三立柱大型半潜式生产储卸油平台设计

李 强， 王 晋， 朱为全， 谢 毅， 何艳飞， 许 鑫

(北京高泰深海技术有限公司， 北京 102209)

0 引 言

深水浮式生产平台是深水油气田开发的主体设施，作为典型的浮式平台之一，半潜式平台已有50多年的发展历程，在海洋油气开发中有着广泛的应用，目前全球已有40余座半潜式生产平台在深水开发中服役[1]。半潜式生产平台的技术发展趋势已从传统的单一功能向多功能集成，如“钻井+生产”“生产+储油”“钻井+生产+储油”，从而降低深水油气田的开发成本。

三立柱半潜式平台具有良好的运动性能，提供多功能深水生产作业能力，其经济性是半潜式平台中最为优化的。目前，三立柱半潜式船型在国际上被公认为经济性较优的半潜式平台型式，其优越的经济性已在排水量小于10 000 t的半潜式风电平台、排水量为20 000 t的三立柱可移动钻井平台和排水量为30 000 t的轻型半潜式生产平台研究中得到验证。本文内容基于北京高泰深海技术有限公司具有自主知识产权的500 m中深水三立柱轻型半潜式生产平台船型[2]，以设计水深为1 500 m、排水量大于70 000 t、上部设施质量为20 000 t、储油能力为20 000 m3的大型深水半潜式生产平台为目标，进行平台的总体性能和结构设计分析以及关键技术研究，提出基于油水置换原理的半潜式生产平台高效储油技术方案，设计一种较之传统四立柱大型半潜式生产平台具有总体性能更优越、用钢量少、成本较低、易于建造、便于海上安装、建造周期短的新型半潜式生产平台结构型式，对中国南海深水油气田高效低成本开发提供新技术，新型半潜式生产储卸油平台将具有更广阔的市场前景。

1 平台概况

三立柱大型半潜式生产储卸油平台针对我国南海典型深水油气田，以潜在深水边际油气田开发项目为依托，结合陵水17-2深水油气田开发工程项目，进行结构设计及优化研究，并应用基于油水置换原理的高效储油技术方案。该平台主要包括3个立柱、3个浮箱、1套平台定位系泊系统和平台上部设施，总体布置如图1所示。

图1 三立柱大型半潜式生产储卸油平台三维模型

三立柱大型半潜式生产储卸油平台主要参数如表1所示。

表1 三立柱大型半潜式生产储卸油平台主要参数

2 设计关键技术及难点

2.1 总体设计及性能优化

对三立柱大型半潜式生产储卸油平台总体设计方案进行研究，推出适合于中国南海环境条件的三立柱半潜式生产平台船型，使其稳性更优越、运动性能更优化。对浮箱、立柱及平台尺度与组合形式展开优化研究，使作用于浮箱、立柱的波浪力相互抵消，从而实现垂荡运动最小化。对平台总体运动性能进行优化，使其更适合南海深水油气田的开发模式，对钢悬链线立管(Steel Catenary Riser，SCR)更友好[3]。

在进行总体运动性能分析时，应用先进的水动力理论对平台的水动力性能和运动性能进行系统研究(见图2)，包括随机波浪下的总体运动响应数值模拟计算、波浪气隙分析、涡激运动分析等[4]。确定其关键设计参数，结合水池模型试验(见图3)对平台选型和主尺度设计提供科学依据。

图2 水动力分析

图3 水池试验

2.2 系泊定位系统设计分析

半潜式生产平台一旦安装就位，需要在位生产20～30 a，为了保证长期安全生产，其系泊系统的设计标准及要求比半潜式钻井平台更高。同时，三立柱半潜式生产储卸油平台具有独特的运动性能，需要对平台的系泊定位系统进行分析研究(见图4)，并选取最优材料及方案概念，对设计参数进行敏感性分析，最终掌握设计关键技术，确定设计方案[5]。

图4 系泊分析

2.3 结构总体设计及分析

应用先进的浮式平台结构有限元分析软件，结合经典的板壳结构力学理论对三立柱半潜式生产平台进行总体结构和局部结构强度分析(见图5)、并对结构形式进行优化，以实现平台柱壳、浮箱、总体尺寸结构件的优化设计和平台用钢量的节省[6]。

图5 总体强度分析

2.4 局部结构强度及疲劳分析

针对浮式平台的板梁结构特点，利用局部模型有限元分析技术(见图6)，掌握三立柱半潜式平台总体强度分析至局部强度分析的平滑过渡方法，并借鉴国际知名海洋工程设计公司的经验，运用3级(整体、局部、细部)结构模型分析方法进行分析。

图6 局部强度分析

浮式结构主要为空间板梁结构，连接节点出现疲劳强度问题是无法避免的问题。不同结构形式的平台在波浪载荷的作用下发生疲劳损伤的位置及应力幅值也各不相同。因此，在计算疲劳强度时需进行大量分析工作。针对浮式平台的板梁结构特点，在完成整体结构疲劳分析的基础上，利用局部模型有限元技术，对关键局部结构进行谱疲劳分析较好的单元网格进行有限元分析，从而得到较准确的关键区域结构疲劳寿命[7]。通过疲劳分析实现三立柱半潜式生产储卸油平台结构优化。

2.5 运输安装分析

海上运输和安装是平台设计阶段需要考虑的几个重要工程阶段之一，针对国内现有的深水浮式平台运输安装装备，对三立柱大型半潜式生产储卸油平台运输安装方案进行可行性分析研究。在本项目中，该平台计划从青岛建造场地运输至南海深水油气田，分别考虑以干拖和湿拖方式运输平台。

同时为保证浮式平台在特殊工况阶段的强度要求，对安装的各个阶段进行浮体稳性计算和结构强度校核。利用海洋工程通用软件进行建模、静水力计算、水动力计算、结构计算等。运输安装分析如图7所示。

图7 运输安装分析

3 创新性关键技术

3.1 简洁独特的三立柱平台浮体型式

采用简洁独特的三立柱平台浮体型式代替传统的四立柱浮体，在结构的总纵强度方面具有显著的优势；由于结构节点少，因此经济性显著优于传统半潜式生产平台；3组高效率的系泊定位系统布置，在同等条件下，使平台的有效载荷比明显提高；总的成本降低，明显增强半潜式生产平台的经济性：上述优势都可为南海深水油气田的开发节省大量成本。在上部组块质量同为20 000 t的情况下，三立柱与作为参照的陵水四立柱平台的排水量和质量对比如表2所示，EPCI(Engineering工程，Procurement采办，Construction建造，Installation安装)成本节省情况如表3所示。

表2 三立柱与陵水四立柱平台的排水量和质量对比

表3 三立柱与陵水四立柱平台EPCI成本节省情况

该半潜式平台具有良好的稳定性和运动性能(见表4)，作为生产平台，平台采用柔性立管与海底水下井口、生产系统连接,适用于深水海域,可以在中国南海等恶劣的海洋环境条件下进行生产作业。

表4 三立柱与陵水四立柱平台总体运动分析对比

3.2 大跨度三角形双层轻型桁架式甲板结构

采用双层轻型桁架式结构可以有效地提高甲板结构的强度，与传统箱型结构相比，三立柱浮式平台能够在满足整体强度要求的前提下，最大程度地减轻甲板结构重量，并具备很好的空间优势[8]。

上部甲板采用大跨度的结构形式(见图8)，充分利用浮体立柱自身结构强度较大的优势，把主要设备布置在立柱上方，以及立柱与立柱撑杆形成的强框架之间(见图9)，形式新颖，设计合理，从而提高甲板的利用率，并兼顾上部设备的布置，可显著提高甲板结构的强度。在满足生产需要的前提下，有效地解决三立柱平台由立柱间距大造成的甲板设计困难的问题，把大跨度中间结构部分的重量降至最低，从而降低三立柱平台的材料与建造成本，与传统四立柱平台相比具有明显的经济性[9]。

图8 上部组块桁架结构

图9 上部组块布置

所提到的三立柱半潜式生产储卸油平台与传统矩形或方形甲板上部组块相比，结构合理，充分利用三角形的稳定性，可有效抵抗波浪对浮式平台造成的扭转、拉压和弯曲变形，从而在甲板的用钢量和建造成本上具有优势。

3.3 油水置换储卸油技术

在半潜式储卸油平台上采用油水置换技术是本项目的关键技术，这会显著减小平台的尺度，降低平台结构重量，从而大幅节省平台的总成本。目前，油水置换技术己广泛应用于国外近30座海洋结构物。该技术已有约50 a的成功应用，不仅可降低开发总成本，而且不会对环境造成负面影响。

油水置换储油是基于油水互不相容且密度不同的原理。当进行储油时，原油从储油舱的顶部注入储油舱，原油会挤出相同体积的海水，并漂浮在水上；当从储油舱卸油时，原油从储油舱的舱顶抽出，海水又再次填补原油的空间，在储卸油的过程中储油舱都充满液体。油水置换储卸油技术的优点包括：储油舱内部与外部海水连通从而结构承受载荷较小；储油舱始终充满液体从而仅需较小的压载量；储油舱位于海平面以下从而受风、浪、流和冰等外部环境的影响较小；储油成本低；储油舱内无气体，安全性高[10]。图10为储油舱布置示例。图11为储油舱装载状态。

图10 储油舱布置示例

图11 储油舱装载状态

4 结 论

南海深水油气田开发需要新型浮式生产平台，三立柱大型半潜式生产储卸油平台是一种较为领先的新船型。开发该平台已形成具有自主知识产权的核心技术，可满足市场和技术要求，并能够显著降低深水油气田开发成本。

采用自主研发的三立柱半潜式生产储卸油平台新船型和油水置换高效储油技术，比现有四立柱半潜式生产平台船型采用传统储油技术，具有几何形状简单、建造方便、便于安装、成本低等优点，十分适合国产化。对新型半潜式生产平台的开发有助于提高中国深水浮式平台自主设计、建造、安装技术能力和国际市场竞争力，研究成果对今后我国南海深水及超深水油气田开发具有重要意义。