深海海洋平台发展综述

周振威 孙树民

摘要：本文综述了深海海洋平台的发展历程及现状，深海海平台包括半潜式平台、TLP平台以及Spar平台，半潜式平台只能使用湿井口，多为钻井平台。TLP平台和Spar平台都适合用作深海采油平台，通过对比，认为TLP平台更为适合中国南海海域的油气开发。最后对深海平台未来的发展进行了展望。

关键词：深海海洋平台；半潜式平台；TLP平台；Spar平台

Abstract: This paper reviews the development and current conditions of deep water offshore platform, including semi-submersible platform, TLP and Spar platform. Semi-submersible platform can only use wet wells, mostly for drilling platforms. TLP and Spar platforms are suitable for exploitation of oil in deep water. By contrast, the TLP is more suitable for the South China Sea oil and gas development. Finally, this paper examines the prospect future development of deep water offshore platform.

Key words: Deep water offshore platform;Semi-submersible; TLP;Spar

1引言

目前，对海洋石油资源的调查、勘探工作不断扩大，也不断地由浅海向深海发展。根据国际上流行的浅海和深海的划分标准，水深小于5 00 m为浅海，大于5 00 m为深海，1 500 m以上为超深海。深海海洋平台是在深海海域实施海底油气勘探和开采的一种海洋工程结构物，传统的海洋平台多为固定式，自重和造价随水深的加大而大幅度地增加，其工作水深一般不超过5 00 m，不能适应深海环境。对于深海石油的勘探和开采，主要使用移动式和顺应式平台。深海海洋平台的类型主要有半潜式平台、TLP平台（即“Tension Leg Platfor m”的缩写，中文名称为张力腿平台）以及Spar平台（即单柱式平台），它们都是浮式平台，没有连接平台与海底的桁架结构，仅依靠自身的浮力来支撑其上部的重量，并使用系泊系统以及螺旋桨的动力来来对平台进行定位。这类浮式结构使得平台在水深增加的时候成本不会像传统的平台那样大幅度地增加，非常适合应用于深海油气的勘探与开发。结构上的优势使这类平台飞速地发展，成为了深海海洋开发的主要平台类型。其中，半潜式平台主要用于钻井，又称为半潜式钻井平台；TLP平台和Spar平台则多用于油气的开采。目前世界钻井平台工作水深记录为3 048 m（10000英尺），钻井深度超过12 000 m[1-2]，采油平台的工作水则深超过2 000 m。

2深海海洋平台的历史与现状

2.1半潜式平台

1962年，经过对坐底式钻井平台“蓝水1号（Blue Water No.1）”的改装，诞生了世界上第一座半潜式钻井平台，并于当年在墨西哥湾投入了使用。从第一座半潜式平台的诞生到现在，已经发展到了第六代。二十世纪60年代共建造了大约30座半潜式平台，为第一代半潜式平台。这个时期建造的平台，作业水深只有90~180 m，目前基本上都已经退役。随后在七十年代中期和八十年代初期，半潜式平台的数量迅速增加，这两个时期的半潜式平台分别为第二代和第三代。这段时期，设计者主要致力于改进平台的结构和增加平台的作业水深，第二代平台的作业水深为180~600 m，钻井深度为6 096 m或7 620 m；第三代平台作业水深达到450~1 500 m，钻井深度以7 620 m为主。第四代半潜式平台出现于二十世纪80年代末和90年代，作业水深和钻井水深继续增加，作业水深达1 000~2 000 m，钻井深度达到9 144 m。二十一世纪初至今，相继诞生了第五代和第六代半潜式钻井平台。这一时期的半潜式平台除了作业和钻井水深的增加以外，还使用了动力定位，更加优化的平台结构，配备了自动化作业设备，能够适应极其恶劣的海洋环境。

半潜式钻井平台的结构主要包括下浮体、上层平台和连接下浮体与上层平台的立柱。下浮体沉没于水面之下较深处，以减小波浪力的作用，上层平台高出水面一定的高度，以避免波浪的冲击。上层平台与下浮体之间使用立柱来连接，立柱的数目一般为4个至8个，截面积较小。这样使平台具有小水线面、较大的固有周期的特点，在波浪中的运动就会大为减小，具有出色的深海钻井性能。半潜式平台的六个自由度都为顺应式，运动的周期较大，大于波浪常见的周期。一般情况下，垂荡周期为20~50 s，横摇和纵摇周期为30~60 s，纵荡、横荡以及首摇的周期都大于100 s[3~4]。一座深海半潜式钻井平台在生存海洋环境下的运动响应较大，最大水平位移达到了工作水深的18%，垂荡运动超过+-10 m，横摇和纵摇运动超过+-7o[5]。由于其运动的位移较大，只能采用湿式采油树，一般用作钻井平台。

据不完全统计，目前世界上共有半潜式平台约200座，主要分布于北海、墨西哥湾以及巴西。2010年，中国首次自主设计、建造的第六代半潜式钻井平台“海洋石油981”下水。该平台自重30 670 t，长114 m，宽79 m，采用DP3动力定位，工作水深3 000 m，钻井深度超过10 000 m，具有勘探、钻井、完井与修井作业等多种功能，是一座达到国际先进水平的深海半潜式钻井平台。

2.2TLP（张力腿式）平台

TLP平台是在半潜式平台基础上发展而来的一种主要用于深水采油的顺应式平台。它的历史可以追溯到1954年，美国学者R.D. Marsh最早提出的张力索组平台的概念。之后到20世纪70年代末，是TLP平台的理论研究、探索、工程酝酿阶段，各国学者对TLP平台进行了艰难而又富有成效的研究。1984年，世界上第一座TLP平台正式安装在英国的Hutton油田，该平台由美国CONOCO公司建造，工作水深147 m，目前已经退役。Hutton是一个带有实验性质的TLP平台，在Hutton平台基础上所进行的各项研究，使得TLP平台取得了突破性的进展[6-8]。随后，TLP平台得以迅速发展。据统计，截至2010年，世界上已经建成的张力腿平台共有24座，在建1座。

TLP平台由平台本体、张力腿系统以及锚固基础三个部分组成，平台本体包括上体、下体和连接上下体的立柱。上体位于水面以上，为工作区域，平台下体在水面以下，为平台提供浮力。浮体产生远大于结构自重的浮力，超过总重力的那部分浮力称为剩余浮力。剩余浮力由垂直系于海底和平台之间的筋腱[9]来平衡，它让筋腱时刻处于受拉紧绷的状态，巨大的预张力使得平台在平面内的运动（横荡、纵荡、首摇）为顺应性，平面外的运动（横摇、纵摇、垂荡）则近似刚性。平面内的运动周期较高，一般为1~2 min，高于波浪周期；平面外的的运动周期较短，为2~4 s[10]，其频率要低于波浪周期。TLP平台的这种结构特点，可以避免结构和波浪的主频率发生共振，有着优良的动力性能。由于其平面外的运动近似于刚性，横摇、纵摇、垂荡的运动幅度都比较小，可以非常方便地安装干式采油树系统，因而TLP平台非常适合用作采油平台。根据本体结构的不同，TLP平台可以分为两代，第一代为传统的TLP平台，第二代TLP平台包括miniTLP和ETLP（即“Extended Tension Leg Platfor m”，延伸式张力腿平台）。

传统的张力腿平台的平台本体投影呈矩形，通过四根圆柱形的立柱（Hotton平台为六根）来连接平台的上体和下体，立柱的位置在矩形的四个角上。浮箱首尾与各立柱相接, 形成环状结构。张力腿由4组相互平行的筋腱组成，上端固定在浮箱与立柱之间的连接处，下端与海底基础相连。有时候为了增加平台系统的侧向刚度，还会安装斜线系泊索系统[11]，作为垂直张力腿系统的辅助。海底基础将平台固定入位，主要有桩基础和重力式基础两种形式[12]。

miniTLP，即为一种小型的TLP平台。但它并不是简单地将传统TLP平台尺寸缩小，而是对整个平台的结构进行了较大的改进，使平台的各项参数进一步优化，达到以较小吨位获得较大的有效载荷的目的。 miniTLP目前有两个系列，分别是Atlantia公司设计开发的SeaStar（海之星）和由 MODEC公司开发的 MOSES（全名“ Mini mu m Offshore Surface Equip ment Structure”，最小化深海水面设备结构）。

SeaStar的平台主体取消了传统类型TLP的4柱式结构，仅在甲板和浮筒间使用一个圆柱体结构，称为中央柱。中央柱垂直穿过水面，上端支撑平台甲板，下端与的三根截面为矩形的浮筒相连接。三根浮筒成辐射状沿中央柱法线向外延伸，彼此在水平面上的夹角为120°，在末端与张力腿系统连接。1998年， 名为“ Morpeth”的TLP平台安装并投入使用，这不仅是世界上第一座SeaStar TLP平台，同时也是第一座 miniTLP。至今世界上已建成5座SeaStar TLP平台。

MOSES是一种不同于SeaStar的 MiniTLP[13]，第一座于2001年下水，目前已经建成6座。它的平台主体依然使用四根穿过水面的立柱，但是立柱间的距离较传统型TLP要小得多，截面很小且为四边形，因而水线面积较少，所受的波浪力也相应减少。采用小水线面的四柱结构可以在降低波浪力的同时给平台上体提供更大的支撑力，改善甲板的受力情况，从而减少平台上体的建造费用[14]。

ETLP由ABB公司设计制造，从2003年第一座下水至今共建造3座。它是在传统型TLP平台的基础上进行改进，在环形浮箱的每一个角上，都有一个截面为矩形的悬臂梁向外伸出，末端与张力腿相连接。这样设计的优点是：筋腱的距离加大使平台稳定性更好；较小的立柱间距能给甲板提供更有效的支持；平台的转动惯量更小使得平台拥有更低的自振周期；月池更大以适应传统的顶部张紧立管；可以减少筋键的使用数量。这些优点使ETLP平台性能更胜于传统的TLP平台，在深海海域的应用拥有更大的优势。2005年下水的 Magnolia平台即为一座ETLP平台，它工作水深为1 425 m，创造了目前TLP平台

工作水深的记录[15]。

截至2000年，世界上11座TLP平台中的9座是传统型TLP平台。2000年以后建造的张力腿平台则以第二代张力腿平台为主，传统型的张力腿平台仅在2001年建造了一座。可见2000年以后第二代TLP平台基本上取代了传统的TLP成为TLP平台的主流。从张力腿平台的分布来看，美国墨西哥湾是张力腿平台最集中的地方，共16座，其余分布在欧洲（3座）、西非海域（4座）以及亚洲（1座）。实践证明，TLP平台在深海作业具有运动性能好、抗恶劣环境作用能力强以及造价低等优点，因而，TLP平台得以蓬勃发展[16]。学者们不断地对张力腿平台进行着理论研究和改进，提出了悬式TLP平台、混合平台 [17]以及近海小型TLP平台[18]等有建设性的概念。目前国内对TLP平台的研究集中在平台的波浪荷载及响应[19-22]、平台的振动控制以及对轻型TLP平台的研究等方面。

2.3Spar平台

Spar平台是一种新型的深海采油平台，它的特点是结构尺度大，吃水深，在深水环境中运动稳定，特别适合于深水和超深水作业。Spar技术应用于人类深海的开发已有近四十年的历史，但在早期它仅是一种辅助系统，用于储藏石油及其它物资，并不是现代意义上的Spar平台。1987年，Edward E.Horon设计了一种专用于深海钻探和采油工作的Spar平台，并以此申请了技术专利，这被公认为现代Spar生产平台的鼻祖。之后，Spar平台才开始正式应用于海上领域。1996年，Neptune Spar在墨西哥湾水深588 m的Viosca Knoll油田826区投入使用，这是世界上第一座现代Spar平台，它的投入使用标志着Spar平台从此正式登上了海洋石油生产的舞台。Spar平台的适用水深为600~3 000 m，直径能达30~40 m，吃水200 m左右。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，可以采用干式采油树和刚性立管，同时，它还具有较大的储油能力[23-25]。在结构上可以分成三个部分：平台上体、平台主体以及系泊系统，其中平台上体和平台主体并称为平台本体。Spar平台的系泊系统与TLP平台的垂直张力腿不同，它采用斜线系泊，一般采用半张紧式悬链线系泊，系泊缆中的预张力要比TLP平台小得多。目前Spar平台可以分为三代，第一代是经典式Spar平台（Classic Spar），第二代为桁架Spar平台（Truss Spar），第三代为蜂巢式Spar平台（Cell Spar），三代平台的平台上体和系泊系统基本相同，区别主要在于平台主体。

经典式Spar又称为箱式Spar（Caisson Spar），它是最早出现的Spar深海采油平台。它的主要特征是平台主体为单个在水中竖直悬浮的封闭式圆柱体，柱体外壁安装有螺旋状侧板，能够减少涡流的作用。主体尺度较大，1997~1999年所建成的三座经典式Spar平台，其主体长度都达到了215 m，最早建成的Neptune直径为23 m，其它两座直径达到了37 m[26]。主体从上至下分成三个部分，上部称为硬舱，下部称为软舱，硬舱和软舱之间为中段。硬舱是整个Spar平台系统的主要浮力来源，为提高主体的抗沉性，中间用防水板隔成多个小舱室。Spar平台的压载大部分来自软舱，压载物一般为海水。中段部分用于刚性连接硬舱和软舱，由外壳体和内壳体组成，内壳体内是中央井，内壳体和外壳体之间则作为Spar平台的储油舱。经典式Spar平台建造成本较高，且体积巨大安装不便，仅建造了三座，随后出现了桁架式Spar平台和蜂巢式Spar平台。

桁架式Spar平台由经典式Spar平台演化而来，是目前应用最为广泛的Spar平台形式。它在中段部分采用了开放式的桁架结构来代替经典式Spar平台的双壳体结构，并使用垂荡板分成数层，以限制平台的垂荡运动。采用这种设计的优点是减小了主体的横向受力面积，节省了平台的用钢量，同时垂荡板结构可以有效地限制平台的垂向位移；缺点是平台没有储油能力。与传统Spar相比，桁架式Spar平台的最大优势在于其建造时对钢材的用量大大降低，从而能有效的控制建造费用，因此得到广泛的应用[27]。

蜂巢式Spar平台的主体不再是单个圆柱形结构，而是由若干个较小的圆柱体构成，以一个为中心，其它的环绕着该中央柱体并捆绑在其上。这些圆柱体相互平行，直径相同，但长度不一样，可以分为长分段和短分段，各分段以顶部为基准对齐。从顶部到短分段的下端为硬舱，长分段则向下延长，底部与软舱相连接，中段部分安装若干垂荡板。蜂巢式Spar平台主体用若干个小的圆柱体来组成，各圆柱体的体积不是很大，对于造船场所的要求大大降低，同时，蜂巢式Spar平台比经典式和桁架式拥有更小更轻的主体结构，钢材的耗用量和安装运输工作量都会有所减少，因而平台的整体造价大幅降低。

Spar平台的发展时间虽然较短，然而在这短短的十来年内，全球已经建成17座Spar平台，其中经典式3座，桁架式14座，蜂巢式1座。除1座在马来西亚外，其余均安装于墨西哥湾。目前，世界各国都在积极地开展对Spar平台技术的研究，以期能早日将这种优秀的采油平台应用实际生产。

3深海平台的发展趋势

随着陆上油气资源的枯竭和国际原油价格的走高，从海洋开发油气资源已经成为一个必然的趋势。我国拥有300万 km2的领海，其中超过一半的面积水深在300 m以上。南中国海蕴藏着丰富的油气资源，必然成为海洋开发的重点[28-30]，而其中大部分蕴藏于500～2 000 m深海区域[31]。而我国目前涉足的油气开发主要集中在近海，还没有对超过500 m以上海域进行油气开发的能力，绝大部分领海还没有进行石油勘探工作。所以，为了能够有效地开发我国南海的油气资源，必然要加强深水钻井和采油平台的研究。结合目前世界上深海海洋平台的现状，为有效提升我国南海深水石油开发的能力，应该加强以下方面的研究。

3.1深水钻井平台

在“海洋石油981”前，我国钻井平台作业水深最大为505 m，石油开采平台水深为333 m，与国外先进水平相比有着巨大的差距，不具备在南海海域进行油气勘探和生产的能力，因而迫切需要发展深海油气勘探和开发技术。总体而言，半潜式平台抗风浪能力强，可变荷载大，在海上移动灵活方便，且有足够的空间安装大功率的钻井设备，因而用于深海钻井平台有很大的优势。“海洋石油981”半潜式钻井平台的建成投产，使我国达到了深海钻井平台的先进水平，应该继续保持和发展这一良好势头，力争赶超世界先进水平。从目前最先进的第六代半潜式钻井平台的技术特点来看，发展趋势是：① 工作水深不断增加。目前半潜式平台海洋钻探的最大作业水深已经超过3 000 m，据专家估计，在未来的20年内，半潜式平台的作业水深将达到4 000~5 000 m[32]。② 平台结构优化，可变荷载增大。③ 配备能力更强的钻机。④ 安装更高性能的动力定位系统。

3.2深水采油平台

拥有3 000 m水深钻井平台的同时，应该配套相应的油气生产平台。半潜式平台在海浪作用下的运动性能难以满足深海采油的要求，且只能使用湿井口，故多用为钻井平台，用于油气的勘探。Spar平台具有优良的性能，可以应用于深达3 000 m水深处的石油生产。Spar平台应用的水深范围为600～3 000 m，在1 500 m水深范围以内的成本较高，且由于它的尺度很大，给安装工作带来很大的不便。相对于半潜式平台和Spar平台，TLP平台具有如下优势：① 适用水深范围为200~2 500 m，在600~1 500 m间竞争力较强。② 可使用干井口，适用于采油平台。③ 维护费用较低。④ 运动性能好，抗恶劣环境作用能力强。⑤平台尺度小，可移动，海上安装方便。因此，TLP平台最适合我国的南海海域，应该大力发展此类平台。

TLP平台中则应该重点研究和发展 miniTLP。这种小型的TLP平台在保留传统TLP平台优点的同时，还具有成本低、建设周期短等优点。我国还未有建造深海采油平台的经验，本着循序渐进的原则，可以首先将这一平台应用于300~500 m深的较浅海域，待技术及经验成熟以后，再往更深的海域发展。

从TLP平台的发展现状来看，未来TLP平台的研究重点将主要集中在以下几个方面：① TLP平台结构型式的研究和结构的优化，寻找出更加优秀的结构型式，降低张力腿平台的建造成本，提高平台的承载效率；② TLP平台非线性波浪载荷和响应的研究，对平台的响应进行研究和控制；③ TLP平台锚固基础的研究，使基础适应更多的海底和不同的水深；④ 张力腿系统的研究。

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