海上平台发展现状以及未来发展重点

2014-11-30孙华许俊斌蔡文军上海电气集团股份有限公司中央研究院200070

装备机械 2014年2期

关键词：储油潜式浮式

孙华许俊斌蔡文军上海电气集团股份有限公司中央研究院 (200070）

孙华（1974年～），男，本科，工程师，从事能源技术发展战略研究与项目管理。

0 概述

油气资源依然是人类未来发展的战略资源，海洋石油特别是深海石油成为弥补油气供需缺口的重要领域，未来海洋油气尤其是深海油气产能将是全球能源的重要接替区。我国制定了大量政策引导海上平台的产品和技术的发展方向。

1 海上平台概况

海上平台是海洋工程的重要装备，是指一种海上大型结构件，通常用于装载钻井和（或）抽提油气所需的人工和机械设备结构总称，包括钻井平台和生产平台。

1.1 钻井平台

海上钻井平台分为固定式和移动式两类[1]。固定式平台主要包括混凝土重力式平台、深水顺应塔式平台等，虽然稳定性较好，但工作水深浅、灵活性差、性价比不高，因此市场需求已经非常小。相比之下，移动式钻井平台已经成为市场主流，其中自升式钻井平台（Jackup）、半潜式钻井平台（Semi-sub）和钻井船（Drillship）是主流钻井装备。

据RIGZONE统计，截至2014年1月全球共有1 102座钻井平台，其中自升式637座、半潜式246座、钻井船168条，如图1所示。

图1 各类油气钻井平台的比例

(1) 自升式钻井平台

自升式钻井平台由平台、桩腿和升降机构成，平台能沿桩腿升降，一般无自航能力，如图2所示。工作时桩腿下放插入海底，平台被抬起到离开海面的安全高度，并对桩腿进行预压，以保证平台遇到风暴时桩腿不致下陷。完成后平台降到海面，拔出桩腿并全部提起，整个平台浮于海面，由拖轮拖到新的井位。

图2 自升式钻井平台

(2) 半潜式钻井平台

半潜式钻井平台主要由浮体、立柱和工作平台三大部分组成，如图3所示。半潜式钻井平台的工作水深可达到3 000m；抗风暴能力强，稳定性和安全性高，因此能够适应恶劣的海上条件；另外半潜式钻井平台的可变载荷大，进一步增强其适应性。

图3 半潜式钻井平台

(3) 钻井船

钻井船是浮船式钻井平台，由船体和上部结构两大部分组成，通常是在机动船或驳船上布置钻井设备，如图4所示。钻井船的机动性更高，大幅提高了工作效率，同时工作水深也能达到3 000m，钻井船的稳定性相对较差，需要较为稳定的海上条件。

图4 钻井船

目前自升式钻井平台、半潜式钻井平台和钻井船在海洋油气钻井中应用最为广泛，它们均有各自的特点。自升式钻井平台活跃于近海海域，半潜式钻井平台和钻井船适合于深海钻井，如图5所示。

图5 不同钻井平台工作水深

1.2 生产平台

生产平台包括浮式生产储油船（FPSO）、半潜式生产平台（Semi-FPSs）、张力腿式生产平台（TLP）、单圆柱式生产平台（SPAR）等类型，如图6所示。

图6 四类主要生产平台

生产装备中的浮式生产储油船和半潜式生产平台是主流生产装备[2]，分别占总比例的53%和16%。据统计，浮式生产储油船现役数量为148艘，其中新建数量为56艘，改装数量为92艘，订单32艘。张力腿平台数量不多，全球只有24座。单圆柱式生产平台全球共计17座，基本都在美国墨西哥湾运营，只有1座在马来西亚，如图7所示。

图7 各类油气生产装备比例

(1) 张力腿式生产平台

总体性能优异，深水平台的工作水深可以达到1 000m，费用随着平台规模不同差别较大，大型平台投资一般在5亿～7亿美元（包括立管），小型平台投资一般在1亿～2亿美元。

(2) 单圆柱式生产平台

工作水深可以达到3 000m，同时水线面积小，有良好的动力稳定性，同时有较强的经济优势。

(3) 半潜式生产平台

甲板空间大，机动性较强，工作水深可以达到3 000m。造价约在2亿～5亿美元。

(4) 浮式生产储油船

是四类平台中唯一拥有储油功能的平台，同时在承载能力和机动性上有绝对的优势，工作水深可达3 000m。

生产平台的选择是一个需要综合考量的因素。一般来说除了考虑钻井方式之外，还应该考虑作业海区的海洋环境条件，其中包括水深、风、波、潮流、海底地质、离岸距离等海洋情况。由于浮式生产储油船不仅能够生产而且可以储存和装卸，适合复杂水域环境，可由油轮改造而成，因此近年来成为在深海作业的主要装备。各生产平台特征见表1。

表1 生产平台的分类和差异

2 海上平台国内外发展现状

2.1 国外发展现状

从海上平台的设计上来看，海洋油气开发先驱的欧美企业在海上平台设计领域占有绝对垄断地位，目前全球主要的海工设计商包括GustoMSC (荷兰)、F&G(美国)、Letourneau (美国)等。其中GustoMSC在自升式钻井平台 (CJ 系列)和钻井船 (P10000 系列)领域有极强的设计能力，在半潜式平台设计方面也有所建树；F&G设计的各类钻井平台超过100座，在自升式和半潜式钻井平台领域有很强的实力。

从海上平台制造来看，钻井平台和生产平台的制造基本由韩国、中国、新加坡、巴西瓜分，韩国市场份额排第一，中国、新加坡、巴西分别排第二、第三、第四。韩国占据高端，中国及新加坡以中低端为主，三国船企的接单结构差异较大。韩国的订单以高技术含量、高附加值的深水装备为主，主要集中在浮式钻井平台和浮式生产平台。

(1) 在浮式钻井平台方面，韩国和欧美一些国家在半潜式钻井平台和钻井船制造方面有比较成熟的经验。韩国、美国、荷兰等国已经进入第六代半潜式钻井平台的生产，目前具备生产作业水深超过3 000m、钻井深度超过10 000m的能力。第六代半潜式钻井平台作业水深达2 550～3 600m，多数为3 048m，钻深大于9 144m，采用动力定位，船体结构更为优化，可变载荷大，配备自动排管等高效作业装备，能适应极其恶劣的海洋环境。

(2) 在浮式生产平台制造方面，特别是在浮式生产储油船方面，韩国有整体设计的实践，能制造出工作水深更深和储油能力更大的浮式生产储油船，大型油轮的建造水平也是世界领先。

2.2 国内发展现状

从海上平台设计上来看，我国海上平台设计在浮式生产储油船的研发方面有所突破，但整体还是比较薄弱，大多数涉足海上平台领域的研究院所和企业，其海上平台设计多集中在详细设计和施工设计上，而前期概念设计和基础设计均需从国外购买。

从海上平台制造来看，我国企业经过近年的探索实践，目前已能承建系列大吨位浮式生产储油船（外高桥、大连重工等）、自升式钻井平台（大连重工、莱佛士、中远船务、振华重工等）、深水半潜式钻井平台（外高桥、大连重工、莱佛士、中远船务等）等海上平台。虽然我国已经能制造部分海上平台，但大部分国内企业的海上平台制造集中在中低端水平，具备制造高端海上平台的企业较少，这些高端海上平台主要指的是一些适用于深水的浮式海上平台。

在浮式钻井平台制造方面，我国在半潜式钻井平台和钻井船制造方面起步较晚，主要受到其作业水深和钻井深度的限制，尤其是在半潜式钻井平台技术方面的差距更为明显。在半潜式钻井平台制造方面，国内企业尚不具备制造作业水深超过3 000m、钻井深度超过10 000m的能力。目前我国制造的半潜式钻井平台大都属于第五代，其作业水深为1 800～3 600m，钻井能力在7 620～11 430m之间，采用锚泊辅助动力定位方式。

在浮式生产平台制造方面，我国尚不能制造单圆柱式生产平台、张力腿平台、浮式天然气生产储油船等浮式生产平台，浮式生产储油船涉及的一些关键技术被国外长期垄断，如单点系泊系统。在浮式生产储油船制造方面，从单纯设计、建造更大储油能力的结构来讲是没有问题的，但目前尚无整体设计浮式生产储油船的实践(包括更深的工作水深和更大的储油能力)，大型油轮的建造水平基本与当代世界水平同步，但独立设计大型油轮的能力略逊于国外先进水平，且尚无建造特大型油轮的船坞设施。

3 海洋平台未来发展重点

3.1 海洋平台未来发展重点

全球油气开采将由浅海走向深海，而且我国海上油田特别是南海领域油田大部分位于深海。适用于深海的海上平台将会是未来市场的主流，也是我国海上平台有机会赶超发达国家的重要机遇。

从钻井平台上来看，自升式钻井平台活跃于近海海域，半潜式钻井平台和钻井船适合于深海钻井。适用于深海的半潜式平台及钻井船将会是未来市场的主流。

从生产平台上来看，与其他浮式生产平台相比，浮式生产储油船具有的优势很多。浮式生产储油船是四类浮式生产平台中唯一拥有储油功能的平台，同时在承载能力和机动性上有绝对的优势，集众多优点于一身，是当前应用最为广泛的生产平台，也是未来的发展重点。

3.2 半潜式钻井平台关键技术

半潜式钻井平台是最常用的浮式钻井平台之一，从半潜式钻井平台设计和建造的要求来看，半潜式钻井平台关键技术主要包括：总体设计技术、平台定位技术、总体性能分析技术、系统集成技术、结构强度与疲劳寿命分析技术[3]等。

(1) 总体设计技术

总体设计技术确定了平台的主要功能、总费用以及各项性能指标，是对半潜式钻井平台的总体规划。所涉的关键技术包括设备配置方案的拟定；平台主要性能指标、主要设备参数的论证和确定；平台定位和锚泊形式的选择；设计标准的选用、海洋工程地质条件的分析和研究。

(2) 定位技术

半潜式钻井平台的定位技术主要有锚泊定位、动力定位和组合定位。通过定位能力分析，可以确定锚泊与动力定位组合的适用水深及平衡点，锚泊定位与动力定位所处的环境条件，从而选定定位方式。

(3) 总体性能分析技术

总体性能分析主要是针对平台的运动性能和水动力性能进行预报，通过数值模拟的方法，计算在不同的海况条件下平台的固定运动周期以及最大短期运动响应幅值，通过对计算结果进行分析，判断平台的总体性能。要获得准确的结果，平台总体性能分析还需要解决几个问题：二阶波浪力的计算与低频慢漂运动的预报；立管涡激振动特性与抑制；非线性因素对平台运动与载荷响应贡献的比较；在风、浪、流联合作用下，系泊、立管与浮体的耦合效应。

(4) 系统集成技术

整个深水半潜式钻井平台系统可以分为五大系统：钻井系统、动力定位系统、压载系统、安全和防护系统、公用电力和电站系统。所涉及的关键技术主要包括：压载系统集成技术、安全和防护系统集成技术、公用电力和电站系统集成技术、钻井系统集成技术、动力定位系统集成技术。

(5) 结构强度与疲劳寿命分析技术

结构强度所涉及的主要关键技术有：总体结构建模技术、子模型结构分析技术、波浪载荷的传递技术、强度评估的规范适应性分析。平台结构疲劳强度分析方法包括全概率疲劳寿命计算方法、谱疲劳分析方法等，它是基于疲劳累积损伤原理，并在此基础上衍生了各类分析方法。从理论上来说，不同的疲劳寿命分析方法应当获得相同的结果，但往往得到的计算结果相差很大，这与应力传递函数的计算精度以及热点的选取相关度很大。要获得准确的结果需要解决的问题主要有：S-N疲劳曲线的适应性分析、应力函数的计算分析、疲劳热点的分析。

3.3 浮式生产储油船关键技术

浮式生产储油船所涉关键技术包括海底系统、系泊定位系统、油气处理系统、船体系统、生活系统等[4]。

(1) 海底系统

海底系统是浮式生产储油船的重要组成部分，主要由液压井控、海底管汇、基座、水下卧式采油树等构成，如图8所示。以陆丰22-1油田为例，海底井口成紧凑的扇型，原油通过采油树汇集到中心管汇中，最后通过海底生产管道输送到储油轮上，中控室对电、液、阀等的指令以及液压井控都是由海底电缆传送。海底的井口系统是最具有挑战性以及高技术含量的环节之一，陆丰22-1井口底盘由挪威KOS公司与FMC井口设备制造公司研发，它的中心模块的总量超过了300kN，中心模块和中心管汇在海上安装的时间共用了331h。

图8 海底系统

(2) 系泊定位系统

系泊定位系统按系泊方式分为单点系泊和多点系泊，是所有系统中比较有特色的系统，它主要通过吸力锚或导管架提供足够的系泊力。

多点系泊指的是锚泊系统与船体有多个接触点，而单点系泊是指锚泊系统与船体只有一个接触点。以南海流花11-1油田的浮式生产储油船为例，主要由半潜式生产平台和浮式储油、卸油两套装置组成。其中，浮式储油和卸油装置通过吸力锚提供锚固力，采用锚链系泊在一个沉没式浮筒上，再由浮筒通过专用接头与船体相连，为单点系泊；而半潜式生产平台采用了锚链与深水吸力锚共同组成的系泊系统，为多点系泊，如图9、图10所示。

图9 单点系泊系统

图10 多点系泊系统

(3) 油气处理系统

油气处理系统包括计量系统、污水处理系统、油、气、水分离系统等，它与陆地上的油气处理系统类似，如图11所示。油气处理系统与陆地上的油气处理系统有一些不同的地方，包括：油气处理系统的安全标准更高，布局较为紧凑；其自动化控制系统集成化更高，配置更为完备；保证工艺流程的顺畅，对一些重要模块要留足维修空间；对油气处理设备的选择上，其要求更为高效更为紧凑。

图11 油气处理系统

(4) 船体系统

船体系统结构较为复杂，外形酷似油轮，但系统结构的复杂程度比油轮高很多，如图12所示。船体系统的设计要求较高，需要考虑的因素很多：首先，船体系统要具有耐久性，防腐性较强，通常要做到20年以上不进坞维修；其次，由于船体要承受风、浪、流、潮的作用，船体所承受的载荷要比普通油轮复杂，所以船体的结构局部强度要做特殊设计；最后，设计船体时，除了要达到《船舶建造入级规范》、《移动式海上平台入级建造规范》、《浮式生产系统入级建造规范》等通用性标准外，还要兼顾国际海事组织（IMO）规定的一些行业技术标准，对安全、救生等条件要求较高。

图12 船体系统

(5) 生活系统

生活系统的安全性要求较高，因为生活系统无论如何布置，都处于油气之中，无论布置在船艏或船艉，都各有优势和劣势。一种布局是生活系统在船艏，而外输油系统及火炬塔在船艉，布置格局为：生活系统处于生产工艺流程模块和艉部外输油系统的危险油气上风向，但处于首部输油管危险油气的下风向。另外一种布局是生活系统和外输油系统在船艉，火炬塔在船艏，其布置格局为：生活系统处于艉部外输油系统危险油气上风向，但处于艏部输油管和生产工艺流程模块危险油气的下风向。