半潛式生產平臺(SEMI)應用與發展趨勢

摘 要：目前海上油氣資源開發的主要手段是采用浮式生產裝置。本文介紹了半潛式生產平臺（SEMI）的主要優點，如：甲板面積大、裝載能力強、有利于生產設備的布置等。SEMI主要由水下浮體、立柱、平臺主體（甲板）、支撐物等組成。針對現有SEMI的不足，國外一些設計公司提出了一些新型的SEMI的概念。

關鍵詞：半潛式生產平臺;結構組成;發展趨勢

中圖分類號：TE53;P751

文獻標識碼：A

1 前言

海上油氣資源的開采方式，是采用浮式生產裝置。目前的浮式生產裝置，主要分為四種類型：TLP平臺、FPSO、SPAR平臺以及SEMI平臺。這四種浮式生產裝置適用范圍不太一樣且各有特點。

（1） TLP平臺，又稱為張力腿平臺。其特點是：對水深要求比較高，適用于較淺的海域。當水深超過1500 m時，張力腿平臺的制作價格會迅速增加，并且平臺的技術和安裝難度等也會增大。至目前為止，張力腿平臺（ TPI）的最大工作水深為1524m。

（2） SPAR平臺，又稱為單柱式平臺。這種平臺的特點是：理論上不受水深影響，但如果水深過大，那么平臺立管的重量及張緊器的頂張力也會增大，若采用浮力罐張緊器，就需要大體積的浮力罐，平臺的成本會上升;而且為了安裝以及操作的便利，保證浮力罐不受海流的影響，浮力罐的長度一般都設計在70m以下;采用液（氣）壓張緊器，則需要足夠大的可變載荷，因平臺的可變載荷較小，無法提供足夠大的可變載荷。

（3） SEMI平臺，又稱為SEMI。與TLP平臺和SPAR平臺相比，SEMI平臺有著很多優點：它既不像張力腿平臺那樣對水深要求比較高，又不像SPAR平臺那樣可變載荷較小，它的可變載荷更大，可以滿足張緊器的要求。因此，SEMI平臺不受水深限制，既可用于淺水區域，也可以用于深水海域;另外，從生產制造和平臺安裝的角度考慮，SEMI平臺還可以在碼頭安裝和整體拖航船體，安裝難度小，制作價格和安裝價格都相對低一些;并且SEMI平臺的面積更大，裝載能力更強，生產設備的布置空間裕量更大，能布置的設備也更多一些。因此，SEMI在海上油氣田開采中的應用比較多。目前國內外正在使用的SEMI平臺有51座，其中由鉆井平臺改造成生產平臺有25座，其余的為新建平臺。

20世紀70年代，美國實現了第一次由鉆井平臺改造為生產平臺，第一座SEMI也因此出現，它的結構為單層甲板、多浮箱、多立柱、無橫撐設計;1986年，世界上首座新設計并且直接投產于海上油氣生產的SEMI被發明出來，它被稱為Balmoral FPV，投產于北海。平臺結構的為箱型甲板，由4根立柱（圓形）支撐著甲板，甲板下是兩個浮箱，有2個橫撐。

世界上首座混凝土型式的SEMI，于1995年制造出來，它是目前世界上最大的SEMI，也投產于北海海域。這座混凝土結構的SEMI也采用了4立柱的支撐方式，浮箱的類型為環形，沒有橫撐，甲板是單桁架式，它的排水量達到180 000 t。

世界上首座以鋼結構的環形浮箱型式的SEMI于1999年制造出來，投產于北海海域。它的甲板采用了箱型甲板結構，采用了4根立柱支撐甲板，立柱下采用環形浮箱，擁有2個橫撐結構。經過多年發展，新建的SEMI結構型式逐漸確定并且固定下來，一般都采用環形浮箱，浮箱上面為4根立柱，立柱上為甲板的船體型式。

2021年6月，我國研發的“深海一號”SEMI投產成功。它為全球第一座100 000 t級的深水半潛平臺，整體高度達120 m，按照嚴格的不回塢檢修標準和百年一遇的超強臺風的標準進行設計和建造，其不回塢的年限高達30年，并且疲勞壽命更高達150年。平臺結構采用4個方形倒網角立柱，環形浮體，桁架式組塊組成。

2 SEMI的組成

SEMI的主要構成部分為：水下浮體（為平臺提供浮力）、立柱（支撐上部甲板和浮體）、上部組塊（甲板和生產模塊）、橫撐（部分平臺擁有）等。

2.1 水下浮體

水下浮體是SEMI能夠實現在海上作業的基礎，它主要為平臺提供在海上生產需要的浮力，是SEMI的重要組成部件之一。浮體的內部經過分隔后可以設置為液艙，用于儲存生產平臺日常消耗所需的消耗品或生產時的需要。如：生產平臺上所需的壓載艙;儲存生產設備所需的燃油艙、生產及工作人員日常生活所需的淡水艙等;泵艙、推進裝置艙等設備存放艙室等。充分利用浮體提供浮力功能，還能緩解空間使用壓力。

浮體型式目前主要有兩種型式：一種為下體式;另一種為浮箱式。浮箱的外形又有多種，目前應用環形浮箱的比較多，立柱均勻分布固定于環形浮箱上。

雙浮箱相對于環形浮箱來說，在平臺進行拖航的時候的阻力較小，有利于平臺的遷移及航行;但是雙浮箱的設計對平臺總體強度沒有環形浮箱的好，需要增加橫撐設計。反之，環形下浮體的設計比雙浮箱設計的拖航阻力更大些，不利于平臺的遷移航行;但浮體所受載荷分布均勻，平臺擁有比較好的總體強度。由于平臺只是在安裝結束后需要遷移至特定地點，其余時間一般都是永久系泊作業，所以平臺遷航的阻力對平臺的設計影響較小，而作業過程中可能承受的環境載荷較大，需要較高的總體強度，因此新建的SEMI更傾向于應用環形浮箱。

2.2 立柱

2.2.1 立柱布置

立柱用于給上部生產甲板提供支撐，是浮體與上部甲板之間的連接件，也是SEMI的重要組成部件之一。立柱與下浮體連通，所以一般都設有與下浮箱連接的通道;立柱一般比較長，立柱中間可以布置水平的平臺進行分隔;考慮到破損穩定，需要實行必要的周向分離，立柱上下端的隔艙也可以用作其它用途。

2.2.2 立柱的截面型式

立柱的截面型式主要有：網形、三角形倒網角形和方形倒網角形三種。

立柱主要用以支撐平臺甲板，它的截面面積決定著平臺的穩定和生產排水量。網形截面能夠均勻的分布其所受到的外界載荷，具有較好的力學性能，但是圓形截面的有效面積較小;方形倒圓角形截面的立柱在同樣的尺寸下有效面積最大，好的穩定性及更大的生產排水量能給平臺帶來更好的效益，所以一般新平臺的設計大都采用方形倒網角形截面型式的立柱;三角形倒網角形截面的立柱，更多的是為了創新設計產品，應用并不廣泛。

2.3 主甲板

平臺的甲板主要是給生產模塊以及丁作人員提供場地，用于放置生產模塊所需的設備，以及工作人員的日常生活場地。甲板的型式有三種類型：整體式的箱型、開放式的桁架式以及兩種結合的混合式，這三種型式的甲板各有特點。

2.3.1 箱式甲板

箱式甲板，結構型式為板殼，其優點是強度好，擁有好的大傾角穩性，甲板與立柱連接簡單，載荷通過艙壁傳到立柱;但箱式甲板的不足是比較封閉，不便于通風，并且制造時甲板與船體需要同時建造，難度比較大，鋼結構占比也較大，鋼材使用量較多。

2.3.2桁架式甲板

桁架式甲板，主要的構成方式為桁架式結構。桁架式甲板與箱型甲板相反，甲板呈開放式，甲板支撐梁與立柱支柱連接，甲板載荷主要由梁傳遞。桁架式甲板的特點，是甲板與立柱體比較獨立，甲板和船體可以各白制作，制造難度小，甲板的鋼結構占比較小，而且空間開放，有利于生產制造及設備運行時的通風。

2.3.3混合式甲板

混合式甲板為箱型與桁架結構的結合。混合式甲板通常四角為與箱式甲板類似，為板殼結構;四角之間又與桁架式結構類似，通過桁架架構連接。混合式甲板的特點，結合了箱型和桁架型兩種形式，它繼承了箱式甲板的總體強度好，甲板與船體的連接較簡單，大傾角穩性好;但甲板結構設計相對復雜，甲板的質量大，安裝難度大，難以利用岸吊或浮吊實現總體安裝，一般多采用頂升或浮拖法安裝。

2.4生產模塊

海上開采出來的資源并不能直接進行存儲外輸，需要進行介質的分離、除雜及對開采出來的原油進行穩定等，最后符合儲存和外銷的條件后才是合格的產品。

SEMI的生產工藝模塊的主工藝流程為：對開采出來的油氣水在三相分離器中進行油氣水的分離：分離后，對于原油去除原油中的輕組分;對于生產水進行除油處理，達到排放標準;對于伴生氣，用作平臺燃料或由火炬燒掉（部分平臺會進行LPC回收）;最后對處理結束的原油進行儲存及外輸等。具體包括：原油處理工藝系統、生產水處理丁藝系統、生產輔助系統、公用系統等。

2.4.1 原油處理系統

原油處理系統是平臺的主工藝流程。對開采出來的氣液通過其物性的差異進行分離，通常為根據密度不同進行分離，常見的分離方法為重力分離;除了這一種方法外，基本的分離方法還要兩種，分別為離心分離和碰撞和聚結分離。分離器是這流程的核心設備，常用的分離器又分立式分離器和臥式分離器，液氣比不同，選用的型式也不同。

經過分離器分離后的原油還會含有輕組分，在儲存及運輸中容易造成原油損耗，因此在儲存前需除去原油中的輕組分，即原油的穩定處理，一般采用閃蒸法或分餾法兩種。

2.4.2 生產水處理系統

在原油處理過程中分離出來的水多少還會含有污油，需要將水中的污油降至排放標準后才能排放。這種含油污水的污油含量較少，有些油粒比較小，因此對不同直徑的油粒的分離方式也不太一樣：第一種方式，主要是除去水中大的油粒（gt;50μm），將浮于水上的油進行分離;第二種方式，主要是除去水中小的油粒（ 20-50μm），用外部因素使微小的油粒和水進行分離，如浮選;第三種方式是過濾，根據溶解度不同或過濾介質的吸附性能，使油吸附或溶解到過濾介質上，如活性炭過濾。常見的生產水處理設備，主要有自由沉降罐、水力旋流器、浮選等等。

2.4.3 輔助系統及公用系統

除了原油處理的主丁藝流程外，還有各類用于輔助或者公用的系統。這些輔助及公用系統，主要是在原油處理工藝上給予主丁藝流程一定的生產環境及條件，它們與主丁藝流程關系緊密。如：熱介質油系統，在原油處理過程中給生產系統提供熱能，使生產能控制在需要的溫度;化學藥劑系統，在原油處理過程中提供所需化學藥劑，使生產能正常運行等;輔助及公用系統包括但不限于上述系統，它們都是不可或缺的，它們與主工藝系統組成平臺的整個生產系統，原油才得以安全完成開采、處理以及儲存外輸等流程。

3 新型SEMI及發展趨勢

干式采油樹不適用于SEMI平臺，這也是SEMI平臺相對于其他幾種平臺較為不足的地方。采用干式采油樹的好處是擁有更好的生產控制效果，在生產能力少或者不生產時，可白行修井;而且可以很大程度減小平臺的維修運營成本以及減少停產的時間。為了優化SEMI的性能，國外提出了幾種較為成熟的SEMI的設想，使其能夠適用干式采油樹。如：可伸展吃水半潛平臺、自由懸掛固體壓載艙半潛平臺等。

3.1 新型SEMI及發展趨勢

國外設計公司提出的幾種新型SEMI都有很多共同之處，這些共同的特點也體現了SEMI未來的發展趨勢及所需解決的技術難題。現有的SEMI不適用干式采油樹是因為平臺的垂蕩運動太大，所以新型SEMI平臺的設計概念主要從結構設計進行優化改進，降低平臺的垂蕩運動：

（1）設計深吃水型式。從增加立柱長度的角度去設計，使得吃水變深，下浮體受海面的的影響降低，平臺的運動將會明顯的減小;

（2）設計垂蕩板。垂蕩板的作用是來降低其垂向運動幅值，達到降低平臺垂蕩值的目的;

（3）雙層下浮體。設置兩層下浮體，使得在水下的質量增大，增加阻尼;所增加的第二層浮體吃水深，使浮體受海浪的影響降低，而且其內部壓載可以降低平臺的重心，還可以提高平臺穩定性。

3.2 新型SEMI的技術瓶頸

（1）隨著SEMI平臺吃水增大及立柱長度增加，平臺在水下產生的渦激運動跟著變得更加嚴重;

（2）隨著平臺增加了垂蕩板或二層下浮體，縱/橫搖的轉動剛度增大，運動周期減小，不利于平臺的穩定性;

（3）新型SEMI平臺垂蕩板和二層下浮體吃水深度比較深，一般超過50 m，新結構的安裝和可靠性存在不確定性，安裝方法目前還沒有實際應用，因此需要格外注意。

4 總結

本文介紹了半潛式平臺SEMI的構成和各組成部件的類型、特點以及功能，并簡述了SEMI的發展歷程以及未來的發展趨勢和技術瓶頸。希望本文可以幫助相關人員加深對SEMI的了解，并針對SEMI的技術瓶頸進行攻破，

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