SPAR研究现状及发展展望
随着陆上石油资源日趋枯竭,海洋石油成为人类重要的能源来源之一,已探明的海洋石油储量80 %上在水深500m 以内,除了少数海域外,大部分地区的近海油气资源已日趋减少,向深海开发油气已成必然趋势,深海平台技术也成为国际海洋工程界的一个热点。许多新型适应深海海洋环境的平台结构不断涌现,如顺应式平台、张力腿平台、浮式生产储油装置、Spar 平台等。
Spar 平台由于其灵活性好、建造成本相对较低、运动性能优良,在各种深海采油平台中脱颖而出。南海海域是世界四大油气聚集地之一,石油可采量约为100 亿t ,占我国油气资源总量的1/ 3 ,而其中70 %蕴藏于深水。我国海洋石油目前的开发水深仅仅在200m 水深范围,深海平台技术与先进国家存在较大差距。目前我国正积极致力于适宜南海环境的深海采油平台结构的研究,由于南海环境与墨西哥环境的相似,以及Spar 平台在墨西哥湾的成功应用,Spar 平台成为南海深海采油平台首选形式之一。
1 Spar平台简介
1.1 Spar 平台发展回顾
当前世界上在役和在建的Spar平台可分为三代，按其发展的时间顺序排列分别是：Classic Spar、Truss Spar和Cell Spar。
Spar 平台在1987 年之前被作为浮标、海洋科研站、海上通信中转站、海上装卸和仓储中心等辅助系统使用。1987 年Edward E. Horton 设计了一种特别适合深水作业环境Spar 平台,被公认为现代Spar 生产平台的鼻祖。
1996 年,Kerr O McGee 公司的Neptune Classic Spar（经典式） 建成并投产,完成了Spar 从设计构思向实际生产的转变。随后在1998 年和1999 年Genesis Classic Spar 和Hoover Classic Spar 相继建成投产。
2001 年,Classic Spar Deep Oil Technology (DOT) 公司和Spar
International 经过大量研究工作,提出桁架式Spar ——Truss Spar（构架式） 的概念,并应用于Nansen/Boomvang 油田。由于采取了开放式构架结构，使得Truss Spar的主体受力面积大大减少，从而减小了平台在相应方向上的运动响应；开放式主体上水平设置的垂荡板结构也大大提高了平台的稳定性，它不但能够提供一定的压载重量，而且当平台发生垂荡运动的时候，垂荡板与上下面的海水作用，产生很大的阻力，抵消了大部分由于波浪和海流产生的垂荡力，从而限制了平台的垂荡运动。由此，解决了Classic Spar 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。其主要采用开放式桁架结构代替Classic Spar 中段部分,其间分层设置减少平台波浪运动的垂荡板(heave plate) ,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。 由于Classic Spar 和Truss Spar 平台主体体积庞大,对主体建造场地要求较高,使得主体均在欧洲和亚洲造船发达国家制造,然后用特种船舶运输到作业海域进行组装,因此运费昂贵,且安装困难。2004 年Edward E. Horton 设计了新一代（第三代）的多柱式Spar ——Cell Spar(蜂巢式) ,并成功应用到Red Hawk 油田。此种Spar的主体由若干个小型中空等直径的圆柱体捆绑组成,每个单独圆柱体的体积相对较小,对建造场所要求不高,而且便于多方协同建造,由于单个柱体体积相对较小,便于运输到平台作业海域组装，而且这就使生产商在选择Spar主体建造地点时具有了更大的灵活性，可以大大降低平台的整体造价。
综上所述,目前Spar 平台已经发展了3 代,共14 座平台。 1. 2 Spar 平台展望
(1) 作业水深不断增加 上表显示,第一座Spar 平台——Neptune Spar 的作业水深只有588m ,此后Spar 平台的应用水深不断增加,到目前为止,Devil s Tower 的应用最深达到1710m。
(2) 形式逐渐多样化 Spar 平台已经发展了3 代,目前各国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形式的研究。近期,美国Novellent LLC 公司与上海交通大学海洋工程国家重点实验室合作,对该公司设计的一种Spar 平台形式——几何形Spar ( Geometric Spar , G- spar) 概念进行了模型试验研究。
(3) 应用地域不断扩大 近年来,Amoco 石油公司、大不列颠石油联合公司(BP) 、Texaco 公司及世界其它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 采油平台
应用到英国的西舍德兰群岛、挪威的北海油田以及西非的安哥拉沿海和南美巴西沿海。我国的科研工作者正在致力于深海平台的研究,不久在中国南海也将出现类似于Spar 平台的深海作业平台。
2 Spar 平台结构组成
2. 1 顶部甲板模块
Spar 平台甲板模块通常由两层至四层矩形甲板结构组成,用来进行钻探、油井维修、产品处理或其它组合作业,井口布置在中部。一般设有油气处理设备、生活区、直升机甲板以及公共设施等,根据作业要求,也可在顶层甲板上安装重型或轻型钻塔以完成平台的钻探、完井和修井作业。 2. 2 主体结构
平台主体提供主要浮力,并保证平台作业安全。从上到下主要分为硬舱、中段、软舱(见图) 。硬舱是一个大直径的圆柱体结构,中央井贯穿其中,设置固定浮舱和可变压载舱,为平台提供大部分浮力,并对平台浮态进行调整。中段为桁架结构,在桁架结构中设置两至四层垂挡板,增加平台的附加质量和附加阻尼,减少平台在波浪中的运动,提高稳性。软舱主要设置固定压载舱,降低平台重心,同时为Spar 平台“自行竖立”过程提供扶正力矩。此外,主体外壳上还安装两至三列螺旋侧板结构,减少平台的涡激振动,改善平台在涡流中的性能。 2. 3 立管系统
Spar 的立管系统主要由生产立管、钻探立管、输出立管以及输送管线等部分组成。由于Spar 的垂荡运动很小,可以支持顶端张紧立管(TTR) ,每个立管通过自带的浮力罐或甲板上的张紧器提供张力支持。浮力罐从接近水表面一直延伸到水下一定深度,甚至超出硬舱底部。在中心井内部,由弹簧导向承座提供这些浮罐的横向支持。柔性海底管线(包括柔性输出立管) ,可以附着在Spar 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。由于立管系统位于中央井内,因此在主体的屏障作用下不受表面波和海流的影响。 2. 4 系泊系统
系泊系统采用的是半张紧悬链线系泊系统,下桩点在水平距离上远离平台主体,由多条系泊索组成的缆索系统覆盖了很宽阔的区域。系泊索包括海底桩链,锚链为钢缆或聚酯纤维组成。导缆器安装在平台主体重心附近的外壁上,目的是减少系泊索的动力载荷。起链机是对系泊系统进行操控的重要设备,分为数组,分布在主体顶甲板边缘的各个方向上,锚所承受的上拔载荷由打桩或负压法安装的吸力锚来承担。
3 Spar 平台与张力腿平台(TLP) 比较
(1) 运动特性 Spar 平台的垂荡板使平台的附加质量增大,同时水线面面积相对较小,其垂荡周期在30s 左右,在常见的海况中仍然有很好的运动性能。由于张力腿钢筋束的约束作用,其垂荡周期很小,仅2～3s ,基本上没有垂荡运动。Spar 平台采用半张紧装置使其水平刚度比TLP 大,位置漂移比TLP 要小。Spar 平台纵横摇运动与TLP 相比较大,其固有周期为50～100s , TLP 由于张力腿提供很大刚度,其纵横摇运动很小,固有周期小于4s。
(2) 稳定性 Spar 平台的重心远远低于浮心,因此,其具有无条件稳定性。由于Spar 不是从系泊系统获得稳性,即使系泊系统失效,也不会倾覆,因此,其在所有安装阶段都是稳定的。