專利名稱：一種新型海洋深水浮筒平臺的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種海洋工作平臺，具體為一種新型海洋深水浮筒平臺。
背景技術：
目前的深水油氣田開發主要采用海洋深水浮筒平臺(Spar平臺)或張力腿 平臺(TLP平臺)作為生產平臺，其中，Spar平臺的適用水深更大，應用更為廣 泛。Spar平臺屬于順應式平臺的范疇，被廣泛應用于人類開發深海的事業中， 擔負著鉆探、生產、海上原油處理、石油儲藏和裝卸等各種工作，成為當今世 界深海石油開采的有力工具。Spar平臺主體可分為幾個部分，有的部分為全封 閉式結構，有的部分為開放式結構，中心處開有中央井，中央井內裝有獨立的 立管浮筒，具有良好的靈活性。
現有的Spar平臺主要有三種結構形式Classic Spar、 Truss Spar和Cel 1
Spar。 Classic Spar采用了整體圓柱殼和方形中央井結構，平臺自重較大，承
載比較低， 一般為35%左右。Truss Spar采用桁架結構連接軟艙和方形中央井
結構，使結構重量有所降低，且增設了垂蕩板，整體動力性能優于Classic Spar,
但由于軟硬艙非封閉式連接，使得提供立管頂張力的浮筒長度受到限制，以至
于為了增大浮力而不得不采用鋁合金浮筒，增加了結構成本。Cell Spar采用多
個小直徑圓筒連接而成，中央井直徑較小，因此，可容納的立管數量較少，主
要用于深水邊際油田的開發。Classic Spar和Truss Spar是深水開發的主流平 臺
我國南海深水油氣田的最大水深可達3000ra,環境條件不同于國外其它 深水油氣田，如墨西哥灣、坎普斯灣等，其突出特點是內波。目前國外的深 水油氣田都沒有發現內波，只有印度的Andaman群島和中國南海乂見察到了內 波。內波位于海面以下100m 200m水深，Spar平臺的專欠石更艙連4妻-敬正處于內 波作用區^i，因此，Classic Spar不適合我國南海。Truss Spar采用桁架結 構連接軟硬艙，使用水深受到一定的限制，也很難在南海地區發揮優勢。
發明內容
本發明的目的在于針對我國南海地區水域深度大，且存在內波的情況，提 供一種承載能力強、結構成本低，適用于深海作業的新型海洋深水浮筒平臺。
為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下 一種新型海洋深水浮筒平 臺，包括用于作業的平臺甲板，平臺曱板下方連接硬艙，硬艙外壁連接有多根 系泊纜，系泊纜的另一端與海底的錨基連接，硬艙下方設有軟艙，其特點是， 硬搶與軟艙之間通過中央井進行連接，中央井外縱向設有多層垂蕩板，多根采 油立管穿過中央井直至海底井口。
進一步，如上所述的新型海洋深水浮筒平臺，其中，所述的硬艙沿豎直高 度分為多層結構，每層在水平面內對稱分為多個艙室。
進一步，如上所述的新型海洋深水浮筒平臺，其中，所述的中央井為圓柱 形結構，貫穿至硬艙和軟艙內，與硬搶和軟艙進行剛性連接；所述的垂蕩板分 為數層水平設置于圓形中央井壁中間段的外側。
更進一步，所述的垂蕩板為圓環形結構，沿周向對稱開有若干個方孔。
進一步，如上所述的新型海洋深水浮筒平臺，其中，所述的軟艙包括上下 兩層，分別為臨時浮艙和固定壓載艙，每層在水平面內對稱分為多個艙室。
進一步，如上所述的新型海洋深水浮筒平臺，其中，所述的系泊纜由錨鏈-尼龍纜-錨鏈三段組合而成，每四根系泊纜為一組，硬艙外共連接四組系泊纜； 每組系泊纜的一端與海底的錨基連接，另一端穿過導纜器與設置在硬艙外的張 緊器相連。
進一步，如上所述的新型海洋深水浮筒平臺，其中，所述的采油立管沖艮據 海底井口布局設計，當海底井口成矩陣布置，則釆油立管也布置成矩陣的形式； 當海底井口呈圓周布置，則采油立管沿圓形中央井周向布置。
4本發明的有益效果如下
(1) 我國南海水域內波流速可達lm/s，位于100m-200m水深，Spar平臺 的吃水一4殳為150-180m,為了減小內波荷載，本發明采用了中央井連接硬艙和 軟搶的方案，其拖曳力和升力荷載遠遠小于Classic Spar平臺，從而減小了 Spar 平臺的縱蕩和渦激運動(VIM)。
(2) Spar平臺采用空氣罐纟是供頂張式立管的頂張力，隨著水深的增加，立 管的重量增大，所需的頂張力增大，因此，需要較長的空氣罐來提供足夠的頂 張力。本發明的空氣罐長度可達150m,遠遠大于Truss Spar平臺。
(3) Spar平臺的最大缺點是大幅度的垂蕩運動引起的縱搖不穩定，因為， Spar平臺的垂蕩和縱搖運動是強烈地耦合在一起的，使得過大的垂蕩能量轉化 為縱搖能量，本發明由于增加了垂蕩板，其垂蕩阻尼遠遠大于Classic Spar平 臺，降低了 Spar平臺的垂蕩運動響應，改善了垂蕩與縱搖運動耦合引起的縱搖 不穩定性。另外，垂蕩板釆用了方形開孔結構，在相同開孔面積下，其周長更 大，從而阻尼效果更好。
(4) 本發明采用了圓形中央井結構，其剛度遠遠大于方形中央井結構，因 此，其井壁的鋼板厚度和骨架的型鋼尺寸均相應減小，從而減小了用鋼量，降 低了 Spar平臺的重量，提高了 Spar平臺的承載比。
圖1為本發明的結構示意圖2為石更艙平面布置示意圖3為采油立管的矩陣形式布置示意圖4為垂蕩板的結構示意圖5為系泊纜的布置原理圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明進一步進行描述。
本發明所提供的新型海洋深水浮筒平臺(以下筒稱S-Spar)是針對我國南 海深水油氣田開發而設計的一種新型Spar平臺，該發明吸收了國外現有Spar平臺結構的深吃水特點，在結構上做出了重大改進，使得S-Spar的綜合性能更 適合我國南海深水油氣田的應用。
S-Spar的整體方案如圖1所示，設計方案中，平臺甲板1下方的硬搶2和 軟艙4直接釆用圓柱形中央井3進行剛性連接，因此，中間段的直徑小，因而， 水動力荷載小。為了增大垂蕩阻尼，在中央井3的外壁增設了三層垂蕩板5。
S-Spar按照容納16根12英寸的剛性采油立管設計，硬艙2是由圓柱形外 壁和圓柱形中央井3的井壁圍成的密閉結構，提供整個平臺的浮力。為了保證 平臺具有較好的抗沉性，內部由水平艙壁和豎直艙壁分隔成許多小的艙室，并 設有可變壓載艙來調節平臺的吃水和浮態。參考船舶搶室分布規范，將S-Spar 平臺的硬艙沿豎直高度分為7個般室。由于靠近水面的艙室容易發生撞擊損壞， 所以艙的長度相對小一些，并設有雙層防水壁。水平面內分般也是為了提高主 體的抗沉性，將S-Spar平臺在水平面內對稱分為12個艙室，如圖2所示。
軟搶4的結構同硬搶2類似，包含了臨時浮艙和固定壓載艙。壓載艙的作 用是保證平臺在扶正過程中有足夠的回復力矩和降低結構中心，以滿足結構的 初穩性要求。軟艙的特征為本領域的公知技術，此處不再過多描述。
中段的圓柱形中央井壁提供硬艙2和軟艙4的剛性連接，垂蕩板5分為數 層水平設置于圓形中央井壁外側，本實施例中選用三層垂蕩板5，當然也可以根 據需要增加或減少層數。圓形中央井一方面增大了中央井的剛度，同時也便于 頂張式采油立管8的布置，采油立管8外設置立管浮筒7。如果海底井口成矩陣 布置，則中央井3內的頂張式采油立管8也布置成矩陣的形式，如圖3所示。 為了防止立管干涉，有時海底井口呈圓周布置，則頂張式采油立管也可以沿 S-Spar的圓形中央井周向布置。
Spar平臺通常配備剛性立管，立管和其他生產設備對平臺的垂蕩運動性能 要求很嚴格。為了避免平臺與波浪產生共振，使平臺擁有良好的運動性能，通 常應使平臺的垂蕩固有周期遠大'于波浪周期。增加Spar垂蕩固有周期的方法通 常有兩種(l)增加結構吃水；(2)增加結構質量和附加質量。為了獲得更多的 有效載荷，Spar平臺通常都要減少結構本身的質量，所以通常采用增加結構吃 水和附加質量的方法來增大Spar垂蕩固有周期。垂蕩板可以增加主體的垂向附加質量，并提供附加阻尼。目前垂蕩板的研
究仍是一個難題，現有研究成果得出影響垂蕩板性能的主要因素為(l)垂蕩板 數目及間距；(2)板厚及骨材尺寸；':3)板的尺度及開口。 Prisl in的實驗說明 當L一D典型的形狀比H/L在0.70 - 0. 75范圍內時，每塊才反的附加質量為單板 時的85%~95%。 Troesch的實驗證明當板厚超過寬度的1/50時，阻尼效果 將會顯著降低。由此可確定垂蕩板的間距和厚度及垂蕩板尺寸。在垂蕩板上適 當開孔，將會增加板與水接觸的周長，產生更多的漩渦脫落，從而提高阻尼效 果。面積相同的圓孔和方孔，方孔的周長較大，所以本發明選擇正方形開孔9， 如圖4所示。
Spar平臺一般通過系泊系統減小水平運動，但同時為保證系泊系統本身的 強度，又不宜產生過大的約束力。系泊系統的設計原則是在最小運動和最大 系泊力之間尋求平衡，選擇系統最適宜的剛度。
系泊系統利用系泊纜的張力將Spar平臺保持在相對固定的位置。當Spar
平臺受到環境荷載作用而運動時，引起系泊纜中張力發生變化。張力的水平分 量與結構位移間的比值即為系泊系統的系泊剛度。對于完整的系泊系統，要求
Spar平臺的漂移小于4%水深；當一根系泊纜損壞時，Spar平臺的漂移應小于
6%水深。
S-Spar系泊系統采用半張緊式系泊系統，即系泊力的垂直分量不僅僅靠系 泊纜的重力平衡，而由海底錨基提供部分垂蕩復原力。該系泊系統由16根系泊 纜組成，分成4組對稱布置，如圖5所示。單根系泊纜下樁點距S-Spar的水平 距離為2507m，導纜器距海底為1440米，系泊纜總長為2514米。每根系泊纜由 錨鏈-尼龍纜-錨鏈三段組合而成，組合纜的一端與海底的錨基連接。另一端穿 過導纜器與設置在硬搶外的張緊器相連，通過調節張緊器來改變系泊纜的張力， 使系泊系統的剛度達到設計要求。導纜器和張緊器的結構為本領域的公知技術， 此處不再過多描述。
本發明與現有技術相比具有如下優點
(1)與Classic Spar相比，S-Spar的中間段的尺寸大大減小，從而減小 了水動力荷載，改善了結構的受力條件，可以降低系泊系統的剛度和強度設計標準，降低系統總成本。
(2) 與Classic Spar相比，由于S-Spar整體結構的直徑變化，^吏得渦泄 頻率沿水深變化，乂人而減小了渦激運動(VIM)的運動響應。
(3) 與Classic Spar相比，S-Spar中間段直徑減少，可以增設垂蕩板， 從而增大結構的垂蕩阻尼，降低Spar的垂蕩運動響應，改善垂蕩與縱搖運動耦 合引起的縱搖不穩定性。
(4) 與ClassicSpar相比，S-Spar結構自重降4氐，/人而^是高了 Spar的有 效承載率12個百分點(Classic Spar的有效承載比一般為35%左右，而S-Spar 有效承載比達到了 47. 3%)。
(5) 與Truss Spar相比，由于S-Spar中間段采用殼結構，使得浮筒的長 度可以大大增加，為頂張式采油立管提供更大的頂張力，從而能夠適用更大的 水深條件。
(6) 與Truss Spar相比，S-Spar垂蕩寺反采用了方形開孔結構，在相同開 孔面積下，其周長更大，從而阻尼效果更好。
考慮到在此公開的對本發明的描述和特殊的實施例，本發明的其他實施例 對于本領域的技術人員來說是顯而易見的。這些說明和實施例僅作為例子來考 慮，它們都屬于由所附權利要求所指示的本發明的保護范圍和精神之內。
權利要求
1. 一種新型海洋深水浮筒平臺，包括用于作業的平臺甲板(1)，平臺甲板(1)下方連接硬艙(2)，硬艙(2)外壁連接有多根系泊纜(6)，系泊纜(6)的另一端與海底的錨基連接，硬艙(2)下方設有軟艙(4)，其特征在于硬艙(2)與軟艙(4)之間通過中央井(3)進行連接，中央井(3)外縱向設有多層垂蕩板(5)，多根采油立管(8)穿過中央井(3)直至海底井口。
2. 如權利要求1所述的新型海洋深水浮筒平臺，其特征在于所述的中央井(3 )為圓柱形結構，貫穿至硬艙(2 )和軟艙(4 )內，與硬艙和軟艙進行剛性連接；所述的垂蕩板(5)分為數層水平設置于圓形中央井壁中間段的外側。
3. 如權利要求2所述的新型海洋深水浮筒平臺，其特征在于所述的垂蕩板(5 )為圓環形結構，沿周向對稱開有若干個孔(9 )。
4. 如權利要求3所述的新型海洋深水浮筒平臺，其特征在于垂蕩板上所開的孔(9)為正方形孔。
5. 如權利要求1-4中一項所述的新型海洋深水浮筒平臺，其特征在于所述的硬搶(2)沿豎直高度分為多層結構，每層在水平面內對稱分為多個艙室。
6. 如權利要求1-4中一項所述的新型海洋深水浮筒平臺，其特征在于所述的軟搶(4)包括上下兩層，分別為臨時浮艙和固定壓載艙，每層在水平面內對稱分為多個艙室。
7. 如權利要求1-4中一項所述的新型海洋深水浮筒平臺，其特征在于所述的系泊纜(6)由錨鏈-尼龍纜-錨鏈三段組合而成。
8. 如權利要求7所述的新型海洋深水浮筒平臺，其特征在于每四根系泊纜為一組，硬艙外共連接四組系泊纜；每組系泊纜的一端與海底的錨基連接，另一端穿過導纜器與設置在硬艙外的張緊器相連。
9. 如^L利要求1-4中一項所述的新型海洋深水浮筒平臺，其特;f正在于所述的采油立管(8)根據海底井口布局設計，當海底井口成矩陣布置，則采油立管也布置成矩陣的形式；當海底井口呈圓周布置，則采油立管沿圓形中央井周向布置。
全文摘要
本發明涉及一種海洋工作平臺，具體為一種新型海洋深水浮筒平臺。其結構包括用于作業的平臺甲板，平臺甲板下方連接硬艙，硬艙外壁連接有多根系泊纜，系泊纜的另一端與海底的錨基連接，硬艙下方設有軟艙，硬艙與軟艙之間通過圓柱形中央井進行連接，中央井外縱向設有多層垂蕩板，垂蕩板沿周向對稱開有若干個方孔，多根采油立管穿過中央井直至海底井口。本發明與現有Spar平臺相比承載能力強、結構成本低，適用于存在內波的深海水域作業。
文檔編號B63B35/44GK101475048SQ20091000166
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月13日 優先權日2009年1月13日
發明者上官麗紅, 于衛紅, 黃維平 申請人:中國海洋大學