三代SPAR平台设计特点PK

张希华

自1997年第一台SPAR诞生至2009年，世界上已建成19座。14年来，SPAR平台未曾发生过任何安全事故，可以说它是一种安全、多功能、高效率的设备。但目前除美国以外，其他国家涉猎很少。因此，业界专家强烈呼吁，我国应在此领域投入较大人力、物力和财力资源，以期研究设计和建造出具有中国特色的SPAR来满足日益增长的钻探和采油平台需求。

SPAR平台是一种用于深海油气开发、生产、处理、加工和储存的海洋结构物。与其他平台形式相比，SPAR平台可应用于深达3000米水深处的石油生产；具有较大的有效载荷；刚性生产立管位于中心井内部；由于其浮心高于重心，因此能保证其无条件的稳定；与其他浮体结构相比，具有更好的运动特性；壳体可以为钢结构或是水泥结构；可以低成本储藏石油；系泊系统的建造、操纵和定位较为容易；立管等钻井设备能装置在SPAR内部，从而得到有效的保护。总的来说，SPAR平台不仅可以显著地提高有效荷载，优化结构设计，降低制造成本，与其他深海平台相比，其锚泊系统投资成本降低，同时便于安装和长期重复使用。

正因为具有上述特点，而且能够很好地满足500到3000米水域中石油的钻探、生产和储存，SPAR平台已经逐渐变成最具吸引力和发展潜力的平台形式之一，被很多石油公司列为新一代的海洋石油开采平台。

其实，SPAR平台的概念对业界来说并不陌生，它的技术早在30年前就在海洋工程中得到应用，那时的SPAR是一种储油和卸油的浮筒装置。1987年，“Edward E.Horton”在柱形浮筒和张力腿平台概念的基础上提出了一种用于深海作业的生产平台，命名为Neptune，并于1997年建成作业于墨西哥海湾油田，水深为588米。

目前，国外正在使用的SPAR平台主要有三代，分别是传统单柱平台、桁架式单柱平台和多柱式单柱平台。这类平台主要由顶部模块、壳体、系泊系统和立管4部分组成。

其中，传统单柱平台的顶部模块是一个多层桁架结构，它可以用来进行钻探、采油，维修、产品处理或其他组合作业。负责支撑钻探设备和生产设备的生产钻探甲板及中间甲板与固定平台的甲板很接近，井口布置在中部。

传统单柱平台的主体是一个大直径、大吃水的具有规则外形的浮式柱状结构。水线以下部分为密封空心体，从而提供浮力，名为浮力舱，舱底部一般装压载水或用来储油，中部由锚链呈悬链线状锚泊于海底。它有4种形式的舱。第一种是硬舱，位于壳体的上部，它们的作用是提供平台的浮力。中间部分是储存舱，在建造平台时底部为平衡/稳定舱，当平台已经应用于海里作业时，这些舱室则转化为固定压载舱，主要用于降低重心高度。最后，还有一些压载舱用于吃水控制。

传统单柱平台通过钢悬索系泊系统来定位，系泊索包括海底桩链、锚链和钢缆。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。导缆孔通常位于硬舱的下部。系泊结构不仅与载荷大小有关，还与水深有关。在设计SPAR的系泊系统时，通常要求即使在一根系泊索断开的情况下，仍然可以抵御百年一遇的恶劣海况。系泊系统可以预先安装好，在壳体就位后进行连接。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。

第二代的桁架式SPAR的概念是DOT公司和SPAR Intrenational公司从1996年起经过大量的工作，历时5年后提出的，并于2000年2月份第一次应用于“Nansen/Boomvang”油田。

与传统单柱平台相比，桁架式平台最大的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。

它的设计概念是应用桁架结构代替传统单柱平台柱体的中部结构，作为连接顶部硬舱和底部软舱的结构，这个桁架部分是一个类似于导管架结构的空间钢架，同传统单柱的金属圆柱结构相比，可以节省50%的钢材。

桁架式单柱平台的中部结构和软舱部分使用较少的钢材料，所以建造成本较为便宜；总体吃水减小，使得单个部分的建造、运输变得更加便捷；由于中部结构为开放式的撑杆，降低了环流造成的拖拽载荷；壳体的涡激振荡响应减小了；刚性立管可以从开放式的桁架中间穿过而无需穿过硬的壳体。

由于传统单柱平台和桁架式平台的主体部分都包含大直径的圆柱体，对建造工艺的要求很高。因此，另一种新型的，被称为多柱式的平台被设计出来。目前正在建造中。多柱式平台的最大优点在于同现有的两种SPAR平台相比，不仅降低了建造难度，而且性价比更高。这种新型的多柱式SPAR的上部结构由6个外圆柱围绕一个中心圆组成。这些上部圆柱提供整体所需浮力，下部通过将外圆柱中的三个延伸到底部构成。压载舱包含在这些圆柱腿的底部，从而确保平台具有足够的稳性。同大多数已经投入使用的SPAR平台一样，由于浮心高于重心，多柱式平台同样是无条件稳定的。

在建造过程中，圆柱体由滚压机制成，并通过自动焊接机焊接在一起，同时，内部的环形加强构件也由相同的自动焊接机焊接到圆柱体部件上。而这种工艺在压力舱和固定平台的制造过程中已经使用了很多年。当需要更大直径的中心井时，可以考虑更多的外圆柱，例如8根或者更多。但是，多柱式平台中的其它一些结构的设计还有待进一步完善。

我国对于SPAR平台的研究工作开始于1971年，当时受石油部的委托，由上海海乐应用技术研究所的高级工程师海飞负责该项目的研究，并提出图纸和计算书等上百份，比美国的研发工作还早了十多年，可谓是此项工程研究的开拓者。从2004年开始，研究所继续加大了此项目的研发力度。目前，上海海乐应用技术研究所研发的SPAR具有四大显著特点，其中包括钻杆和隔水管的布局有突破性构思，可大幅度提高工作效率；井口布置的设计新颖，可提高安全性；钻探平台，移动频繁，故上部模块没入水中，下装三个自由度可活动的螺旋桨，具有自航、拖带和定位等多种功能；免去系泊索具，大大降低了施工成本和施工难度。

由于人力、物力和财力的限制，该所的研发和设计并不是十全十美的，尚存在非常巨大有待开发空间，如在SPAR的水动力性能和强度等方面尚需战略合作伙伴中国船舶科学研究中心（702研究所）进行大量的试验，实验和计算等后续工作，进而设计出更为人性化的SPAR平台，以满足海洋石油开发业主的需求。