干式井口半潜式平台技术的发展

曹 菡，邵卫东

干式井口半潜式平台技术的发展

曹 菡1，邵卫东2

(1.中船重工船舶设计研究中心有限公司，北京 100081；2.中海油研究总院，北京 100027)

随着海上油气生产逐步向深海发展，现有的干式井口支持平台TLP和Spar平台渐渐表现出其局限性，于是提出了将干式井口用于半潜平台的设想。文章介绍了几种新型干式井口半潜平台的设计理念，并指出新型结构设计所面临的新问题，对南海油气开发具有一定的参考意义。

干式井口；新型半潜平台；垂荡运动；深海开发

0 引言

随着海上油气产业逐步向深海发展，传统的半潜平台、TLP、Spar等逐渐显示出其局限性，人们越来越多地将目光投向现有技术的整合。半潜式平台是深水油气田开发中使用的一种重要的浮式结构形式，可适应深水复杂环境条件下的作业要求；干式井口技术具有经济实用、操作和维护方便等优越性，因此，国外专家提出了干式井口半潜式平台的概念。

1 深水油气生产井口系统的对比

深水油气生产井口系统包含湿式采油树系统（水下）与干式采油树系统两种。湿式采油树的水下井口远离主船体，通过钢管或柔性立管连接于主船体上；而干式井口是一种把采油树布置在水面以上的井口布置方式[1]，其采油树一般在井口的正上方，以便油气井通过顶张式立管延伸至水面。干式进口与湿式进口的对比如表1所示。湿式采油树多用于 FPSO、半潜平台、TLP、Spar以及驳船等；对于浮式生产系统，干式采油树目前仅用于TLP与Spar[2]。

表1 湿式井口与干式井口对比

2 干式井口半潜式式生产平台概念

目前，TLP平台台的最大工作水水深是1333m，如果水深深继续加深，TLP张力筋腱的的设计将面临极极大的挑战。Spar平台可以不受水深限限制，用于深水水作业[3]，然而单柱式的Spar所能支撑撑的甲板面积有有限，对于大大型生产设备需需要两层以上的甲板；Spar平台单个的的超长的立柱对对于其主船体的的装配和运输，以及其所所能支撑的最大甲板载荷都构构成了限制；Spar主船体体的扶正和上部部模块的离岸吊吊装都需要起重重船辅助完完成，这些操作作会引发额外成成本并且有一定定的风险。与Spar相比 传统的半潜式式平台可以提供供更大的甲甲板作业面积，可以实现上船船体的码头安装装和整体拖拖航，避免了海海上安装的风险，成本也较低[4]，使半潜潜平台安装干式式井口成为深水水开发中一个新新的选择。

由于传统半潜式式平台的垂荡自自振周期与波浪浪周期接近，其激发的垂垂荡运动较大 不能满足干式式井口对于于顶张力立管的运动要求。因此，如何减小小传统半潜潜式平台的垂荡荡运动性能就成成为其能否采用用干式井口口的关键。基于于此，各国专家家针对影响垂荡荡运动的主主要因素，通过过改变吃水或船船体形状等方式，提出了了几种干式井口口半潜平台的概概念。减小波频频响应主要要有三种途径：一是增加系统统的阻尼；二是是增加垂荡荡自然周期，使之离开波能量量的范围；三是是减小垂荡荡激励力。

3深水干式井口半半潜式平台概念的设计

3.1深吃水半潜式平平台

传统半潜式平台台主体结构由上上船体、立柱、下浮体以以及立柱之间或或下浮体之间的的横撑结构组组成[4]，而深吃吃水半潜式平台（图 1）在此此基础上增大立立柱的长度度和吃水，使下下浮体远离波浪浪作用，大幅减减小其所受受的波浪激励力，从而减小平平台主体的垂荡荡运动。同时，利用液压压压下增强类型型的立管张紧系系统（RAM）来补偿浮体体的垂荡运动对对立管系统造成成的影响[5]。

3.2成对柱半潜平台

该概念平台设计（图 2）包含含四个内立柱、四个主要要的旁通、四个个外立柱和四个个连接内外立柱柱的旁通[6]。内立柱不仅仅是甲板的主要要支撑构件，还为整个个平台提供浮力力与稳性。外立立柱为平台提提供补充浮力力与稳性，与内内立柱对应，起到削减波浪浪激励力的作作用。特殊的结结构型式，有效效提高了平台台稳性，降低低了平台的垂向向运动响应，为平台使用干干式井口提供供了可能。

图1 深吃水半潜潜平台

图2 成对立柱半半潜平台

3.3桁架式半潜平台

传统的半潜平平台具有较好的的转动运动特性，但是由由于其垂荡固有有周期与波浪周周期接近，因此垂荡性能能远远不及适用用于干式井口的的Spar或者TTLP平台[77]。桁架式半潜潜平台（图3）通过在主船体体下方安装垂垂荡板，具有以以下明显优势：桁架式结构构可保护立管；垂荡板的设设置可有效地增增加垂荡附加加质量，增大大垂荡固有周期，以便避开波波浪周期，从而减小平台台的垂荡运动 降低系统重心，增加平台台稳性。但是桁架的设计同时也会带来一一些问题， 建造安装困困难和拖航阻力力大等。

图3桁架式半潜平平台

3.4可伸展吃水半潜潜式平台

该该概念平台（图图 4）外形上与与桁架式半潜平平台有些相相似，在主船体体下方加装一层层类似于垂荡板板的旁通（STP）。与Truuss Semi不同的的是，它不需要要工程船来来安装STP，而是根据作业状状态自由收起和和放下[4]。STP的功能与与垂荡板类似，可以提供要求求的附加质质量和附加阻尼；另一方面STP又如软舱舱一样，可以降低平台整整体的重心，提高平台稳性[8]。

图4 可可伸展吃水半潜式式平台

3.5自由悬挂固体压压载舱半潜式式平台

该该概念平台（图图 5）与传统半半潜式平台一样，含有四立柱和环形下下浮体，在主船船体正下方有一一层自由悬悬挂的固体压载载舱。

该该概念半潜平台因其本身质量量和附加质量可可以显著增增加半潜平台垂垂荡运动的固有有周期，使其避避开波浪周周期。固体压载载能够确保连接接平台主体与SBT的钢缆缆在极端环境条条件下始终处于于张紧状态，并且能够保保证平台主体与与SBT在垂荡、横摇和纵摇方方向上的的全耦合运动SBT的设置还还可以增大平平台的稳性高高和回复力矩 提高平台稳性。连接SBT和平台主体体的锚链有助于于半潜平台的安安装，由于锚锚链允许在导导缆孔处有旋转转运动，大大减轻了结构的的疲劳问

题[33]。

图5 自由悬挂固体压载载舱半潜平台

3.6立柱带阻尼室的半潜式平平台

该概念半潜式式平台（图 6）与传统半潜潜平台一样，含有环形下浮浮体，只是在这这一设计中，立柱带有自自由液面的内部部阻尼室[9]。

在码头安装以及湿拖过程中，立柱的这这种布局方式为平台稳性提提供了大的水线线面面积，提高了平台稳稳性；在位状态态下，内部舱室室被淹没，截留的水提供供了相当大的“自由”附加质量，从而有有效降低了半半潜平台的运动动响应，尤其是是垂荡运动幅幅值[9]。

图6立柱带有阻尼室室的半潜平台

3.7斜立柱式半潜平台

该概念半潜式平平台（图7）是在FourStarTLP平台的的基础上设计出出来的，其立柱柱均向主船体中中心倾斜 图7）。该设计计可以使平台在在组装、运输、安装等过过程中表现出更更好的稳定性能，并能承担更更大的可变变载荷[10]。这一一概念可支撑双双层甲板，可以以提供更大大的甲板面积，使钻井与生产产分开进行。此外，该种平平台在安装系泊泊装置时不需要要起重船或者补补充浮力的的辅助设施；水线面的开放式式设计可减少波波浪扰流，一定程度上改改善了水动力性性能[4]。

图7斜立柱式半潜平平台

3.8八浮筒半潜式平平台

八浮筒半潜式平平台（图 8）包含八边形的下下浮体、四个立柱与一个个甲板结构。每一部分可以分分别在不同同的建造基地进进行建造，然后后在码头装配，采用干拖拖或者湿拖方式，将该半潜平平台主体拖航运运输至安装装地点，其上部部组块采用海上上浮吊进行吊装装安装或者者采用浮托法进进行安装[11]。

该设计基于标准准的半潜平台设设计技术，立柱柱的特殊形形状并未显著增加建造难度[11]。立柱的设计计融圆柱与与圆锥于一体，圆锥部分的立立柱提供变水线线面积，在平台上下运动动时，浮心位置置变化的同时，水线面刚刚度随之变化，从而保证初稳稳性高始终是一个常值，为平台提供了了更好的稳性 该结构的正八八边形旁通通设计使得旁通通和立柱上所受受的波浪激励力互相抵消，从而大大减小了其波频运运动响应。

该概念平台具有如下特性：能够承担的可变变载荷范围广；立管形式式的选择与布置置机动灵活；没有水深限限制；可用于多多种环境条件下。

该概念设计已获获得ABS与DDNV的认证，其运动性性能、在位保持持能力、涡激运运动等均已通通过试验论证。其或将成为为第一个售出并并建造的干式式井口半潜平平台[11]。

图8 八浮筒半潜潜式平台

3.9垂荡与涡激激运动受抑制的的半潜平台

该概念是由TTechnip公司提提出的，如图9所示，最初是为了使半潜潜平台能够更好好地适用于水水下井口的要要求，使平台更更好地支撑SCCR。而后发现现该设计可以以有效地减小垂垂荡和涡激运动，于是也可可作为一种干干式井口半潜式式平台的概念设设计用于温和和的环境条件件下[12]。

该设计采用了类似“狗骨头”的旁通形形式，把旁通通的主要体积向向两端转移，事实证明这种种结构形式可有效减小作用用在旁通上的波波浪激励力。立柱四周拐拐角处设计不对称的泡罩结构，以便打破破沿立柱长度度方向脱落的漩漩涡。旁通的高高度也大于传统统平台，可以以增大阻尼。

图9垂荡与与涡激运动受抑抑制的半潜平台

3.10桁架式旁通支支撑的干式井口口半潜平台

该该概念半潜平台（图10）的设设计旨在兼容Spar与半潜潜平台的优点，同时又做到到经济实用。DTSP是由三三四个或者多个个穿透水面的立立柱组成的柱稳稳式平台。该概念具有三三个显著特点 桁架式的旁通通结构；伸缩式的底舱；C字型的上部部框架结构。使用桁架式式的旁通结构代代替传统的板壳壳结构，一方面面可以有效效减轻结构重量，另一方面还还可以减小波浪浪力。伸缩式式的底舱，通过过一段伸缩式的的杆件与立柱连连接，该结构可以确保底舱舱能够在运输和和安装过程中自由收放。底部压载舱的的作用为：1）为各状态下的平平台提供充充足的浮力； ）在位状态下，降低平台重重心，提高平平台稳性；3）自由伸缩装置可可以确保将压载载舱放置在在足够深的位置，从而减小波波浪的垂荡作用用力；4）提供供附加质量和附附加阻尼，以降降低垂荡固有周周期；5）如果果需要，可提供供立管需要的主主要预张力和系系泊系统的的垂向作用力[13]。C字型的框框架结构便于驳驳船驶入驶驶出进行安装操操作，并有利于于结构强度。

图0桁架式旁通支支撑的干式井口半潜平台(DTSP)

4存在问题

在在利用半潜平台台优越性的同时，随着吃水增增加以及垂垂荡板、自由悬悬挂固体压载舱舱等构件的应用，又带来来了新的问题：

1）顶张式立管引起横摇纵摇周周期减小，接近近波浪周期

传传统的张紧刚度度一般在250kNN/m～290kN/m。在安装了了所有的TTR（如12根）之之后，平台整体体垂向刚度度将增加15%～～30%，因此垂荡荡固有周期将减减小8%～14%，这意味着着垂荡周期将减减小 2s～3.5s，这使得结构构更容易发生共共振。TTR引起起的刚度的增加加也会导致致横摇和纵摇刚刚度的增加，从而减小横摇和和纵摇固固有周期。这在在设计中要加以以考虑，以 二阶力引起起的横摇和纵摇摇运动在可控范范围之内[1]。

2）新结构引引发的结构安全问题

垂荡板、悬挂固体压载舱、第二层浮筒筒等通常吃水水较深，所受压压力较大，会引引发新的结构构问题；悬挂挂固体舱一般通通过钢缆与主船船体连接，钢缆的布局以以及是否始终处于张紧状态，在设计初期均需要加以以考虑；悬挂固固体舱与顶张式式立管长期相互互作用，会引发疲劳问题 此外，Spar平台的立管上部通常位于于月池中，月池池可保护其不受受波浪载荷的的直接作用，而对于干式井井口半潜平台，顶张式立管多直接暴露露于波浪载荷的的作用之下，因此其结构可可靠性也成为为一大问题。

对于干式井口半潜平台，由于其吃水较较深，立柱的的尺寸长度较传传统半潜平台都都较大，因此，其运输、安装的安全性性也将面临新的的挑战。

3）涡激运动

采用柱体立柱柱的半潜平台在在流的作用下下将产生涡脱，流场的压力力必然导致平台台的涡激运动。当周围流流场的流速较大大时，平台将产产生较大的周周期往复运动，若柱体自振振频率和涡激频频率接近，就会产生共振，甚至发生锁锁定效应，给锚锚泊系统和立立管生产系统统带来巨大的压压力和负荷。

设计干式井口口半潜平台时必必须考虑深水水系泊、立管管和脐带缆的涡涡激运动。对于于新型式的干干式井口半潜潜平台，涡激运运动需要通过模模型试验与CFFD仿真模拟拟进行论证。但是，模型试验验有其局限性，它只能模模拟常规流的作作用，对于剪切切流及剪切流流与波浪的联联合作用模拟有有限，此时就必必须结合CFD对其进行准准确预测。

5结语

干式井口半潜潜平台概念集合合了干式井口与半潜平台台的优点，较TLP与Spar更适用于深水水油气田开发。但是目前依依然存在一些问问题，在接下下来的研究中，应进一步优优化结构，规避避结构风险。在开发新型型结构的同时 抑制涡激运动。顶张力立立管是干式井井口半潜平台设设计的重点之一，在考虑立立管涡激振动动的情况下，应针对立管冲程程的影响因素素进行研究，通过各种手段段减小立管冲程，以适应半半潜平台本身立管冲程大的结构特点。

综合新型半潜平台的结构型式，其具有良好的抗风性和稳定性，能够适用于我国南海台风较多的环境特点。这也是深水油气田开发的趋势。

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CCS与希腊海运部新签授权检验协议

6月19日下午，在中国国务院总理李克强与希腊总理萨马拉斯共同见证下，中国船级社总裁孙立成与希腊海运部部长瓦勒乌奇奥蒂斯共同签署了新的《希腊政府授权中国船级社对希腊籍船舶和公司执行法定检验发证业务协议》。根据协议，中国船级社将代表希腊政府对悬挂希腊船旗的国际航行船舶及其公司按照国际公约开展检验、审核和发证服务。新协议的签署，充分体现了两国在海运海事方面的紧密合作，以及希腊政府对中国船级社品牌、技术能力、服务水平和质量表现的认可。

Development of Novel Dry Tree Semi-submersible Platform

Cao Han1, Shao Wei-dong2

(1.China Ship Design & Research Center Co., Ltd., Beijing 100081, China; 2. CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China)

With the development of offshore in deep and ultra-deep waters, as the sustain platform for subsea wellhead, the TLP and SPAR are showing their limits, thus a dry tree semi concept is proposed in this paper. Several novel dry tree semi platforms are introduced and the problems which are faced in the design are summarized. It would be a reference for the development of oil and gas resources in South-china sea.

dry tree system; novel semi-submersibles platform; heave motion; deepwater development

P752

A

1005-7560 (2014) 04-0027-06

曹菡（1987-），女，硕士，主要从事海洋工程结构物设计及优化研究。

（来源：国际船舶网）