CN101475048A - 一种新型海洋深水浮筒平台 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种海洋工作平台,具体为一种新型海洋深水浮筒平台。其结构包括用于作业的平台甲板,平台甲板下方连接硬舱,硬舱外壁连接有多根系泊缆,系泊缆的另一端与海底的锚基连接,硬舱下方设有软舱,硬舱与软舱之间通过圆柱形中央井进行连接,中央井外纵向设有多层垂荡板,垂荡板沿周向对称开有若干个方孔,多根采油立管穿过中央井直至海底井口。本发明与现有Spar平台相比承载能力强、结构成本低,适用于存在内波的深海水域作业。

Description

一种新型海洋深水浮筒平台

技术领域

本发明涉及一种海洋工作平台,具体为一种新型海洋深水浮筒平台。

背景技术

目前的深水油气田开发主要采用海洋深水浮筒平台(Spar平台)或张力腿平台(TLP平台)作为生产平台,其中,Spar平台的适用水深更大,应用更为广泛。Spar平台属于顺应式平台的范畴,被广泛应用于人类开发深海的事业中,担负着钻探、生产、海上原油处理、石油储藏和装卸等各种工作,成为当今世界深海石油开采的有力工具。Spar平台主体可分为几个部分,有的部分为全封闭式结构,有的部分为开放式结构,中心处开有中央井,中央井内装有独立的立管浮筒,具有良好的灵活性。

现有的Spar平台主要有三种结构形式:Classic Spar、Truss Spar和CellSpar。Classic Spar采用了整体圆柱壳和方形中央井结构,平台自重较大,承载比较低,一般为35%左右。Truss Spar采用桁架结构连接软舱和方形中央井结构,使结构重量有所降低,且增设了垂荡板,整体动力性能优于Classic Spar,但由于软硬舱非封闭式连接,使得提供立管顶张力的浮筒长度受到限制,以至于为了增大浮力而不得不采用铝合金浮筒,增加了结构成本。Cell Spar采用多个小直径圆筒连接而成,中央井直径较小,因此,可容纳的立管数量较少,主要用于深水边际油田的开发。Classic Spar和Truss Spar是深水开发的主流平台。

我国南海深水油气田的最大水深可达3000m,环境条件不同于国外其它深水油气田,如墨西哥湾、坎普斯湾等,其突出特点是内波。目前国外的深水油气田都没有发现内波,只有印度的Andaman群岛和中国南海观察到了内波。内波位于海面以下100m~200m水深,Spar平台的软硬舱连接段正处于内波作用区域,因此,Classic Spar不适合我国南海。Truss Spar采用桁架结构连接软硬舱,使用水深受到一定的限制,也很难在南海地区发挥优势。

发明内容

本发明的目的在于针对我国南海地区水域深度大,且存在内波的情况,提供一种承载能力强、结构成本低,适用于深海作业的新型海洋深水浮筒平台。

为实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:一种新型海洋深水浮筒平台,包括用于作业的平台甲板,平台甲板下方连接硬舱,硬舱外壁连接有多根系泊缆,系泊缆的另一端与海底的锚基连接,硬舱下方设有软舱,其特点是,硬舱与软舱之间通过中央井进行连接,中央井外纵向设有多层垂荡板,多根采油立管穿过中央井直至海底井口。

进一步,如上所述的新型海洋深水浮筒平台,其中,所述的硬舱沿竖直高度分为多层结构,每层在水平面内对称分为多个舱室。

进一步,如上所述的新型海洋深水浮筒平台,其中,所述的中央井为圆柱形结构,贯穿至硬舱和软舱内,与硬舱和软舱进行刚性连接;所述的垂荡板分为数层水平设置于圆形中央井壁中间段的外侧。

更进一步,所述的垂荡板为圆环形结构,沿周向对称开有若干个方孔。

进一步,如上所述的新型海洋深水浮筒平台,其中,所述的软舱包括上下两层,分别为临时浮舱和固定压载舱,每层在水平面内对称分为多个舱室。

进一步,如上所述的新型海洋深水浮筒平台,其中,所述的系泊缆由锚链-尼龙缆-锚链三段组合而成,每四根系泊缆为一组,硬舱外共连接四组系泊缆;每组系泊缆的一端与海底的锚基连接,另一端穿过导缆器与设置在硬舱外的张紧器相连。

进一步,如上所述的新型海洋深水浮筒平台,其中,所述的采油立管根据海底井口布局设计,当海底井口成矩阵布置,则采油立管也布置成矩阵的形式;当海底井口呈圆周布置,则采油立管沿圆形中央井周向布置。

本发明的有益效果如下:

(1)我国南海水域内波流速可达1m/s,位于100m-200m水深,Spar平台的吃水一般为150-180m,为了减小内波荷载,本发明采用了中央井连接硬舱和软舱的方案,其拖曳力和升力荷载远远小于Classic Spar平台,从而减小了Spar平台的纵荡和涡激运动(VIM)。

(2)Spar平台采用空气罐提供顶张式立管的顶张力,随着水深的增加,立管的重量增大,所需的顶张力增大,因此,需要较长的空气罐来提供足够的顶张力。本发明的空气罐长度可达150m,远远大于Truss Spar平台。

(3)Spar平台的最大缺点是大幅度的垂荡运动引起的纵摇不稳定,因为,Spar平台的垂荡和纵摇运动是强烈地耦合在一起的,使得过大的垂荡能量转化为纵摇能量,本发明由于增加了垂荡板,其垂荡阻尼远远大于Classic Spar平台,降低了Spar平台的垂荡运动响应,改善了垂荡与纵摇运动耦合引起的纵摇不稳定性。另外,垂荡板采用了方形开孔结构,在相同开孔面积下,其周长更大,从而阻尼效果更好。

(4)本发明采用了圆形中央井结构,其刚度远远大于方形中央井结构,因此,其井壁的钢板厚度和骨架的型钢尺寸均相应减小,从而减小了用钢量,降低了Spar平台的重量,提高了Spar平台的承载比。

附图说明

图1为本发明的结构示意图;

图2为硬舱平面布置示意图;

图3为采油立管的矩阵形式布置示意图;

图4为垂荡板的结构示意图;

图5为系泊缆的布置原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步进行描述。

本发明所提供的新型海洋深水浮筒平台(以下简称S-Spar)是针对我国南海深水油气田开发而设计的一种新型Spar平台,该发明吸收了国外现有Spar平台结构的深吃水特点,在结构上做出了重大改进,使得S-Spar的综合性能更适合我国南海深水油气田的应用。

S-Spar的整体方案如图1所示,设计方案中,平台甲板1下方的硬舱2和软舱4直接采用圆柱形中央井3进行刚性连接,因此,中间段的直径小,因而,水动力荷载小。为了增大垂荡阻尼,在中央井3的外壁增设了三层垂荡板5。

S-Spar按照容纳16根12英寸的刚性采油立管设计,硬舱2是由圆柱形外壁和圆柱形中央井3的井壁围成的密闭结构,提供整个平台的浮力。为了保证平台具有较好的抗沉性,内部由水平舱壁和竖直舱壁分隔成许多小的舱室,并设有可变压载舱来调节平台的吃水和浮态。参考船舶舱室分布规范,将S-Spar平台的硬舱沿竖直高度分为7个舱室。由于靠近水面的舱室容易发生撞击损坏,所以舱的长度相对小一些,并设有双层防水壁。水平面内分舱也是为了提高主体的抗沉性,将S-Spar平台在水平面内对称分为12个舱室,如图2所示。

软舱4的结构同硬舱2类似,包含了临时浮舱和固定压载舱。压载舱的作用是保证平台在扶正过程中有足够的回复力矩和降低结构中心,以满足结构的初稳性要求。软舱的特征为本领域的公知技术,此处不再过多描述。

中段的圆柱形中央井壁提供硬舱2和软舱4的刚性连接,垂荡板5分为数层水平设置于圆形中央井壁外侧,本实施例中选用三层垂荡板5,当然也可以根据需要增加或减少层数。圆形中央井一方面增大了中央井的刚度,同时也便于顶张式采油立管8的布置,采油立管8外设置立管浮筒7。如果海底井口成矩阵布置,则中央井3内的顶张式采油立管8也布置成矩阵的形式,如图3所示。为了防止立管干涉,有时海底井口呈圆周布置,则顶张式采油立管也可以沿S-Spar的圆形中央井周向布置。

Spar平台通常配备刚性立管,立管和其他生产设备对平台的垂荡运动性能要求很严格。为了避免平台与波浪产生共振,使平台拥有良好的运动性能,通常应使平台的垂荡固有周期远大于波浪周期。增加Spar垂荡固有周期的方法通常有两种:(1)增加结构吃水;(2)增加结构质量和附加质量。为了获得更多的有效载荷,Spar平台通常都要减少结构本身的质量,所以通常采用增加结构吃水和附加质量的方法来增大Spar垂荡固有周期。

垂荡板可以增加主体的垂向附加质量,并提供附加阻尼。目前垂荡板的研究仍是一个难题,现有研究成果得出影响垂荡板性能的主要因素为:(1)垂荡板数目及间距;(2)板厚及骨材尺寸;(3)板的尺度及开口。Prislin的实验说明:当L—D典型的形状比H/L在0.70~0.75范围内时,每块板的附加质量为单板时的85%~95%。Troesch的实验证明:当板厚超过宽度的1/50时,阻尼效果将会显著降低。由此可确定垂荡板的间距和厚度及垂荡板尺寸。在垂荡板上适当开孔,将会增加板与水接触的周长,产生更多的漩涡脱落,从而提高阻尼效果。面积相同的圆孔和方孔,方孔的周长较大,所以本发明选择正方形开孔9,如图4所示。

Spar平台一般通过系泊系统减小水平运动,但同时为保证系泊系统本身的强度,又不宜产生过大的约束力。系泊系统的设计原则是:在最小运动和最大系泊力之间寻求平衡,选择系统最适宜的刚度。

系泊系统利用系泊缆的张力将Spar平台保持在相对固定的位置。当Spar平台受到环境荷载作用而运动时,引起系泊缆中张力发生变化。张力的水平分量与结构位移间的比值即为系泊系统的系泊刚度。对于完整的系泊系统,要求Spar平台的漂移小于4%水深;当一根系泊缆损坏时,Spar平台的漂移应小于6%水深。

S-Spar系泊系统采用半张紧式系泊系统,即系泊力的垂直分量不仅仅靠系泊缆的重力平衡,而由海底锚基提供部分垂荡复原力。该系泊系统由16根系泊缆组成,分成4组对称布置,如图5所示。单根系泊缆下桩点距S-Spar的水平距离为2507m,导缆器距海底为1440米,系泊缆总长为2514米。每根系泊缆由锚链-尼龙缆-锚链三段组合而成,组合缆的一端与海底的锚基连接。另一端穿过导缆器与设置在硬舱外的张紧器相连,通过调节张紧器来改变系泊缆的张力,使系泊系统的刚度达到设计要求。导缆器和张紧器的结构为本领域的公知技术,此处不再过多描述。

本发明与现有技术相比具有如下优点:

(1)与Classic Spar相比,S-Spar的中间段的尺寸大大减小,从而减小了水动力荷载,改善了结构的受力条件,可以降低系泊系统的刚度和强度设计标准,降低系统总成本。

(2)与Classic Spar相比,由于S-Spar整体结构的直径变化,使得涡泄频率沿水深变化,从而减小了涡激运动(VIM)的运动响应。

(3)与Classic Spar相比,S-Spar中间段直径减少,可以增设垂荡板,从而增大结构的垂荡阻尼,降低Spar的垂荡运动响应,改善垂荡与纵摇运动耦合引起的纵摇不稳定性。

(4)与Classic Spar相比,S-Spar结构自重降低,从而提高了Spar的有效承载率12个百分点(Classic Spar的有效承载比一般为35%左右,而S-Spar有效承载比达到了47.3%)。

(5)与Truss Spar相比,由于S-Spar中间段采用壳结构,使得浮筒的长度可以大大增加,为顶张式采油立管提供更大的顶张力,从而能够适用更大的水深条件。

(6)与Truss Spar相比,S-Spar垂荡板采用了方形开孔结构,在相同开孔面积下,其周长更大,从而阻尼效果更好。

考虑到在此公开的对本发明的描述和特殊的实施例,本发明的其他实施例对于本领域的技术人员来说是显而易见的。这些说明和实施例仅作为例子来考虑,它们都属于由所附权利要求所指示的本发明的保护范围和精神之内。

Claims (9)

1.一种新型海洋深水浮筒平台,包括用于作业的平台甲板(1),平台甲板(1)下方连接硬舱(2),硬舱(2)外壁连接有多根系泊缆(6),系泊缆(6)的另一端与海底的锚基连接,硬舱(2)下方设有软舱(4),其特征在于:硬舱(2)与软舱(4)之间通过中央井(3)进行连接,中央井(3)外纵向设有多层垂荡板(5),多根采油立管(8)穿过中央井(3)直至海底井口。
2.如权利要求1所述的新型海洋深水浮筒平台,其特征在于:所述的中央井(3)为圆柱形结构,贯穿至硬舱(2)和软舱(4)内,与硬舱和软舱进行刚性连接;所述的垂荡板(5)分为数层水平设置于圆形中央井壁中间段的外侧。
3.如权利要求2所述的新型海洋深水浮筒平台,其特征在于:所述的垂荡板(5)为圆环形结构,沿周向对称开有若干个孔(9)。
4.如权利要求3所述的新型海洋深水浮筒平台,其特征在于:垂荡板上所开的孔(9)为正方形孔。
5.如权利要求1-4中一项所述的新型海洋深水浮筒平台,其特征在于:所述的硬舱(2)沿竖直高度分为多层结构,每层在水平面内对称分为多个舱室。
6.如权利要求1-4中一项所述的新型海洋深水浮筒平台,其特征在于:所述的软舱(4)包括上下两层,分别为临时浮舱和固定压载舱,每层在水平面内对称分为多个舱室。
7.如权利要求1-4中一项所述的新型海洋深水浮筒平台,其特征在于:所述的系泊缆(6)由锚链-尼龙缆-锚链三段组合而成。
8.如权利要求7所述的新型海洋深水浮筒平台,其特征在于:每四根系泊缆为一组,硬舱外共连接四组系泊缆;每组系泊缆的一端与海底的锚基连接,另一端穿过导缆器与设置在硬舱外的张紧器相连。
9.如权利要求1-4中一项所述的新型海洋深水浮筒平台,其特征在于:所述的采油立管(8)根据海底井口布局设计,当海底井口成矩阵布置,则采油立管也布置成矩阵的形式;当海底井口呈圆周布置,则采油立管沿圆形中央井周向布置。
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