張希華

自1997年第一臺(tái)SPAR誕生至2009年，世界上已建成19座。14年來，SPAR平臺(tái)未曾發(fā)生過任何安全事故，可以說它是一種安全、多功能、高效率的設(shè)備。但目前除美國以外，其他國家涉獵很少。因此，業(yè)界專家強(qiáng)烈呼吁，我國應(yīng)在此領(lǐng)域投入較大人力、物力和財(cái)力資源，以期研究設(shè)計(jì)和建造出具有中國特色的SPAR來滿足日益增長的鉆探和采油平臺(tái)需求。

SPAR平臺(tái)是一種用于深海油氣開發(fā)、生產(chǎn)、處理、加工和儲(chǔ)存的海洋結(jié)構(gòu)物。與其他平臺(tái)形式相比，SPAR平臺(tái)可應(yīng)用于深達(dá)3000米水深處的石油生產(chǎn)；具有較大的有效載荷；剛性生產(chǎn)立管位于中心井內(nèi)部；由于其浮心高于重心，因此能保證其無條件的穩(wěn)定；與其他浮體結(jié)構(gòu)相比，具有更好的運(yùn)動(dòng)特性；殼體可以為鋼結(jié)構(gòu)或是水泥結(jié)構(gòu)；可以低成本儲(chǔ)藏石油；系泊系統(tǒng)的建造、操縱和定位較為容易；立管等鉆井設(shè)備能裝置在SPAR內(nèi)部，從而得到有效的保護(hù)?？偟膩碚f，SPAR平臺(tái)不僅可以顯著地提高有效荷載，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低制造成本，與其他深海平臺(tái)相比，其錨泊系統(tǒng)投資成本降低，同時(shí)便于安裝和長期重復(fù)使用。

正因?yàn)榫哂猩鲜鎏攸c(diǎn)，而且能夠很好地滿足500到3000米水域中石油的鉆探、生產(chǎn)和儲(chǔ)存，SPAR平臺(tái)已經(jīng)逐漸變成最具吸引力和發(fā)展?jié)摿Φ钠脚_(tái)形式之一，被很多石油公司列為新一代的海洋石油開采平臺(tái)。

其實(shí)，SPAR平臺(tái)的概念對(duì)業(yè)界來說并不陌生，它的技術(shù)早在30年前就在海洋工程中得到應(yīng)用，那時(shí)的SPAR是一種儲(chǔ)油和卸油的浮筒裝置。1987年，“Edward E.Horton”在柱形浮筒和張力腿平臺(tái)概念的基礎(chǔ)上提出了一種用于深海作業(yè)的生產(chǎn)平臺(tái)，命名為Neptune，并于1997年建成作業(yè)于墨西哥海灣油田，水深為588米。

目前，國外正在使用的SPAR平臺(tái)主要有三代，分別是傳統(tǒng)單柱平臺(tái)、桁架式單柱平臺(tái)和多柱式單柱平臺(tái)。這類平臺(tái)主要由頂部模塊、殼體、系泊系統(tǒng)和立管4部分組成。

其中，傳統(tǒng)單柱平臺(tái)的頂部模塊是一個(gè)多層桁架結(jié)構(gòu)，它可以用來進(jìn)行鉆探、采油，維修、產(chǎn)品處理或其他組合作業(yè)。負(fù)責(zé)支撐鉆探設(shè)備和生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)鉆探甲板及中間甲板與固定平臺(tái)的甲板很接近，井口布置在中部。

傳統(tǒng)單柱平臺(tái)的主體是一個(gè)大直徑、大吃水的具有規(guī)則外形的浮式柱狀結(jié)構(gòu)。水線以下部分為密封空心體，從而提供浮力，名為浮力艙，艙底部一般裝壓載水或用來儲(chǔ)油，中部由錨鏈呈懸鏈線狀錨泊于海底。它有4種形式的艙。第一種是硬艙，位于殼體的上部，它們的作用是提供平臺(tái)的浮力。中間部分是儲(chǔ)存艙，在建造平臺(tái)時(shí)底部為平衡/穩(wěn)定艙，當(dāng)平臺(tái)已經(jīng)應(yīng)用于海里作業(yè)時(shí)，這些艙室則轉(zhuǎn)化為固定壓載艙，主要用于降低重心高度。最后，還有一些壓載艙用于吃水控制。

傳統(tǒng)單柱平臺(tái)通過鋼懸索系泊系統(tǒng)來定位，系泊索包括海底樁鏈、錨鏈和鋼纜。錨所承受的上拔載荷由打樁或負(fù)壓法安裝的吸力錨來承擔(dān)。導(dǎo)纜孔通常位于硬艙的下部。系泊結(jié)構(gòu)不僅與載荷大小有關(guān)，還與水深有關(guān)。在設(shè)計(jì)SPAR的系泊系統(tǒng)時(shí)，通常要求即使在一根系泊索斷開的情況下，仍然可以抵御百年一遇的惡劣海況。系泊系統(tǒng)可以預(yù)先安裝好，在殼體就位后進(jìn)行連接。立管系統(tǒng)主要由生產(chǎn)立管、鉆探立管、輸出立管以及輸送管線等部分組成。

第二代的桁架式SPAR的概念是DOT公司和SPAR Intrenational公司從1996年起經(jīng)過大量的工作，歷時(shí)5年后提出的，并于2000年2月份第一次應(yīng)用于“Nansen/Boomvang”油田。

與傳統(tǒng)單柱平臺(tái)相比，桁架式平臺(tái)最大的優(yōu)勢在于其建造時(shí)對(duì)鋼材的用量大大降低，從而能有效的控制建造費(fèi)用，因此得到廣泛的應(yīng)用。

它的設(shè)計(jì)概念是應(yīng)用桁架結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)單柱平臺(tái)柱體的中部結(jié)構(gòu)，作為連接頂部硬艙和底部軟艙的結(jié)構(gòu)，這個(gè)桁架部分是一個(gè)類似于導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的空間鋼架，同傳統(tǒng)單柱的金屬圓柱結(jié)構(gòu)相比，可以節(jié)省50%的鋼材。

桁架式單柱平臺(tái)的中部結(jié)構(gòu)和軟艙部分使用較少的鋼材料，所以建造成本較為便宜；總體吃水減小，使得單個(gè)部分的建造、運(yùn)輸變得更加便捷；由于中部結(jié)構(gòu)為開放式的撐桿，降低了環(huán)流造成的拖拽載荷；殼體的渦激振蕩響應(yīng)減小了；剛性立管可以從開放式的桁架中間穿過而無需穿過硬的殼體。

由于傳統(tǒng)單柱平臺(tái)和桁架式平臺(tái)的主體部分都包含大直徑的圓柱體，對(duì)建造工藝的要求很高。因此，另一種新型的，被稱為多柱式的平臺(tái)被設(shè)計(jì)出來。目前正在建造中。多柱式平臺(tái)的最大優(yōu)點(diǎn)在于同現(xiàn)有的兩種SPAR平臺(tái)相比，不僅降低了建造難度，而且性價(jià)比更高。這種新型的多柱式SPAR的上部結(jié)構(gòu)由6個(gè)外圓柱圍繞一個(gè)中心圓組成。這些上部圓柱提供整體所需浮力，下部通過將外圓柱中的三個(gè)延伸到底部構(gòu)成。壓載艙包含在這些圓柱腿的底部，從而確保平臺(tái)具有足夠的穩(wěn)性。同大多數(shù)已經(jīng)投入使用的SPAR平臺(tái)一樣，由于浮心高于重心，多柱式平臺(tái)同樣是無條件穩(wěn)定的。

在建造過程中，圓柱體由滾壓機(jī)制成，并通過自動(dòng)焊接機(jī)焊接在一起，同時(shí)，內(nèi)部的環(huán)形加強(qiáng)構(gòu)件也由相同的自動(dòng)焊接機(jī)焊接到圓柱體部件上。而這種工藝在壓力艙和固定平臺(tái)的制造過程中已經(jīng)使用了很多年。當(dāng)需要更大直徑的中心井時(shí)，可以考慮更多的外圓柱，例如8根或者更多。但是，多柱式平臺(tái)中的其它一些結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還有待進(jìn)一步完善。

我國對(duì)于SPAR平臺(tái)的研究工作開始于1971年，當(dāng)時(shí)受石油部的委托，由上海海樂應(yīng)用技術(shù)研究所的高級(jí)工程師海飛負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的研究，并提出圖紙和計(jì)算書等上百份，比美國的研發(fā)工作還早了十多年，可謂是此項(xiàng)工程研究的開拓者。從2004年開始，研究所繼續(xù)加大了此項(xiàng)目的研發(fā)力度。目前，上海海樂應(yīng)用技術(shù)研究所研發(fā)的SPAR具有四大顯著特點(diǎn)，其中包括鉆桿和隔水管的布局有突破性構(gòu)思，可大幅度提高工作效率；井口布置的設(shè)計(jì)新穎，可提高安全性；鉆探平臺(tái)，移動(dòng)頻繁，故上部模塊沒入水中，下裝三個(gè)自由度可活動(dòng)的螺旋槳，具有自航、拖帶和定位等多種功能；免去系泊索具，大大降低了施工成本和施工難度。

由于人力、物力和財(cái)力的限制，該所的研發(fā)和設(shè)計(jì)并不是十全十美的，尚存在非常巨大有待開發(fā)空間，如在SPAR的水動(dòng)力性能和強(qiáng)度等方面尚需戰(zhàn)略合作伙伴中國船舶科學(xué)研究中心（702研究所）進(jìn)行大量的試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)和計(jì)算等后續(xù)工作，進(jìn)而設(shè)計(jì)出更為人性化的SPAR平臺(tái)，以滿足海洋石油開發(fā)業(yè)主的需求。