嚴(yán)家穎，李義敏

（深圳市惠爾凱博海洋工程有限公司, 深圳 518067）

1 前言

海上油氣資源的開采方式，是采用浮式生產(chǎn)裝置。目前的浮式生產(chǎn)裝置，主要分為四種類型：TLP 平臺(tái)、FPSO、SPAR 平臺(tái)以及SEMI 平臺(tái)。這四種浮式生產(chǎn)裝置適用范圍不太一樣且各有特點(diǎn)。

（1）TLP 平臺(tái)，又稱為張力腿平臺(tái)。其特點(diǎn)是：對(duì)水深要求比較高，適用于較淺的海域。當(dāng)水深超過(guò)1 500 m 時(shí)，張力腿平臺(tái)的制作價(jià)格會(huì)迅速增加，并且平臺(tái)的技術(shù)和安裝難度等也會(huì)增大。至目前為止，張力腿平臺(tái)（TPL）的最大工作水深為1 524 m。

（2）SPAR 平臺(tái)，又稱為單柱式平臺(tái)。這種平臺(tái)的特點(diǎn)是：理論上不受水深影響，但如果水深過(guò)大，那么平臺(tái)立管的重量及張緊器的頂張力也會(huì)增大，若采用浮力罐張緊器，就需要大體積的浮力罐，平臺(tái)的成本會(huì)上升；而且為了安裝以及操作的便利，保證浮力罐不受海流的影響，浮力罐的長(zhǎng)度一般都設(shè)計(jì)在70 m 以下；采用液（氣）壓張緊器，則需要足夠大的可變載荷，因平臺(tái)的可變載荷較小，無(wú)法提供足夠大的可變載荷。

（3）SEMI 平臺(tái)，又稱為SEMI。與TLP 平臺(tái)和SPAR 平臺(tái)相比，SEMI 平臺(tái)有著很多優(yōu)點(diǎn)：它既不像張力腿平臺(tái)那樣對(duì)水深要求比較高，又不像SPAR 平臺(tái)那樣可變載荷較小，它的可變載荷更大，可以滿足張緊器的要求。因此，SEMI 平臺(tái)不受水深限制，既可用于淺水區(qū)域，也可以用于深水海域；另外，從生產(chǎn)制造和平臺(tái)安裝的角度考慮，SEMI 平臺(tái)還可以在碼頭安裝和整體拖航船體，安裝難度小，制作價(jià)格和安裝價(jià)格都相對(duì)低一些；并且SEMI 平臺(tái)的面積更大，裝載能力更強(qiáng)，生產(chǎn)設(shè)備的布置空間裕量更大，能布置的設(shè)備也更多一些。因此，SEMI 在海上油氣田開采中的應(yīng)用比較多。目前國(guó)內(nèi)外正在使用的SEMI平臺(tái)有51座，其中由鉆井平臺(tái)改造成生產(chǎn)平臺(tái)有25 座，其余的為新建平臺(tái)。

20 世紀(jì)70 年代，美國(guó)實(shí)現(xiàn)了第一次由鉆井平臺(tái)改造為生產(chǎn)平臺(tái)，第一座SEMI 也因此出現(xiàn)，它的結(jié)構(gòu)為單層甲板、多浮箱、多立柱、無(wú)橫撐設(shè)計(jì)；1986 年，世界上首座新設(shè)計(jì)并且直接投產(chǎn)于海上油氣生產(chǎn)的SEMI被發(fā)明出來(lái)，它被稱為Balmoral FPV，投產(chǎn)于北海。平臺(tái)結(jié)構(gòu)的為箱型甲板，由4根立柱（圓形）支撐著甲板，甲板下是兩個(gè)浮箱，有2 個(gè)橫撐。

世界上首座混凝土型式的SEMI，于1995 年制造出來(lái)，它是目前世界上最大的SEMI，也投產(chǎn)于北海海域。這座混凝土結(jié)構(gòu)的SEMI 也采用了4 立柱的支撐方式，浮箱的類型為環(huán)形，沒有橫撐，甲板是單桁架式，它的排水量達(dá)到180 000 t。

世界上首座以鋼結(jié)構(gòu)的環(huán)形浮箱型式的SEMI 于1999 年制造出來(lái)，投產(chǎn)于北海海域。它的甲板采用了箱型甲板結(jié)構(gòu)，采用了4 根立柱支撐甲板，立柱下采用環(huán)形浮箱，擁有2 個(gè)橫撐結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，新建的SEMI 結(jié)構(gòu)型式逐漸確定并且固定下來(lái)，一般都采用環(huán)形浮箱，浮箱上面為4 根立柱，立柱上為甲板的船體型式。

2021 年6 月，我國(guó)研發(fā)的“深海一號(hào)”SEMI 投產(chǎn)成功。它為全球第一座100 000 t 級(jí)的深水半潛平臺(tái)，整體高度達(dá)120 m，按照嚴(yán)格的不回塢檢修標(biāo)準(zhǔn)和百年一遇的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和建造，其不回塢的年限高達(dá)30 年，并且疲勞壽命更高達(dá)150 年。平臺(tái)結(jié)構(gòu)采用4 個(gè)方形倒圓角立柱，環(huán)形浮體，桁架式組塊組成。

2 SEMI 的組成

SEMI 的主要構(gòu)成部分為：水下浮體（為平臺(tái)提供浮力）、立柱（支撐上部甲板和浮體）、上部組塊（甲板和生產(chǎn)模塊）、橫撐（部分平臺(tái)擁有）等。

2.1 水下浮體

水下浮體是SEMI 能夠?qū)崿F(xiàn)在海上作業(yè)的基礎(chǔ)，它主要為平臺(tái)提供在海上生產(chǎn)需要的浮力，是SEMI 的重要組成部件之一。浮體的內(nèi)部經(jīng)過(guò)分隔后可以設(shè)置為液艙，用于儲(chǔ)存生產(chǎn)平臺(tái)日常消耗所需的消耗品或生產(chǎn)時(shí)的需要。如：生產(chǎn)平臺(tái)上所需的壓載艙；儲(chǔ)存生產(chǎn)設(shè)備所需的燃油艙、生產(chǎn)及工作人員日常生活所需的淡水艙等；泵艙、推進(jìn)裝置艙等設(shè)備存放艙室等。充分利用浮體提供浮力功能，還能緩解空間使用壓力。

浮體型式目前主要有兩種型式：一種為下體式；另一種為浮箱式。浮箱的外形又有多種，目前應(yīng)用環(huán)形浮箱的比較多，立柱均勻分布固定于環(huán)形浮箱上。

雙浮箱相對(duì)于環(huán)形浮箱來(lái)說(shuō)，在平臺(tái)進(jìn)行拖航的時(shí)候的阻力較小，有利于平臺(tái)的遷移及航行；但是雙浮箱的設(shè)計(jì)對(duì)平臺(tái)總體強(qiáng)度沒有環(huán)形浮箱的好，需要增加橫撐設(shè)計(jì)。反之，環(huán)形下浮體的設(shè)計(jì)比雙浮箱設(shè)計(jì)的拖航阻力更大些，不利于平臺(tái)的遷移航行；但浮體所受載荷分布均勻，平臺(tái)擁有比較好的總體強(qiáng)度。由于平臺(tái)只是在安裝結(jié)束后需要遷移至特定地點(diǎn)，其余時(shí)間一般都是永久系泊作業(yè)，所以平臺(tái)遷航的阻力對(duì)平臺(tái)的設(shè)計(jì)影響較小，而作業(yè)過(guò)程中可能承受的環(huán)境載荷較大，需要較高的總體強(qiáng)度，因此新建的SEMI更傾向于應(yīng)用環(huán)形浮箱。

2.2 立柱

2.2.1 立柱布置

立柱用于給上部生產(chǎn)甲板提供支撐，是浮體與上部甲板之間的連接件，也是SEMI的重要組成部件之一。立柱與下浮體連通，所以一般都設(shè)有與下浮箱連接的通道；立柱一般比較長(zhǎng)，立柱中間可以布置水平的平臺(tái)進(jìn)行分隔；考慮到破損穩(wěn)定，需要實(shí)行必要的周向分離，立柱上下端的隔艙也可以用作其它用途。

2.2.2 立柱的截面型式

立柱的截面型式主要有：圓形、三角形倒圓角形和方形倒圓角形三種。

立柱主要用以支撐平臺(tái)甲板，它的截面面積決定著平臺(tái)的穩(wěn)定和生產(chǎn)排水量。圓形截面能夠均勻的分布其所受到的外界載荷，具有較好的力學(xué)性能，但是圓形截面的有效面積較?。环叫蔚箞A角形截面的立柱在同樣的尺寸下有效面積最大，好的穩(wěn)定性及更大的生產(chǎn)排水量能給平臺(tái)帶來(lái)更好的效益，所以一般新平臺(tái)的設(shè)計(jì)大都采用方形倒圓角形截面型式的立柱；三角形倒圓角形截面的立柱，更多的是為了創(chuàng)新設(shè)計(jì)產(chǎn)品，應(yīng)用并不廣泛。

2.3 主甲板

平臺(tái)的甲板主要是給生產(chǎn)模塊以及工作人員提供場(chǎng)地，用于放置生產(chǎn)模塊所需的設(shè)備，以及工作人員的日常生活場(chǎng)地。甲板的型式有三種類型：整體式的箱型、開放式的桁架式以及兩種結(jié)合的混合式，這三種型式的甲板各有特點(diǎn)。

2.3.1 箱式甲板

箱式甲板，結(jié)構(gòu)型式為板殼，其優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度好，擁有好的大傾角穩(wěn)性，甲板與立柱連接簡(jiǎn)單，載荷通過(guò)艙壁傳到立柱；但箱式甲板的不足是比較封閉，不便于通風(fēng)，并且制造時(shí)甲板與船體需要同時(shí)建造，難度比較大，鋼結(jié)構(gòu)占比也較大，鋼材使用量較多。

2.3.2 桁架式甲板

桁架式甲板，主要的構(gòu)成方式為桁架式結(jié)構(gòu)。桁架式甲板與箱型甲板相反，甲板呈開放式，甲板支撐梁與立柱支柱連接，甲板載荷主要由梁傳遞。桁架式甲板的特點(diǎn)，是甲板與立柱體比較獨(dú)立，甲板和船體可以各自制作，制造難度小，甲板的鋼結(jié)構(gòu)占比較小，而且空間開放，有利于生產(chǎn)制造及設(shè)備運(yùn)行時(shí)的通風(fēng)。

2.3.3 混合式甲板

混合式甲板為箱型與桁架結(jié)構(gòu)的結(jié)合。混合式甲板通常四角為與箱式甲板類似，為板殼結(jié)構(gòu)；四角之間又與桁架式結(jié)構(gòu)類似，通過(guò)桁架架構(gòu)連接?；旌鲜郊装宓奶攸c(diǎn)，結(jié)合了箱型和桁架型兩種形式，它繼承了箱式甲板的總體強(qiáng)度好，甲板與船體的連接較簡(jiǎn)單，大傾角穩(wěn)性好；但甲板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，甲板的質(zhì)量大，安裝難度大，難以利用岸吊或浮吊實(shí)現(xiàn)總體安裝，一般多采用頂升或浮拖法安裝。

2.4 生產(chǎn)模塊

海上開采出來(lái)的資源并不能直接進(jìn)行存儲(chǔ)外輸，需要進(jìn)行介質(zhì)的分離、除雜及對(duì)開采出來(lái)的原油進(jìn)行穩(wěn)定等，最后符合儲(chǔ)存和外銷的條件后才是合格的產(chǎn)品。

SEMI 的生產(chǎn)工藝模塊的主工藝流程為：對(duì)開采出來(lái)的油氣水在三相分離器中進(jìn)行油氣水的分離：分離后，對(duì)于原油去除原油中的輕組分；對(duì)于生產(chǎn)水進(jìn)行除油處理，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)于伴生氣，用作平臺(tái)燃料或由火炬燒掉（部分平臺(tái)會(huì)進(jìn)行LPG 回收）；最后對(duì)處理結(jié)束的原油進(jìn)行儲(chǔ)存及外輸?shù)?。具體包括：原油處理工藝系統(tǒng)、生產(chǎn)水處理工藝系統(tǒng)、生產(chǎn)輔助系統(tǒng)、公用系統(tǒng)等。

2.4.1 原油處理系統(tǒng)

原油處理系統(tǒng)是平臺(tái)的主工藝流程。對(duì)開采出來(lái)的氣液通過(guò)其物性的差異進(jìn)行分離，通常為根據(jù)密度不同進(jìn)行分離，常見的分離方法為重力分離；除了這一種方法外，基本的分離方法還要兩種，分別為離心分離和碰撞和聚結(jié)分離。分離器是這流程的核心設(shè)備，常用的分離器又分立式分離器和臥式分離器，液氣比不同，選用的型式也不同。

經(jīng)過(guò)分離器分離后的原油還會(huì)含有輕組分，在儲(chǔ)存及運(yùn)輸中容易造成原油損耗，因此在儲(chǔ)存前需除去原油中的輕組分，即原油的穩(wěn)定處理，一般采用閃蒸法或分餾法兩種。

2.4.2 生產(chǎn)水處理系統(tǒng)

在原油處理過(guò)程中分離出來(lái)的水多少還會(huì)含有污油，需要將水中的污油降至排放標(biāo)準(zhǔn)后才能排放。這種含油污水的污油含量較少，有些油粒比較小，因此對(duì)不同直徑的油粒的分離方式也不太一樣：第一種方式，主要是除去水中大的油粒（>50μm），將浮于水上的油進(jìn)行分離；第二種方式，主要是除去水中小的油粒（20～50μm），用外部因素使微小的油粒和水進(jìn)行分離，如浮選；第三種方式是過(guò)濾，根據(jù)溶解度不同或過(guò)濾介質(zhì)的吸附性能，使油吸附或溶解到過(guò)濾介質(zhì)上，如活性炭過(guò)濾。常見的生產(chǎn)水處理設(shè)備，主要有自由沉降罐、水力旋流器、浮選等等。

2.4.3 輔助系統(tǒng)及公用系統(tǒng)

除了原油處理的主工藝流程外，還有各類用于輔助或者公用的系統(tǒng)。這些輔助及公用系統(tǒng)，主要是在原油處理工藝上給予主工藝流程一定的生產(chǎn)環(huán)境及條件，它們與主工藝流程關(guān)系緊密。如：熱介質(zhì)油系統(tǒng)，在原油處理過(guò)程中給生產(chǎn)系統(tǒng)提供熱能，使生產(chǎn)能控制在需要的溫度；化學(xué)藥劑系統(tǒng)，在原油處理過(guò)程中提供所需化學(xué)藥劑，使生產(chǎn)能正常運(yùn)行等；輔助及公用系統(tǒng)包括但不限于上述系統(tǒng)，它們都是不可或缺的，它們與主工藝系統(tǒng)組成平臺(tái)的整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)，原油才得以安全完成開采、處理以及儲(chǔ)存外輸?shù)攘鞒獭?/p>

3 新型SEMI 及發(fā)展趨勢(shì)

干式采油樹不適用于SEMI 平臺(tái)，這也是SEMI 平臺(tái)相對(duì)于其他幾種平臺(tái)較為不足的地方。采用干式采油樹的好處是擁有更好的生產(chǎn)控制效果，在生產(chǎn)能力少或者不生產(chǎn)時(shí)，可自行修井；而且可以很大程度減小平臺(tái)的維修運(yùn)營(yíng)成本以及減少停產(chǎn)的時(shí)間。為了優(yōu)化SEMI 的性能，國(guó)外提出了幾種較為成熟的SEMI 的設(shè)想，使其能夠適用干式采油樹。如：可伸展吃水半潛平臺(tái)、自由懸掛固體壓載艙半潛平臺(tái)等。

3.1 新型SEMI 及發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)外設(shè)計(jì)公司提出的幾種新型SEMI 都有很多共同之處，這些共同的特點(diǎn)也體現(xiàn)了SEMI 未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)及所需解決的技術(shù)難題。現(xiàn)有的SEMI 不適用干式采油樹是因?yàn)槠脚_(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)太大，所以新型SEMI 平臺(tái)的設(shè)計(jì)概念主要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，降低平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)：

（1）設(shè)計(jì)深吃水型式。從增加立柱長(zhǎng)度的角度去設(shè)計(jì)，使得吃水變深，下浮體受海面的的影響降低，平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)將會(huì)明顯的減?。?/p>

（2）設(shè)計(jì)垂蕩板。垂蕩板的作用是來(lái)降低其垂向運(yùn)動(dòng)幅值，達(dá)到降低平臺(tái)垂蕩值的目的；

（3）雙層下浮體。設(shè)置兩層下浮體，使得在水下的質(zhì)量增大，增加阻尼；所增加的第二層浮體吃水深，使浮體受海浪的影響降低，而且其內(nèi)部壓載可以降低平臺(tái)的重心，還可以提高平臺(tái)穩(wěn)定性。

3.2 新型SEMI 的技術(shù)瓶頸

（1）隨著SEMI 平臺(tái)吃水增大及立柱長(zhǎng)度增加，平臺(tái)在水下產(chǎn)生的渦激運(yùn)動(dòng)跟著變得更加嚴(yán)重；

（2）隨著平臺(tái)增加了垂蕩板或二層下浮體，縱/橫搖的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度增大，運(yùn)動(dòng)周期減小，不利于平臺(tái)的穩(wěn)定性；

（3）新型SEMI 平臺(tái)垂蕩板和二層下浮體吃水深度比較深，一般超過(guò)50 m，新結(jié)構(gòu)的安裝和可靠性存在不確定性，安裝方法目前還沒有實(shí)際應(yīng)用，因此需要格外注意。

4 總結(jié)

本文介紹了半潛式平臺(tái)SEMI 的構(gòu)成和各組成部件的類型、特點(diǎn)以及功能，并簡(jiǎn)述了SEMI 的發(fā)展歷程以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和技術(shù)瓶頸。希望本文可以幫助相關(guān)人員加深對(duì)SEMI 的了解，并針對(duì)SEMI 的技術(shù)瓶頸進(jìn)行攻破。