CN109866887A - 一种带外斜立柱的自稳式半潜平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带外斜立柱的自稳式半潜平台，它包括箱型甲板、连接箱型甲板底部起支撑作用的外斜立柱、与所述外斜立柱连接在一起提供浮力和稳性的环形浮箱；所述外斜立柱沿所述环形浮箱几何中心垂向轴线向外倾斜；所述环形浮箱外侧舱室配置固定压载，有效改善平台的横/纵摇运动性能，且使平台任何时刻浮心高于重心；可灵活装卸的多级可变固定压载使平台更好地适应不同的作业条件。本发明稳性裕度大，水动力性能优越，能够支持干式采油树，可变载荷大，储油能力强，结构型式简洁，整体结构强度好，可满足恶劣海洋环境条件下平台钻井、修井、油气生产和油气储运等多种作业功能。
Description
技术领域
本发明属于海洋工程装置领域，涉及可用于钻井、修井、油气生产和油气储运的多功能浮式平台，尤其涉及一种可适应干式采油、湿式采油和干湿组合式采油等不同采油模式的带外斜立柱的自稳式半潜平台。
技术背景
随着陆地和近海油气的日渐减少，深海资源的开发成为各国能源领域争夺的焦点，而深水油气田的开发依赖深水海洋工程装备。与TLP和SPAR平台相比较，半潜式平台具有稳性良好、抗风浪能力强、甲板面积大、可变载荷大、适用水深范围广等优点，是世界上应用最广泛且最具发展前途的浮式海洋油气勘探开发装备之一。但传统的半潜式平台存在一些不足，如平台重心相对较高，使得平台的稳性裕度不大；功能不够全面，尤其是储油能力不足；垂荡运动幅度较大，无法支持干式采油树，导致操作成本高，作业效率低等等。地质油藏的不确定性和传统深海油气开发设施的高造价决定了深海油气田开发的高风险性，尤其在当前油价长期持续低迷的国际大环境下，最大限度地提高平台利用率是有效降低深海油气勘探开发成本的关键措施。
针对传统半潜平台的不足，近年来国外出现了一系列新型半潜式平台概念。典型的有美国FloaTEC公司提出的桁架式半潜平台（Truss Semi）和可伸展吃水半潜式平台（ESEMI），法国Technip公司提出的展开式半潜式平台（EDP），美国SBM Atlantia公司开发的斜立柱半潜式平台（FourStar Semi），Mansour和Huang提出的自由悬挂固体压载舱半潜式平台（FHS Semi）等。这些新型平台的主要设计目标是减小平台的垂荡运动。但新平台和新技术在改善传统半潜式平台垂荡运动性能的同时，也带来了一些新的问题，如使用长立柱和深吃水引起的涡激振动问题，纵/横摇固有周期减小导致的运动性能降低，新结构带来的结构安全性挑战，长立柱使得船体码头安装和托航运输困难，深吃水导致平台成本急剧上升，等等。
相比之下，国内的半潜式平台种类比较单一，对半潜式平台的应用和研究也主要集中在钻井平台上，而对半潜式平台其它用途的开发力度不足，是制约我国深海油气田勘探开发的瓶颈性问题之一。为了推动我国海洋油气开发的发展，迫切需要开发适应我国南海环境条件，符合国内现有建造安装条件，具有自主知识产权且综合性能优良的新型半潜式平台。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有半潜式平台的不足，提供一种可适应干式采油、湿式采油和干湿组合式采油等不同采油模式，并同时具有钻井、修井、油气生产和油气储运等多种功能的带外斜立柱的自稳式半潜平台。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
1、一种带外斜立柱的自稳式半潜平台，包括箱型甲板、环形浮箱和支撑于箱型甲板、环形浮箱之间的立柱，其中：
所述箱型甲板采用撬装模块化设置，箱型甲板内设1 m-2 m高的双层底、3 m-4 m高的双层甲板空间， 箱形甲板中部设有圆柱形或棱柱形的月池；
所述立柱为外斜立柱，至少4根外斜立柱对称布置在环形浮箱和箱型甲板之间，且外斜立柱沿环形浮箱几何中心的垂向轴线自下而上向外倾斜，外斜立柱的内部空间分割为若干水密舱室；
所述环形浮箱的中部设有圆柱形或棱柱形的中央井，中央井与箱形甲板上的月池的几何中心在一条垂直线上，在立柱外侧的环形浮箱向外延伸有浮箱外伸部分，浮箱外伸部分与环形浮箱构成整体结构的环形浮箱；环形浮箱内部设置压载舱、储油舱和泵舱。
上述方案进一步包括：
所述环形浮箱整体呈长方体结构，边角处为方形倒圆角；所述压载舱和泵舱设置在浮箱外伸部分，压载舱包括设置在边角处的固定压载舱和设置边角之间的压载水舱，储油舱设置在中央井和浮箱外伸部分之间；在储油舱与泵舱结合部设置隔离空舱。
所述固定压载内部设置若干组加载模块，每组加载模块由钢座板和紧固装置配合将平板叠加结构的水泥块或铁板夹持固定在舱室底板上。
所述紧固装置包括螺栓杆和螺帽组成，钢座板直接坐落在舱室底板上，通过插缝板来达到紧密布置。
所述外斜立柱的横截面为圆形、方形倒圆角或其它正多边形倒圆角，且每根外斜立柱的侧面安装螺旋形侧板。
所述环形浮箱的中央井内安装固定框架。
本发明由于采用以上技术方案，具有如下优点：
1、本发明平台的甲板功能模块采用撬装化设计，结构紧凑，占用甲板面积小，便于海上运输、迁移及根据不同作业阶段进行现场装卸与更换，大大减少海上现场安装工作量，加快安装进度，节约了成本，提高了平台的作业效率。双层甲板空间可提供更多的布置面积，可适应随平台不同作业和功能增加而增加的布置空间需求。
2、增大稳性是增强浮式平台抗风暴能力，保证平台安全性的重要一环。立柱立面的外斜设计使得水线面处立柱间距较大，平台的水线面惯性矩较大，从而获得较大的初稳性高度和回复力矩，有效减小平台纵/横摇运动以及系泊系统的受力。在海流比较严重的海域，便于海流通过，减小水平拖曳力，从而减小系泊系缆受力以及平台运动。而且，斜立面可以减小波浪沿立柱的爬升，有效改善平台气隙性能；立柱倾斜的侧边有利于增大平台辐射阻尼，从而增大垂荡固有周期，减小垂向运动；立柱的倾斜设计也有助于改善平台的涡激运动问题。与垂直立柱型式相比，斜立柱结构具有更好的结构强度，可以更好地抵抗波浪和平台重力引起的弯矩，使总体结构强度增加。立柱侧面的螺旋形导流侧板可有效抑制海流所造成的平台涡激响应。
3、本发明的浮箱结构为宽大箱形结构，其尖角处倒圆角，可减小波浪的拖曳力。环形浮箱内的部分固定压载舱采用固定压载方式，舱内配置水泥块或铁板等重物，可显著降低平台的重心，保证平台在任何时刻浮心高于重心，且在压载水量较小的情况下保持较大吃水。压载水舱用于调节平台吃水深度使其达到设计吃水位置，从而使平台在服役期间保持较深的吃水状态以减小垂荡激励力。不仅实现平台在海洋环境中的无条件稳定，而且密度大的配重增大了垂荡固有周期，改善了平台的垂荡运动性能，从而克服传统半潜式平台垂荡幅度大的固有缺陷，使在平台上布置具有干式采油树的顶部张紧式钻井/采油立管系统成为可能。内部舱室配备的强大压载系统，使平台具有更大的吃水调节范围，从而更好地适应不同作业海域的海洋环境条件和不同的作业模式要求。
4、环形浮箱既能作为平台整体支撑结构，为平台提供足够的浮力，增大平台装载量，增强平台自持能力，还能使平台下部结构成为一个整体框架结构，将单根立柱遭受的载荷传递给平台整体结构，从而提高平台整体强度，有效抵抗作用于平台的环境载荷，使平台具有良好的船体安全性和抗风暴的能力；同时，环形浮箱结构还可有效传递由于波浪和平台不平衡装载造成的各立柱之间的相互作用力。因此，平台具有很好的整体结构刚度和强度，可有效降低平台连接节点的疲劳热点应力，减少疲劳破坏，提高平台整体结构的疲劳寿命，提高平台适应恶劣海洋环境的能力。
5、环形浮箱相对于立柱底部的外伸部分，不仅增大了舱室容积，提高平台的有效承载，降低平台重心，改善稳定性，还可兼起到垂荡板功能，增大平台横/纵向和垂向的附加质量和阻尼，进而增大横/纵摇和垂荡固有周期，改善横/纵摇和垂荡运动性能，从而使新型平台允许使用干式采油系统；另外，通过内部舱室优化设计，将排水量分隔在合理的位置，可以获得比同等排水量的传统半潜式平台更高的附加质量。
6、为了使平台能够支持干式采油树，传统的做法是通过加大吃水深度来减小垂荡运动幅值，但加大吃水深度使得排水量增加，导致平台横/纵摇固有周期减小，横/纵摇运动加剧，从而直接影响甲板上设备与仪器的正常作业、人员的舒适性和生产原油的质量。本发明在部分压载舱内配置密度比海水大得多的固定压载，可使平台无需增加压载水舱内的压载水和排水量而获得较大吃水，从而使垂荡固有周期和横/纵摇固有周期都能达到较优的数值，既满足垂荡性能要求，又保证横/纵摇运动在合理的范围内。同时，固定压载还起到改变浮体质量分布，增大横摇惯性矩，从而进一步加大横摇固有周期的作用。固定压载采用多级可装卸设计，做成若干块平板结构，可以根据海洋环境条件、储油量和可变载荷的变化灵活进行装卸，而不需要频繁注/排水，减少了传统压载系统和传统压载水处理系统的成本支出，施工快捷，显著降低了作业成本。固定压载还增加了环形浮箱的有效使用舱容，增大了平台储油能力，降低了平台建造成本。
8、浮体呈对称形状，结构简洁，适合进行模块化设计和建造，可降低成本、缩短建造工期，并且由于各模块结构的相似程度高，进一步降低了设计和建造的难度，可以实现设计与建造的系列化。
9、带外斜立柱的自稳式半潜平台较其它新型半潜平台吃水深度小，排水量大，可有效降低平台建造、运输以及安装难度。不需大型浮吊配合，可以实现海上的简便安装。
综上所述，本发明的平台稳性裕度大，水动力性能优越，能够支持干式采油树，可变载荷大，储油能力强，结构型式简洁，整体结构强度好，同时具有钻井、修井、采油、生产处理等多重功能，作业效率高，可用于深水油气田开发的整个寿命过程中。平台综合性能和利用率的提高可大大降低油田整体开发成本。
附图说明
图1为本发明的一种四立柱平台的整体结构示意图；
图2为图1中甲板上布置油气生产模块时的立面结构视图；
图3为图1中环形浮箱与外斜立柱的结构示意图；
图4为图1中环形浮箱舱室的布置示例图；
图5为图1中多级可变固定压载舱室的立面示意图；
图中各标记如下：
1箱型甲板、2环形浮箱、3外斜立柱、4钻机或油气处理模块、5浮箱外伸部分、6螺旋形侧板、7月池、8中央井、9油气生产立管/钻井立管、10固定框架、11储油舱、12压载水舱、13泵舱、14隔离空舱、15固定压载舱、16压载块、17舱室底板、18钢座板、19紧固装置。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述，但本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，本发明提供的带外斜立柱的自稳式半潜平台包括一个箱型甲板1、一个环形浮箱2以及将箱型甲板1和环形浮箱2连接起来的对称布置的外斜立柱3。其中，箱型甲板1上布置有钻机或油气处理模块4等设施，箱型甲板1内部设有生产功能舱室和钻井设备舱室；环形浮箱2内部设有压载舱、储油舱、生产功能舱室、钻井设备舱室和泵舱；环形浮箱2的部分压载舱采用可变固定压载方式，保证平台的浮心高于重心；环形浮箱2沿外斜立柱3底部向外侧有所延伸形成浮箱外伸部分5，浮箱外伸部分5有助于增大平台浮力和有效承载，并进一步改善平台的运动性能。外斜立柱3沿环形浮箱2几何中心的垂向轴线向外倾斜，外斜立柱3的侧面安装螺旋形侧板6，内部空间分割为若干水密舱室。箱型甲板1的月池7和环形浮箱2的中央井8在垂直方向上相一致，以方便钻机及油气处理模块4的油气生产立管/钻井立管9从中穿过，并通过固定框架10为立管9提供横向支撑，避免立管浮筒与主体内壳发生碰撞。
图2为根据油气生产作业需求布置的平台立面结构视图，各部分布置原则与图1相似。
如图3所示，本发明的浮体由环形浮箱2和外斜立柱3组成。为了增大平台的可变载荷、排水量和储油量，降低平台重心并使环形浮箱2兼具有垂荡板功能，环形浮箱2的四周相对于外斜立柱3有所外伸，形成环形浮箱的外伸部分5。
图4为本发明环形浮箱2舱室的布置示例图。环形浮箱2的内部设有储油舱11、压载水舱12、泵舱13、隔离空舱14、固定压载舱15。储油舱11位于外斜立柱3与中央井8之间的环形浮箱2空间内，储存原油，受到外部压载舱的保护，且位于水面以下，安全性好。泵舱13内安装压载水泵、原油输送泵及管系，压载水泵用于各压载水舱12之间调载用，原油输送泵用于各储油舱13的原油调拨及外输作业泵出。压载水舱12和泵舱13以及固定压载舱15均设于外斜立柱3底部外侧的环形浮箱外伸部分5内部，且储油舱11与泵舱13之间设有隔离空舱14，以保证生产安全。
图5是本发明固定压载舱布置的立面示意图。压载块16采用普通钢板，每块钢板长600 mm，宽300 mm，厚度根据备选材料灵活采用，以最大限度地利用造船余料，降低平台的建造成本。为减少焊接对固定压载舱15内油漆的损伤，压载块16不与船体及结构焊接，而是采用由螺栓杆和螺丝组成紧固装置19固定在钢座板18上。钢座板18直接坐落在船底板（舱室底板17）上，通过插缝板来达到紧密布置。
本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
通过上述实施例进一步说明，本发明充分利用外斜立柱与环形浮箱的压载功能，降低平台重心，提高平台稳性，改善平台运动性能，尤其是减小垂荡运动幅度，从而满足干树采油的要求；环形浮箱提供巨大的储油空间；固定压载有效改善平台的横/纵摇运动性能，且使平台任何时刻浮心高于重心；固定压载的多级装卸特性使平台更好地适应不同作业海域海洋环境条件和平台载荷的变化。本发明克服现有半潜式平台的不足，可适应干式采油、湿式采油和干湿组合式采油等不同采油模式，并同时具有钻井、早期生产、修井、油气处理与油气储运等多种功能的带外斜立柱的自稳式半潜平台，为未来海洋油气田开发提供一种新的低成本全寿命解决方案。
Claims (6)
1.一种带外斜立柱的自稳式半潜平台，包括箱型甲板、环形浮箱和支撑于箱型甲板、环形浮箱之间的立柱，其特征在于：
所述箱型甲板采用撬装模块化设置，箱型甲板内设1 m-2 m高的双层底、3 m-4 m高的双层甲板空间， 箱形甲板中部设有圆柱形或棱柱形的月池；
所述立柱为外斜立柱，至少4根外斜立柱对称布置在环形浮箱和箱型甲板之间，且外斜立柱沿环形浮箱几何中心的垂向轴线自下而上向外倾斜，外斜立柱的内部空间分割为若干水密舱室；
所述环形浮箱的中部设有圆柱形或棱柱形的中央井，中央井与箱形甲板上的月池的几何中心在一条垂直线上，在立柱外侧的环形浮箱向外延伸有浮箱外伸部分，浮箱外伸部分与环形浮箱构成整体结构的环形浮箱；环形浮箱内部设置压载舱、储油舱和泵舱。
2.根据权利要求1所述带外斜立柱的自稳式半潜平台，其特征在于：所述环形浮箱整体呈长方体结构，边角处为方形倒圆角；所述压载舱和泵舱设置在浮箱外伸部分，压载舱包括设置在边角处的固定压载舱和设置边角之间的压载水舱，储油舱设置在中央井和浮箱外伸部分之间；在储油舱与泵舱结合部设置隔离空舱。
3.根据权利要求2所述带外斜立柱的自稳式半潜平台，其特征在于：所述固定压载内部设置若干组加载模块，每组加载模块由钢座板和紧固装置配合将平板叠加结构的水泥块或铁板夹持固定在舱室底板上。
4.根据权利要求3所述带外斜立柱的自稳式半潜平台，其特征在于：所述紧固装置包括螺栓杆和螺帽组成，钢座板直接坐落在舱室底板上，通过插缝板来达到紧密布置。
5.根据权利要求1-4任一所述带外斜立柱的自稳式半潜平台，其特征在于：所述外斜立柱的横截面为圆形、方形倒圆角或其它正多边形倒圆角，且每根外斜立柱的侧面安装螺旋形侧板。
6.根据权利要求5所述带外斜立柱的自稳式半潜平台，其特征在于：所述环形浮箱的中央井内安装固定框架。
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