两种多功能海上平台的创新

方华灿

（中国石油大学（北京），北京102249）①

两种多功能海上平台的创新

方华灿

（中国石油大学（北京），北京102249）①

介绍了两种多功能海上平台。一种是适用于浅海的坐底式多功能海上平台，其主要创新在于采用坐底方式、油水等质量流率置换流程、外输系泊方案、混凝土外壳的钢制储罐和组合式吸力锚的筒型基础。另一种是适用于深水的半潜式多功能海上平台，其主要创新在于采用了提高稳性的双层浮箱、灵活拆连的伸缩结构、装设增大阻尼的垂荡板，并具有钻采储运多种功能。提出了这两种多功能海上平台的创新思维与方法。

浅海；坐底式多功能平台；深水；半潜式多功能平台；创新方法

我国拥有3．2×104km长的海岸线（大陆海岸线1．8×104km，岛屿海岸线1．4×104km），世界排名第4；拥有437×104km2的海域面积（领海面积137×104km2，专属经济区面积约300×104 km2），居世界第10位。

我国的海洋资源丰富，尤其是油气资源丰富；估计海上油气资源约占全国总量的1／3。这些油气资源有的分布于浅水海域，例如渤海；有的蕴藏于深水海域，例如南海。因此，开发我国海上油气田，既需要用于浅水海域的装备，也需要能够用于深水海域的装备。

在海洋进行油气钻探，当评价井得出有开采价值的结论时，油气田即可投入开发，就需要应用海上生产平台。海上油气生产平台的最佳选择是多功能平台，即在此平台上不仅能够进行钻井、采油，而且还能进行油气水分离处理，并将合格原油储存外运。

近年来，我国在研发海上多功能平台方面有了新进展，一是中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司提出的用于浅海的坐底式多功能平台；二是中海油研究总院提出的用于深水的半潜式多功能平台。这两种多功能平台的针对性很强，一个适应渤海浅水装备的需要；另一个适应南海深水装备的需要。虽然，这两种多功能平台还都是属于概念设计，与详细设计及建造、使用尚有一段距离，但笔者认为，他们在研发过程中的创新思维与方法有可取之处，在我国大力倡导“创新驱动”之时，很有启迪作用。因此，分别介绍了这两种多功能平台的创新之处，以及创新思维与方法。

1　用于浅海的坐底式多功能平台

1．1 结构组成

坐底式多功能海上平台的概念设计是中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司提出的，平台的总体模型如图1所示。

图1　用于浅海的坐底式多功能平台模型

1．1．1 上部模块

顶层甲板上设有生活间、直升飞机坪以及起重设备等；生产甲板设有油、气、水分离处理装置等；上部伸出的悬臂部分为钻井、完井、修井作业区，设有井口、井架、钻机等装备。

1．1．2 中部罐体

设有7个钢制立式圆筒形内压储罐，罐体上下一分为二，上部为海水压载舱，下部为储油舱，用作储存合格原油及压载海水。罐体和上部设施之间通过桁架结构连接，罐体部分侧部设有外输辅助结构。

1．1．3 底部基础

采用组合式吸力锚筒型基础，该基础包括6个吸力锚，筒型基础和罐体装置之间通过锁紧装置连接。

1．2 技术性能

该平台的试验性装置按50 a一遇的海洋环境条件设计。平台的储油量大于10 000 m3，可满足年产量60×104 m3的油田开发需求。此坐底式平台可在水深10～20 m（我国渤海的平均水深为18 m）移动搬迁。

1．3 创新之处

1．3．1 不用系泊系统而采用坐底方式

传统的进行油、气、水分离处理的移动式生产平台，无论是FPSO还是半潜式生产平台均采用系泊系统，使其浮于水面上时，保持定位；有的还采用高能耗、高投资的动力定位系统（DPS）。而这种新型坐底式多功能平台，弃掉了系泊系统，采用坐底的方式，稳坐海底，相当于一座固定式油气水处理中心平台，他可以在浅海中移动搬迁，解决了采用系泊系统所带来的一系列问题，而且节省投资，节约能源。

1．3．2 油水等质量流率置换流程

新型坐底式多功能平台的中部罐体部分，其单个组合式储舱由置换海水压载舱和储油舱按“上下罐”形式组成。采用密闭气压连通式压载海水和原油等质量流率置换流程，这种流程可使原油进舱泵海水卸载泵、原油外输泵海水压载泵2组分别联动，从而实现等质量流率置换，即某一质量的原油流入或流出储油舱的同时，必须有相同质量的海水流出或流入海水压载舱，以保证整个平台的操作重心不变，实现稳坐海底。密闭气压连通式压载海水和原油等质量流率置换流程如图2所示。这种新流程除能够确保作业过程中平台操作重力不变、重心的水平面投影位置不变的主要目的之外，还克服了湿式储油和传统干式储油的缺点，具有零污染、零排放、原油加热方便、可储存溶于水的液体等优点。

1．3．3 灵活选用的外输系泊方案

新型坐底式多功能平台生产出的合格原油，定期用穿梭油轮外输。外输的油轮与坐底式平台的系泊方案有两种可供灵活选用。其一是直接系泊方案，即外输油轮通过系泊缆直接系泊在坐底式平台的罐体上，如图3所示。其二是系缆墩系泊方案，如图4所示。两侧各设一个采用吸力锚基础的钢筋混凝土结构的系缆平台，并在坐底式平台上设置一个靠船件。这样，即可使穿梭油轮直接停靠坐底式平台，而其艏艉通过系泊缆系泊在系缆平台上，从而实现系泊卸油。

图2　密闭气压连通式压载海水和原油等质量流率置换流程

图3　直接系泊方案

图4　系缆墩系泊方案

1．3．4 混凝土外壳的钢制储罐

坐底式多功能平台的中部罐体部分，由7个钢制立式圆筒形内压储罐组成。罐内高18 m，上下拱形封头拱高4 m，筒体直径16 m、高20 m、壁厚18 mm。如图5所示，罐内中部下拱形封头将罐内上下一分为二，上部为海水压载舱，下部为储油舱，中拱封头中心有一根通气管直达上拱封头中心，使上下两舱顶部的气相空间密闭连通，通入带压氮气，一方面作为覆盖气，防止外部空气进入舱内，确保系统的安全；另一方面，可进行压力能量的传递，当原油或海水外卸时，依靠舱内氮气的压力能，将液体提升至外输或卸载泵的进口，再由泵完成外卸。

图5　储罐内部结构

储罐采用薄膜板壳结构取代板梁结构，在满足规范要求的同时，节约了大量钢材。钢制组合罐的周边立壁、上下顶外壁，均覆盖0．5 m厚的钢筋混凝土层，一是起配重作用，二是提供外壁防碰撞和抗屈曲的保护层。另外，如果原油需要保温加热，紧贴钢罐壁还可采用一层耐热和隔热混凝土材料。这种钢结构外敷混凝土的创新设计，是基于“小水下重力坐底”的新概念，它将大容量空舱造成的水下大浮力的大部分被混凝土结构的自重所平衡，充分利用罐体的浮力，实现坐底式平台的“小水下重力坐底”。

1．3．5 组合式吸力锚的筒型基础

坐底式多功能平台的基础由6个吸力锚组合而成，如图6所示。每个吸力锚是一个圆筒，直径12m，高12．5 m，其水平截面圆的圆心均布于直径51 m的圆上。组合式吸力锚的上部由6块T形截面的弧形梁式裙板和数个加筋构件连接，T形截面的弧形裙板的顶部平面环板的径向宽度等于吸力锚直径12 m，垂直弧形裙板高6 m，圆弧半径为25．5 m，顶部平面环板可防海底冲刷。

图6　坐底式多功能平台的组合式筒型基础

这种组合式筒型基础经分析计算，水平承载力101 030 k N，安全系数1．53（最大水平推力65 850 k N），抗拔力106 020 k N，抗压力876 290 k N，安全系数5．3（最大垂向压力164 030 k N），基础的承载力完全满足工作要求。进一步通过水池试验的验证，这种组合式筒型基础结构具有很好的拖航稳性，满足整体开发方案对基础的要求。

2　用于深水的半潜式多功能平台

中海油研究总院提出了用于深水的半潜式多功能平台的概念设计，并已获得国家发明专利，专利号201010199308．5。

2．1 结构组成

2．1．1 上部结构

新型半潜式多功能平台的上部是一座传统的半潜式平台，这种新型平台的主体结构如图7。上部半潜式平台具有两层桁架式甲板，分别是主甲板和生产甲板，其间距为11．0 m，甲板尺寸为78．0 m× 78．0 m。操作工况及拖航工况时，甲板总设计载荷分别为176 570 k N、141 160 k N；两甲板的重心高度分别在立柱顶甲板上12．73 m和11．77 m。主甲板上除生活楼、直升飞机坪、井架、井口作业区之外，还设有9根顶张紧立管，2根钢悬链式立管，在操作工况时，它们的顶张力分别为45 400 k N、12 970 k N；另有脐带缆，其载荷为5 240 k N。生产甲板上主要是进行油、气、水分离及脱盐、脱硫等处理的生产装置以及供热、供电、供水等设施。

上部半潜式平台具有4根正方形截面的空心立柱，支持上部甲板模块，立柱尺寸为19．4 m× 19．4 m×50 m，立柱（横向／纵向）中心间距为57．8 m。4根立柱底端与半潜式平台的下浮箱相连结，下浮箱为矩形截面，其尺寸为77．2 m×12．8 m× 8．4 m。从平台甲板经4根立柱底端入水，有4组12根系泊缆（每组3根）组成的平台系泊系统，从上到下采用“甲板锚链—聚酯缆—海底锚链”三段式的张紧型系泊形式，底部由吸力锚或打入式长桩固定于海底，每根系泊缆的预张力为2 225 k N。

图7　新型深水半潜式多功能平台模型

2．1．2 下部结构

新型半潜式多功能平台的下部是一个可上下伸缩的结构，由可伸缩立柱及下浮箱组成。可伸缩立柱共4根，为圆柱型，截面直径5．6 m，套在上部半潜式平台中空的4根立柱内，形成套筒，可沿上部半潜式平台的立柱上下伸缩。4根可伸缩立柱底端与下浮箱连接，下部浮箱（LTP）为矩形，其尺寸为77．2 m×23．0 m×7．4 m，下浮箱（横向／纵向）中心间距为57．8 m。这样，当可伸缩立柱缩进上部半潜式平台的立柱套筒内，并将上部半潜式平台的浮箱与下浮箱连接之后，既可实现上部半潜式平台与下部浮箱在码头靠泊状态下的整体组装和调试，也可进行这座新型平台的整体拖运和海上安装，从而大大降低了海上安装的周期和费用。反过来，到达预定井位，拆开连接，通过压载便可使伸缩立柱自套筒内全部伸出，直至达到半潜吃水的目标位置时，再采用机械、焊接等连接方式，将伸缩立柱顶部与上部平台的立柱底部进行连接后，可实现永久定位，然后安装立管，进行作业。此时，因整个新型半潜式平台已构成上、下双层浮箱，使平台浮心高于重心，提高了稳性。

2．1．3 垂荡板

垂荡即平台沿垂直坐标轴的上下升沉运动，垂荡过大，平台的上下升沉运动位移过大，装设于浮式生产平台上的干式井口装置受其影响，不能正常生产甚至受到损坏。因此，为了解决这种新型半潜式多功能平台能够适用干式井口的问题，在下浮箱的上面设置了垂荡板。垂荡板是一块正方形的板，边长为31．2 m，垂荡板的中间开孔，使油气生产立管／钻井立管从中穿过。显然，有了垂荡板，可增加平台垂荡时的附加质量和阻尼，从而减小垂荡运动位移，使其限制在干式井口装置正常生产的允许范围之内。

2．2 创新之处

2．2．1 提高稳性的双层浮箱

新型半潜式平台除原有的浮箱之外，又增设了可伸缩的下浮箱，构成的双层浮箱使平台浮心高于重心，平台具有无条件稳性，从而降低了恶劣海况下平台发生灾害事故的风险。目前，全球尚无这种双层浮箱的半潜式平台，这种创新的稳性远胜于传统的半潜式平台。

2．2．2 灵活拆连的伸缩结构

由于采用了可伸缩的下部结构，因而可适应平台的不同工况，将其与上部结构连接或折分，非常灵活方便。当在码头靠泊时，可以将上、下部结构连接，进行整体组装和调试；保持这种连接状态，又可实现平台的整体拖运；到达预定井位后，拆开连接，既可通过压载，下潜入水；达到吃水的目标位置时，又可恢复连接，实现永久定位，进行作业。这种灵活方便的可伸缩的下部结构，在全球半潜式平台中是绝无仅有的。

2．2．3 装设增大阻尼的垂荡板

新型半潜式平台装设垂荡板以后，可增加平台垂荡的附加质量和阻尼，使半潜式平台的垂荡运动位移大大减小，从而使半潜式平台允许使用干式采油系统（传统的半潜式平台只能用水下的湿式采油系统）。显然，新型半潜式平台装设垂荡板的这一创新，使其可灵活采用干式、湿式或干湿组合式等多种采油方式，比传统半潜式平台只能采用一种采油方式优越。

2．2．4 钻采储运多种功能

目前，世界上用于深水油气田开发的浮式生产平台，主要有张力腿平台（TLP）、半潜式平台（Semisubmersible）、立柱式平台（Spar）、浮式生产储卸设施（FPSO）等，与他们相比，新型半潜式平台的技术性能优越，功能最全面。

传统半潜式平台目前已发展到第六代，在深水油气田开发中应用最为广泛，全球在水深超过1 829 m（6 000 ft）的己有50艘左右，最深的工作水深达3 048 m（10 000 ft），半潜式平台之所以能够应用广泛，主要是由于它的设计建造技术成熟，使用操作经验丰富，稳性好。但是，他的最大弱点是不能储、卸油，功能不够全面。例如近期由我国中远公司南通的启东基地为巴西建造的“SEVANDRILLER”号，是世界上首座最先进的圆筒型半潜式超深水（工作水深约3 050 m）海洋钻井、油气水处理、储油（存储能力15万t原油）多功能平台，但不能卸油，用穿梭油轮外运；而且，稳性远不如新型半潜式多功能平台。

张力腿平台（TLP）全球共有20多座，是用于深水的一种垂直系泊的浮式顺应平台。平台上体靠浮箱半潜于水中，用张力筋腱组成的张力腿垂直系泊于海底桩基上，还有侧向系泊索辅助，平台上体甲板上装有钻井、完井和修井作业装备以及全套油气分离、脱水等生产处理设备，但不能储油，只能通过海底输油管道送出处理后原油或与FPSO联合运油；而且，工作水深受限制。

立柱式平台（Spar）目前全球已有10多座，其平台上体是由一根独立的浮式圆筒状立柱来支撑，浮式圆筒中央通过生产立管，周围分别设有压载舱及储油舱，另有分段式系泊索自立柱中段将立柱系泊于海底吸力式基础上，平台上体由钻井甲板、原油处理生产甲板及井口甲板组成，因为有储油舱，故而可以储油，但也还是不能卸油，用船外运，一般也是通过海底管道将处理后合格原油送出；而且，不能将上体与立柱灵活拆连，只能在海上安装。

FPSO的应用非常广泛，全球已拥有100多艘。虽然可以进行原油处理及储、卸油，但是不能钻井、完井、修井及采油；而且，FPSO浮于海面上，还需要1套专门的系泊装置。

因此，新型半潜式平台是目前全球各类型深水浮式生产平台中的功能最全面的多功能平台，且技术性能优越。

3　创新思维与方法应用

思维即思考，它是人脑对客观事物间接的和概括的反映。创新思维是相对于传统的逻辑思维而言的。逻辑思维主要包括有：分类与比较、推理与判断、分析与综合、抽象与概括、归纳与演绎等形式，是目前使用最广泛的思维形式，故又称为习惯思维。创新思维摆脱了传统的逻辑思维，不受现成的、常规的思路的约束，来寻求对问题的全新的、独特性的解答和方法的思维过程。创新思维可以有逆向思维、形象思维、直觉与灵感思维、发散与集中思维、联姻思维、综合思维等形式。在创新思维引领下具体实施创新的方法，则称之为创新方法。

3．1 用于浅海的坐底式多功能平台

3．1．1 创新思维

坐底式多功能平台的创新思维属于发散与集中的思维形式。发散是指人们思路扩散出去的意思；集中是将按照发散思维拓展出去的思路，再收拢回来，集中于某些核心点上，来实现最终目标的思维形式。

坐底式多功能平台的最终目标是用于浅海可进行钻、采、储、运。首先，将思路扩散出去，想想可用于浅海的固定式油气水处理中心生产平台、可进行生产、储存、卸油的FPSO以及可进行钻井、完井、修井的坐底式平台。然后将思路收拢回来，集中到作业期间平稳固定、钻采储运多种功能、能够搬迁重复使用等几个核心点上，“博采众长”，取固定式平台的“固定”；取坐底式平台的“坐底”且“可移动”及“钻、完、修井”；取FPSO的“生产、储存、卸油”；取筒型基础的“吸力锚”，从而，就产生出来“筒型基础坐底式”加“FPSO”的用于浅海的坐底式多功能平台的概念。这就是坐底式多功能平台的创新思维过程。

3．1．2 创新方法用于浅海的坐底式多功能平台的创新方法应用的是杂交法。所谓杂交法，指的是几种事物复合交叉而成为一种新事物的方法。显然，在上述发散与集中思维形式的引领下，它将固定式平台的固定，坐底式平台的坐底、可移动，FPSO的生产、储、运，筒型基础的吸力锚等几种事物加以复合，就组成了一种新的用于浅海的坐底式多功能平台。显然，这个新事物是杂交而成的。

3．2 用于深水的半潜式多功能平台

3．2．1 创新思维

用于深水的半潜式多功能平台的创新思维仍然是发散与集中思维形式。针对研究的最终目标是深水用浮式生产平台，首先将思维发散到世界上已有的4种深水浮式生产平台，即张力腿、立柱式、半潜式平台及FPSO；然后，再将思维“聚焦”，集中到用于深水、提高稳性、多种功能等几个核心点上进一步思考。这时，考虑到采用半潜式可不受水深限制，优于张力腿平台；采用双层浮箱可提高稳性，较传统的半潜式平台优越；采用可伸缩的下部浮箱结构，则便于与上部结构拆连，实现整体调试、拖运和海上安装，远较立柱式平台不能将上、下部结构连成整体为优越；再考虑到增设垂荡板后，可采用干式井口，进行干式采油，再加上钻、储、运等功能，比FPSO的功能更加全面。至此，理性认识形成，对现有的4种深水用浮式生产平台的“破旧立新”、“取而代之”的理念萌生。

3．2．2 创新方法

用于深水的半潜式多功能平台的创新方法是替代法。替代法是实现“破旧立新”、“取而代之”理念的具体方法。“破旧立新”是发散与集中创新思维的一种模式，它首先运用发散思维，将己有事物中的缺点、弊端发掘出来，发现其致命弱点后，再运用集中思维，找出其要害的核心根源，从而“对症下药”，得出应“破旧”的及应“立新”的主要内容，构成了“取而代之”的具体实施的替代法。采用半潜式平台取代了张力腿平台，破除了工作水深受限制的弊端；采用双层浮箱取代了单层浮箱的半潜式平台，破除了传统半潜式平台稳性受限制的弊端；采用可伸缩下浮箱结构的半潜式平台取代了立柱式平台，破除了立柱式平台不能上、下部结构连成整体进行整体调试、拖运、安装的弊端；增设垂荡板的新型半潜式多功能平台，取代了FPSO，破除了FPSO只能生产，储油，卸油，功能不全面的弊端。

4　结论

1） 我国中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司近年提出的用于浅海的坐底式多功能海上平台的概念设计创新突出、技术性能优越，可供我国渤海油气田开发用多功能平台时设计与建造参考。

2） 我国中海油研究总院近年提出的用于深水的半潜式多功能平台的概念设计，已获得我国国家发明专利（201010199308．5），创新突出，技术性能优越，可供我国南海深水油气田开发用多功能平台时设计与建造的参考。

3） 笔者对2种多功能平台的创新思维与方法的分析与概括，旨在抛砖引玉，希望在当今我国大力倡导“创新驱动”的形势下，开展更广泛的研讨，以期对从事装备研发的第一线的工作人员，进行自主创新，有所俾益。

［1］ 谢彬，姜哲，谢文会．一种新型深水浮式平台：深水不倒翁平台的自主研发［J］．中国海上油气，2012，24（4）：

60－66．

［2］ 谭家翔．一种全新的渤海湾油田开发方案［J］．中国海上油气，2014，，26（增刊）：85－91．

［3］ 方华灿．海洋石油工程（上、下册）［M］．北京：石油工业出版社，2010．

The Innovations of Two Kinds of Multi－function Offshore Platforms

FANG Huacan
（China University of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China）

Two multifunction offshore platforms are introduced．One is suitable for shallow water，bottomsupported multi functional offshore platform．The main innovation is the adapt of technology of bottomsupported，oil and water flow rate replacement process，efflux mooring program，steel structure tanks with cementing envelop，and combined suck mooring system．The other is semisubmersible multifunction platform，suitable for use in deep water．Double layers floating tanks are used with flexible disconnection and connection expendable structure，heave plate with enforce damper and multifunction of drilling and storage．It is summarized that these two offshore platforms with newly developed through and method．

shallow water；bottomsupported multifunction platform；deep water；semisubmersible multifunction platform；innovation method

TE95

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．09．003

1001-3482（2015）09-0008-06

①2015-04-01

方华灿（1930），男，福建定远人，教授，从事海洋石油装备的研究。