spar平臺綜述

1、立柱式平臺（ SPAR ）一、一、SPAR平臺概況平臺概況二、二、SPARSPAR平臺典型整體組成平臺典型整體組成三、三代三、三代SPARSPAR平臺的發(fā)展平臺的發(fā)展四、四、關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀五五、中國南海應(yīng)用前景分析中國南海應(yīng)用前景分析 隨著人類開發(fā)海洋的步伐逐漸邁向深海海域，涌現(xiàn)出了很多新型的浮動式海洋平臺，Spar平臺就是其中之一。Spar平臺也屬于順應(yīng)式的范疇。20世紀80年代以來，Spar平臺被廣泛應(yīng)用于人類開發(fā)深海的事業(yè)中，擔負了鉆探、生產(chǎn)、海上原油處理、石油儲藏和裝卸等各種工作。 Spar平臺由于其經(jīng)濟性和穩(wěn)定性優(yōu)于其他浮式平臺,在經(jīng)過短暫的二十幾年來的發(fā)展中,已經(jīng)

2、開發(fā)出三代類型，分別為經(jīng)典式(Classic Spar)、桁架式(Truss Spar)和分簡集束式(Ce1l Spar)。根據(jù)0ffshore的統(tǒng)計：截至2010年5月全球共有17座Spar平臺，并且其中l(wèi)6座在美國墨西哥灣運營,只有l(wèi)座(Kikeh)在馬來西亞。Spar也被很多石油公司視為下一代深水平臺的發(fā)展方向。一、一、Spar平臺概況平臺概況平臺名稱平臺名稱作業(yè)水作業(yè)水深深/m主體尺度主體尺度主體重主體重量量/t上部組塊重上部組塊重量量/t有效載有效載荷荷/t平臺入平臺入籍籍建成年建成年代代類型類型長度/m直徑/mNeptune58821521.91169829035987ABS199

3、6ClassicGenesis792214.937.2260361134015377ABS1999ClassicHoover/Diana1463214.937.2325051561324040ABS1999ClassicNansen1121165.527.41085048447938ABS2001TrussBoomvang1052165.527.41085048997938ABS2001TrussHorn Mountain1653169.132.31327239929979ABS2002TrussMedusa678178.628.61170054438890ABS2003TrussGunnis

4、on96016729.91211551719770ABS2003TrussDevil Tower1710178.628.651062334567711ABS2004TrussHolstein1324227.345.5213271576623991ABS2004TrussMad Dog1347169.13918934 22226ABS2004TrussFront Runner101517928.612785 ABS2004TrussConstitution1515168.829.871342653209770ABS2005TrussKikeh1330141.732.31342654289770D

5、NV2006TrussTahiti1250169.239218001895026230ABS2008TrussPerdido238317036205731125018250 2008TrussRed Hawk1615170.719.5653233574264ABS2004Cell現(xiàn)役現(xiàn)役SPAR平臺一覽表平臺一覽表 典型的SPAR平臺主要由四部分組成：上部組塊、主體、系泊系統(tǒng)和立管系統(tǒng)，如圖1所示（以桁架型SPAR平臺為例）。三代SPAR平臺的整體組成是類似的。二二.SPAR.SPAR平臺平臺典型整體組成典型整體組成1.上部組塊及主體上部組塊及主體2 系泊系統(tǒng)系泊系統(tǒng)目前深水SPAR平臺的系泊

6、索大多采用鏈-纜-鏈的張緊懸鏈線形式。每根系泊索由三部分組成，最上面的部分稱為船體鏈段，中間段為螺旋鋼纜或合成纜（尼龍纜或聚酯纖維纜），下部與海底鏈段相連.3 立管立管系統(tǒng)系統(tǒng)SPARSPAR平臺的立管系統(tǒng)向上與平臺上體的平臺的立管系統(tǒng)向上與平臺上體的生產(chǎn)設(shè)備相連，向下則深入海底，可實生產(chǎn)設(shè)備相連，向下則深入海底，可實現(xiàn)采油（氣）、注水、外輸?shù)裙δ?。立現(xiàn)采油（氣）、注水、外輸?shù)裙δ?。立管系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計需要可以在頂部張緊式管系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計需要可以在頂部張緊式立管立管(TTR)(TTR)和鋼制懸鏈線立管（和鋼制懸鏈線立管（SCRSCR）間）間進行選擇進行選擇。三三. .三代三代SPARSPAR平臺的發(fā)

7、展平臺的發(fā)展第一代：經(jīng)典（第一代：經(jīng)典（CLASSIC）SPAR平臺；平臺；第二代：桁架式第二代：桁架式(TRUSS) SPAR平臺平臺第三代：群柱式（第三代：群柱式（CELL） SPAR平臺平臺1.經(jīng)典經(jīng)典SPAR主要運動性能有主體決定。主體為直徑主要運動性能有主體決定。主體為直徑20-3020-30米、高米、高200200米左右的圓筒。影響運動的米左右的圓筒。影響運動的主要參數(shù)包括：重心高、浮心高、穩(wěn)心高。主要參數(shù)包括：重心高、浮心高、穩(wěn)心高。由于縱蕩周期很大，一般不會發(fā)生縱蕩共振，由于縱蕩周期很大，一般不會發(fā)生縱蕩共振，但是對于低頻波浪（長峰波）敏感，低頻波但是對于低頻波浪（長峰波）敏感

8、，低頻波浪會引起大幅運動。此外，垂蕩和縱搖耦合浪會引起大幅運動。此外，垂蕩和縱搖耦合運動，發(fā)生運動，發(fā)生MathieuMathieu失穩(wěn)。特點是對于水深失穩(wěn)。特點是對于水深不敏感，此外主體發(fā)生渦激振動也是要關(guān)注不敏感，此外主體發(fā)生渦激振動也是要關(guān)注的問題，主體螺旋側(cè)板可以抑制渦激振動發(fā)的問題，主體螺旋側(cè)板可以抑制渦激振動發(fā)生，但是螺旋側(cè)板的設(shè)計是需要探討的問題。生，但是螺旋側(cè)板的設(shè)計是需要探討的問題。2.Truss SPAR（桁架式）平臺（桁架式）平臺 該類型平臺主體尺度為經(jīng)典平臺該類型平臺主體尺度為經(jīng)典平臺0.5-0.35倍，減少了成本，增加了立柱和垂蕩板。與經(jīng)倍，減少了成本，增加了立柱和垂

9、蕩板。與經(jīng)典平臺水動力和運動方面的區(qū)別是：典平臺水動力和運動方面的區(qū)別是： 垂蕩板部分增加了垂蕩阻尼，垂蕩運垂蕩板部分增加了垂蕩阻尼，垂蕩運動減小顯著，平臺運動穩(wěn)定性提高。動減小顯著，平臺運動穩(wěn)定性提高。 由于水下結(jié)構(gòu)為桁架，降低了流體的由于水下結(jié)構(gòu)為桁架，降低了流體的拖曳載荷，主要是洋流載荷，從而水拖曳載荷，主要是洋流載荷，從而水平運動可以減小。平運動可以減小。 垂蕩板部分顯著增大了附連水質(zhì)量，垂蕩板部分顯著增大了附連水質(zhì)量，拉長垂蕩運動固有周期，減少了與波拉長垂蕩運動固有周期，減少了與波浪頻率發(fā)生共振的可能性。浪頻率發(fā)生共振的可能性。 垂蕩板一般都伸出桁架式主體的邊沿，垂蕩板一般都伸出桁架

10、式主體的邊沿，可以抑制旋渦的生成，渦激振動響應(yīng)可以抑制旋渦的生成，渦激振動響應(yīng)減小。減小。 對低頻波浪響應(yīng)不象經(jīng)典平臺那么劇對低頻波浪響應(yīng)不象經(jīng)典平臺那么劇烈，所以封閉式主體排水量允許減小。烈，所以封閉式主體排水量允許減小。3.多柱式（多柱式（Cell） Spar平臺平臺 主體上部由主體上部由6個圓柱圍繞一個中個圓柱圍繞一個中心圓柱組成，主體下部為桁架式結(jié)構(gòu)。心圓柱組成，主體下部為桁架式結(jié)構(gòu)。 上部各個單柱可以單獨加工、運上部各個單柱可以單獨加工、運輸和安裝，制造、運輸和安裝難輸和安裝，制造、運輸和安裝難度小、方便。度小、方便。 上部多柱部分結(jié)構(gòu)安裝螺旋側(cè)板，上部多柱部分結(jié)構(gòu)安裝螺旋側(cè)板，可以

11、減小渦激振動響應(yīng)?？梢詼p小渦激振動響應(yīng)。 垂蕩板安裝在圓柱腿上，具有較垂蕩板安裝在圓柱腿上，具有較大垂蕩附加質(zhì)量和阻尼，低頻運大垂蕩附加質(zhì)量和阻尼，低頻運動小。動小。 主體上部多柱結(jié)構(gòu)安裝側(cè)板可以主體上部多柱結(jié)構(gòu)安裝側(cè)板可以有效降低渦激振動，但是側(cè)板的有效降低渦激振動，但是側(cè)板的形式和安裝方法需要進一步研究。形式和安裝方法需要進一步研究。 施工安裝過程運輸方便，可以單施工安裝過程運輸方便，可以單柱運輸和安裝。柱運輸和安裝。 1、波浪荷載及平臺運動響應(yīng)、波浪荷載及平臺運動響應(yīng) Spar平臺的運動周期長,墨西哥灣典型的Spar平臺固有周期為:縱蕩160s、縱搖60s、垂蕩28s。因此,對一階波浪荷

12、載的響應(yīng)較小。其較大的縱蕩運動主要是二階波浪荷載和涌浪引起的長周期慢漂長周期慢漂運動運動,最大二階慢漂運動幅度可達水深的6%10%。研究認為,Morison方程作為細長圓柱體的二階繞射-輻射理論的近似是不適宜的。對于細長圓柱體,Morison方程等同于繞射理論的概念在考慮非線性項的影響時是不準確的,就二階波浪力而言,二階Morison方程的非線性項影響與任意細長結(jié)構(gòu)的二階繞射-輻射理論的影響是完全不同的。 研究認為,僅用線性波浪-結(jié)構(gòu)相互作用理論不能很好地預(yù)測平臺響應(yīng), 原因在于這些模型忽略了波浪之間的相互作用，必須采用二階波浪-結(jié)構(gòu)相互作用理論并考慮粘滯和波漂阻尼才能可靠地預(yù)測Spar平臺的

13、運動。四、四、關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀 2、垂蕩、垂蕩/縱搖運動不穩(wěn)定性及控制技術(shù)縱搖運動不穩(wěn)定性及控制技術(shù) Spar平臺的垂蕩運動和縱搖運動是強烈的耦合運動,當縱搖固有頻率等于2倍的垂蕩固有頻率時,極易發(fā)生耦合的不穩(wěn)定運動,被稱為不穩(wěn)定區(qū)。在不穩(wěn)定區(qū),即使在小波浪條件下,縱縱搖運動搖運動也是不穩(wěn)定。研究表明,加裝螺旋板和垂蕩板可以使不穩(wěn)定區(qū)最小,雖然螺旋板和垂蕩板不能改變垂蕩和縱搖周期,但能夠通過增大阻尼而使縱搖運動穩(wěn)定、防止垂蕩共振。因此,由于增大的粘滯阻尼,Truss Spar平臺的運動穩(wěn)定性優(yōu)于Classic Spar平臺。 在長周期波浪荷載作用下,Classic Spar平臺

14、可能產(chǎn)生垂蕩共垂蕩共振振,殼體形狀的變化可以有效地改變垂蕩峰值響應(yīng)周期,從而遠離波浪卓越周期,而且,粘滯阻尼也可以進一步抑制垂蕩共振。因此,可以通過改變殼體形狀和增大阻尼來改變平臺的垂蕩固有頻率,避免垂蕩共振的發(fā)生。 3、渦激振蕩、渦激振蕩(VIM)及控制技術(shù)及控制技術(shù) Spar平臺是直立漂浮在水中的圓柱體,系泊系統(tǒng)提供其縱蕩和橫蕩恢復(fù)力,因此,在海流的作用下,平臺將發(fā)生渦激振蕩渦激振蕩(Vortex Induced Motion)。由于Spar平臺的吃水深,流經(jīng)殼體的流是非均勻的。Spar平臺的渦激振蕩是一個復(fù)雜的非線性問題，對其研究以及對控制方法的研究也是Spar平臺研究的熱點問題。 4、

15、系泊系統(tǒng)、系泊系統(tǒng)/立管系統(tǒng)的作用與影響立管系統(tǒng)的作用與影響 系泊系統(tǒng)提供Spar平臺部分自由度的恢復(fù)力,隨著水深的增加,系泊系統(tǒng)由懸鏈線錨鏈發(fā)展為半張緊式和張緊式系泊纜。Spar平臺的立管系統(tǒng)也隨水深的不同而有頂張力立管和鋼懸鏈線立管等不同立管系統(tǒng)。頂張力立管位于Spar平臺的中央井中,而鋼懸鏈線立管懸掛在甲板外側(cè)。因此,對平臺的運動具有不同程度的影響。其影響也具有復(fù)雜的非線性，也是Spar平臺研究的關(guān)鍵問題。 素有“第二個波斯灣”之稱的南中國海被列為中國十大油氣戰(zhàn)略選區(qū)之一,數(shù)據(jù)顯示,南海有含油氣構(gòu)造200多個,油氣田180個。僅在曾母盆地、沙巴盆地、萬安盆地的石油總儲量就將近200億t,

16、據(jù)估計,南海的石油總儲量為230300億t,開發(fā)潛力巨大。專家預(yù)測,南海油氣資源可開發(fā)價值超過20萬億元人民幣。在未來20年內(nèi)只要開發(fā)30%,每年可為中國GDP增長貢獻12個百分點。目前,國土資源部等有關(guān)部門已經(jīng)在南海南部的14個主要盆地進行了油氣資源評價。五中國南海應(yīng)用前景分析五中國南海應(yīng)用前景分析 南海的主要含油氣構(gòu)造位于5002000m水深的海域,而Spar平臺適用的水深為6003000m,適合南海的深水開發(fā)。而且,Spar平臺的運動穩(wěn)定性好,其垂蕩運動小可與張力腿平臺媲美,其二階慢漂運動遠遠小于半潛式平臺,并且作為移動式平臺靈活性好。此外,南海的海洋環(huán)境惡劣,臺風頻發(fā),平臺的動力穩(wěn)定性顯得尤為重要。國外的開發(fā)經(jīng)驗表明,半潛式平臺和張力腿平臺均有失穩(wěn)傾覆的先例,唯有Spar平臺還沒有這樣的先例。而且,南海的風浪周期