深海海洋平台发展综述

作者简介：周振威（1987-），男，硕士研究生 孙树民（1969-），男，副教授，博士，从事结构振动控制研究
收稿日期：2012-04-15
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建造工艺
Construction Technics
深度以7 620 m为主。第四代半潜式平台出现于二十世纪 80年代末和90年代，作业水深和钻井水深继续增加，作 业水深达1 000~2 000 m，钻井深度达到9 144 m。二十一 世纪初至今，相继诞生了第五代和第六代半潜式钻井平 台。这一时期的半潜式平台除了作业和钻井水深的增加 以外，还使用了动力定位，更加优化的平台结构，配备 了自动化作业设备，能够适应极其恶劣的海洋环境。
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建造工艺
Construction Technics
TLP平台安装并投入使用，这不仅是世界上第一座SeaStar TLP平台，同时也是第一座 miniTLP。至今世界上已建成5 座SeaStar TLP平台。
MOSES是一种不同于SeaStar的 MiniTLP[13]，第一座于 2001年下水，目前已经建成6座。它的平台主体依然使用 四根穿过水面的立柱，但是立柱间的距离较传统型TLP要 小得多，截面很小且为四边形，因而水线面积较少，所 受的波浪力也相应减少。采用小水线面的四柱结构可以 在降低波浪力的同时给平台上体提供更大的支撑力，改 善甲板的受力情况，从而减少平台上体的建造费用[14]。
Abstract: This paper reviews the development and current conditions of deep water offshore platform, including semi-submersible platform, TLP and Spar platform. Semi-submersible platform can only use wet wells, mostly for drilling platforms. TLP and Spar platforms are suitable for exploitation of oil in deep water. By contrast, the TLP is more suitable for the South China Sea oil and gas development. Finally, this paper examines the prospect future development of deep water offshore platform.
TLP平台由平台本体、张力腿系统以及锚固基础三个 部分组成，平台本体包括上体、下体和连接上下体的立 柱。上体位于水面以上，为工作区域，平台下体在水面 以下，为平台提供浮力。浮体产生远大于结构自重的浮 力，超过总重力的那部分浮力称为剩余浮力。剩余浮力 由垂直系于海底和平台之间的筋腱[9]来平衡，它让筋腱时 刻处于受拉紧绷的状态，巨大的预张力使得平台在平面 内的运动（横荡、纵荡、首摇）为顺应性，平面外的运 动（横摇、纵摇、垂荡）则近似刚性。平面内的运动周 期较高，一般为1~2 min，高于波浪周期；平面外的的运 动周期较短，为2~4 s[10]，其频率要低于波浪周期。TLP平 台的这种结构特点，可以避免结构和波浪的主频率发生 共振，有着优良的动力性能。由于其平面外的运动近似 于刚性，横摇、纵摇、垂荡的运动幅度都比较小，可以 非常方便地安装干式采油树系统，因而TLP平台非常适合 用作采油平台。根据本体结构的不同，TLP平台可以分 为两代，第一代为传统的TLP平台，第二代TLP平台包括 miniTLP和ETLP（即“Extended Tension Leg Platfor m”，延 伸式张力腿平台）。
SeaStar的平台主体取消了传统类型TLP的4柱式结 构，仅在甲板和浮筒间使用一个圆柱体结构，称为中央 柱。中央柱垂直穿过水面，上端支撑平台甲板，下端与 的三根截面为矩形的浮筒相连接。三根浮筒成辐射状沿 中央柱法线向外延伸，彼此在水平面上的夹角为120°， 在末端与张力腿系统连接。1998年， 名为“ Morpeth”的
关键词：深海海洋平台；半潜式平台；TLP平台；Spar平台
Review on the Development of Deep Water Offshore Platform
ZHOU Zenwei, SUN Shumin
( South China University of Technology Guangzhou 510640 )
ETLP由ABB公司设计制造，从2003年第一座下水至 今共建造3座。它是在传统型TLP平台的基础上进行改 进，在环形浮箱的每一个角上，都有一个截面为矩形的 悬臂梁向外伸出，末端与张力腿相连接。这样设计的优 点是：筋腱的距离加大使平台稳定性更好；较小的立柱 间距能给甲板提供更有效的支持；平台的转动惯量更小 使得平台拥有更低的自振周期；月池更大以适应传统的 顶部张紧立管；可以减少筋键的使用数量。这些优点使 ETLP平台性能更胜于传统的TLP平台，在深海海域的应 用拥有更大的优势。2005年下水的 Magnolia平台即为一座 ETLP平台，它工作水深为1 425 m，创造了目前TLP平台 工作水深的记录[15]。
半潜式钻井平台的结构主要包括下浮体、上层平台 和连接下浮体与上层平台的立柱。下浮体沉没于水面之 下较深处，以减小波浪力的作用，上层平台高出水面一 定的高度，以避免波浪的冲击。上层平台与下浮体之间 使用立柱来连接，立柱的数目一般为4个至8个，截面积 较小。这样使平台具有小水线面、较大的固有周期的特 点，在波浪中的运动就会大为减小，具有出色的深海钻 井性能。半潜式平台的六个自由度都为顺应式，运动的 周期较大，大于波浪常见的周期。一般情况下，垂荡周 期为20~50 s，横摇和纵摇周期为30~60 s，纵荡、横荡以 及首摇的周期都大于100 s[3~4]。一座深海半潜式钻井平台 在生存海洋环境下的运动响应较大，最大水平位移达到 了工作水深的18%，垂荡运动超过+-10 m，横摇和纵摇运 动超过+-7o[5]。由于其运动的位移较大，只能采用湿式采 油树，一般用作钻井平台。
miniTLP，即为一种小型的TLP平台。但它并不是简 单地将传统TLP平台尺寸缩小，而是对整个平台的结构进 行了较大的改进，使平台的各项参数进一步优化，达到 以较小吨位获得较大的有效载荷的目的。 miniTLP目前有 两个系列，分别是Atlantia公司设计开发的SeaStar（海之 星）和由 MODEC公司开发的 MOSES（全名“ Mini mu m Offshore Surface Equip ment Structure”，最小化深海水面设 备结构）。
Key words: Deep water offshore platform; Semi-submersible; TLP; Spar
1 引言
目前，对海洋石油资源的调查、勘探工作不断扩 大，也不断地由浅海向深海发展。根据国际上流行的浅 海和深海的划分标准，水深小于5 00 m为浅海，大于5 00 m为深海，1 500 m以上为超深海。深海海洋平台是在深 海海域实施海底油气勘探和开采的一种海洋工程结构 物，传统的海洋平台多为固定式，自重和造价随水深的 加大而大幅度地增加，其工作水深一般不超过5 00 m，不 能适应深海环境。对于深海石油的勘探和开采，主要使 用移动式和顺应式平台。深海海洋平台的类型主要有半 潜式平台、TLP平台（即“Tension Leg Platfor m”的缩写， 中文名称为张力腿平台）以及Spar平台（即单柱式平 台），它们都是浮式平台，没有连接平台与海底的桁架 结构，仅依靠自身的浮力来支撑其上部的重量，并使用 系泊系统以及螺旋桨的动力来来对平台进行定位。这类 浮式结构使得平台在水深增加的时候成本不会像传统的 平台那样大幅度地增加，非常适合应用于深海油气的勘 探与开发。结构上的优势使这类平台飞速地发展，成为 了深海海洋开发的主要平台类型。其中，半潜式平台主
要用于钻井，又称为半潜式钻井平台；TLP平台和Spar平 台则多用于油气的开采。目前世界钻井平台工作水深记 录为3 048 m（10 000英尺），钻井深度超过12 000 m[1-2]， 采油平台的工作水则深超过2 000 m。
源自文库2 深海海洋平台的历史与现状 2.1 半潜式平台
1962年，经过对坐底式钻井平台“蓝水1号（Blue Water No.1）”的改装，诞生了世界上第一座半潜式钻井 平台，并于当年在墨西哥湾投入了使用。从第一座半潜 式平台的诞生到现在，已经发展到了第六代。二十世纪 60年代共建造了大约30座半潜式平台，为第一代半潜式 平台。这个时期建造的平台，作业水深只有90~180 m， 目前基本上都已经退役。随后在七十年代中期和八十年 代初期，半潜式平台的数量迅速增加，这两个时期的半 潜式平台分别为第二代和第三代。这段时期，设计者主 要致力于改进平台的结构和增加平台的作业水深，第二 代平台的作业水深为180~600 m，钻井深度为6 096 m或 7 620 m；第三代平台作业水深达到450~1 500 m，钻井
建造工艺
Construction Technics
深海海洋平台发展综述
周振威，孙树民
（华南理工大学 土木与交通学院，广州 510640）
摘 要：本文综述了深海海洋平台的发展历程及现状，深海海平台包括半潜式平台、TLP平台以及Spar 平台，半潜式平台只能使用湿井口，多为钻井平台。TLP平台和Spar平台都适合用作深海采油平台，通过对 比，认为TLP平台更为适合中国南海海域的油气开发。最后对深海平台未来的发展进行了展望。
TLP平台是在半潜式平台基础上发展而来的一种主要 用于深水采油的顺应式平台。它的历史可以追溯到1954 年，美国学者R.D. Marsh最早提出的张力索组平台的概 念。之后到20世纪70年代末，是TLP平台的理论研究、探 索、工程酝酿阶段，各国学者对TLP平台进行了艰难而 又富有成效的研究。1984年，世界上第一座TLP平台正式 安装在英国的Hutton油田，该平台由美国CONOCO公司建 造，工作水深147 m，目前已经退役。Hutton是一个带有 实验性质的TLP平台，在Hutton平台基础上所进行的各项 研究，使得TLP平台取得了突破性的进展[6-8]。随后，TLP 平台得以迅速发展。据统计，截至2010年，世界上已经 建成的张力腿平台共有24座，在建1座。
截至2000年，世界上11座TLP平台中的9座是传统型 TLP平台。2000年以后建造的张力腿平台则以第二代张力 腿平台为主，传统型的张力腿平台仅在2001年建造了一 座。可见2000年以后第二代TLP平台基本上取代了传统 的TLP成为TLP平台的主流。从张力腿平台的分布来看， 美国墨西哥湾是张力腿平台最集中的地方，共16座，其 余分布在欧洲（3座）、西非海域（4座）以及亚洲（1 座）。实践证明，TLP平台在深海作业具有运动性能好、 抗恶劣环境作用能力强以及造价低等优点，因而，TLP平 台得以蓬勃发展[16]。学者们不断地对张力腿平台进行着 理论研究和改进，提出了悬式TLP平台、混合平台 [17]以及 近海小型TLP平台[18]等有建设性的概念。目前国内对TLP 平台的研究集中在平台的波浪荷载及响应[19-22]、平台的 振动控制以及对轻型TLP平台的研究等方面。 2.3 Spar平台
据不完全统计，目前世界上共有半潜式平台约200 座，主要分布于北海、墨西哥湾以及巴西。2010年，中 国首次自主设计、建造的第六代半潜式钻井平台“海 洋石油981”下水。该平台自重30 670 t，长114 m，宽79 m，采用DP3动力定位，工作水深3 000 m，钻井深度超过 10 000 m，具有勘探、钻井、完井与修井作业等多种功 能，是一座达到国际先进水平的深海半潜式钻井平台。 2.2 TLP（张力腿式）平台
传统的张力腿平台的平台本体投影呈矩形，通过四 根圆柱形的立柱（Hotton平台为六根）来连接平台的上 体和下体，立柱的位置在矩形的四个角上。浮箱首尾与 各立柱相接, 形成环状结构。张力腿由4组相互平行的筋 腱组成，上端固定在浮箱与立柱之间的连接处，下端与 海底基础相连。有时候为了增加平台系统的侧向刚度， 还会安装斜线系泊索系统[11]，作为垂直张力腿系统的辅 助。海底基础将平台固定入位，主要有桩基础和重力式 基础两种形式[12]。