深海平臺技術的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1、精品深海平臺技術的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢（一）背景知識隨著地球陸地上化石燃料煤、石油和天然氣的日益淺少，人們把目光轉(zhuǎn)向了海洋。如大陽、月球引力作用形成的潮汐能、深海中的錳結(jié)核都有很好的發(fā)展前景。近些年探明海底“可燃冰”儲量極其豐富，且其開發(fā)技術亦日趨成熟。目前已探明的世界海洋石油儲量的80%以上在水深500m以內(nèi),而全部海洋面積的90%以上水深在2006000m之間，因而大量的海域面積有待探明。此外,世界上除了少數(shù)海域以外,大部分地區(qū)的近海油氣資源已日趨減少,向深海發(fā)展已成必然趨勢,深海平臺技術已成為國際海洋工程界的一個熱點,進行了大量的研究,新的深海平臺結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)。世界上主要海洋國家,諸如美國

2、、英國、法國、日本、韓國、加拿大、澳大利亞等,相繼制定了“國家海洋發(fā)展戰(zhàn)略”,提出了“海洋是能源之源、立國之本”、“保證海洋的可持續(xù)發(fā)展”等政策。我國擁有300萬km2的海疆,深海油氣資源以及其他海洋資源儲量十分豐富。然而,目前我們國家海洋油氣資源的開發(fā)主要是在200m水深以下的海域,深海平臺技術的開發(fā)研究尚處于起步階段。在面臨世界各國對人類共同擁有的深海資源激烈競爭的形勢下,我們必須高度重視對深海平臺技術的研究與發(fā)展，密切關注國際上深海平臺設計與建造技術的發(fā)展，開展相應的研究工作，并力爭參與到國際深海平的設計建造中去，已逐步掌握國外先進的技術水平，這對我國未來深海資源的開發(fā)和我國海洋工程事業(yè)

3、的發(fā)展都具有重要意義。(二)國外深海平臺技術的研究現(xiàn)狀1 、張力腿平臺1984年世界上第一座張力腿平臺由CONOCO公司建造,并正式安裝在歐洲北海的Hutton油田。此后，張力腿平臺獲得了迅速發(fā)展。最近投入使用的URSA張力腿平臺的工作水深已達1250m。目前海洋工程界正不斷對張力腿平臺的新型式進行探索,以適應不同海上作業(yè)條件要求。例如浮力塔平臺技術的研究。這種平臺具有以下特點:(1)將平臺的浮體置于水面以下超過150英尺,使得平臺在升沉方向的大部分流體動力和95%的縱蕩的流體動力被消除;(2)通過調(diào)整壓載使整個平臺的重心位于浮心之下,以保證平臺有足夠的穩(wěn)性;(3)采用垂直的拉索和斜拉索組合的

4、系泊系統(tǒng),以提高平臺在臺風和循環(huán)海流作用下的系泊有效性和系泊系統(tǒng)安全性；(4)平臺在六個自由度上的固有周期均大于30s,從而可避開波浪能量集中的頻率范圍;(5)浮體的底部面積很大,有利于平臺淺水拖航或用重大件潛水起重船進行干運;(6)平臺(包括大型浮體、垂直桁架和甲板)可整體建造、運輸和安裝。浮力塔平臺雖然只是處于概念研究階段,但它綜合了自升式平臺和張力腿平臺的優(yōu)點,不失為一種很好的概念。這種平臺的浮力艙置于水下,浮力艙上豎立的空間剛架支撐著平臺甲板及其上的設備,浮力艙下端用四組鋼管張力腿將平臺固定于海底,張力腿與海底的連接用筒型基礎(吸力錨)。通過理論與試驗研究表明,這種平臺具有良好的運動性

5、能,完全能滿足海上油氣開發(fā)對平臺運動的要求,將是中深水邊際油田開發(fā)的一種很好的平臺形式。2 、單柱式(Spar)生產(chǎn)平臺作為運輸中轉(zhuǎn)裝置,單柱式生產(chǎn)平臺技術在存儲和卸載上的應用已有30多年的歷史。1987年,EdwardE.Horton在柱形浮標(Spar)和張力腿平臺概念的基礎上提出一種用于深水的生產(chǎn)平臺,即單柱平臺。1996年,Oryx能源公司委托J.RayMcDermott公司在墨西哥建造安裝了世界上第一座單柱生產(chǎn)平臺,當?shù)厮顬?88m。近幾年以來,Chevron公司和Exxon公司又在該地區(qū)的Genesis和Diana油田分別安裝投產(chǎn)了兩座單柱平臺,當?shù)厮罘謩e為789m和1311m

6、。最近BP公司又委托McDrmott、Alker等公司共同設計建造五座桁架式單柱平臺(TrussSpar),用于水深為12201830m的墨西哥灣海域。這種平臺主體的一部分由以前的圓柱型變?yōu)殍旒芙Y(jié)構(gòu),在架下部加以壓載,當平臺的儲油能力要求不高時,這種結(jié)構(gòu)更輕、運動性能和穩(wěn)性更好,更為經(jīng)濟有效。單柱式平臺的優(yōu)點是造價低,便于安裝,可以重復使用,因而對邊際油田比較適用。另外,它的柱體內(nèi)部可以儲油,它較大的吃水量形成對立管的良好保護,同時其運動響應對水深變化不敏感,更適宜于在深水海域應用。在西方,單柱平臺被認為是除張力腿平臺之外的另一種適用于深水的海洋平臺,有望在今后深海平臺技術發(fā)展中得到推廣。3、

7、浮式生產(chǎn)系統(tǒng)浮式生產(chǎn)系統(tǒng)已在巴西等海域成功用于深海油氣資源開發(fā)。如巴西國家石油公司的Seillean號采用動力定位,用于水深1900m的Roncado油田,FPSOII號采用錨泊定位,用于水深1400m的Marlim油田。最近國外海洋工程界提出了浮式生產(chǎn)鉆井系統(tǒng)(FPDSO)的新概念,即在浮式生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎上加上鉆井的功能:浮式生產(chǎn)系統(tǒng)(FPSO)+張力腿鉆井甲板(TLD)。該裝置采用類似張力腿平臺的技術用拉索將鉆井甲板系于海底,甲板載荷則通過舷外的重塊系統(tǒng)平衡,重塊位于水下100m,以避免波浪作用和減少擺動。該裝置的優(yōu)點是：（1）鉆井甲板幾乎沒有升沉運動；（2）FPDSO船體的升沉、縱搖和橫

8、搖運動對鉆井甲板沒有影響；（3）沒有吃水變化的限制；（4）采油樹和防噴器可方便地放在鉆井甲板上。這種裝置分別于1998年6月和2000年10月在挪威的Marintek水池和荷蘭的Marin水池進行了模型試驗，并于2001年8月對巴西1200m水深的海域進行了可行性研究。主要的試驗研究內(nèi)容是：FPDSO的運動和系泊系統(tǒng)的受力（多點系泊）;張力腿鉆井甲板（TLD）與船體之間的間隙；立管和張力索的動載荷；在船體月池內(nèi)的波浪升高限制。4、深水多功能半潛式平臺表今年新建的部分半潛式鉆井平臺簡況平臺名稱設計/制造建造年份工作水深m鉆井深度m平臺尺度m*m最大可變載荷t定位系統(tǒng)ENSCO75001TDIHa

9、lter20002286m9144m73.2義69.57256t動力止位Marine700Bingo8000Kvae-mer19981524m9144m36.3X21.85000t牽引錨機Bingo90001-Dalian新船廠19993000m110X75X457000t8點錨泊AMETT-HYSTn韓國大宇TDIHalte199920001524m6096m75.9X54.53500t動力止位SEDCOEXPRESS法國DCN199918302590m10700m76.2X68.96600t動力止位CAJUNEXPRESS新加坡Promet20002590m10700m76.2X68.96

10、600t動力定位+8點錨泊STENADONKvaer-nerWamowHosto-ck2001503m9144m77.1義673700t動力止位WESTFUTUT-URE|RE|Hitachizosen19992438m10600m81.7X69.65500t動力止位深水多功能半潛式平臺的特點是：（1）抗風浪能力強（抗風100120節(jié)，波高1632m）;（2）甲板面積和可變載荷大（達8000t）;（3）適應水深范圍廣（深達3000m）;（4）鉆機能力強（鉆井7知受600010000m）;（5）具有多種作業(yè)功能（鉆井、生產(chǎn)、起重、鋪管等）。如表所示，近年以來國外新建的一批適用于深海作業(yè)的移動式鉆

11、井裝置中，半潛式平臺大部分的工作水深超過了1500m,半數(shù)以上水深超過2000m。（三）國內(nèi)深海平臺技術的研究現(xiàn)狀我國深海平臺開發(fā)裝備技術在引進、消化、吸收、再創(chuàng)新以及國產(chǎn)化方面取得了長足進步。我國已具備自升式平臺、座底式平臺的設計、建造能力,并且有國內(nèi)外多個平臺、船體的建造經(jīng)驗,現(xiàn)已成為浮式生產(chǎn)儲油裝置(FPSO)的設計、制造和應用大國。我國FPSO的數(shù)量與研制技術走在世界前列,但其他海洋工程裝置還是落后于世界先進水平20多年。我國對張力腿平臺也進行了有關的探索,例如上海交通大學對工作水深為2001000m的邊際油田的輕型張力腿井口平臺進行了可行性研究,并在該校海洋工程國家重點實驗室進行了模

12、型試驗。中國船舶科學研究中心、天津大學等單位也開展了張力腿平臺的研究。另外,我國1984年自行設計制造了半潛式平臺“勘探三號”,成功地用于東海油氣田的勘探開發(fā),但此后的研制工作一直處于停頓狀態(tài),而國外半潛式平臺卻不斷發(fā)展,據(jù)業(yè)內(nèi)人士分析,目前國外出現(xiàn)的半潛式平臺已屬第五代,而“勘探三號”平臺大約介于第2和第3代之間,可見差距之大。但總的來說,研究工作還處于初步階段,有待進一步深入與提高。目前深海平臺開發(fā)裝備研制已進入新階段,但是我國海洋油氣資源的開發(fā)仍主要集中在300m水深以內(nèi)的近海海域,尚不具備超過500m深水作業(yè)的能力。盡管我國在一些比較先進的油氣工程裝備方面己實現(xiàn)國產(chǎn)化,但國內(nèi)廠商還基本

13、停留在結(jié)構(gòu)件的制造上,相關配套技術滯后,關鍵設備和技術仍然掌握在國外廠商手里,嚴重制約著海洋油氣的規(guī)模開發(fā)。目前完全依賴進口的設備有:鉆井系統(tǒng)配套的水下防噴器及控制設備等;自升式平臺升降系統(tǒng)齒輪和齒條等;平臺(船)配套的柴油發(fā)電機組、電控系統(tǒng);大型吊機、船舶主機、主推進系統(tǒng)、軸系、前后側(cè)推等。另外,絕大多數(shù)的海洋鉆機的頂部驅(qū)動系統(tǒng)、鐵鉆工和管子排放系統(tǒng)也主要依賴進口。（四）深海平臺技術發(fā)展趨勢從以上分析來看,張力腿平臺、單柱式（Spar）生產(chǎn)平臺、浮式生產(chǎn)系統(tǒng)、深水多功能半潛式平臺等都是將來深海平臺技術發(fā)展的熱門方向。此外，目前研究的熱點主要集中在下列幾個方面:（1）新型平臺型式研究海洋工程界

14、對此作了大量的探索,主要是對平臺的運動特性、作業(yè)功能以及造價等關鍵問題進行優(yōu)化,以尋求經(jīng)濟與技術的最佳結(jié)合點。（2）非線性動力響應研究尤其是考慮流和粘性影響的低頻慢漂響應,高頻響應中的二階和頻力（Springing）以及高階脈沖力（Ringing）問題。此外,極限海況下的隨機動力特性分析,波浪、風、流耦合對平臺的作用以及晃蕩問題仍為海洋工程界所關注。（3）柔性構(gòu)件的動力特性研究主要是極限承載能力、疲勞斷裂可靠性、渦激誘導振動、系索系統(tǒng)與平臺主體的耦合分析。（ 4） 錨固基礎特性分析尤其是筒型基礎在周期性變化載荷作用下產(chǎn)生土壤液化、滲流、剪切等而導致土體破壞問題。（ 5） 深海中材料的應用,包括

15、設計、檢驗和腐蝕問題。（ 6） 深海平臺試驗技術和建造與安裝技術的研究。（五）深海平臺發(fā)展的關鍵技術根據(jù)深海平臺技術發(fā)展的方向來看，深海平臺的研究具有以下技術特點，這也是深海平臺發(fā)展的關鍵技術。1、平臺作業(yè)范圍廣移動式鉆井平臺不是在固定海域作業(yè),而是能適應移位及不同海域、不同水深、不同方位的作業(yè)。移位、就位、生產(chǎn)作業(yè)、風暴等復雜作業(yè)工況對鉆井平臺提出很高的要求。2、可靠性指標高a強度要求高永久系泊在海上除了要經(jīng)受風、浪、流的作用外,還要考慮臺風、冰、地震等災害性環(huán)境力的作用。b.疲勞壽命要求高一般要求2540a不進塢維修，因此對結(jié)構(gòu)防腐、高應力區(qū)結(jié)構(gòu)型式以及焊接工藝等提出了更高要求。c建造工藝

16、要求高為了保證海洋工程的質(zhì)量,采用了高強度或特殊鋼材（包括z形鋼材、大厚度板材和管材）。d生產(chǎn)管理要求高海洋工程的建造、下水、海上運輸、海上安裝甚為復雜,生產(chǎn)管理明顯地高于建造常規(guī)船舶。3、安全性要求高由于海洋工程裝置所產(chǎn)生的海損事故都十分嚴重,隨著海洋資源開發(fā)向深海區(qū)域發(fā)展、海上安全與技術規(guī)范條款的變化、海上生產(chǎn)和生活水準的提高等因素變化,對海洋資源開發(fā)裝備的安全性能要求大大提高,特別是對包括安全設計與要求、火災與消防及環(huán)保設計等HSE的貫徹執(zhí)行更加嚴格。（六）總結(jié)在我國研制和開發(fā)深海平臺技術對本世紀海洋工程的可持續(xù)發(fā)展具有極為深遠的戰(zhàn)略意義。作為一個海洋資源豐富的大國,我們必須高度重視深海

17、平臺技術的研究和發(fā)展。隨著我國海洋資源開發(fā)的需要,深海平臺的應用將會越來越廣泛,所需解決的技術問題越來越多。我們國家在深海平臺的設計、建造、檢驗和科研方面都迫切需要發(fā)展,特別是在浮式結(jié)構(gòu)物的設計和建造上,大多依靠國外技術進行設計,我國在獨立進行設計方面尚有一定差距,對于工作水深超過6003000m的動力定位平臺,國內(nèi)更無設計建造經(jīng)驗。根據(jù)上述世界深海平臺技術研究的新動態(tài),結(jié)合我國海洋工程事業(yè)的狀況,提出以下幾點建議:（1）既要肯定我國數(shù)十年來海洋工程事業(yè)發(fā)展的成績，也要清醒認識與世界先進水平之間的差距。（2）要建立海洋工程事業(yè)長遠的發(fā)展規(guī)劃，在國際大環(huán)境中積極持續(xù)發(fā)展，才能趕超世界先進水平。（

18、3）加大對海洋工程事業(yè)研機構(gòu)的資金投入，提高其自主創(chuàng)新能力，加快海洋工程技術專業(yè)人才的培養(yǎng)。（4）引導海洋工程相關產(chǎn)業(yè)積極投入，在國內(nèi)形成相應技術設備的生產(chǎn)鏈,帶動相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。（5）積極參與國際海洋資源開發(fā)，包括海洋物探、海洋鉆井、油氣開采平臺的設計與建造、海洋資源開發(fā)和營運管理的投標競爭,逐漸壯大科研與制造管理水平和實力。在經(jīng)濟全球化迅猛發(fā)展的形勢下，世界各國都更加重視發(fā)展海洋經(jīng)濟。在這場轟轟烈烈的海洋開發(fā)熱潮中，圍繞著海洋權益和安全的斗爭呈現(xiàn)出群雄逐鹿態(tài)勢。我國的海洋權益和安全也面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。為了促進發(fā)展海洋經(jīng)濟，維護我國的海洋權益和提升海洋安全力量，我們必須以科學發(fā)展觀為指導，確立正確的海洋發(fā)展戰(zhàn)略。二十一世紀，中國的希望在海洋，作為一個具有豐富海洋資源的大國，深海平臺的研究對于我國未來的深海資源開發(fā)和海洋工程的發(fā)展都具有重要的意義。參考文獻：（1）廖謨圣國外移動式采油平臺現(xiàn)狀與發(fā)展我國采油平臺的建議中國海洋平臺2000.1514（2）