新型多功能干树储油半潜平台研发

谢文会，谢 彬，粟 京，韩旭亮，李 阳，赵晶瑞，冯加果

(中海油研究总院有限责任公司，北京 100028)

传统的浮式生产平台中，张力腿平台和Spar平台可以应用干树采油，但建造安装技术难度大，需要动用大型海上浮吊作业，费用高。传统的半潜式生产平台相对建造安装技术难度小，费用相对较低，由于其垂荡性能较差，不能实现海上油田的干树开发。海上油田干树开发具有操作运维简便、费用低的优势，开发具有干树开采能力的半潜式平台成为世界海洋工程界的研究热点。美国FloaTEC公司提出的桁架式半潜平台[1]，利用垂荡板来增加附加质量，改善垂荡运动幅值，实现油气田干树开发，但其桁架式垂荡板海上安装难度大，风险高；该公司提出的可扩展吃水式半潜式平台[2]，也采用垂荡板，可以根据作业状态自由收起和放下垂荡板，且垂荡板中加装固定压载，降低平台中心，改善平台运动性能，但该型平台安装时需要向垂荡板内注入固定压载，同时其垂荡板提升连接机构复杂，成本高，实用性差；Aker公司提出DPS系列平台也采用垂荡板来降低垂荡运动幅值[3]，其设计理念与桁架式半潜平台相似，存在同样的海上安装作业问题；最近国内相关研究机构也提出了许多干树半潜平台方案，如渐变立柱深吃水干树式半潜生产平台[4]、立柱和甲板分开的干树式半潜生产平台[5]，这些概念通过优化改变传统半潜平台形式，达到干树采油所需的运动性能；美国Technip公司提出的可伸缩半潜式平台，Mansour和Wu提出的自由悬挂固体压载舱式半潜式平台，中海油研究总院提出的深水不倒翁平台(DTP)等干树半潜平台概念均是采用为传统半潜平台增加下部垂荡板、增加吃水、垂荡板中添加固定压载等方案改善平台运动性能，达到平台可实现干树开采的目的，传统形式的深吃水半潜平台加装垂荡板成为目前干树半潜平台开发的主要研究方向[6-11]。但目前所有增加垂荡板形式的干树半潜平台均未解决垂荡板连接结构复杂、海上施工难度大，风险高的问题。干树半潜平台研发不仅需要考虑平台的运动性能满足海上油田干树开采的需要，更重要的是需要考虑针对特定油气田的油气藏特性需求，建造、安装可行性，经济成本等要素，才能开发出经济、安全、实用的平台型式。2016年，中海油研究总院针对目标气田开发了一型适应我国南海海域环境条件的深水多功能干树半潜平台，作业水深1 500 m。平台上部为传统的深吃水半潜平台型式，下部采用细长柔性连接结构连接垂荡板，细长柔性连接结构采用成熟的张力腿结构型式，通过张力腿柔性连接接头释放平台运动产生的巨大弯矩，结构安全可靠，建造安装简便，运动性能优良，可实现干式开采和回接水下井口、油气生产处理、凝析油存储、钻修井等功能。该新型平台提供了非常具有竞争力的深水油气田开发模式，特别是适合于我国南海恶劣海况、凝析油气田为主及南海管网相对缺乏等特点。该新型平台工程化成熟后，相关技术将会有力的促进中国深水油气田的开发。

1 新型干树储油半潜平台结构型式

新型干树储油半潜平台由上部组块、主船体、细长柔性连接结构、箱型垂荡板、TTR立管系统、系泊系统构成，结构型式如图1所示。甲板结构采用桁架结构，易于组块的建造和安装。浮体结构由主船体、细长柔性连接结构和箱型垂荡板三部分组成。主船体结构与传统半潜式平台类似，细长柔性连接结构连接主船体与箱型垂荡板，为张力腿平台的张力腿结构，连接点采用柔性接头连接结构，可绕连接处转动，释放由于箱型垂荡板惯性力引起的巨大弯矩，平台在作业期间连接构件始终处于拉伸状态。箱型垂荡板安装就位后与海水连通，自由悬挂于主船体。采用箱型垂荡板结构提高垂荡板的剖面模数，承受附连水惯性力，抑制平台垂荡运动。垂荡板中间开孔，并设有导向支撑结构，TTR立管从中间穿过，通向上部组块，实现干树开采。系泊系统采用传统的深水系泊方式，水深适应性好。

图1 平台主体结构型式Fig. 1 Global structure of the platform

图2 平台建造完成后状态Fig. 2 Post-construction status of the platform

新型干树储油半潜平台可在船坞、船台建造，建造完成后如图2所示，平台箱型垂荡板位于主船体下部，支撑主船体与上部组块重量，张力腿连接构件固定于立柱外侧。在湿拖过程中，箱型垂荡板浮力远大于其自身重量，为平台上部结构物提供浮力，箱型垂荡板上设置水平限位装置，限制箱型垂荡板与主船体之间的水平相对运动，平台箱型垂荡板、主船体叠放在一起，可实现整体湿拖。湿拖至安装场地后，通过调整箱型垂荡板中所充海水重量，调整箱型垂荡板湿重，采用简易机构下放箱型垂荡板至预定位置，连接张力腿连接结构，随后箱型垂荡板完全充水，主船体调整压载，平台达到预定吃水。箱型垂荡板可承受平台在位水压头，在在位工况下通过高压空气可调节垂荡板浮力，可实现在位张力腿连接构件更换。

该新型干树储油半潜平台一方面通过箱型垂荡板增加附连水质量和运动阻尼，获得良好的垂荡运动性能。另一方面通过成熟的张力腿连接构件形式解决了平台主船体与垂荡板的连接问题，其上下柔性连接接头释放了由于平台运动产生的巨大弯矩，结构形式安全可靠、费用低。此种型式的半潜平台运动性能优良，可以实现海上油气田的干树开发。

新型干树储油半潜平台在主船体立柱内设置储油舱，可存储天然气凝析油，随后可采用动力定位穿梭油轮外输，解决了凝析油天然气田开发过程中天然气凝析油的存储外输问题，相较管道外输凝析油方案成本低，可实现凝析油天然气田的经济高效开发。

新型干树储油半潜平台主要技术特点如下：

1) 平台具有天然气处理、天然气外输、凝析油存储与卸载等多种功能，可有效开发深水海上天然气田；

2) 平台垂荡运动性能优良，适用于干式、湿式或干湿组合式等多种油田开发方式；

3) 平台主船体和箱型垂荡板之间采用成熟的张力腿构件连接，技术成熟可靠；

4) 平台主船体和箱型垂荡板一体化建造，可实现整体拖航，安装简单，海上施工风险可控；

5) 平台箱型垂荡板采用采用耐水压设计，通过调节箱型垂荡板中的充水量可实现箱型垂荡板的自安装和在役状态张力腿构件的更换。

2 新型干树储油半潜平台总体方案

针对南海西部目标凝析油天然气田，新型干树储油半潜平台为天然气开发生产平台，平台具有钻修井功能。平台自持能力10 d，生产井数11口，天然气产量1 081×104m3/d，凝析油产量1 850 m3/d，水量1 500 m3/d。平台设计生存环境条件为目标天然气田百年一遇环境条件，百年一遇风速56.9 m/s(1分钟)，百年一遇浪高13.3 m(Hs)，百年一遇流速2.39 m/s，设计水深1 500 m。平台设计满足API(美国石油协会)/ABS(美国船级社)相关规范要求[12-14]。平台可实现国内主要海洋工程建造场地建造，并可以采用国内海洋工程安装装备安装。

2.1 上部组块设计

首先开展工艺流程设计确定工艺流程及选定钻井装备要求，进行设备选型；随后按照生产流程和同类设备适当集中的原则进行布置，需满足安全、防火、消防人员逃生以及救生需要，同时设备布置要考虑质量在组块甲板上均匀分布，质量较大设备布置在船体或下甲板，降低重心高度。由于目标区域为气田，天然气处理设备较多，通风要求高，平台上部组块甲板形式采用桁架式甲板，分为两层甲板，为主甲板和生产甲板。主甲板主要布置钻修井设备和生活楼，生产甲板布置生产工艺设备。新型干树储油半潜平台安装12根TTR，1根SCR(钢制悬链线立管)，立管垂向载荷5 200 t。考虑上部组块工艺设备布置及TTR张紧器和干式采油树布置，生产甲板至主甲板层高11 m。上部组块结构、钻井设备、工艺设备、生活楼等操作重为18 300 t。

2.2 平台主尺度

新型干树储油半潜平台主尺度设计以上部组块载荷、储油量为输入条件，需要考虑建造要求、安装要求、在位要求等限制条件进行设计。最主要的是考虑建造场地出坞吃水和航道吃水限制，拖航、安装工况对垂荡板的浮力及耐水压设计要求，在位工况对垂荡板的强度要求等综合确定新型干树储油半潜平台的主尺度。主要尺度参数见表1所示。

2.3 储油舱设计

平台每立柱内沿立柱高度方向设置数个储油舱，每个立柱舱室容积5 500 m3。储油舱室上下布置隔离空舱；与通道和海水之间设置隔离舱，隔离舱室宽度1.8 m，大于1.5 m的碰撞贯入深度，如图3所示；同时储油舱设置在水线面以下3 m，避免常规碰撞事故带来的舱室损坏泄漏。隔离舱、空舱、储油舱采用惰化系统惰化，防止发生火灾爆炸事故。

表1 平台主要尺度参数Tab. 1 Global size of the platform

图3 储油舱示意Fig. 3 Oil storage tank diagram

2.4 系泊系统

平台系泊系统由4组、每组4根共16根相同的组合系泊缆组成。相邻组系泊缆的夹角为90°，而同组相邻系泊缆之间的夹角为5°。在设计水深1 500 m条件下，导缆孔与锚泊点的水平距离为1 900 m，表2为平台组合系泊锚链主要参数。

表2 系泊缆主要物理参数Tab. 2 Main parameters of mooring line

2.5 建造方案

平台在建造场地分段建造，首先建造箱型垂荡板，随后在箱型垂荡板上设置垫木支撑，在箱型垂荡板上组装平台主船体，并在箱型垂荡板上安装水平限位装置，限制主船体和箱型垂荡板之间的水平位移。上部组块分别建造，建造完成后采用提升装置或大吨位龙门吊提升上部组块与船体合拢，鉴于国内船厂船坞吃水限制和船厂航道吃水限制，平台出坞吃水限制在9.5米，同时可考虑部分设备在坞外或临时系泊处吊装。平台建造完成，安装前状态如图2所示。

2.6 安装方案

平台建造完成后处于主船体和箱型垂荡板处于叠放状态，可采用干拖或湿拖方式整体拖航至安装场地；湿拖状态下箱型垂荡板作为平台整体的一部分提供浮力，可在设计拖航吃水条件下拖航。到达安装场地后，主船体压载舱部分压载，半潜平台整体下沉；平台四组系泊缆每组安装三根系泊缆，对平台进行初步定位；平台每角一条锚链连接箱型垂荡板，箱型垂荡板充水，使重力大于浮力，随后锚链绞车下放箱型垂荡板至预定位置，此时张力腿连接构件同时下放，下放至预定位置后张力腿连接结构上连接接头与主船体锁死；放松锚链，箱型垂荡板完全充水，张力腿连接结构承受箱型垂荡板重量；船体压载，平台下沉至设计吃水；解脱连接在箱型垂荡板上的锚链，与原先预铺设的锚链连接，完成平台每角最后一根系泊缆的安装。随后连接TTR和SCR立管，进行生产调试。

3 平台关键性能分析

3.1 在位工况水动力性能

3.1.1 平台设计分析工况

根据新型平台特点结合工业界实践确定新型平台设计分析工况。

1)完整工况

对于完整工况，需要分析作业工况，生存工况，对应的环境条件是1年一遇，100年一遇。

2)破损工况

破损工况是指平台有发生破坏，并对其总体性能有明显影响的工况，主要包括：系泊缆断裂工况，船舱浸水工况，一根张力腿连接结构损坏或移除的工况。

3.1.2 主要水动力性能

平台水动力频域分析采用三维势流理论，使用WAMIT软件。由于平台的对称性，计算浪向取0°至90°区间，步长15°，共7个浪向。频率计算的波浪周期取3～50 s，共28个周期。对平台水下湿表面部分，共划分2 558块单元，单元尺度为2 m，如图4所示。由于平台是多体(multi-body),通常的衰减运动和固有周期很难计算得到，所以在计算固有周期时，在模型中设置两个结构(船体和箱型垂荡板)是刚性连接(伸缩立柱柔性接头刚度无限大)。平台垂荡运动周期26.3 s，横纵摇运动周期为38 s。图5为干树半潜平台垂荡运动RAO，平台在波浪主要能量周期内运动性能优良，基本与Spar相当。

图4 三维湿表面模型Fig. 4 Three-D wet surface model

图5 平台垂荡RAOFig. 5 Platform heave RAO

平台总体性能时域分析采用全耦合分析方法进行，使用OrcaFlex软件。时域分析模拟时间为10 800 s，步长为0.2 s，过渡时间为200 s。对于关键工况，采用了三个随机种子，结果是三个种子计算结果的平均值。平台运动结果主要包括平台垂荡、偏移、转角，因为系泊缆采用聚酯缆，分析了系泊系统高刚度(SS)和低刚度(PI)两种情况。表3是主要分析工况下的运动响应极值，表中SS为系泊系统高刚度情况，PI为系泊系统低刚度情况。图6和7分别是平台全耦合时域分析模型和百年一遇环境条件下平台垂荡运动时间历程。

图6 全耦合时域分析模型Fig. 6 Fully coupled time domain analysis model

图7 百年一遇环境垂荡运动时间历程Fig. 7 Heave time history for 100-year return period environment

平台最大垂荡运动是2.96 m (100 a) 和0.83 m (1 a)；平台最大位移是83.9 m (100 a) 和32.8 m (1 a)；平台最大横/纵摇是7.87° (100 a) 和3.06° m (1 a)。平台运动性能可实现干树采油，同时分析结果展示系泊系统和张力腿结构、箱型垂荡板之间不会发生干涉碰撞。

表3 平台运动响应统计值Tab. 3 Statistical values of platform motion response

3.2 张力腿连接构件性能

主船体与箱型垂荡板之间的张力腿连接构件共8根，直径0.86 m，壁厚38.1 mm，材质为API5Lx70，上下连接柔性接头可转动，线性化后接头转动刚度为100 kN·m/deg。使用OrcaFlex软件，通过时域耦合分析，获得张力腿连接结构最大、最小张力，上下柔性接头转角等关键数据，表4为张力腿连接结构响应统计值。张力腿连接构件最大转角为11.9°(100 a) 和5.88°(1 a)；张力腿连接构件最小张力+575 kN (100 a) 和+4 801 kN (1 a)，满足为正的要求；张力腿连接构件最大张力15 003 kN (100 a) 和11 404 kN (1 a)，满足强度要求。图8是百年一遇环境条件下张力腿连接构件接头转角的时间历程，图9是百年一遇环境条件下张力腿连接构件张力时间历程。

表4 张力腿连接结构响应统计值Tab. 4 Statistical values of tendon response

图8 张力腿连接构件接头转角Fig. 8 Rotation angle of tendon flexible connector

图9 张力腿连接构件张力Fig. 9 Tension of tendon

3.3 TTR生产立管性能分析

一般张力腿平台和Spar平台利用干树开发时利用TTR回接水下井口，进行开发生产，新型干树储油半潜平台运动性能满足干树开发要求，由于其箱型垂荡板和主船体结构由张力腿连接构件相连，可产生轻微相对运动，导致对TTR设计提出新的要求。新型平台生产立管TTR直径为0.273 m，上部通过张紧器挂在生产甲板，下部通过连接器连到井口结构。为了避免立管之间的干涉以及立管与箱型垂荡板之间的碰撞，在箱型垂荡板处，设计有桁架结构横向约束立管。由于有横向约束，此处会承受比较大的弯矩，为了避免应力过大，箱型垂荡板横向支撑处TTR立管设计有壁厚增加的变截面楔型结构，如图10所示。生产立管TTR预张力为357 t，张紧器的刚度为100 kN/m，通过耦合时域分析，生产立管最大许用应力为533.5 MPa，分析计算最大应力为468 MPa，满足要求。图11为百年一遇环境条件下最大Von Mises应力沿立管长度的分布。

图10 立管变截面楔型结构Fig. 10 Double tapered stress joint of TTR

图11 最大Von Mises应力沿立管长度分布Fig. 11 Max Von Mises stress along TTR

3.4 张力腿连接构件柔性接头转角敏感性分析

新型干树半潜平台与其他类型平台最大的区别是采用张力腿连接结构连接主船体和箱型垂荡板，箱型垂荡板和主船体之间可以相对运动，张力腿上下柔性连接接头有一定转角限制，一般为12°。同时主船体和箱型垂荡板之间相对运动也是TTR设计的关键输入指标，因此需要大量分析，设计中尽量减小主船体和箱型垂荡板之间的相对水平运动，即使柔性接头转角尽量小。目前工业界张力腿柔性接头刚度一般非线性刚度，近似线性，线性化后刚度一般为100 kN·m/deg，同时具有生产至500 kN·m/deg刚度柔性接头的能力，研究中分析了常规柔性接头线性化刚度、非线性刚度及线性化刚度分别为156 kN·m/deg、300 kN·m/deg、500 kN·m/deg的柔性接头转角对旋转刚度的敏感性，如图12所示。张力腿连接构件接头刚度越大，转角越小，同时采用线性化刚度计算，最大转角结果相对保守。比较了张力腿连接结构最大转角对张力腿连接立柱长度的敏感性，如图13所示。张力腿连接结构越长，转角越小，但张力腿连接结构过长会造成运输安装的不便。因此，根据尽量采用成熟现有构件和简便运输安装的原则，本平台张力腿连接结构长度为60 m，柔性接头刚度选取100 kN·m/deg。

图12 转角对旋转刚度的敏感性(SS，百年一遇，45°)Fig. 12 Sensitivity of rotation angle to rotating stiffness

图13 转角对张力腿连接结构长度的敏感性(SS，百年一遇，0°)Fig. 13 Sensitivity of rotation angle to tendon length

3.5 系泊系统

采用锚链—聚酯缆—锚链组成形式的系泊缆，在性能分析时，由于聚酯缆的非线性拉伸行为，单个线性刚度模型不能充分地预报平台运动和系泊线动载荷。根据工业界常用方法，在分析中，时域计算进行两次，一次采用高刚度(SS)，一次采用低刚度(PI)。

分析计算中使用的刚度是基于厂家的推荐值：

1) 低刚度 (PI):EA=13×MBL=319 MN

2) 高刚度 (SS):EA=28×MBL=687 MN

通过时域耦合分析，获得系统响应统计值，如表5。系泊系统最大系泊张力为12 694 kN，安全系数都满足工业界要求；最小的聚酯缆离海底的高度为12.2 m，不接触海底。图14为生存状态系泊缆张力时间历程，图15为生存状态聚酯缆底端离水面(水深1 500 m)高度时间历程。完整工况系泊系统锚链安全系数为2.03，完整工况系泊系统聚酯缆安全系数为2.06，均满足规范要求。

表5 系泊系统响应统计值Tab. 5 Statistical values of mooring line

图14 生存状态系泊缆张力Fig. 14 Tension of mooring line

图15 生存状态聚酯缆底端离水面高度Fig. 15 Bottom height from water surface of polyester line

3.6 与传统深水浮式平台对比

新型干树储油半潜平台与传统平台对比如表6，新型干树储油半潜平台采用现有成熟技术集成，建造安装简便，运动性能优良，没有水深限制，较TLP和Spar平台有明显优势，国内建造场地和安装资源即可实现该平台的自主建造和安装。

表6 新型干树储油半潜平台与传统平台对比Tab. 6 Comparison between the new type dry tree oil storage semi-submersible platform and the conventional platform

4 结 语

考虑特定油气田的油气藏特性需求、建造、安装可行性和经济成本等要素，开发了一型适应我国南海海域环境条件的深水多功能干树半潜平台，作业水深1 500 m。平台运动性能优良，可实现干式开采和回接水下井口、油气生产处理、凝析油存储、钻修井等功能，为中国南海凝析油天然气田开发提供了一种新的开发理念。

新型平台主船体和箱型垂荡板采用成熟的张力腿构件连接，箱型垂荡板采用承压设计，可实现平台的整体拖航，简便下放安装，安装费用低。由于箱型垂荡板采用承水压设计，可实现平台张力腿结构的在位维修或更换，安全性能优良。新型平台在开发中考虑TTR立管、箱型垂荡板、平台主船体运动耦合等全系统因素，通过分析新型平台可实现在中国南海的凝析油天然气田的高效开发。