海洋工程裝備設(shè)施技術(shù)綜述

海洋工程裝備設(shè)施技術(shù)綜述

1海洋工程裝備設(shè)施技術(shù)隨著海洋貿(mào)易、海防和海洋開發(fā)的發(fā)展，各種海洋工程設(shè)施相繼成立。廣義的海洋工程主要可分為資源開發(fā)技術(shù)和裝備設(shè)施技術(shù)兩大部分,本文主要是圍繞海洋工程裝備設(shè)施技術(shù),重點介紹目前應(yīng)用范圍較廣、發(fā)展較快、技術(shù)較成熟的海洋平臺。海洋工程產(chǎn)品根據(jù)不同的概念和方法有不同的分類方式,下面主要按產(chǎn)品工作水深、產(chǎn)品功能和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式進行分類敘述。1.1海洋油氣勘探開發(fā)的水體水質(zhì)按產(chǎn)品工作水深分類,主要有淺水、深水、超深水三類。根據(jù)2002年在巴西召開的世界石油大會提供的資料,世界上海洋油氣勘探開發(fā)通常按照水深范圍加以區(qū)別:水深≤400m為常規(guī)水深,即淺水;水深400~1500m為深水;水深≥1500m為超深水。國內(nèi)最早全面涉及海洋油氣勘探開發(fā)的主要有中海油集團。根據(jù)中海油目前的作業(yè)情況區(qū)分,水深≤200m為常規(guī)水深(淺水),水深200~1500m為深水,水深≥1500m為超深水。超深水作業(yè)目前尚未涉及。1.2鉆井平臺的油氣處理系統(tǒng)海洋平臺從功能上區(qū)分,大體可以分為鉆井平臺、生產(chǎn)平臺以及綜合型平臺三種。鉆井平臺上設(shè)有鉆井設(shè)備,主要用于海洋深水油氣田的勘探、開發(fā),要求在一定的海洋環(huán)境條件下能滿足鉆井工藝的要求,適應(yīng)更多的海域和更嚴酷的海況。鉆井平臺主要由鉆井系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、錨泊系統(tǒng)、管子處理系統(tǒng)、鉆井隔水管、水下井控系統(tǒng)、升沉補償系統(tǒng)等組成。上述的鉆井系統(tǒng)不僅包含陸地鉆機的所有設(shè)備,而且所有設(shè)備要求具有更高的可靠性、耐海洋環(huán)境腐蝕性、高安全性,質(zhì)量控制要求嚴格。生產(chǎn)平臺上設(shè)有油氣處理設(shè)備,平臺上的油氣處理系統(tǒng)與陸上的油氣處理系統(tǒng)大致相同,包括油、氣、水的分離系統(tǒng)、計量系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)和火炬燃燒系統(tǒng)等;所不同的是,海洋平臺上的油氣處理系統(tǒng)總體布局更加緊湊,安全規(guī)定更加嚴格,工藝流程在確保順暢的同時,重要模塊的布置要順應(yīng)下部主體結(jié)構(gòu)運動要求并留足維修空間,具有比陸上集成化更高、配置更完備的自動化控制系統(tǒng)。綜合型平臺是兼?zhèn)溷@井、生產(chǎn)兩種功能的綜合性平臺。1.3中接觸式平臺的分類從結(jié)構(gòu)形式上來分,海洋平臺主要有移動式平臺、固定式平臺和順應(yīng)式平臺三種,其中移動式平臺分為坐底式平臺、自升式平臺、半潛式平臺、浮(船)式生產(chǎn)儲油卸油系統(tǒng)等形式;固定式平臺則分為鋼制樁基式平臺、混凝土重力式平臺等形式;順應(yīng)式平臺又有順應(yīng)塔平臺、張力腿平臺(TLP)、柱體式平臺(SPAR)等幾種形式。1.3.1移動平臺(1)坐底式平臺坐底式平臺是早期在淺水區(qū)域作業(yè)的一種移動式鉆井平臺,又叫鉆駁或插樁鉆駁,適用于河流和海灣等30m以下的淺水灣。坐底式平臺分兩部分:上部為工作甲板,安置生活模塊和鉆井模塊等,通過尾部開口借助懸臂結(jié)構(gòu)鉆井;下部為主體結(jié)構(gòu),其主要功能是壓載以及海底支撐作用,用作鉆井的基礎(chǔ)。坐底式平臺作業(yè)水深有限,而且也受海底基礎(chǔ)(平坦及堅實程度)的制約,且海底表層有較厚淤泥時,容易滑移導(dǎo)致生產(chǎn)事故。一般用拋沙袋、打防滑樁等手段預(yù)防,所以這種平臺發(fā)展緩慢。(2)升降機構(gòu)的升降自升式平臺又稱甲板升降式平臺,一般由平臺甲板和樁腿、樁靴等組成,特點是平臺通過樁腿與能坐在海底的樁靴相連接為支撐,平臺甲板和樁腿之間有升降機構(gòu)可使兩者作相對的升降。移位時平臺甲板降至水面,樁腿升起,平臺就像駁船,由拖船拖至新的井位。自升式平臺的優(yōu)點主要是,所需鋼材較少、造價低,在各種海況下都能平穩(wěn)地進行鉆井作業(yè);缺點是,平臺對海底基礎(chǔ)要求較高,適合在較平坦的海底作業(yè),同時由于樁腿受自升結(jié)構(gòu)限制,長度有限,其工作水深一般約100m左右,超過此水深,樁腿重量增加很快,同時拖航時樁腿升得很高,對平臺穩(wěn)性和樁腿強度都不利。(3)浮體、甲板的組成和作用半潛式平臺是由坐底式平臺演變而來的,克服了坐底式平臺只能在淺水作業(yè)和鉆井船在深水作業(yè)時受波浪影響搖擺大、作業(yè)效率低的缺點。半潛式平臺由平臺甲板、立柱和浮體所組成。平臺甲板供生產(chǎn)工作用,上面設(shè)有鉆井設(shè)備、油氣水分離設(shè)備、生產(chǎn)生活艙室等;浮體提供主要浮力,深沉于水面之下,以減小波浪對平臺的擾動力;連接平臺甲板和浮體之間的是小水線面的立柱,因此,整個平臺在波浪中的運動響應(yīng)較小,具有出色的深海作業(yè)性能。作業(yè)時,將浮體沉降至海面以下適當(dāng)深度,平臺較大部分處于波浪有效作用深度以下,從而增強平臺穩(wěn)定性,再依靠多個錨泊或動力定位裝置,使平臺保持穩(wěn)定,進行生產(chǎn)作業(yè)。(4)fpso與自升式鉆采平臺的組合浮(船)式生產(chǎn)儲油卸油系統(tǒng)(以下簡稱FPSO)主要特點為浮船型,機動性和運移性好,具有適應(yīng)深水采油的能力;具有在深水域中較大的抗風(fēng)浪能力;具有大產(chǎn)量的油、氣、水生產(chǎn)處理能力和大的原油存儲能力。FPSO可以與鋼質(zhì)樁基式平臺相組合,也可以與自升式鉆采平臺相組合,成為完整的海上采油、油氣處理和儲油、卸油系統(tǒng),但更主要的是用于深水采油與海底采油系統(tǒng)(包括海底采油樹、海底注水井井口、海底管匯、立管管匯和控制系統(tǒng)等)組合成為完整的深水采油、油氣處理、原油存儲和卸油系統(tǒng)。FPSO在海上油氣田開發(fā)生產(chǎn)中與平臺的井口連接,也與油氣外輸?shù)拇┧笥痛噙B接。通過固定式單點或懸鏈式單點系泊系統(tǒng)固定在海上,可隨風(fēng)浪和水流的作用360°全方位地自由旋轉(zhuǎn)。利用它的儲油艙可以儲存原油,在FPSO的主甲板上面加設(shè)生產(chǎn)甲板,可以集原油生產(chǎn)、水氣處理于一體,安裝生產(chǎn)處理設(shè)施和公用設(shè)施,并向操作人員提供居住和休息場所,可擔(dān)負起海上油田原油的處理、儲存和外輸?shù)娜柯毮堋?.3.2固定平臺(1)平臺結(jié)構(gòu)及長度鋼質(zhì)樁基式平臺是目前海洋石油開采最常用的采油裝置,由上部組塊、下部導(dǎo)管架、鋼樁和隔水套管、海底管線等組成。它的下部借助插入海底一定深度的數(shù)根鋼樁來固定。這種平臺的優(yōu)點是重量輕、建造速度快,但是造價較高,且造價與水深大致呈指數(shù)關(guān)系增加,因此水深過大,經(jīng)濟性不好(一般認為其經(jīng)濟許可的最大水深范圍為500m左右)。所以該類平臺一般都用于開采淺海海域的大中型海洋油田。鋼質(zhì)樁基式平臺的上部組塊通常由組塊結(jié)構(gòu)、鉆井設(shè)施、生產(chǎn)設(shè)施以及員工生活設(shè)施等構(gòu)成,鋼質(zhì)樁基式平臺的下部導(dǎo)管架為管制桁架結(jié)構(gòu),一座導(dǎo)管架通常有四腿、六腿或八腿(導(dǎo)管),其長度可以從幾米到幾百米。整個平臺的固定主要靠自身重力和鋼樁以及裙樁固定于海底。(2)柱支撐著甲烷結(jié)構(gòu)混凝土重力式平臺的底部通常是一個巨大的混凝土基礎(chǔ)(沉箱),用三個或四個空心的混凝土立柱支撐著甲板結(jié)構(gòu),在平臺底部的巨大基礎(chǔ)中被分隔成許多圓筒型儲油艙或壓載艙,這種平臺的重量可達數(shù)十萬噸,正是依靠自身的巨大重量,平臺直接置于海底。優(yōu)點是相對鋼質(zhì)樁基式平臺更加穩(wěn)定,適用于風(fēng)浪大、水流急、產(chǎn)油量高的海域,如果把重力平臺的底座建成油庫,則經(jīng)濟上較合算。1.3.3適應(yīng)平臺(1)是否可以移動塔作為鋼架結(jié)構(gòu)的考慮結(jié)構(gòu)順應(yīng)塔平臺由甲板、塔體、牽索系統(tǒng)三部分組成。順應(yīng)塔的結(jié)構(gòu)形式主要有牽索式和自由站立式兩種,順應(yīng)的概念是在設(shè)計時考慮了適當(dāng)避開大波浪共震區(qū),塔是一個類似于導(dǎo)管架更為細小的空間鋼架結(jié)構(gòu)。其較經(jīng)濟的水深區(qū)域為300~670m之間(理論上最大可達900m)。根據(jù)有關(guān)文獻,水深在<305m時,鋼質(zhì)樁基式平臺和順應(yīng)塔平臺的造價幾乎相同,水深增加時,牽索塔平臺優(yōu)于導(dǎo)管架平臺。(2)拉緊平臺的風(fēng)力張力腿平臺(TLP)是在半潛式平臺的基礎(chǔ)上,為克服錨泊定位系統(tǒng)中半潛式平臺向深水發(fā)展的障礙而發(fā)展起來的。與一般半潛式平臺不同,其所用的錨索是繃緊成直線的,不是懸垂曲線的,用的錨是樁錨(即打入水底的樁作為錨)或重力式錨(重塊)等,利用繃緊狀態(tài)下的錨索產(chǎn)生的拉力與平臺的剩余浮力使平臺保持平衡。張力腿平臺的重力小于浮力,所相差的力依靠錨索向下的拉力來補償,而且此拉力大于由波浪產(chǎn)生的力,使錨索上仍受向下的拉力,起著繃緊平臺的作用。由于每個張力腿都有很大的預(yù)張力,其在波浪中的運動性能要好于半潛式平臺,這對深海作業(yè)十分有利,且由于隨著水深的增加其自重和造價增加量都較小,因此是一種很有發(fā)展前途的新型深水作業(yè)平臺。(3)規(guī)范平臺結(jié)構(gòu)。在形成黨支部柱體式平臺(SPAR)是在柱形浮標和張力腿平臺(TLP)概念的基礎(chǔ)上提出的一種用于深水的生產(chǎn)平臺。這種平臺由上部組塊、下部單柱式浮體、張力索系泊定位系統(tǒng)及升降系統(tǒng)等構(gòu)成。其上部組塊由一根直徑達數(shù)十米、長一二百米的圓筒形柱體結(jié)構(gòu)支撐。柱體下方用垂向或斜向的張力索系泊定位,具有很好的穩(wěn)性及運動性能。當(dāng)平臺的儲油能力要求不高時,可以將圓筒型主體結(jié)構(gòu)的一部分改為桁架結(jié)構(gòu),并在桁架下部加壓載。目前SPAR平臺的發(fā)展經(jīng)歷了三代。第一代為經(jīng)典式SPAR(ClassicSPAR),是最早出現(xiàn)的SPAR深海采油平臺,該型SPAR平臺最主要的特征就是主體為封閉式單柱圓筒結(jié)構(gòu),體形比較巨大。第二代為構(gòu)架式SPAR(TrussSPAR),它與第一代SPAR平臺最大的不同在于它的主體分為了三個部分,上部和經(jīng)典式SPAR一樣為封閉式圓柱體,中部為開放式構(gòu)架結(jié)構(gòu),下部是底部壓載艙。封閉式主體主要負責(zé)提供浮力,浮艙、可變壓載艙以及儲油艙都位于其中;開放式主體為構(gòu)架結(jié)構(gòu),并采用垂蕩板(HeavePlate)分為數(shù)層;底部壓載艙則主要負責(zé)提供壓載,穩(wěn)定性就由垂蕩板和底部壓載艙提供。第三代為蜂巢式SPAR(CellSPAR),在結(jié)構(gòu)上最大的不同就是其主體不再是單柱式結(jié)構(gòu),而是分為若干個小型的、直徑相同的圓柱形主體分別建造,然后以一個圓柱形主體為中心,其他圓柱形主體環(huán)繞著該中央主體并捆綁在其上,構(gòu)成的封閉式主體,在主體下部,仍然采用了構(gòu)架結(jié)構(gòu),以減少鋼材耗用量。蜂巢式SPAR比其他兩代SPAR擁有更小更輕的主體結(jié)構(gòu),進一步降低了SPAR平臺的造價和安裝運輸費用。2海上項目建設(shè)的基本介紹2.1海洋工程建造基地國外的海洋工程建造基地主要分布在新加坡、韓國、美國、阿聯(lián)酋、印度尼西亞等國家和歐洲,基本都具有海洋工程總包的功能,從產(chǎn)品的研發(fā)、設(shè)計、制造、總體調(diào)試、海上運輸、海上安裝一直到最終交付,是綜合性的海洋工程建造基地。2.2涉水基平臺的海洋工程建造國內(nèi)涉足海洋工程建造的主要有中海油、中石化、中石油等三家國有大型油氣公司,而煙臺萊佛士、中遠集團、天津渤油最近幾年發(fā)展也很快,其他像中船集團、惠生集團也開始涉足海洋工程的建造。中海油是目前國內(nèi)最大的海洋工程建造公司,主要建造基地分布在天津塘沽、青島、深圳赤灣、湛江等,其中天津塘沽、深圳赤灣、湛江基地可以完成固定式樁基平臺上部組塊和導(dǎo)管架的陸上預(yù)制、總裝及裝船;青島基地除了可以完成上述產(chǎn)品外,還涉足深水海洋工程產(chǎn)品的建造,如SPAR、TLP、半潛式平臺和FPSO。中石化勝利油田擁有兩個建造場地,一個位于東營樁西,另一個位于龍口勝利港,兩個場地均可用于固定式樁基平臺上部組塊和導(dǎo)管架的陸上預(yù)制、總裝及裝船等。中石油最近幾年也涉足海洋工程的建造,主要建造基地有青島、寧波象山,雖然涉足的時間較短,但是起點較高,除了可以完成固定式樁基平臺上部組塊和導(dǎo)管架的陸上預(yù)制、總裝及裝船。青島基地除了可以完成上述產(chǎn)品外,也涉足深水海洋工程產(chǎn)品的建造。煙臺萊佛士主要以造船為主,近幾年開始涉足海洋工程,目前發(fā)展較快,世界第一艘圓形SSP300FPSO(海上原油儲存設(shè)施)正在該廠建造,同時為了實現(xiàn)模塊整體吊裝,在船塢上正在建設(shè)兩臺10000噸固定起重機,也創(chuàng)下了國內(nèi)最大起重能力的記錄。其他公司像中遠集團在南通和太倉、惠生集團在南通和舟山、天津渤油在天津和唐山曹妃甸規(guī)劃了海洋工程建造基地,國內(nèi)最大的造船企業(yè)中船集團所屬的各大船廠也具有海洋工程建造能力。2.3高效的配套商供應(yīng)體系能夠創(chuàng)造最大效益國外的海工建造場設(shè)施比較簡陋,配套設(shè)施多為臨時性的,或依靠協(xié)作完成,但場地具有大面積的堆場和完善的總裝下水能力,注重的是良好的生產(chǎn)管理組織,以及強大的配套商供應(yīng)體系,能夠充分合理利用資源,以創(chuàng)造出最大效益為目標。國內(nèi)的海工建造場