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第五章:海洋平台设计(海洋平台介绍)


海洋平台介绍

内容
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概述 海洋平台的分类 各种平台的特点 平台发展的趋势及原因

教学重点:
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海洋平台的分类 各种平台的特点 平台的发展趋势
掌握各种平台的特点

教学难点:
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r /> 概述
海洋平台是在海洋上进行作业的场所。海洋石油钻探与 生产所需的平台,主要分钻井平台和生产平台两大类。在钻

井平台上设钻井设备,在生产平台上设采油设备。平台与海
底片口有立管相通。平台是进行海上钻井与采油作业的一种 海洋工程结构。海洋平台一般都高出海面,能够避免波浪的 冲击。型式有三边形、四边形或多边形。上下两层甲板或单 层甲板面供安装、储存钻井或采油设备用。

教学重点

海洋平台的分类
1、按运动方式,可分为固定式与移动式两大类
桩式
固定式 重力式 海洋平台 船式 浮式 半潜式 独立腿式 坐底式 移动式 坐底式 自升式 牵索塔式 沉垫式

群柱式 桩基式 腿柱式

顺应式
张力腿式

海洋平台的分类(续2)
海上固定平台:一种借助于桩腿扩展基础或用其它 方法支撑于海底,而上部露出水面,为了预定目的 能在较长时间内保持不动的平台。 海上移动平台:指可根据需要从一个作业地点转移 到另一个作业地点的海上平台。它是海洋油气勘探、 开发的主要手段。除了钻井平台以外,生活动力平 台、作业平台、生产储油平台等也可以采用移动平 台的形式。

海洋平台的分类(续1)
2、按功能,海洋平台的分类有钻井平台、生产 平台、生活平台、储油平台等。

Snorre TLP
Drilling capability Topside Limitations (weight)

Columns (can contain equipment etc)

Tension Legs (steel tubular lengths screwed together)

Anchors (various available)

张力腿式平台

导管架式平台

牵索塔式平台

重力式采油平台

教学重点和难点

各种平台的特点
钻井平台
海洋钻井的目的是为了了解海底地质构造及矿

物储藏情况,这项工作通常是由钻井平台来完成的。

各种平台的特点(续1)
海上钻井的设备相当复杂,包括井架(又称 钻塔)、提升设备、转动系统、泥浆循环系统、动 力系统、井口系统、封井系统、水下钻井设备的 控制操作系统、运动补偿系统等。因为海上钻井 要受到风、浪、流的影响,所以比陆上钻井要复 杂得多。

各种平台的特点(续2)
1、坐底式钻井平台
坐底式钻井平台是早期在浅水区域作业的一种移 动式钻井平台。平台分本体与下体,由若干立柱连接 平台本体与下体,平台上设置钻井设备、工作场所、 储藏与生活舱室等。钻井前在下体中灌入压载水使之 沉底,下体在坐底时支承平台的全部重量,而此时平 台本体仍需高出水面,不受波浪冲击。在移动时,将 下体排水上浮,提供平台所需的全部浮力。如属自航 者,动力装置都安装在下体中。坐底式的工作水深比 较小,愈深则所需的立柱愈长,结构愈重,而且立柱 在拖航时升起太高,容易产生事故。由于坐底式平台 的工作水深不能调节,已日渐趋于淘汰。

各种平台的特点(续3)
2、自升式钻井平台
自升式钻井平台是由一个上层平台和数个能够 升降的桩腿所组成的海上平台。这些可升降的柱腿 能将平台升到海面以上一定高度,支撑整个平台在 海上进行钻井作业。这种平台既要满足拖航移位时 的浮性、稳性方面的要求,又要满足作业时着底稳 性和强度的要求,以及升降平台和升降桩腿的要求。 由于自升式平台可适用于不同海底土壤条件和 较大的水深范围,移位灵活方便,便于建造,因而 得到了广泛的应用。目前,在海上移动式钻井平台 中它仍占绝大多数。

各种平台的特点(续4)
3、半潜式钻井平台
半潜式钻井平台,又称立柱稳定式钻井平台。它是大 部分浮体沉没于水中的一种小水线面的移动式钻井平台, 它从坐底式钻井平台演变而来,由平台本体、立柱和下体 或浮箱组成。此外,在下体与下体、立柱与立柱、立柱与 平台本体之间还有一些支撑与斜撑连接,在下体间的连接 支撑一般都设在下体的上方,这样,当平台移位时,可使 它位于水线之上,以减小阻力;平台上设有钻井机械设备、 器材和生活舱室等,供钻井工作用。平台本体高出水面一 定高度,以免波浪的冲击。下体或浮箱提供主要浮力,沉 没于水下以减小波浪的扰动力。平台本体与下体之间连接 的立柱,具有小水线面的剖面,主柱与主柱之间相隔适当 距离,以保证平台的稳性,所以又有立柱稳定式之称。

各种平台的特点(续5)
4、钻井船
钻井船是设有钻井设备,能在水面上钻井和移位的船, 也属于移动式(船式)钻井装置。较早的钻井船是用驳船、矿 砂船、油船、供应船等改装的,现在已有专为钻井设计的专 用船。目前,已有半潜、坐底、自升、双体、多体等类型。 钻井船在钻井装置中机动性最好,但钻井性能却比较差。钻 井船与半潜式钻井平台一样,钻井时浮在水面。井架一般都 设在船的中部,以减小船体摇荡对钻井工作的影响,且多数 具有自航能力。钻井船在波浪中的垂荡要比半潜式平台大, 有时要被迫停钻,。增加停工时间,所以更需采用垂荡补偿 器来缓和垂荡运动。钻井船适于深水作业,但需要适当的动 力定位设施。钻井船适用于波高小、风速低的海区。它可以 在600m水深的海底上进行探查,掌握海底油、气层的位置、 特性、规模、贮量,提供生产能力等

各种平台的特点(续6)
生产平台
生产平台通常又叫浮油平台,是专门从事海上油、气 等生产性的开采、处理、贮藏、监控、测量等作业的平台。 有的是单个平台,也可由几个不同用途的平台扭引桥相连, 组成石油生产基地。按建筑材料可分为钢筋混凝土平台和 钢质平台;按结构型式可分为固定式平台和移动式平台。 固定式平台又可分为桩基式与重力式两种;移动式平台又 可分为自升式与张力腿式、牵索塔式等。

各种平台的特点(续7)
1、重力式采油平台
它一般都是钢筋混凝土结构,作为采油、贮存和处理用 的大型多用途平台,它由底部的大贮油罐、单根或多根立柱、 平台甲板和组装模块等部分组成,规模较大的,可开采几十

口井,贮油十几万吨,平台的总重量可高达数十万吨。各类
平台,根据作业要求,配备相应的采油,处理及生活等设施。

重力式平台
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优点:
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允许较大的顶部装载从加工场地拖航至海上 作业井口地点,因而使得海上吊装带装配工 作大大减少。 底部设有若干圆筒形储油罐,增加了储油能 力。

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结构由于与海底连接程度较好,承受波 浪与海流等外载荷的能力大大提高,工 作水深70m~150m左右。

重力式平台
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在构造上把采油、储油合成一体,采用 钢筋混凝土节约钢材,提高防腐能力, 而且不需要打桩。 建造方式可以利用海岸低洼地方围堤排 水作为工地或把底座在陆上建造到一定 程度下水。

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各种平台的特点(续8)
2、导管架式平台
桩基式平台用钢桩固定于海底。钢桩穿过导管打入海底,并由若干根
导管组合成导管架。导管架先在陆地预制好后,拖运到海上安装就位, 然后顺着导管打桩,桩是打一节接一节的,最后在桩与导管之间的环 形空隙里灌入水泥浆,使桩与导管连成一体固定于海底。这种施工方 式,使陆上工作量减少。平台设于导管架的顶部,高于作业区的波高, 具体高度须视当地的海况而定,一般大约高出4-5m,这样可避免波浪 的冲击。桩基式平台的整体结构刚性大,适用于各种土质,是目前最 主要的固定式平台。但其尺度、重量随水深增加而急骤增加,所以在 深水中的经济性较差。

钢制导管架采油平台
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钢制导管架平台由导管架、桩基和顶部 设施(甲板结构和甲板模块)组成。
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导管架:由若干竖立的钢管、横向和斜向 的钢管连接焊成都空间桁架结构。 桩基:由许多经过导管架打入海底的桩组成。 甲板结构:由桁架、支骨及甲板组成的位于 导管架顶端的结构,通常设两层工作平台, 用以布置生产和生活设施。

各种平台的特点(续9)
3、张力腿式平台
张力腿式平台是利用绷紧状态下的锚索链产生的拉力与平台的剩余 浮力相平衡的钻井平台或生产平台。一般来说,半潜式平台的锚泊定位 系统,都是利用锚索的悬垂曲线的位能变化来吸收平台在波浪中动能的 变化。悬垂曲线链的特征之一是链的下端必须与水底相切,以保证锚柄 不会从水底抬起,这样就可保证锚的抓力。张力腿式平台也是采用锚泊 定位的,但与一般半潜式平台不同,其所用锚索是绷紧成直线的,不是 且悬垂曲线的,钢索的下端与水底不是相切的,而是几乎垂直的。用的 锚是桩锚(即打入水底的桩作为锚用),或重力式锚(重块)等,不是 一般容易起放的转爪锚。张力腿式平台的重力小于浮力,所相差的力可 依靠锚索向下的拉力来补偿,且此拉力应大于波浪产生的力,使锚索上 经常有向下的拉力,起着绷紧平台的作用。

各种平台的特点(续10)
4、牵索塔式平台 牵索塔式平台是一瘦长的桁架结构,其下端依靠重力基 座坐落于海底或是依靠支柱加以支撑,其上端支承作业甲板。 桁架的四周用钢索、重块、锚链和锚所组成的锚泊系统加以 牵紧,使它能保持直立状态。由于这种平台是由锚泊系统牵 紧的,它在小风浪时仅发生微幅摆动;风浪大时,由于桁架 结构摆动幅度大,会把重块拉得离开海底,从而要吸收掉风 浪的一部分能量,因此平台仍可维持在许可范围内摆动。这 种平台结构简单,构件尺寸小,故所受到的风、浪、流的作 用力也小。这种平台能适用于300~600m水深的海域。但若 水深超过600米,则由于要提高桁架的抗弯能力,建造时所耗 用的材料会大大增加,经济上不一定合算。

牵索塔平台
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牵索塔平台由甲板、塔体、牵索系统三部分组 成。 塔体是一个类似导管架的空间钢架结构,用对 称布置的缆索将塔保持正浮状态。 遇到大幅值长周期的风暴波时,系统变软,较 大顺应性出现,因此,牵索塔平台比导管架平 台和重力式平台更适合于深水海域作业。

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FPSO
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浮式生产储油装置(Floating Production Storage and Offloading system,FPSO), 是海洋石油工业集油气生产、储存、外输、生 活、动力于一体的海上油气处理大型设施,目 前已成为海上油气田开发的主流生产方式。 FPSO本身就是一艘大型的船舶,可以有舵,能 自航,也可以无舵,靠拖航就位。该装置通过 固定式单点或悬链式单点系泊系统固定在海上, 可随风浪和水流的作用360°全方位地自由旋 转。

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FPSO
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FPSO通常与采油平台或海底采油系统组 成一个完整的采油、原油处理、储油和 卸油系统。

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工作原理:通过海底输油管线接受从海 底油井中采出的原油,并在船上进行处 理,然后储存在货油舱内,最后通过卸 载系统输往穿梭油轮(Shuttle Tanker)。

FPSO

FPSO

FPSO
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FPSO的主要功能有:
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原油生产和污水处理 在FPSO主甲板以上,可根据生产工艺的要求设置 生产甲板。生产甲板就相当于一座陆地处理厂,在 生产甲板上设置油气生产和污水处理所不可缺少的 设备,如加热器、分离器、冷却器、污水脱油装置、 压缩机、输送泵、安全放空装置等,以及为生产需 要的其它配套设施。处理合格的原油进舱储存;处 理达标的生产污水直接排海或作为油田注水的水源; 分离出来的天然气作为发电机和加热锅炉的燃料, 或输送到陆地供客户使用。

FPSO
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FPSO的主要功能有:
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供电和供热 开发一个油田需要大量的机械设备,而要维持 这些设备和生产流程的正常运转,离了电和热是不 行的。FPSO利用生产过程中分离出来的废气作为燃 料,进行发电和加热锅炉,锅炉产生的热量供生产 流程加热,而所发的电除供给FPSO本身生产和照明 利用外,还可通过海底电缆输送到各井口平台,向 井口平台提供电力。这样,可以减少井口平台上的 设备和重量,简化井口平台的布置,节约工程费用 和操作费用。

FPSO
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FPSO的主要功能有:
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生活基地和生产指挥中心 在FPSO上除了布置生产设施以外,还布置有供 生产操作人员生活和休息的住房。由于FPSO主尺度 较大,为布置住房提供了有利条件,住房定员从几 十人到上百人。住房内除设置卧室和餐厅外,还配 备了专门的会议室、娱乐室、办公室、报房和中央 控制室,不但为FPSO上的操作人员提供宽敞、舒适 的生活和休息环境,还可以监控整个生产流程的运 转情况,为附近平台提供支援和服务,成为油上油 田名副其实的生产指挥中心。

FPSO
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FPSO的主要功能有:
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储存合格的原油 FPSO主甲板下面的舱室,除压载水舱、燃油舱、 淡水舱、机泵舱和部分工艺舱室之外,绝大部分舱 室都是用来储存处理合格的原油的,其储油量从几 万吨到几十万吨,相当于一座海上大油库,和其他 只能储存1~2万吨的全海式开发方案相比,具有独 特而明显的优势。FPSO的设计吨位和原油储存能力 视油田海域的水深和油田的产能而定,一般应能储 存油田10天以上的产量,否则,需要穿梭油轮频繁 地停靠外输,受气候影响较大。

FPSO
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FPSO的主要功能有:
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外输合格的原油 FPSO还可兼做海上输油码头,供穿梭油 轮停靠,通过输油泵、计量系统和输油软管 将合格的原油输送到穿梭油轮上外运销售。 穿梭油轮可以旁靠,也可以串靠FPSO。

FPSO
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FPSO与其他海洋平台相比,有明显优势, 主要表现在如下方面:
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生产系统投产快,投资低,若采用油船改装 成FPSO,优势更为明显,而且目前很容易找 到船龄不高,工况适宜的大型油船。 甲板面积宽阔,承重能力与抗风浪环境能力 强,便于生产设备布置。

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FPSO
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FPSO的主要优点:
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储油能力大,船上原油可定期、安全、快速 地通过卸油装置卸入穿梭油船中运输到岸上, 穿梭油船不仅可与FPSO串联,也可旁靠FPSO 系泊。最新FPSO还具备了海上天然气分离压 缩罐装能力,提高了油田作业的经济性。 应用灵活,移动方便,其海上自航能力是其 他海洋平台系统所不具备的,因此,FPSO可 根据作业需要和实际情况迅速转换工作海域 和回厂检修。

教学重点

平台发展的特点及原因
经过近百年的发展,平台得到了很大的 发展,其发展特点为: 由木质平台发展到钢质平台 由固定式平台发展到移动式平台 由浅海平台发展到深海平台

平台发展的趋势及原因(续1)
发展的原因主要有: (1)技术的发展 (2)开采活动由浅海发展到深海 (3)平台重复使用的考虑 (4)平台性能改善的要求

深海油气开发现状
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海洋油气勘探开发已从浅海扩大到中深海域(100~ 500m) 、深海(500~1 500m) 、甚至超深海( 1500 m 以上),在一次又一次刷新深水油气开发记录后,本世 纪初,石油工业已经把目光投向蕴藏在3000m海底的油 气藏。深水油气开发正在成为世界石油工业的主要增

长点和科技创新的前沿。
深水油气田开发中,传统的导管架平台和重力式平台正 逐步被深水浮式平台和水下生产系统所代替。

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深海油气开发现状
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目前,全世界已有2300多套水下生产设施、204座深水 平台运行在全世界各大海域,最大工作水深张力腿平台 (TLP)已达到1434m、SPAR为2073m、浮式生产储油装置 (FPSO)为1900m、多功能半潜式平台达到1920m以上、 水下作业机器人(ROV)超过3000m,采用水下生产技术开 发的油气田最大水深为2192m,最大钻探水深为3095m。 与此同时,深水钻井装备和铺管作业技术也得到迅速发 展,全世界已有14艘在役钻探设施具备进行3000m水深 钻探作业能力,第5代、第6代深水半潜式钻井平台和钻 井船已在建造中。第6代深水钻井船的工作水深将达到 3658m,钻井深度可达到11000m;深水起重铺管船的起 重能力达到14000吨,水下焊接深度为400m,水下维修深 度为2000m,深水铺管长度达到12000km) 。

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深海油气开发现状
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中国海洋石油总公司已拥有15艘钻井装备和蓝疆号大 型海上起重铺管船,其中3艘钻井装备作业水深在300 m 以上,最大钻探水深达到505m,大型起重铺管装备的起 重能力达到3800吨。目前,中国海洋石油总公司正在启 动深水钻井、铺管装备等方面的前期研究;我国的FPSO 建造速度和建造质量已达到国际先进水平,平均建造周 期为 22个月/艘,远远低于发达国家36个月/艘的平均建 造周期 。

3维海洋平台

中油海61号自升式平台

中油海82号坐底式平台

Maverik++做出的平台模型

半潜式平台

自升式平台

固定导管架式钢质平台

风浪中的海洋平台

海洋平台系统

世界上最大的海洋平台(宽75m,长126m,高100m)

新型深海平台
The MinDOC 3, with its vertical columns arranged in a triangular shape and connected to pontoons, at first looks like a semisubmersible. However, the unit behaves like a spar in terms of stability and dynamic response to waves.

MinDOC

新型深海平台
The MinDOC 3 hull can accommodate traditional rectangular topsides, but BASS has designed an efficient, modular, triangular topsides. The MinDOC 3 hull being built for ATP will have a Tshaped topsides and will have top-tensioned risers.

SEVAN HULL
The Sevan FPSO is used as a floating production and storage for hydrocarbons.
The hydrocarbons are stored in tanks in the hull of the platform and are transported by shuttletankers or by pipe line to onshore refineries.

.The hull is fitted with machinery, power generators,

transformators, electric boards, fire control systems, ballast pumps and cargo pumps. The FPSO also has a processing plant for hydrocarbons installed on deck. Depending on characteristics of the field, the processing plant has different modules for processing oil, gas, and water. The oil is brought from the reservoir through one or more risers from the wellhead on the sea bed up to the platform. Gas and water is separated from the oil. The gas can be treated in several ways. It can be flared, re-injected into the well or used in the operations of the processing plant. The water is re-injected into the reservoir or realeased into the ocean after satisfactory cleaning. Injecting sea water into the well may be relevant.

FPSO

MSV:
MULTIPURPOSE SUPPORT VESSEL

FDPSO

Versabuoy
Concept scales to very large buoy arrays Low deck motion allows for rigid connections between deck modules
Decks are connected via simple rigid pin connections and are supported by multiple buoy modules

Versabuoy


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