半潜式生产平台(SEMI)应用与发展趋势

严家颖，李义敏

（深圳市惠尔凯博海洋工程有限公司, 深圳 518067）

1 前言

海上油气资源的开采方式，是采用浮式生产装置。目前的浮式生产装置，主要分为四种类型：TLP 平台、FPSO、SPAR 平台以及SEMI 平台。这四种浮式生产装置适用范围不太一样且各有特点。

（1）TLP 平台，又称为张力腿平台。其特点是：对水深要求比较高，适用于较浅的海域。当水深超过1 500 m 时，张力腿平台的制作价格会迅速增加，并且平台的技术和安装难度等也会增大。至目前为止，张力腿平台（TPL）的最大工作水深为1 524 m。

（2）SPAR 平台，又称为单柱式平台。这种平台的特点是：理论上不受水深影响，但如果水深过大，那么平台立管的重量及张紧器的顶张力也会增大，若采用浮力罐张紧器，就需要大体积的浮力罐，平台的成本会上升；而且为了安装以及操作的便利，保证浮力罐不受海流的影响，浮力罐的长度一般都设计在70 m 以下；采用液（气）压张紧器，则需要足够大的可变载荷，因平台的可变载荷较小，无法提供足够大的可变载荷。

（3）SEMI 平台，又称为SEMI。与TLP 平台和SPAR 平台相比，SEMI 平台有着很多优点：它既不像张力腿平台那样对水深要求比较高，又不像SPAR 平台那样可变载荷较小，它的可变载荷更大，可以满足张紧器的要求。因此，SEMI 平台不受水深限制，既可用于浅水区域，也可以用于深水海域；另外，从生产制造和平台安装的角度考虑，SEMI 平台还可以在码头安装和整体拖航船体，安装难度小，制作价格和安装价格都相对低一些；并且SEMI 平台的面积更大，装载能力更强，生产设备的布置空间裕量更大，能布置的设备也更多一些。因此，SEMI 在海上油气田开采中的应用比较多。目前国内外正在使用的SEMI平台有51座，其中由钻井平台改造成生产平台有25 座，其余的为新建平台。

20 世纪70 年代，美国实现了第一次由钻井平台改造为生产平台，第一座SEMI 也因此出现，它的结构为单层甲板、多浮箱、多立柱、无横撑设计；1986 年，世界上首座新设计并且直接投产于海上油气生产的SEMI被发明出来，它被称为Balmoral FPV，投产于北海。平台结构的为箱型甲板，由4根立柱（圆形）支撑着甲板，甲板下是两个浮箱，有2 个横撑。

世界上首座混凝土型式的SEMI，于1995 年制造出来，它是目前世界上最大的SEMI，也投产于北海海域。这座混凝土结构的SEMI 也采用了4 立柱的支撑方式，浮箱的类型为环形，没有横撑，甲板是单桁架式，它的排水量达到180 000 t。

世界上首座以钢结构的环形浮箱型式的SEMI 于1999 年制造出来，投产于北海海域。它的甲板采用了箱型甲板结构，采用了4 根立柱支撑甲板，立柱下采用环形浮箱，拥有2 个横撑结构。经过多年发展，新建的SEMI 结构型式逐渐确定并且固定下来，一般都采用环形浮箱，浮箱上面为4 根立柱，立柱上为甲板的船体型式。

2021 年6 月，我国研发的“深海一号”SEMI 投产成功。它为全球第一座100 000 t 级的深水半潜平台，整体高度达120 m，按照严格的不回坞检修标准和百年一遇的超强台风的标准进行设计和建造，其不回坞的年限高达30 年，并且疲劳寿命更高达150 年。平台结构采用4 个方形倒圆角立柱，环形浮体，桁架式组块组成。

2 SEMI 的组成

SEMI 的主要构成部分为：水下浮体（为平台提供浮力）、立柱（支撑上部甲板和浮体）、上部组块（甲板和生产模块）、横撑（部分平台拥有）等。

2.1 水下浮体

水下浮体是SEMI 能够实现在海上作业的基础，它主要为平台提供在海上生产需要的浮力，是SEMI 的重要组成部件之一。浮体的内部经过分隔后可以设置为液舱，用于储存生产平台日常消耗所需的消耗品或生产时的需要。如：生产平台上所需的压载舱；储存生产设备所需的燃油舱、生产及工作人员日常生活所需的淡水舱等；泵舱、推进装置舱等设备存放舱室等。充分利用浮体提供浮力功能，还能缓解空间使用压力。

浮体型式目前主要有两种型式：一种为下体式；另一种为浮箱式。浮箱的外形又有多种，目前应用环形浮箱的比较多，立柱均匀分布固定于环形浮箱上。

双浮箱相对于环形浮箱来说，在平台进行拖航的时候的阻力较小，有利于平台的迁移及航行；但是双浮箱的设计对平台总体强度没有环形浮箱的好，需要增加横撑设计。反之，环形下浮体的设计比双浮箱设计的拖航阻力更大些，不利于平台的迁移航行；但浮体所受载荷分布均匀，平台拥有比较好的总体强度。由于平台只是在安装结束后需要迁移至特定地点，其余时间一般都是永久系泊作业，所以平台迁航的阻力对平台的设计影响较小，而作业过程中可能承受的环境载荷较大，需要较高的总体强度，因此新建的SEMI更倾向于应用环形浮箱。

2.2 立柱

2.2.1 立柱布置

立柱用于给上部生产甲板提供支撑，是浮体与上部甲板之间的连接件，也是SEMI的重要组成部件之一。立柱与下浮体连通，所以一般都设有与下浮箱连接的通道；立柱一般比较长，立柱中间可以布置水平的平台进行分隔；考虑到破损稳定，需要实行必要的周向分离，立柱上下端的隔舱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：圆形、三角形倒圆角形和方形倒圆角形三种。

立柱主要用以支撑平台甲板，它的截面面积决定着平台的稳定和生产排水量。圆形截面能够均匀的分布其所受到的外界载荷，具有较好的力学性能，但是圆形截面的有效面积较小；方形倒圆角形截面的立柱在同样的尺寸下有效面积最大，好的稳定性及更大的生产排水量能给平台带来更好的效益，所以一般新平台的设计大都采用方形倒圆角形截面型式的立柱；三角形倒圆角形截面的立柱，更多的是为了创新设计产品，应用并不广泛。

2.3 主甲板

平台的甲板主要是给生产模块以及工作人员提供场地，用于放置生产模块所需的设备，以及工作人员的日常生活场地。甲板的型式有三种类型：整体式的箱型、开放式的桁架式以及两种结合的混合式，这三种型式的甲板各有特点。

2.3.1 箱式甲板

箱式甲板，结构型式为板壳，其优点是强度好，拥有好的大倾角稳性，甲板与立柱连接简单，载荷通过舱壁传到立柱；但箱式甲板的不足是比较封闭，不便于通风，并且制造时甲板与船体需要同时建造，难度比较大，钢结构占比也较大，钢材使用量较多。

2.3.2 桁架式甲板

桁架式甲板，主要的构成方式为桁架式结构。桁架式甲板与箱型甲板相反，甲板呈开放式，甲板支撑梁与立柱支柱连接，甲板载荷主要由梁传递。桁架式甲板的特点，是甲板与立柱体比较独立，甲板和船体可以各自制作，制造难度小，甲板的钢结构占比较小，而且空间开放，有利于生产制造及设备运行时的通风。

2.3.3 混合式甲板

混合式甲板为箱型与桁架结构的结合。混合式甲板通常四角为与箱式甲板类似，为板壳结构；四角之间又与桁架式结构类似，通过桁架架构连接。混合式甲板的特点，结合了箱型和桁架型两种形式，它继承了箱式甲板的总体强度好，甲板与船体的连接较简单，大倾角稳性好；但甲板结构设计相对复杂，甲板的质量大，安装难度大，难以利用岸吊或浮吊实现总体安装，一般多采用顶升或浮拖法安装。

2.4 生产模块

海上开采出来的资源并不能直接进行存储外输，需要进行介质的分离、除杂及对开采出来的原油进行稳定等，最后符合储存和外销的条件后才是合格的产品。

SEMI 的生产工艺模块的主工艺流程为：对开采出来的油气水在三相分离器中进行油气水的分离：分离后，对于原油去除原油中的轻组分；对于生产水进行除油处理，达到排放标准；对于伴生气，用作平台燃料或由火炬烧掉（部分平台会进行LPG 回收）；最后对处理结束的原油进行储存及外输等。具体包括：原油处理工艺系统、生产水处理工艺系统、生产辅助系统、公用系统等。

2.4.1 原油处理系统

原油处理系统是平台的主工艺流程。对开采出来的气液通过其物性的差异进行分离，通常为根据密度不同进行分离，常见的分离方法为重力分离；除了这一种方法外，基本的分离方法还要两种，分别为离心分离和碰撞和聚结分离。分离器是这流程的核心设备，常用的分离器又分立式分离器和卧式分离器，液气比不同，选用的型式也不同。

经过分离器分离后的原油还会含有轻组分，在储存及运输中容易造成原油损耗，因此在储存前需除去原油中的轻组分，即原油的稳定处理，一般采用闪蒸法或分馏法两种。

2.4.2 生产水处理系统

在原油处理过程中分离出来的水多少还会含有污油，需要将水中的污油降至排放标准后才能排放。这种含油污水的污油含量较少，有些油粒比较小，因此对不同直径的油粒的分离方式也不太一样：第一种方式，主要是除去水中大的油粒（>50μm），将浮于水上的油进行分离；第二种方式，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进行分离，如浮选；第三种方式是过滤，根据溶解度不同或过滤介质的吸附性能，使油吸附或溶解到过滤介质上，如活性炭过滤。常见的生产水处理设备，主要有自由沉降罐、水力旋流器、浮选等等。

2.4.3 辅助系统及公用系统

除了原油处理的主工艺流程外，还有各类用于辅助或者公用的系统。这些辅助及公用系统，主要是在原油处理工艺上给予主工艺流程一定的生产环境及条件，它们与主工艺流程关系紧密。如：热介质油系统，在原油处理过程中给生产系统提供热能，使生产能控制在需要的温度；化学药剂系统，在原油处理过程中提供所需化学药剂，使生产能正常运行等；辅助及公用系统包括但不限于上述系统，它们都是不可或缺的，它们与主工艺系统组成平台的整个生产系统，原油才得以安全完成开采、处理以及储存外输等流程。

3 新型SEMI 及发展趋势

干式采油树不适用于SEMI 平台，这也是SEMI 平台相对于其他几种平台较为不足的地方。采用干式采油树的好处是拥有更好的生产控制效果，在生产能力少或者不生产时，可自行修井；而且可以很大程度减小平台的维修运营成本以及减少停产的时间。为了优化SEMI 的性能，国外提出了几种较为成熟的SEMI 的设想，使其能够适用干式采油树。如：可伸展吃水半潜平台、自由悬挂固体压载舱半潜平台等。

3.1 新型SEMI 及发展趋势

国外设计公司提出的几种新型SEMI 都有很多共同之处，这些共同的特点也体现了SEMI 未来的发展趋势及所需解决的技术难题。现有的SEMI 不适用干式采油树是因为平台的垂荡运动太大，所以新型SEMI 平台的设计概念主要从结构设计进行优化改进，降低平台的垂荡运动：

（1）设计深吃水型式。从增加立柱长度的角度去设计，使得吃水变深，下浮体受海面的的影响降低，平台的运动将会明显的减小；

（2）设计垂荡板。垂荡板的作用是来降低其垂向运动幅值，达到降低平台垂荡值的目的；

（3）双层下浮体。设置两层下浮体，使得在水下的质量增大，增加阻尼；所增加的第二层浮体吃水深，使浮体受海浪的影响降低，而且其内部压载可以降低平台的重心，还可以提高平台稳定性。

3.2 新型SEMI 的技术瓶颈

（1）随着SEMI 平台吃水增大及立柱长度增加，平台在水下产生的涡激运动跟着变得更加严重；

（2）随着平台增加了垂荡板或二层下浮体，纵/横摇的转动刚度增大，运动周期减小，不利于平台的稳定性；

（3）新型SEMI 平台垂荡板和二层下浮体吃水深度比较深，一般超过50 m，新结构的安装和可靠性存在不确定性，安装方法目前还没有实际应用，因此需要格外注意。

4 总结

本文介绍了半潜式平台SEMI 的构成和各组成部件的类型、特点以及功能，并简述了SEMI 的发展历程以及未来的发展趋势和技术瓶颈。希望本文可以帮助相关人员加深对SEMI 的了解，并针对SEMI 的技术瓶颈进行攻破。