半潜式生产平台选型及尺度规划技术研究

杜庆贵

(中海油研究总院，北京 100028)

0 引 言

浮式生产装置是深水油气资源开发的重要装备。常见的浮式生产装置主要包括张力腿平台(TLP)、单柱式平台(SPAR)、半潜式生产平台(SEMI)、浮式(生产)储卸油装置(FPSO/FSO)等。半潜式生产平台由于其作业性能优良，海况适用性好，被广泛应用于北海、南中国海、墨西哥湾、巴西海域等重要海上油气聚集海域[1-2]。

我国目前只有1座半潜式生产平台在役(即“南海挑战号”，由半潜式钻井平台改造而成)。随着我国深海油气资源开发步伐的加快，现有的经验和技术积累将难以满足生产需求，需要加快对半潜式生产平台相关技术加以研究。本文重点研究了半潜式生产平台的工程模式、方案选择、平台选型、尺度规划及性能评估技术。

1 应用现状

据统计，目前全球共有48座半潜式生产平台在役(见图1)，其中包括24座改造平台、24座新建平台(见图2)，另有1座在建平台(ICHTHYS CPF平台)。

图2 全球新建半潜式生产平台分布图Fig.2 Worldwide distribution of new SEMIs

世界上第一座半潜式生产平台Argyll FPF诞生于1975年，它由Transworld 58号半潜式钻井平台改造而成，作业于北海海域Argyll 油田。运营时间最长的半潜式生产平台为BUCHAN A平台，1981年投产，作业于北海海域，至今已经安全运营35年。半潜式生产平台投产年限分布如表1所示。

表1 半潜式生产平台投产年限分布表

1995年，我国第一座半潜式生产平台“南海挑战号”在南海流花11-1油田投产，至今已经安全运营20余年。“南海挑战号”平台由SEDCO 700系列钻井平台改造而成，主要为流花油田提供钻修井服务和电力支持[3-4]。“南海挑战号”的成功应用为我们提供了很好的工程示范，积累了宝贵的工程经验。

半潜式生产平台前期设计包括油气田工程模式选择、平台方案选择、平台选型和尺度规划等。

2 工程模式选择

选用半潜式生产平台的油气田开发工程模式主要有三种[5]。

A模式：半潜式生产平台+水下生产系统+外输管线(见图3)。该模式适用于近海或周边有可依托外输管网的油气田，此类油气田产出油气经由外输管线直接上岸。半潜式生产平台主要用作油气生产处理及生活支持。此工程模式多应用于墨西哥湾和北海海域。

B模式：半潜式生产平台+水下生产系统+FPSO/FSO(见图4)。该模式适用于远海或周边没有可依托外输管网的油田，此类油田产出原油经由穿梭油轮外输，产出气较少，多用作燃料气或直接经燃烧臂烧掉。半潜式生产平台用作油气生产处理或生产/生活支持。

C模式：半潜式生产平台+水下生产系统+FPSO/FSO+外输管线(见图5)。该模式适用于远海或周边没有可依托外输管网的大型油气田。此类油气田，油、气产量一般都比较高，油气田所产原油经FPSO处理后由穿梭油轮外输(不需上岸，可直接外销)，所产气经由外输管线(新建)上岸。此工程模式的应用实例包括如巴西海域Marlim Sul油田，澳大利亚西北海域的ICHTHYS大型气田等。

油气田工程模式的选择影响因素较多，如油气田规模、开发寿命、油藏品质、水深、环境条件、离岸距离、周边可依托设施、地质地貌条件、本土产业政策等，工程模式的选择需要综合考虑上述因素。

图3 “半潜式生产平台+水下生产系统+外输管线”模式Fig.3 Development scheme A： SEMI+subsea facility+pipe

图4 “半潜式生产平台+水下生产系统+FPSO”模式Fig.4 Development scheme B: SEMI+subsea facility+FPSO

图5 “半潜式生产平台+水下生产系统+FPSO+外输管线”模式Fig.5 Development scheme C: SEMI+subsea facility+FPSO+pipe

3 平台方案选择

半潜式生产平台有新建和改造两种方案可供选择[6]。改造方案主要以目标平台主结构为基础进行局部结构改造，以满足目标油气田的作业要求，如“南海挑战号”平台；新建方案根据目标油气田特点新设计建造一座平台。两种方案的优缺点对比如表2所示。

表2 新建方案和改造方案优缺点对比

新建方案适合应用于大型油气田及区域性开发，改造方案更适合用于中小型油气田开发。改造方案的应用高峰期集中在20世纪(22座改造平台)，2000年以后只有3座平台采用改造方案。现在适逢低油价时期，半潜式钻井平台严重过剩，二手平台交易价格较低，改造方案在中、小型油气田的开发中经济性凸显。

4 平台选型

4.1 功能选择

半潜式生产平台常见功能包括：油气生产处理；油气生产处理兼钻修井功能(如Thunder Horse平台)；油气生产处理兼储油功能；钻修井兼生产服务功能(如“南海挑战号”平台)等。油气生产处理一般是半潜式生产平台的主要功能。在20世纪，很多平台由半潜式钻井平台改造而成，当时，因为钻井资源紧缺，很多平台兼具或是保留了钻井功能。近几年，新建的平台一般考虑单一的生产处理功能。

4.2 立管选型

半潜式生产平台常用立管型式主要有软管和钢悬链立管(SCR)。软管运动适应性好，但造价高(造价往往是SCR的几倍)、寿命短、容易老化；SCR造价相对较低、安全可靠性高，但运动适应性差。

立管系统受平台运动的影响较大，制约着平台的尺度规划。根据挪威船级社(DNV)规范建议，半潜式生产平台尺度规划时首先要考虑立管型式。若采用软管，平台运动比较容易满足要求；若选择SCR，平台设计时应重点考虑SCR对平台运动幅值和加速度值的要求，以避免SCR的疲劳破坏。较浅水油气田(水深小于500 m)，由于平台运动无法满足SCR要求，多采用软管。深水油气田出于经济性及可靠性考虑多采用SCR。

4.3 结构选型

半潜式生产平台主要包括浮箱、立柱和上部甲板三部分，具体如图6所示。

图6 典型半潜式生产平台结构组成Fig.6 A typical SEMI rendering

半潜式生产平台的浮箱型式有两种：平行双浮箱和环形浮箱。平行双浮箱主要源于钻井平台设计。如前所述，很多半潜生产平台由半潜式钻井平台改造而来，沿用了双浮箱结构。自1999年VISUND平台服役以来，所有的新建半潜式生产平台全部采用环形浮箱。环形浮箱可以提供更好的整体强度和结构完整性，新建半潜式生产平台建议选用环形浮箱。

半潜式生产平台的立柱型式有两种：平行多立柱(包括6立柱、8立柱等)和平行双立柱(即4立柱)。对应于浮箱结构型式，平行双浮箱多采用平行多立柱，环形浮箱多采用4立柱。在役新建半潜式生产平台中，只有1座环形浮箱平台采用6立柱(ÅSGARD B平台，采用6立柱主要是基于上部甲板设计安装考虑)，其他全部采用4立柱。立柱数量多，会导致平台结构设计复杂，建造难度增加。新建半潜式生产平台建议选用4立柱。

半潜式生产平台的甲板型式主要有三大类：箱型甲板、桁架式甲板及介于两者之间的混合式甲板[7]。甲板型式的选择影响因素较多，包括油气组分、建造安装方案、浮吊资源、环境条件等。若用于大型气田开发建议选取桁架式甲板，甲板空间开放，利于通风，降低安全隐患；若用于极端恶劣海域油气田开发建议选取箱型甲板，可以提供更好的整体强度，保证平台在极端恶劣海况下的结构完整性；若建造安装场地缺少大型浮吊资源，建议选取箱型甲板，可以采用顶升法或浮托法实现甲板与下船体总装。

4.4 系泊定位选型

半潜式生产平台全部采用分布式系泊系统进行定位，系泊缆主要有4×2、4×3和4×4等几种分布型式。根据水深不同，系泊系统分悬链线式系泊、半张紧式系泊和张紧式系泊三大类系泊型式。系泊系统选型主要受制于平台规模、作业水深和环境条件。环境条件恶劣或平台规模比较大时，建议选取更多的系泊缆数量(如4×4，甚至更多)，反之亦然。平台作业于浅水时，建议选用悬链线式系泊；作业于中深水时，建议选用半张紧式或张紧式系泊；作业于深水时，建议选用张紧式系泊。

5 尺度规划

尺度规划是平台设计中最早的一个环节，其目的是在设计之初对平台的规模和主尺度进行快速估算，给出一个初步方案，以启动设计螺旋。尺度规划过程中常用基础数据和规划结果如下。

(1) 基础数据。甲板面积：主梁的位置；甲板载荷：上部设备干重、操作重、重心位置、惯性半径；其他荷载：包括立管张力、系泊系统预张力；环境参数：包括作业工况和生存工况下的风、浪、流环境参数。

(2) 规划结果。主尺度：平台浮箱和立柱尺度参数，浮箱立柱中心距；装载工况：排水量、吃水、重量、重心、惯性半径；系泊系统：系泊链、缆长度及规格参数。

尺度规划越合理，后期改动工作量越小。但是，尺度规划是多解的，关键看如何设置限制参数，得到或接近预期的最优解。

常用限制参数如下。

(1) 运动周期：主要是垂荡运动固有周期，关系到平台的垂荡运动幅值，根据DNV-RP-F205[8]建议，垂荡固有周期不小于20 s。

(2) 运动RAO：主要是垂荡运动RAO，关系到平台的垂荡运动幅值，对立管的设计影响较大，若采用SCR立管，垂荡运动RAO第一峰值建议不大于0.35 m/m。

(3) 气隙：对于新建浮式平台，根据API RP 2FPS[9]推荐做法建议，极端工况(通常取100年重现期环境条件)净气隙不小于1.5 m；生存工况(通常取1 000年重现期环境条件)气隙不能为负。

(4) GM值：对平台稳性的初步估算，任何工况下GM值不能为负(DNV-OS-C301[10]规定GM值不低于0.3 m)，根据经验，尺度规划阶段GM值不小于1 m。GM值比较合理的区间为1～3 m。

(5) 码头水深：平台船体主结构完成建造后一般在码头进行舾装调试，浮箱高度受限于码头水深。

半潜式生产平台尺度规划流程如图7所示。尺度规划是以经验公式为基础对目标方案快速评价、循环修正的过程，通常以平台用钢量(关系到经济投资)为目标，在满足各限制参数的前提下不断优化，最终给出推荐方案。

图7 半潜式生产平台尺度规划流程Fig.7 Flow chart for SEMI global sizing process

6 母型平台

母型平台选择并不是一个必要的设计步骤。若缺少设计经验，在尺度规划时，可以参考现役平台的设计参数，以提高设计的合理性。

母型平台的选择可以考虑几个主要参数，按照优先级依次为：平台功能、上部甲板重量、油气处理能力、作业水深。上部甲板重量获得难度较大，但是，其主要取决于油气处理能力。可以根据目标油气田日产量，在现役平台中选择处理能力与设计预期相符或相近的平台作为设计母型。表3统计了19座新建平台设计参数。

母型平台选定后，已经可以获得平台主尺度及排水量，并据此开展尺度规划工作。尺度规划时可以以现役平台的浮箱长度、浮箱宽高比和立柱边长等几个关键参数(见表4)来修正规划结果。

表3 半潜式生产平台关键设计参数

表4 半潜式生产平台尺度参数表

7 性能评估

尺度规划方案确定后，需要用现有商业软件对平台运动性能进行评估。由于此时尚处于设计初级阶段，可用频域分析方法快速计算平台的固有周期和运动响应传递函数(运动RAO)，预报平台的运动、加速度和气隙[11-12]。

7.1 建 模

半潜式生产平台立柱及浮箱对称，湿表面建模时，只需建立1/4湿表面模型(取一典型半潜式生产平台模型如图8所示)。模型网格尺寸以2 m×2 m为宜，可以在水线面附近进行局部加密。由于网格尺寸关系到计算分析时间和结果精度，建议计算前开展网格尺寸敏感性分析，以确定合理的网格尺寸。

图8 湿表面模型Fig.8 Wet surface model

水动力建模时，垂荡阻尼模拟可选用临界垂荡阻尼系数或Morison模型。临界阻尼系数通常取值3%～5%，具体取值根据平台吃水和排水量而定。水动力模型如图9所示。

图9 水动力模型Fig.9 Hydrodynamic model

7.2 计 算

频域分析的关键是计算平台的运动固有周期和运动RAO，固有周期可以根据特征值计算得到。根据不同浪向(通常取0°～180°)和波周期(通常取3～30 s)计算得到多组RAO曲线，根据上述模型取0°方向平台六自由度运动RAO如图10所示。

图10 平台运动RAOFig.10 Motion RAOs

7.3 预报

根据运动RAO和设计海况条件可以预报得到平台的运动幅值、运动加速度和气隙。至此，已可以判断平台的运动性能是否可以满足设计要求。若满足要求，将尺度规划结果交由下游专业(分舱、结构、立管等)开展工作。并根据各专业的数据进一步优化尺度。

8 结 语

半潜式生产平台方案选型和尺度规划技术需要长期的经验积累。目前，我国与欧美等海洋工程强国还存在一定的差距。随着我国深海油气资源开发步伐的加快，现有的经验和技术积累将难以满足生产需求。我们需要继续深入开展半潜式生产平台关键技术研究，建立健全半潜式生产平台设计、建造、安装、运维和监测技术体系，择机将其应用于实际生产项目，为我国深水油气田的开发和安全运营提供技术保障。

[1] 杜庆贵, 冯玮, 时忠民，等.半潜式生产平台发展现状及应用浅析[J]. 石油矿场机械，2015，44(10)：72.

[2] 李清平. 我国海洋深水油气开发面临的挑战[J]. 中国海上油气,2006, 18 (2): 130.

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[5] 刘军鹏，段梦兰，罗晓兰，等. 深水浮式平台选择方法及其在目标油气田的应用[J]. 石油矿场机械，2011，40(12)：70.

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[7] Botker S, Mo F, Hannus H. Efficient modularized topside concept for semisubmersible for maximum contracting and design flexibility[C]. OTC, 2005: 17409.

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