探、后開采的過程。在前期的鉆探過程中，需借助鉆井平臺(如海洋石油981等)攜帶鉆井設備進入海洋進行油氣鉆井作業。根據作業水深的不同，可分為坐底式平臺、自升式平臺等主要用于淺海區域作業的鉆井平臺，以及可用于深海油氣勘探的鉆井船和半潛式鉆井平臺。通過鉆井勘探發現存在油氣資源后，需借助生產平臺及采油立管進行油氣開采。根據作業水深和功能的不同，油氣生產平臺通常可分為重力式平臺、導管架平臺、張力腿 (tension leg platform,TLP)平臺、深吃水立柱式(spar)平臺、半潛浮式生產平臺 (semi-submersible)，以及浮式生產儲卸油系統(FPSO)等。

深海半潛浮式平臺(semi-submersible FPU)是深海油氣勘探和開發的主要平臺型式之一。半潛浮式平臺根據其功能特點主要分為鉆井平臺、生產作業平臺、海上安裝平臺和居住式平臺等。其中，半潛浮式生產平臺(見圖1) 是各類半潛平臺中科技含量最高、造價最貴的一種。近二十年來，半潛生產平臺在墨西哥灣、歐洲北海以及巴西周邊海域的深海油氣開發中得到了廣泛應用和飛速發展。從1986年歐洲北海第一座半潛浮式平臺Balmoral 投入作業到2014年12月美國Chevron公司宣布迄今世界上最大的深水半潛生產平臺Jack St.Malo開采第一桶油，半潛生產平臺在過去的三十多年中經歷了一個不斷創新、飛速發展的過程。從淺水到超深水，從小載荷到現今幾萬噸級的有效載荷，無論對平臺浮體本身的設計還是相關系泊及采油立管(production riser)的研發等都帶來了非常大的挑戰。

圖1 半潛浮式生產平臺示意Fig.1 Typical semi-submersible FPU

相比其他浮式生產平臺，如張力腿平臺(TLP)，深吃水立柱式(spar)平臺和浮式生產儲卸油系統(FPSO)等，半潛生產平臺擁有安全系數高，甲板空間大(長寬可達110 m/110 m)，后期上部模塊 (topside)擴展性強等一系列優勢。基于南海豐富的油氣資源和特殊的海洋環境，半潛生產平臺的研發對我國未來深海油氣資源的開發具有極為重要的意義。

近年來我國對半潛鉆井平臺開展了一系列研究工作[2]，開發和建造了海洋石油981、982等鉆井平臺[3]，但國內對深海生產平臺的研究尚處于起步階段，對其開發理念和關鍵技術難點還需進一步深入研究。為此，對國際上最新的深海半潛生產平臺研究現狀作一系統回顧和總結，為今后在相關領域開展深入的機理性研究提供參考和技術支撐。

1 總體設計關鍵技術

1.1浮體結構(floater)

一般而言，半潛鉆井平臺采用雙浮箱型式 (twin pontoon)，而半潛生產平臺多采用四立柱 (column)加環型浮箱 (ring pontoon)的型式，個別也有采用六立柱，這是區別半潛鉆井平臺與生產平臺主要特點之一。平臺甲板可采用桁架Truss結構(如美國Murphy公司的Thunder Hawk半潛生產平臺，荷蘭Shell公司的Nakika半潛生產平臺等[4])或箱型甲板 (Deck box，如英國石油的Atlantis 半潛生產平臺，美國Chevron公司的Jack St.Malo 半潛生產平臺等)。桁架Truss型甲板的特點在于可以節省船體上部的用鋼量，進而降低建造成本，而箱型甲板不僅可以提供額外的浮力儲備，還能增加船體結構的總體強度。海洋平臺甲板以上是上部結構(topside)，根據功能主要分為生產模塊、能源模塊以及居住模塊等。平臺的總布置不僅包括對這些模塊的劃分，還涉及到各個艙室的合理分配以及平臺甲板月池 (moonpool)區域的優化設計等。平臺主尺度的確定不僅要研究不同載況下的浮體穩性，同時還需滿足立管設計對平臺在風、浪、流下的總體運動，特別是垂向運動的要求。立管設計不僅需滿足極限海況下的強度，同時還需達到一定疲勞壽命 (通常為作業周期的10倍)。此外，研究在半潛平臺立柱里設計可存儲石油的艙室將是今后非常熱門的課題之一。

1.2系泊系統(station-keeping)

浮式海洋生產平臺，一般來講，必須相對固定在海上某一位置，不能讓它隨風、浪、流任意漂移,因此需要有一套系泊裝置(station-keeping system,如圖2所示)來保證浮體在海洋環境中相對停留在某一作業區域。由此可見，系泊系統的設計在平臺的總體概念設計中占有極為重要的位置[5]。淺水半潛生產平臺的系泊一般采用鋼鏈(steel chain)或鋼鏈-鋼纜 (steel wire rope)-鋼鏈型式，而在深水環境下，為減輕系泊纜的重量，提高平臺有效載荷，近年來半潛FPU多采用鋼鏈-尼龍纜 (polyester rope)-鋼鏈的系泊型式，如Thunder-Hawk,Blind-Faith,Jack St.Malo等半潛平臺。同時，深水系泊多采用張緊或半張緊的型式，躺地的鋼鏈一般只有100～200 m，這也是區別于淺水系泊的主要特點。作為Fiber rope 材料中的一種，近幾年尼龍纜在深水油氣平臺開發中得到了相當廣泛的應用，其主要優點在于重量輕，但其材料本身的物理特性具有很強的非線性，尼龍纜安裝前后其材料剛度隨時間、預張力、位移不斷變化 (見圖3)，這種非線性給平臺的運動預報和系泊纜張力估算帶來了非常大的挑戰。2010年前后，多家國際石油公司和美國船級社開展一項專門研究尼龍纜靜態和動態剛度性能的工業界聯合項目 (joint industry project)，并做了一系列材料測試和分析，研究結果被寫入美國ABS船級社指導性文件[6-7]，但這方面的研究還有待繼續深化，特別是對于靜態剛度和動態剛度的離散仍有太多不確定性因素，能否基于材料特性發展一種連續剛度模型是非常值得研究的內容。通常，由于立管系統的不對稱性及平臺周圍海底地形的變化，系泊系統一般都采用不對稱的分布形式來平衡立管的不對稱載荷，不對稱系泊纜對平臺設計和優化提出了更高的要求。

圖2 系泊和立管系統Fig.2 Station-keeping and riser systems in deep water

圖3 尼龍纜材料剛度特性曲線Fig.3 Stiffness of a polyester fiber rope

1.3立管系統(riser system)

采油樹是采油系統的重要組成部分，根據采油樹是否與海水直接接觸，可以將其分為干式采油樹和濕式采油樹。濕樹 (wet tree)半潛平臺一般采用鋼懸鏈線立管SCR (steel catenary riser)系統連接海底采油樹進而開采海底油氣，但SCR在著地點 (touch down point,TDP)容易發生疲勞破壞[8],如何提高立管的疲勞壽命是半潛平臺開發中的難點問題之一。近年，隨著惰性波浪型鋼立管 (lazy wave steel riser,LWSR)技術的日趨成熟[9]，半潛生產平臺項目也逐漸開始采用LWSR。LWSR最大的特點在于使用額外的浮力設備最大限度的將著地點的運動和立管在平臺上懸掛處 (hang-off point)的運動分隔開(如圖4所示，弓形段為浮力設備作用區)，從而減小著地點載荷，提高局部疲勞壽命。立管的動力特性和平臺的運動密切相關，如何考慮平臺、系泊纜、立管之間的非線性耦合并對此進行系統優化將是非常重要的研究課題。

1.4干樹(dry tree)半潛浮式平臺

近十年國際海洋工程界一直在探索干樹半潛平臺概念[10]。一方面，研究如何將平臺的垂向運動 (heave和pitch)減到最低；另一方面也在不斷研究立管張緊器Tensioner技術使立管可以承受較大的垂向運動。美國HOE公司[11]提出了一種雙立柱(paired column)的半潛平臺概念，即在平臺的四個角上分別使用兩個立柱取代傳統的單個立柱的布置，而平臺的上部結構則坐落在四個近立柱上。挪威的Kavaner公司也提出了新的深吃水 (吃水40 m左右)半潛概念包括新的立管張緊器Tensioner技術[12]。Xu[13]通過對半潛平臺立柱與浮箱連接處結構的優化，使平臺15秒處的垂蕩RAO減小到0.2，從而提高了平臺在波浪中的垂向運動性能。最近，羅勇等[14]提出了一種將平臺立柱和甲板分離的概念(平臺上部結構通過桁架坐落在浮箱上，增加平臺固有運動周期提高運動性能，而無需增加甲板面積和重量)，并對其運動性能進行了研究和分析。上述這些對于干樹半潛的研究給今后我國深海干樹平臺的研究提供了一些思路。同時，鑒于目前世界上還沒有一種成熟的干樹半潛平臺，如果我國能率先研制出該類平臺，勢必會極大推動我國高端海洋工程產業的創新和發展。

2 水動力特性研究

半潛浮式生產平臺的水動力特性研究涉及風載、流載和波浪載荷的計算[15]，六個自由度的總體運動分析，流致渦激運動(vortex induced motion,VIM)分析，氣隙 (air gap)以及波浪抨擊 (wave slamming)的計算等。水動力性能研究的手段包括數值計算、模型實驗和實船測量，通常結合前兩種手段開展一些前期的預研。一般來講，涉及大尺度結構物在波浪頻率范圍內的線性運動多可借助勢流或線性波浪理論求解，如果把重點轉向結構物的二階低頻慢漂運動，通常的研究手段亦或基于二階水波理論。然而忽略流體黏性和邊界層的影響的假設未必適用于大幅度的非線性陡波[16]，這時波浪黏性慢漂力的比重逐漸增大，為此需發展一套黏性波浪理論和方法，然而目前這方面的理論研究成果較少。

隨著近年來深海半潛和張力腿平臺設計吃水不斷增加(吃水35米以上)，流致渦激運動(VIM)已成為制約深吃水半潛平臺發展的一個難點問題，其最大的渦激運動幅度A/D可達0.5～0.6 (其中A為橫向渦激運動幅度，D為用于無量綱化的平臺尺度)，這給系泊和立管的強度和疲勞帶來了非常大的影響[17-18]。Olaf等[19]基于模型實驗分析研究了多立柱平臺的流致運動。Martin和Rijken[20]通過模型實驗研究了波浪對VIM的影響，他們的研究表明波浪對VIM的影響很小。Zou等[21]分別在UC Berkely的拖曳水池和荷蘭的Marin 波浪水池對雙柱式半潛平臺概念做了不同尺度的VIM實驗，研究發現模型尺度比對VIM實驗結果的影響較小。Kim等[22-23]使用DES模型對多柱式平臺VIM運動時的流場進行了計算和模擬；Xu等[24]對HVS半潛平臺的VIM運動做了研究并比較了模型實驗和CFD計算結果，證實立柱和浮箱交界處的凸起結構(blister)可破壞柱后尾渦的形成，進而對流致VIM運動起到一定的抑制作用 (各方向A/D減小到0.2)。然而，目前還缺乏有效可靠的VIM抑制方法。

圖5 內孤立波交界面處上下層流體速度分布Fig.5 Velocity profile of an internal solitary wave at an interface

半潛平臺在極限波浪下的總體大幅度運動、氣隙、波浪抨擊等強非線性問題也是平臺研發中需要全面考慮的重要部分。這些問題既涉及到平臺的總體一階及高階運動響應，也和波浪的非線性聚焦(nonlinear focusing)、局部的波浪爬高(run-up)以及平臺在極限風、浪、流環境下的強非線性運動密切相關。平臺在波浪中的一階動力響應可根據經典勢流理論結合格林函數法或者Rankine源法(RPM)計算[25-26]，而其二階傳遞函數QTF的計算需要對自由面進行網格劃分和截斷[25,27-28]，計算量比一階運動大得多，為此又發展出了一些近似估算理論[29]。然而，這些現有的方法都是基于小幅度運動假設，未必適用于極端惡劣海況下的平臺大幅度強非線性運動。一方面，攝動小參數的假設及所得到二階傳遞函數不適用于大幅度波浪情況；另一方面，流體黏性引起的慢漂力將不可忽略，同時波浪破碎導致的拖曳力將明顯增強。因此，有必要發展一種可以考慮這種非線性效應的時域方法，用于精確模擬上述非線性物理過程，評估外部載荷對平臺運動帶來的影響。

另外，處于波浪中的單個或多個物體有時在特定條件下會發生所謂的wave trapping 的共振現象[30]，而對于由多個立柱和浮箱組成的深吃水半潛平臺雖然沒有嚴格的 wave trapping，卻可能發生near-trapping。英國牛津大學的Grice等[31]研究了半潛平臺在波浪中發生near-trapping時周圍流場和波高的分布，研究表明當near-trapping發生時，平臺周圍的波浪升高加劇,這會使得平臺的氣隙快速減小，甚至導致波浪對甲板結構的劇烈抨擊。

鑒于我國南海特有的海洋環境，在平臺的研發過程中還需考慮海水密度分層而引起的內孤立波對平臺、系泊以及采油立管的影響[32-34]。內孤立波在其波峰上下形成方向相反的高速剪切流[35](如圖5所示)，該剪切流無論對平臺穩性還是運動響應都會產生非常大的影響，因此研究大幅度內孤立波的誘導速度場特性及其對深海結構物的影響機理都非常重要。

3 浮體結構特性研究

為了保證深海平臺的結構完整，需對平臺進行在位分析、裝船分析、干拖和濕拖分析等。實際工程設計中，根據經驗選擇幾個具有代表性和最危險的工況對平臺結構進行計算分析。

半潛平臺需設計能抵御每個工況下的功能載荷和環境載荷。功能載荷包括不變載荷和可變載荷。不變載荷指的是載荷的大小、位置和方向不隨時間改變。相反，可變載荷的大小、位置和方向會隨時間而改變。環境載荷包括風、浪、流等載荷。在總體分析中，平臺的輕船重和可變載荷從重量控制報告中選取。在實際分析中，單一的結構模型一般不能包含所有的結構細節，所有的相關工況需組合。由于這樣的結構模型太大，包含的工況太多，會給計算以及后處理帶來困難。所以，平臺結構分析一般分為總體強度分析和局部強度分析。

盡管現行的常規半潛平臺結構設計和分析方法日趨成熟，一些已被工業界廣泛采用，然而深海半潛平臺的結構設計和分析依然存在許多難點，概括如下：

1)考慮到現代半潛生產平臺尺寸更大，隨著向深水發展，環境條件更惡劣等諸多特點，研究設計人員需在現行方法的基礎上找出更為高效、精確的方法。

2)總體強度分析在結構分析中有著舉足輕重的作用，而其中設計波高的確定最為關鍵，目前設計波高的選擇中人為參與的因素過多，如何從理論上給出確定的方法是今后研究的一個重要方向。

3)疲勞問題是半潛平臺不能回避的主要問題。在一些關鍵連接處，鑄鋼件廣泛應用。然而，如何優化鑄鋼外形以減少疲勞損傷仍然是需要深入研究的課題。

4)深海結構可靠性研究。

4 深海半潛平臺建造、運輸和安裝

深海生產平臺的研制不僅需要優越的設計，同時還涉及后續的建造、運輸、安裝。建造的初步階段是一個將基本設計轉化為詳細設計的過程，一般情況下，平臺的詳細設計主要依托船廠將基本設計進一步具體化。船廠建造過程中通常采用前期分段建造，后期組裝并合攏的模式。平臺建造后可通過干拖(dry tow)的方式運到作業港口加裝上部模塊及調試。為此，在基本設計時就需進行干拖、濕拖運輸的可行性分析，包括多體的穩性和非線性水動力耦合分析等。

在平臺浮體完成與上部結構的對接后可濕拖 (wet tow)到海上作業地，然后進行系泊和立管系統的安裝和調試。系泊、立管系統的安裝過程非常復雜，通常需借助另外的多艘半潛重吊起重船 (heave lift vessel，如荷蘭Heerema公司的Balder、Tialf等半潛起重船[36])，無人水下作業器ROV等來完成錨鏈系統和立管系統在海底的定位和對接。

5 結 語

在我國研制、開發和建造深水海洋油氣生產平臺對我國南海油氣資源的開發和海洋工程產業的科學持續發展具有極為深遠的戰略意義。國際上從20世紀90年代初對半潛浮式生產平臺已經開展了大規模的研發工作并積累了相當多的工程經驗。在研制深海半潛浮式生產平臺過程中需解決一系列關鍵技術問題，國內外許多學者對這些問題開展了一些研究并仍在不斷探索，對這些問題的研究和發展現狀作了一個回顧，以期為今后的工作做一些參考。

致謝：感謝陳科博士、陳敏和胡曉峰在論文準備過程中給予的幫助。

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Review of the key theories and technologies for the development of deep-sea semi-submersible floating production unit

ZHANG Xinshu1,2,3,YOU Yunxiang1,2,3,TENG Mingqing4

(1.School of Naval Architecture,Ocean and Civil Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China; 2.Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration,Shanghai 200240,China; 3.State Key Laboratory of Ocean Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China; 4.Sugar Land,TX 77479,USA)

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.01.015

1005-9865(2016)01-0117-07

2015-03-30

國家青年千人計劃項目(GKKQ0100010)；海洋工程國家重點實驗室自主課題資助(GKZD010063)

張新曙(1977-)，男，江蘇無錫人，博導，國家青年千人計劃學者，主要從事深海裝備研發及相關非線性力學問題研究。 E-mail：xinshuz@sjtu.edu.cn