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1、国外Spar平台研究现状及中国南海应用前景分析 第38卷第4期中国海洋大学学报 PERIODICALOFOCEANUNIVERSITYOFCHINA 38(4):675680综述 黄维平,白兴兰,孙传栋,玄金 (中国海洋大学工程学院,山东青岛266100) 摘要:Spar平台是1种新型深水平台,其吃水深,水线面积小,运动稳定性好,适合5003m水深的油气开发工程。文中详细介绍国外Spar平台及其关键技术研究和开发现状,下的新概念Spar平台。 关键词:Spar平台;深水平台;浮式平台;南海油气开发 中图法分类号:TE851 文献识别码:A25174(2008)042675207 近10年来,3
2、00mm。在(导管架平台)、()到浮式结构(半潜式平台、Spar平台和FPSO)的演变。在深水的浮式平台结构中,Spar平台是1种新型的浮式平台结构,尽管其雏形可以追述到1970年代的海洋观测站、通讯中继站、油品转运站和军事用途的Spar平台,但其发展还是近10年来以深水油气资源开发为标志的。 Spar平台的适用水深为6003000m,直径为3040m,吃水为200m左右。由于吃水深、水线面积小,Spar平台的垂荡运动比半潜式平台小,与张力腿平台相当,在系泊系统和主体浮力控制下,具有良好的动力稳定性。因此,可以采用干采油树和刚性立管。同时,较大的储油能力又使得Spar平台可与FPSO媲美123
3、 。 Mountain总投资(包括平台及海底管线的建造和安装、钻探和完井)仅为3.35亿美元,而910m水深的张力 腿平台Brutus总投资高达7.5亿美元4。正是由于这些突出优点,到2005年,Spar平台已经发展到了第3代,已有11座Spar平台投入使用(见图1),目前正在发展边际油田的Spar平台5。 本文针对中国南海开发环境介绍相关的Spar平台关键技术研究发展现状。 1Spar平台发展现状628 1996年Oryx能源公司在墨西哥湾水深590m的Vioscoknoll826区块安装了第一座Spar油气开发平台Neptune(见图2),标志着第一代ClassicSpar平台的 诞生。N
4、eptune壳体呈圆柱形,长215m、直径23m、重12895t,设计吃水198m,由6条系泊索动态定位。19981999年,继Neptune之后,又有2座ClassicSpar平台Genesis和DianaHoover先后在墨西哥湾建成投产,其水深分别达到了790m和1448m 。 图1Spar平台主要结构形式 Fig.1ThetypeofSparplatforms Spar平台的另一个特点是经济性好,其投资成本 图2Spar平台Neptune Fig.2SparplatformNeptune 远远低于张力腿平台。如1372m的Spar平台Horn 基金项目:国家自然科学基金项目(50639
5、030);国家自然科学基金重点项目(50739004);教育部博士点基金项目(20050423002)资助 收稿日期:2007205203;修订日期:2007211219 作者简介:黄维平(19542),男,教授。E2mail: 676 中国海洋大学学报2008年 由于Spar平台的经济性和动力稳定性在相同水 深条件下优于其它浮式平台,经过短短十几年的发展,Spar平台已经发展到了第三代CellSpar平台。 2002年Ker2McGee油气公司在水深1122m的EastBresks602区块建成投产了1座TrussSpar平台Nansen(见图3),标志着第二代Spar平台的诞生。该 Red
6、Hawk(见图4),水深1524m,这是第三代Spar平 台。RedHawk壳体长171m,有效直径则只有20m。由6个圆筒围绕中央圆筒组成,圆筒的直径均为6m。其中3个圆筒的长度为171m,与其它3个85m的圆筒相间布置在中央圆筒周围。RedHawk采用6条尼龙缆动态定位。该平台仅用钢7200t,而同样尺寸的其它类型Spar平台需用钢1.2万t,这使Spar平台在。 平台主体长165.5m,直径27m。硬舱长73m,软舱长5m,干舷高度15m。桁架部分长88m,被3个垂荡板分为4层。Nansen采用9条系泊索动态定位 。 2,墨西哥湾典型的Spar平 :纵荡160s、纵摇60s、垂荡28s9
7、。因此,对一阶波浪荷载的响应较小10。其较大的纵荡运动主要是二阶波浪荷载和涌浪引起的长周期慢漂运动,最大二阶慢漂运动幅度可达水深的6%10%11。研究认为,Morison方程作为细长圆柱体的二阶绕射2辐射理论的近似是不适宜的。对于细长圆柱体,Mori2son方程等同于绕射理论的概念在考虑非线性项的影响时是不准确的,就二阶波浪力而言,二阶Morison方程的非线性项影响与任意细长结构的二阶绕射-辐射 图3TrussSpar平台 Fig.3Truss Spar 理论的影响是完全不同的12。 在规则波、双色波和单项不规则波及其与剪切流的组合作用下,对于具有非张紧式系泊系统的Spar平台,其低频纵荡和
8、纵摇响应一般大于波频响应。浪流组合作用时,慢漂响应明显小于没有流的海况。研究认为,仅用线性波浪2结构相互作用理论不能很好地预测平台响应,必须采用二阶波浪2结构相互作用理论并考虑粘滞和波漂阻尼才能可靠地预测Spar平台的运动13。而且,波2流相互作用和波能的多向散布对Spar平台的响应预测有较大的影响,如果能够精确地预测波浪水质点的运动,则用Morison方程预测大直径Spar平台在长峰波和随机多向波与流作用下的波频响应和低频响应可以得到令人满意的结果14。 研究表明,纵荡慢漂运动取决于二阶瞬时加速度项,修正的线性波理论不能精确地预测慢漂响应,原因 15 在于这些模型忽略了波浪之间的相互作用。因
9、此,当表面波绕射和辐射作用不大时,用Morison方程和复合波模型组合预测Spar平台的响应具有足够的工程精度。文献16采用单向复合波模型(UHWM)和多向复合波模型(DHWM)研究了Spar平台在多向波 图4安装中的RedHawk Fig.4RedHawkinstallation TrussSpar平台的经济性和动力稳定性比ClassicSpar有了进一步提高,其卓越的性能使Spar平台的发 展势头更加迅猛,仅2002年就先后有3座TrussSpar 平台Nansen、Boomvang和HornMountain建成投产,水深达到了1645m。20032005年的墨西哥湾又有4座TrussSp
10、ar平台下水,远远超过了其它浮式平台的发展速度。 2004年Kerr2McGee油气公司在墨西哥湾GardenBanksBlock877区块建成投产了1座CellSpar平台 环境下的响应,比较了Spar平台在单项波和多向波中的波浪力及其响应。分析表明,基于多向复合波模型的慢漂纵荡和纵摇运动幅度略小于单向复合波模型。由于Spar的垂荡运动是由平台底部的压力引起的,而2个模型预测的平台底部压力几乎没有差异,所以,2 677 个模型计算出的慢漂垂荡响应基本相同。单项波模型(UHWM)和多向波模型(DHWM)虽然具有相同的波能,但预测的不规则波运动是不同的,从而导致了波浪荷载计算和Spar响应预测的
11、差异。2.2垂荡/纵摇运动不稳定性及控制技术 Spar平台的垂荡运动和纵摇运动是强烈的耦合运 固有频率降低,从而远离了波浪的峰值频率23。而且,增加平台底部大垂荡板可以降低Spar平台对短周期波浪的垂荡响应,但增大了对长周期波浪的响应24。 2.3涡激振荡(VIM)及控制技术 Spar平台是直立漂浮在水中的圆柱体,系泊系统 动,当纵摇固有频率等于2倍的垂荡固有频率时,极易发生耦合的不稳定运动,被称为不稳定区。在不稳定区,即使在小波浪条件下,纵摇运动也是不稳定17。研究表明,加装螺旋板和垂荡板可以使不稳定区最小,虽然螺旋板和垂荡板不能改变垂荡和纵摇周期,但能够通过增大阻尼而使纵摇运动稳定、防止垂
12、荡共振18。文献19基于Mathieu方程研究了平台的纵摇稳定性,研究认为,化,由于增大的粘滞阻尼,TrussSparClassicSpar平台。 在长周期波浪荷载作用下,ClassicSpar平台可能产生垂荡共振,壳体形状的变化可以有效地改变垂荡峰值响应周期,从而远离波浪卓越周期,而且,粘滞阻尼也可以进一步抑制垂荡共振。因此,可以通过改变壳体形状和增大阻尼来改变平台的垂荡固有频率,避免垂荡共振的发生20。研究表明,垂荡共振时将发生锁定现象,即Mathieu不稳定性,从而使纵摇运动大幅度增加。抑制Mathieu不稳定性的重要手段是增加纵摇阻尼,也可以采用浮筒来提供必要的纵摇恢复力。研究认为,如
13、果不考虑系泊系统,则Spar平台的Math2ieu不稳定性分析是过于保守的。因此,在数值模拟和 提供其纵荡和横荡恢复力,因此,在海流的作用下,平台将发生涡激振荡(VortexMotion)。由于Spar平台的吃水深,。文献25。用(DES)技术计算了试验模型。研究表明,TrussSpar平台在剪切,当流与波浪同向时,涡激振荡响应减小,当流与波浪垂直或斜向时,波流共同作用下的横摇响应小于相同流作用下的响应与相同波浪作用下的响应之和26。但流的形态对ClassicSpar平台和CellSpar平台的涡激振荡均有较大影响27。文献28在拖曳水池中进行了140的模型试验,并采用CFD方法对实验模型进行
14、了数 值模拟,研究了TrussSpar平台的涡激振荡问题,考察了流向、约化速度(reducedvelocity)和螺旋板跨距的影响。研究表明,CFD方法识别出了Spar平台涡激振荡响应“热点”和不同参数螺旋板抑制涡激振荡效果的差异,CFD方法预测的“热点”涡激振荡与模型试验相比过于保守,其原因有待进一步研究。研究认为“热点”,的出现是流在Spar平台表面分离造成的,而CFD方法模拟涉及到表面效应、表面粗糙度和湍流等边界层现象,这些因素对于预测VIM响应是极为关键的。文献29基于CFD的软件ACUSOLVE计算了具有不同形 模型试验中,应当准确地模拟立管浮筒和系泊系统。较大的波高和波浪与垂荡相位
15、差对Mathieu不稳定的影响不能忽略,由于涌浪的波高较小,因此,在涌浪环境下,一般不会发生Mathieu不稳定21。 研究表明,垂荡和纵摇响应的谱特性近似于窄带高斯过程。垂荡运动是复杂的波浪力函数和平台共振响应的产物,如果平台由1个以上的不同直径浮筒组成的话,力函数在接近共振频率处的值为零,从而不会发生垂荡共振。研究结果显示,如果垂荡阻尼不足以 消耗大幅度垂荡运动能量,则垂荡能量将传递给纵摇模态,造成纵摇运动的不稳定。因此,控制垂荡运动是防止垂荡/纵摇运动不稳性的主要措施22。Spar平台垂荡运动控制最重要的因素是垂荡板类型对平台总附加质量的影响。装有带孔的或较小的垂荡板平台比装有不带孔或较
16、大的垂荡板平台的垂荡响应大,在实验条件下,带有较大的或不带孔的垂荡板平台的垂荡响应在任何频率下都比较小,这是因为其附加质量较大, 式螺旋板的试验模型涡激振荡响应,研究了TrussSpar平台涡激振荡对螺旋板形状、尺寸和位置的敏感性,研究认为,Spar平台的涡激振荡响应对螺旋板的几何参数和位形比较敏感。 文献30采用轴对称有限差分法研究了底部有圆盘的竖直圆柱体在低KC值条件下振荡产生的流、涡泄和相应的流体动力行为。研究表明,涡泄模式取决于圆盘和圆柱体的直径比Dd/Dc,Dd/Dc对涡泄和粘滞阻尼也有较大影响,其影响程度取决于KC值。在KC<1条件下,流分离产生的圆盘阻力和圆盘边缘的 涡泄是
17、主要的能量耗散方式。文献31研究了减小Spar平台长周期涡激振荡的主动控制技术,考察了基 于推进器的主动控制系统的技术和经济可行性。研究认为,当推进器提供的控制力正比于平台运动速度时,平台的运动幅度小于直径的35%,而无控制的平台运动幅度可达直径的80%。但其成本小于螺旋板等被动 678 中国海洋大学学报2008年 控制装置,且不会像螺旋板那样引起拖曳力的增加。 文献32通过风洞试验研究了Spar平台的涡激振荡控制问题,采用移动表面边界层控制技术(MSBC)减小拖曳力、抑制涡激振荡。研究表明,该方法可以提高涡泄频率达20%,而由涡泄引起的压力波动可减小60%,拖曳力系数减小80%。2.4系泊系
18、统/立管系统的作用与影响 和立管摩擦对Spar平台动力响应的影响,现场测试了 Spar平台Neptune的运动响应。研究认为,立管的摩擦和锚链的拖曳力作用能够减小平台的垂荡响应。由于锚链和立管的影响,在研究Spar平台垂荡共振响应时,当波浪周期等于平台垂荡周期时,并没有观测到垂荡共振现象。因为,立管端部的浮筒以及立管/锚链/浮筒/平台之间的相互作用产生了附加阻尼和附加刚度,使得垂荡响应远离共振点41。 系泊系统提供Spar平台部分自由度的恢复力,随着水深的增加,系泊系统由悬链线锚链发展为半张紧式和张紧式系泊缆。Spar平台的立管系统也随水深的不同而有顶张力立管和钢悬链线立管等不同立管系统。顶张
19、力立管位于Spar平台的中央井中,而钢悬链线立管悬挂在甲板外侧。因此,同程度的影响。研究表明,链张力,由于锚链上拖曳力是主要的,因此,随机线性化造成的系泊力误差大于平台响应误差。如果有与波浪同向的流作用时,由于粘滞阻尼的增加,低频纵荡和纵摇运动减小。但由于远离共振频率范围,波频运动几乎不受影响,因此,阻尼的影响是次要的。值得注意的是,有流作用时,均方根垂荡响应和顶张力增大33。 研究表明,锚链的阻尼降低了平台的慢漂运动(纵荡和纵摇),特别是在深水环境。在1018m水深,慢漂纵荡幅值可减小10%。在波频范围,如果考虑动力作用,锚链张力大大地增加。对于1018m水深,用耦合动力方法计算的锚链张力是
20、准静态方法的8倍34。当考虑立管与导向架间的接触力影响时,Spar平台的纵摇和横摇运动明显减小,但对纵荡运动影响很小。虽然不同的间隙和接触模型对Spar平台的纵荡、垂荡和纵摇运动的影响很小,但可能增大立管和浮筒上的周期性冲击力,引起浮筒疲劳损伤。而库仑阻尼能够有效地减小在垂荡固有周期附近的垂荡运动,但不能改变系统的固有周期35。在研究锚链和立管系统的粘滞阻尼、惯性质量、流荷载和恢复力特性对平台响应的影响时,人们发现,锚链和立管系统与平台的耦合作用将减小平台的二阶慢漂响应36,系泊系统对Spar平台的涡激振荡有较大影响37。 顶张力立管刚度对Spar平台运动、特别是纵摇运动有较大的影响。不考虑立
21、管刚度将导致预测的Spar平台运动响应过大,尤其是最大的纵摇角位移 38 3,数据显示,南海有含油气构造 ,油气田180个。仅在曾母盆地、沙巴盆地、万安盆地的石油总储量就将近200亿t,据估计,南海的石油总储量为230300亿t,开发潜力巨大。专家预测,南海油气资源可开发价值超过20万亿元人民币。在未来20年内只要开发30%,每年可为中国GDP增长贡献12个百分点。目前,国土资源部等有关部门已经在南海南部的14个主要盆地进行了油气资源评价 。 图5倾覆的半潜式平台 Fig.5Capsizedsemi2submersible 南海的主要含油气构造位于5002000m水深的海域,而Spar平台适用
22、的水深为6003000m,适合南 海的深水开发。而且,Spar平台的运动稳定性好,其垂荡运动小可与张力腿平台媲美,其二阶慢漂运动远远小于半潜式平台。此外,南海的海洋环境恶劣,台风频发,平台的动力稳定性显得尤为重要。国外的开发经验表明,半潜式平台和张力腿平台均有失稳倾覆的先例(见图5),唯有Spar平台还没有这样的先例。而且,南海的风浪周期和涌浪周期一般为49s,最大为23s左右。而典型的Spar平台纵荡周期为160s,纵摇周期为60s,因此,与波浪的周期相差较远。南海的风海流和密度流的流速一般为0.10.2m/s,广东东部沿岸流速最大,可达0.250.4m/s42。如果Spar平台的 。文 献
23、39研究了Spar平台的慢漂纵荡和纵摇运动及立管和系泊系统的影响,认为,非耦合的Spar平台分析模型能够比较精确地预测波浪响应,但预测慢漂响应是不适合的,立管和系泊系统与平台的耦合作用对慢漂响应有较大的影响。文献40研究了锚链动力作用 679 有效直径按30m计算,则涡泄周期分别为750s和375s,与Spar平台的纵荡周期160s相差甚远。因此,只要能够针对南海特殊的海洋环境条件开发出合理的Spar平台结构,Spar平台就能够在中国南海深水海域 9RhoJB,ChoiHS,ShinHS,etal.AStudyonmathieu2typeInsta2 bilityofconventionals
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32、ampingplateJ.OceanEngineering,1981,8(1):17224. 的油气资源开发中发挥积极的作用。 4结语 Spar平台是深水开发的经济型平台,因为,它不仅 本身投资小,而且优良的动力稳定性使得干采油树和 刚性立管技术可以应用于Spar平台,因此,经济性更加突出。Spar平台经过十几年的发展,已经从第一代ClassicSpar发展到第三代CellSpar,但这三代结构形式并不是简单的进化和替代,海洋环境而发展起来的,TrussSpar和Cell3;涡激振荡(VIM)术等。,对Spar平台的研究发展现状和中国南海的应用前景进行了简单的介绍和分析,其中的几项关键技术是S
33、par平台发展过程中必须面对和解决的问题。对于中国南海深水油气田的开发,采用TrussSpar的结构形式更合理,因为南海内波的最大波动出现在100120m43,采用TrussSpar的结构能够有效地减小内波的作用,从而减小平台的运动响应。参考文献: 1MoritisG.NewSparInstalledinGulfJ.Oil&GasJournal, 2005,103(10):51255. 2GlanvilleRS,VardemanRD.NeptuneSpar2Performanceoverthe firsttwoyearsofproductionC./ProceedingsoftheOf
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