国外SPAR平台现状与发展趋势

张 辉，王慧琴，王宝毅

（中国石油集团海洋工程有限公司工程设计院，北京 100028）

国外SPAR平台现状与发展趋势

张 辉，王慧琴，王宝毅

（中国石油集团海洋工程有限公司工程设计院，北京 100028）

立柱式生产平台 （SPAR）是近年发展起来的应用于深水的浮式平台之一，国内对SPAR平台设计和关键技术的研究还处于起步阶段。文章对国外现有17座SPAR平台的发展现状进行综述，对SPAR平台的发展、整体组成和主要特点进行了研究，介绍了SPAR平台的作业海域、作业水深、平台尺度等关键技术参数，对平台上部组块的功能和配置进行了对比分析。通过分析明确了当前国外SPAR平台的现状与发展趋势，以期能够对国内相关项目的开展起到借鉴和指导作用。

海洋平台；立柱式生产平台；深水；上部组块；关键技术参数

0 引言

随着人类开发海洋油气的步伐逐渐迈向深海海域，很多新型的海洋平台被不断开发出来并投入深水钻井和采油作业，SPAR平台就是近年发展起来的应用于深海的浮式平台之一。自20世纪90年代以来，SPAR平台被应用于开发深海油气资源作业中，担负了钻探、生产、海上原油处理、石油储藏和装卸等各种工作，被很多石油公司视为下一代深水平台的发展方向之一。

目前世界上常用的深水生产装备有FPSO、半潜式生产平台、SPAR、TLP等。SPAR平台相对于其它深水浮式生产平台，具有稳性好、运动性能更优的特点。SPAR是一种深吃水平台，因其重心位于浮心下方而具有恒稳性，恶劣海洋环境条件下安全性具有无可比拟的优势。由于吃水深、水线面积小，SPAR平台的垂荡运动比半潜式平台小，与张力腿平台相当，在系泊系统和主体浮力控制下，具有良好的运动特性，特别是垂荡运动和漂移小，适合于深水锚泊定位，对系泊系统和立管的相关技术要求相对较低，工程成本具有明显优势。特别因其优秀的运动性能，使SPAR成为目前主要的适用深水干式井口作业的浮式平台，可大大降低运营周期内的维护费用，深受业主青睐，具有非常好的市场应用前景。

目前，世界上建成的SPAR平台有三种类型，按出现的时间顺序分别是：传统型 （Classic SPAR）、 桁架型 （Truss SPAR）、 蜂巢型 （Cell SPAR），如图1所示。

图1 现有SPAR平台分类

这三种类型的平台的主体部分都可以划分为硬舱、中间段、软舱三部分。其中硬舱的作用主要是提供浮力，保护中央井及立管，提供可变压载；软舱的作用主要是提供固定压载，降低平台重心；传统型SPAR的中间段可以储油，桁架型和蜂巢型SPAR的中间段主要起连接作用，同时位于中间段的垂荡板还可以起到增加附加质量、降低垂荡响应、延长固有周期的作用。固定压载舱室一般位于软舱底部，主要起到降低平台重心的作用；可变压载舱室一般位于软舱上部及硬舱底部，主要起到调节平台平衡、改变平台吃水的作用；其他部分的舱室一般为空舱。

SPAR平台目前在国际上属于高度垄断的技术，仅有Technip和J.Ray.McDermott两家公司能够进行完整的设计、建造、安装，已投入使用的17座SPAR平台都出自这两家公司，其技术壁垒很高，专利费用高昂[1]。

中国石油集团海洋工程有限公司工程设计院作为工信部 “立柱式生产平台 （SPAR）关键设计技术研究”课题的参研单位，负责 “SPAR平台功能及设备确定”、 “SPAR平台作业系统方案设计”、“SPAR平台上部组块方案设计”和 “SPAR平台电气系统设计研究”专题的研究开发工作。通过课题研究完成自主知识产权SPAR平台设计方案并形成工程项目需要的初步开发设计技术能力，为将来工程项目提供技术参考和与国外技术机构相衔接所必需的技术基础，尽快提高国内海洋工程装备的制造能力，对国家资源安全有着重要意义。

1 SPAR平台的发展现状

SPAR平台技术应用于海洋开发已经超过30年的历史，但在1987年以前，SPAR平台主要是作为辅助系统而不是直接的生产系统。到目前为止SPAR平台已经发展到第三代：

第一代传统型SPAR平台 （Classic SPAR）的主要特点是主体为封闭式单柱圆筒结构，结构外形巨大。世界上第一座传统型SPAR平台是于1996年建成的Neptune平台。传统型SPAR平台共有三座，其他两座分别是1999年建成的Genesis平台和Hoover/Diana平台，其中Genesis平台也是世界上第一座配备钻井模块的同时具备钻采功能的SPAR平台。

第二代桁架型SPAR平台 （Truss SPAR）解决了Classic SPAR平台由于其主体尺寸较大、有效载荷能力不高、平台建造成本较大等问题。与Classic SPAR相比，Truss SPAR的最大优势在于其钢材用量大大降低，从而能有效地控制建造费用，因此得到广泛的应用。世界上第一座Truss SPAR平台是于2001年建成的Nansen平台 （见图2）。Truss SPAR平台是目前建成使用最多、应用最为广泛的SPAR平台类型。

由于第一代和第二代SPAR平台体积庞大，造价昂贵，而实际工程要求降低造价、体积和提高平台的承载效率，第三代SPAR平台为此对主体结构做了进一步的改进。Cell SPAR平台采用组合式主体结构以取代SPAR平台传统的单圆柱主体结构，组装时以一个小型圆柱为中心，将其他的圆柱体环绕捆绑在该中心圆柱体上，形成一个蜂巢形（Cell）的主体结构。世界上唯一一座Cell SPAR平台是2004年建成的Red Hawk平台 （见图3）。

2 SPAR平台典型整体组成

在已投入使用的17座SPAR平台中，桁架型（Truss SPAR）有13座，是当前世界上应用最为广泛的SPAR平台。典型的SPAR平台主要由四部分组成：上部组块、主体、系泊系统和立管系统，如图4所示 （以桁架型SPAR平台为例）。

2.1 上部组块

三种类型SPAR平台的上部组块布置基本相似，SPAR平台上部组块通常由两层至四层矩形甲板桁架结构组成，依据平台的功能定位配备有钻修井模块、柴油发电机组、吊机、油气处理装置、生活楼和直升机甲板等设施，可以进行钻井、修井、油气处理等其他组合作业。依据平台功能定位可以将上部组块分为钻 （修）井甲板、中间甲板、生产甲板和底层甲板，钻 （修）井甲板钻台面布置绞车、转盘等钻井设备和司钻房；中间甲板布置生活区、公用设施等，提供钻井井架、直升机甲板支撑；生产甲板布置油气处理装置、生产设备、操作间、控制间等；底层甲板布置柴油发电机组、井口和井口装置等，并提供与下部主体的连接支撑。

图4 SPAR平台典型整体组成

2.2 主体

传统SPAR平台的主体是一个大直径、大吃水的具有规则外形的浮式柱状结构。硬舱位于主体的上部， 是整个平台系统的主要浮力来源。硬舱为多层多舱结构，每一层都由水密甲板分隔，而每一层又由从中央井的拐角处伸出的径向防水壁进一步地分为四个隔舱，以提高主体的抗沉性。用于储藏柴油、原油、甲醇、饮用水等的容器通常建在平台硬舱的顶部。位于水线处的舱层还包含有附加的双层防水壁结构以降低平台由于船只碰撞破损后的灌水体积；中间部分是储存舱，用以储存平台生产的油气；在平台建造时，主体底部为平衡/稳定舱，当平台拖航就位后准备开始生产时，这些舱则转化为固定压载舱，主要用来降低重心高度；底部舱层通常作为可变压载舱，用于吃水控制，其他舱层作为固定浮舱；另外，在主体的外壳上还装有2～3列侧板结构，沿整个主体的长度方向呈螺旋状布置。螺旋形侧板能够对经过平台圆柱形主体的水流起到分流作用，从而可以减少平台的涡激振动。

桁架式SPAR平台的主体部分由硬舱、桁架和软舱组成，以桁架结构代替传统式SPAR平台柱体的中部结构，作为硬舱与软舱之间的刚性连接。桁架结构有效地降低了平台主体在竖直平面上的投影面积，从而降低平台的水平外力载荷，减小了在水平方向上的运动响应。桁架上水平设置的垂荡板增加了平台在垂荡运动时的附加质量和阻尼，降低了平台垂荡运动的固有频率，从而减少了与波浪频率发生共振的可能性；平台主体在桁架以下的部分为软舱，位于平台的最底部。在安装阶段，软舱为平台主体在水中水平漂浮提供浮力。平台竖立后，固定压载将存放于软舱，可以降低平台重心，使得平台重心低于浮心从而保证平台的无条件稳性。

蜂巢型SPAR平台的主体由一束圆柱体通过其空隙间的水平和垂直的结构单元连接而成。其上部硬舱由多个外圆柱围绕1个中心圆柱组成，上部圆柱提供整体所需浮力；下部由外圆柱中的3个延伸到底部的圆柱腿构成；压载舱在这些圆柱腿的底部，以确保平台具有足够的稳定性；垂荡板装在圆柱腿上，提供较大的垂荡附加质量和附加阻尼，适合刚性立管。同其他SPAR平台一样，由于浮心高于重心，蜂巢型SPAR平台同样非常稳定。

SPAR平台一般采用干式井口作业，其硬舱内部设置有 “中央井”，形成了一个四周封闭的空间，供顶部张紧式立管 （Top Tensioned Riser,TTR）穿过。因此中央井的尺寸将受制于TTR立管的数量及布置方式，而它又影响SPAR平台的硬舱尺寸。

2.3 系泊系统

SPAR平台的系泊系统对平台起到限制位移的作用。为了减小系泊系统在海底的覆盖面积，目前深水SPAR平台的系泊索大多采用链—缆—链的张紧悬链线形式。每根系泊索由三部分组成，最上面的部分称为船体链段，中间段为螺旋钢缆或合成缆（尼龙缆或聚酯纤维缆），下部与海底链段相连，见图5。海底基础有桩基础和吸力锚基础两种形式。系泊系统可以预先安装好，在主体就位后进行连接。导缆器安装在主体重心附近的外壳上，每组系泊缆通过导缆器与张紧器连接，通过调整张紧器来改变系泊缆的张力。锚链的长度和锚泊系统提供的张拉力应保证除非在非常极端的工况条件下，钢缆或尼龙缆不与海底相接触。

系泊锚链可以对称或是不对称地分布在主体的周围。在已建成的SPAR平台中，桁架型SPAR平台的系泊索一般采用的是分组式布置方式，而投入使用的蜂巢型SPAR平台仅有一座Red Hawk，其系泊索呈散布式布置。选择系泊索布置型式时需要对目标海域的环境条件、立管布置型式、平台主体型式进行综合考虑。

2.4 立管系统

SPAR平台的立管系统向上与平台上体的生产设备相连，向下则深入海底，可实现采油 （气）、注水、外输等功能。立管系统根据设计需要可以在顶部张紧式立管 （TTR）和钢制悬链线立管（SCR）间进行选择，图6所示是顶部张紧式立管示意图。钢悬链线立管悬挂在甲板外侧，而顶部张紧式立管位于SPAR平台的中央井中，通过浮力罐或者张紧器提供立管张力支持 （如图7所示）。顶部张紧式立管系统根据平台的作业能力、油 （气）田的开发方案可以确定立管系统的性质 （钻井隔水管、生产立管）、立管的数量、立管的尺寸以及立管的布置方案。

由于SPAR平台的垂荡运动很小，因此它可以支持顶部张紧式立管和干式采油树 （Dry trees）。平台正常生产工况下由于每个立管通过自带的浮力罐提供张力支持，因此立管的轴向载荷与主体运动解耦，同时使得平台对水深也不是很敏感。SPAR平台底部接头 （Keel joint）的设计，使得SPAR和立管之间可以有相对运动。浮力罐从接近水表面一直延伸到水下一定深度。在一些情况下， 浮力罐超出硬舱底部。在中心井内部，由弹簧导向承座提供这些浮力罐的横向支持。柔性海底管道 （包括柔性输出立管）可以附着在SPAR平台的硬舱和软舱的外部，也可以通过导向管拉进桁架内部，继而进入到硬舱的中心井中。

3 在役SPAR平台的关键参数统计分析

目前SPAR平台已经发展了三代，共17座平台，除在马来西亚Kikeh油田作业的Kikeh平台入籍DNV外，其余16座SPAR平台均入籍ABS，这16座SPAR平台也都在墨西哥湾作业，表1统计了当前世界上所有17座SPAR平台的关键参数，其中BP公司的Holstein平台是世界上最大的SPAR平台。图8是所有SPAR平台的作业水深对比图，作业水深超过1500 m的深水SPAR平台共有5座，其中壳牌公司 （Shell）的 Perdido平台保持着SPAR平台的最大作业水深，并因此成为世界上作业水深最深的钻井生产设施。

表1 SPAR平台主要参数统计

对在役SPAR平台上部组块的功能和配置参数进行了统计对比 （见表2），通过对比分析可见：

（1）多数平台上部组块采用3层甲板结构。

（2）在17座SPAR平台中配备钻井系统的仅有4座，仅具备修井功能的平台占绝大多数，为9座。

（3）平台定员与平台的功能定位关系较大，配备钻井系统的平台定员在110人以上。

4 SPAR平台发展展望

SPAR平台是深水开发的经济型平台，其优良的运动性能使得干采油树和刚性立管技术可以应用于SPAR平台，因此经济性更加突出。从SPAR平台的发展现状来看，未来SPAR平台的发展呈现出如下特点：

4.1 作业水深不断增加

根据统计数据显示，第一座SPAR平台——Neptune的作业水深只有588 m，此后SPAR平台的应用水深不断增加，到目前为止，Perdido平台的应用最深达到2 383 m。相信随着人类开发深水海洋油气资源的深入，SPAR平台的作业水深很快会被打破。

表2 SPAR平台上部组块主要参数统计

4.2 型式多样化

随着SPAR平台技术的发展，目前各国也正在积极开展适应本国深海油田地理条件和环境条件的新型结构型式的研究，目前已经有两座与SPAR平台型式类似的Min DOC3平台应用到墨西哥湾的油气生产中，相信未来SPAR平台的结构型式也将呈现多样化趋势。

4.3 应用地域不断扩大

近年来，BP、雪佛龙、埃克森美孚、壳牌等石油工业巨头都在积极地开展对SPAR平台技术的研究论证，以期在不久的将来把SPAR平台应用到英国的舍德兰群岛、挪威的北海油田以及西非安哥拉沿海和巴西海域，一些边际油田对SPAR平台的需求也日益增强。我国对SPAR平台的科研工作也已纷纷启动，科研工作者也正在致力于深水平台的研究，相信不久的将来，在中国南海也将出现SPAR平台和其他深海作业平台。

[1]徐琦.Truss SPAR平台简介 [A].2002年度海洋工程学术会议[C].上海：中国造船工程学会，2002.127-133.

[2]D J Petruska,J F Geyer and A Z Ran.Mad Dog Polyester Mooring–Prototype Testing and Stiffness Model for Use in Global Performance Analyses[A].Offshore Technology Conference[C].Houston:OTC，2004.

[3]石红珊，柳存根.SPAR平台及其总体设计中的考虑[J].中国海洋平台，2007，22（2）:1-4.

Current Status of Overseas SPAR and Its Development Prospect

ZHANG Hui（China National Petroleum Offshore Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100028,China）,WANG Hui-qin,WANG Bao-yi

SPAR as one type of floating platforms used in deep water has been developed in recent years.The domestic research of SPAR design and key technology is still in its infancy.In this paper,the development status of existing overseas 17 SPAR platforms are reviewed,and SPAR development course,typical components and main characteristics are studied.The operation region,water depth,platform size and other key technical parameters are introduced.The configurations and functions of their topsides are compared and analyzed.By analyzing the foreign SPAR development current status and trend,the paper would play a guidance and reference role in domestic related development projects.

offshore platform;SPAR;deep water;topside;key technical parameter

TE951

A

1001－2206（2011）增刊－0001－06

张 辉 （1981-），男，山东临沂人，工程师，2008年毕业于山东大学，硕士，主要研究方向：海洋工程。

2011-08-10