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[其他] 海洋油气开发和海洋平台发展与现状

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发表于 2010-6-30 21:30 | 显示全部楼层 |阅读模式

前段时间做的一个presentation,关于海洋石油和平台一些科普性的知识介绍,搜集了一些文献资料(部分可能较老),希望对刚接触海工的同志们一些帮助~

海洋油气开发和海洋平台发展与现状

随着全球对工业化、城市化、现代化的需求,能源已成为当今不可代替的一件必需品,同时由于其的不可再生性,也成为了一件价值高昂的昂贵品,其中石油更是能源中的引导与主干,石油的开采与争夺也早已纳入了各个国家战略体系,近十几年,陆上油气勘探程度较高,发现油气田规模较小,新增储量对世界油气储量增长的贡献降低。相比之下世界海洋油气勘探开发迅速发展不断获得重大发现,发现的油气田规模大产能高,其油气产量占世界总产量比例不断增加因此,研究全球海洋油气资源勘探开发现状分析把握其发展趋势对于促进世界石油工业可持续发展、增加油气产量保障能源安全具有重要意义,对推进我国海洋油气勘探开发具有重要借鉴意义。

在国际大形势的驱动之下,海洋油气的开采变的尤为重要,下面这篇文章就海洋工程的发展及现状分析,全球海洋的油气分布情况,和海洋平台的种类三个方面做一定的介绍与研究。

海洋工程的发展及现状分析

海洋工程是海上的油气开采与运输加工的基础,海洋油气资源开发装备是目前海洋工程装备的主体,包括各类钻井平台、生产平台、浮式生产储油船、卸油船、起重船、铺管船、海底挖沟埋管船、潜水作业船等。

另外海洋工程装备属于高投入、高风险产品,从事海洋工程装备建造的厂商须具有完善的研发机构、完备的建造设施、丰富的建造经验以及雄厚的资金实力。目前全球主要海洋工程装备建造商集中在新加坡、韩国、美国及欧洲等国家,其中新加坡和韩国以建造技术较为成熟的中、浅水域平台为主,目前也在向深水高技术平台的研发、建造发展,而美国、欧洲等国家则以研发、建造深水、超深水高技术平台装备为核心。

按照业务特点和产品种类,海洋工程装备建造商可分为三大阵营。处于第一阵营的公司主要在欧美,它们垄断着海洋工程装备开发、设计、工程总包及关键配套设备供货;第二阵营是韩国和新加坡,它们在总装建造领域快速发展,占据领先地位;我国还处于制造低端产品的第三阵营。

第一阵营:欧美企业的技术领导地位与其长期海洋油气开发实践密切相关。在此基础上,欧美企业形成了大量的技术专利和技术储备,并积累了丰富的工程实践经验,成为其研发新技术和装备的重要支撑。目前,欧美企业仍是世界大多数海洋油气开发工程的总承包商,掌握着海洋油气田开发方案设计、装备设计和油气田工程建设的主导权,为降低开发风险,他们会选择具有技术优势的欧美企业负责装备设计工作。这在客观上增强了其技术领先地位。

第二第三阵营:反观欧美,在亚洲,韩国、新加坡、中国和阿联酋是主要的海洋工程装备制造国。韩国垄断了钻井船市场,截至2009年底,三星重工、大宇造船、现代重工和STX造船手持钻井船33艘,市场占有率达94%。韩国和新加坡则占据了FPSO改装和新建市场,市场占有率分别高达67%和82%。在自升式钻井平台和半潜式钻井平台建造领域,新加坡、中国和阿联酋占据主导地位,截至2009年底,中国、新加坡和阿联酋自升式钻井平台手持订单54座,市场占有率77%;半潜式钻井平台手持订单39座,市场占有率85%。

新兴国家:在新兴的其他国家中,近年来,依托本国海洋油气资源开发的巨大需求,巴西和俄罗斯等资源大国开始培育本国的海洋工程装备建造企业,成为世界海洋工程装备新的竞争者。巴西提出在本国海域进行油气勘探开发的装备由本国企业建造,其国内几家船厂加快能力建设。俄罗斯通过本国能源公司的系列订单,实现本国造船业现代化,并以订单为“诱饵”,邀请日本、韩国造船企业参与该国船厂建设和改造。

海洋工程装备制造业是为海洋开发提供装备的战略性产业,随着海洋开发步伐的加快,海洋工程装备制造业将迎来广阔的发展机遇,但越来越多的国家认识到了这一产业的重要性,并开始抢占这一领域,海洋工程装备产业的竞争也将更加激烈。我国应该加强发展力度,加快发展步伐,进入世界海洋工程产业第一阵营,为我国海洋开发和参与海洋国际竞争提供利器。

全球海洋的油气分布情况

在了解世界海洋工程的发展与分布格局后,检索了世界海洋油气的分布情况,发现世界目前有四大海洋油气海域,分别是墨西哥湾、西非、巴西、及北海海域。

据《世界深水油气勘探进展与南海深水油气勘探前景》这篇论文介绍,目前,西非、巴西坎波斯盆地和墨西哥湾这3大热点地区,在深水油气勘探开发方面不断有新进展和新发现。如西非深水油气勘探最热的2个地区安哥拉和尼日尔三角洲,近期就不断有新的油气发现和新油田投产,还有新一轮超深水区块的对外招标。另外,在赤道几内亚和加蓬等地区深水勘探开发亦在积极进行之中。据Douglas Westwood Ltd统计,西非地区2000—2005年问已有17个深水油气田投产;巴西2000年石油日产近17.8×104 t,其中70%来自 400~2 000 m的深水海域,2005年其深水油气田日产已达25.3×104 t,从而使该国石油达到自给。在墨西哥湾,自美国国会1995年通过矿区使用费补助法案以来,大大刺激了该区深水油气勘探开发活动,租出的矿区亦急剧增多。截至2000年初,据统计该区已在深水区找到了112个油气田,石油产量(大于283 m深水区)达到0.37×108 t,比上年度增加20%,使得深水区石油产量第一次超过了浅水区。除了以上3大深水油气勘探热点地区外,近年来,在大西洋两岸北端的挪威、英国、加拿大、摩洛哥、毛里塔尼亚和南端的纳米比亚、南非和阿根廷,在地中海沿岸国家和埃及、以色列及土耳其,在亚太地区如印度、澳大利亚、新西兰、印尼等,都在积极开展深水油气勘探开发活动。与此同时,近年来南海周边地区的深水油气勘探开发也在广泛地进行之中。中国台湾、越南、马来西亚、印度尼西亚、文莱、菲律宾等国家和地区,都先后推出了深水区油气勘探的招标区块,并与国际石油公司合作,在一些区块实施了钻探且屡有油气发现。世界上已有60多个国家正在进行深水油气勘探开发活动,其勘探领域已扩展到了4 000 m的深海区,且在具有被动大陆边缘地质背景的盆地中发现了石油储量600×108t,天然气储量21×1012 m3。

海洋平台的种类

在全球海洋油气分布的情况看,由于目前已探明的世界海洋石油储量的 80%以上在水深 500 m以内,而全部海洋面积的 90%以上水深在 200~6000 m之间,因而大量的海域面积有待探明。深海平台技术已成为国际海洋工程界的一个热点,各国都进行了大量的研究,新的深海平台结构不断涌现。我国目前海上油气资源的开发都处在浅海海域,对深海海域的勘探和开发仍处在研究阶段,因此因地制宜地发展适应我国海况的深海平台迫在眉睫。

所以这里着重研究适合深水开采油气的海洋平台,主要是四种:TLP(张力腿平台)、SPAR(单柱式平台)、SEMI-SUBMERSIBLE(半潜式平台)、FPSO(浮式生产储存卸货装置)

自1947年在墨西哥海域建立了第一座平台后,随后的几十年中大约有几千座海洋石油平台坐落在海洋中,其工作水深由浅水到深水,又发展到超深水中,就工作性能来说能抵御越来越恶劣的海洋环境。由于洋平台处在恶劣的海况中,属于“高风险、高投资、高技术”的三高工程,因此各类平台须适用于各自的特定海况。目前现役的海洋石油平台中主要是钢结构形式(图1为各种平台的典型形式) 。其中固定式平台数量占现有平台的70%以上,导管架海洋平台具有适应性强、安全可靠、结构简单、造价低的优点,所以在大陆架海域中得以广泛的应用,但其工作水深相对较浅,随其工作水深的增大,其工程造价将大幅增大,如1991年在412 m的海况中安装了导管架式平台,其自重达44 500 t,钢桩重达9 500多吨,总造价达$250MN。由于经济及自身特性等原因,这种平台已经不能适用于深海,所以必须探索更经济,适应性更强的平台形式。经过几十年的发展,顺应式平台得到了发展和运用,由于导管架平台的造价与水深关系大致呈指数关系增加,而张力腿式平台的造价则随水深的增加变化较小,其工作水深达1 000多米,并且具有以下特点:1)牵索系统可以吸收由外力产生的能量以保证塔体的运动幅度在规定的范围内;2)整个平台浸在水中的部分过大,使得平台在升沉方向的大部分流体动力和纵荡的流体动力被消除;3)通过调整压载舱其稳性得到提高;4)平台固有周期可避开波浪能量集中的频率范围。但这种平台由于不同的结构形式又具有独特的性能,总体特性如上所述。在张力腿平台概念的基础上提出一种用于深水生产的单柱平台(Spar),这种平台柱体内部可以储油,同时其运动响应对水深变化不敏感,结构轻、运动性能和稳定性好,便于安装,可以重复使用,造价低,因而对边际油田比较适用。此外FPSO也是深水领域的一种主要形式,在深水域中具有较大的抗风浪能力。并具有大产量的油、气、水生产处理能力和原油储存能力。

(一)
张力腿式平台:

设计思想:张力腿平台设计最主要的思想是使平台半顺应半刚性。它通过自身的结构形式,产生远大于结构自重的浮力,浮力除了抵消自重之外,剩余部分就称为剩余浮力,这部分剩余浮力与预张力平衡。预张力作用在张力腿平台的垂直张力腿系统上,使张力腿时刻处于受张拉的绷紧状态。


: 传统张力腿平台、SeaStars 张力腿平台、MOSES 张力腿平台、ETLP扩展式张力腿平台。各自特点:

1、
传统的张力腿平台应用时间长、分布广、数量多,张力腿平台的第一个建于北海在80年代初为康菲的赫顿领域。传统型TLP实质上是将半式平台的悬链式系泊系统用刚性张力腿代替,依船体的浮力使张力腿始终处于伸张状态。由于张力腿的刚性作用使平台位移很小,特别是偏移和触底很小,几乎消除了转动位移。缺点是其对更深的海域不能充分的适应。目前水深最深达到1500M左右。

2
SeaStars 张力腿平台综合边际油田平台和传统张力腿平台技术。此平台由一个垂直悬浮的圆柱体结构和三根矩形截面的水平浮筒组成,目前完成详细设计的 SeaStars 张力腿平台最深水达 2 743 m。

3
ETLP延伸悬臂梁的设计,大大增大了张力腿系泊点的分布范围,使其动力性能得到较大的提升。同时,也给设计者在立柱间距选择方面提供了更大的灵活性。一座与传统类型TLP具有相同系泊点分布范围的ETLP,其立柱可以安装到离平台中心更近处,而立柱间距又直接决定了平台甲板的尺度,因此可以选择更小更轻的甲板,从而降低了平台的造价。同时,ETLP还采用一种类似浮箱的临时性补稳装置,当平台处于码头停泊或托航等不稳定状态时,在悬臂梁上安装这种补稳装置,可保证平台的稳定性。这种设计使ETLP能以较小的吨位和体积获得更大的载荷,大大提升了ETLP平台的竞争力。


:首先其垂直方向的运动性能好,幅度小,因为其底部的张力腿可以限制住平台的生沉运动;其二水平方向上由于其为固定式结构可以应用惯性力使其恢复平衡状态,最后是其开发较早技术相对成熟。

缺 点:造价一般随深水的增加而成倍增加,另外张力腿的校准问题也很突出。

(二)
Spar平台:

设计思想:由箱式平台演变而来。


:传统式Spar平台(Classic Spar)、桁架式Spar平台(Truss Spar)、多柱式Spar平台(Cell Spar)。各自特点:

1、传统式Spar平台如其主体是一个大直径、大吃水的具有规则外形的浮式柱状结构,主体中一种是硬舱,位于壳体的上部,用来提供平台的浮力;中间部分是储存舱,在平台建造时,底部为平衡稳定舱,当平台已经系泊并准备开始生产时,这些舱则转化为固定压载舱,主要用来降低重心高度;还有一些压载舱,用于吃水控制。中部由系泊索呈悬链线状锚泊于海底。系泊索由海底桩链,锚链和钢缆组成。锚所承受的上拔载荷由打桩或负压法安装的吸力锚来承担。导缆孔通常位于硬舱的下部。传统式Spar平台的水线结构是敞开的,基本不提供浮力,以减少垂荡;水线以下部分为密封空心体,以提供浮力;舱底部一般装水压载或用以储油,给平台提供稳定性,以适应于任意角度的风浪,能显著减少垂荡反应;造价低,便于安装,可以重复使用,因而对边际油田比较适用;大吃水对立管有很好的保护;其运动响应对水深变化不敏感,适宜于在深水海域应用。

2、桁架式Spar平台是应用桁架结构代替传统式Spar平台柱体的中部结构,连接顶部硬舱和底部软舱,其桁架部分是一个类似于导管架结构的空间钢架,与传统式Spar平台的金属圆柱中部结构相比,可以节省50%的钢材。桁架式Spar通常由无内倾立腿、水平撑杆、斜杆和垂荡板组成。桁架中的管状部件在整个Spar的使用过程中均产生浮力。垂荡板通常由带支架的刚性金属结构组成,通过水平撑杆支撑,是桁架设汁的一部分。通过将桁架腿柱构件伸长至顶部硬舱壳体结构中来连接桁架和硬舱。与传统式Spar平台相比,桁架式Spar平台的最大优势在于其建造钢材的用量大大降低,从而能大大节省建造费厝,因此得到广泛的应用。桁架式Spar平台最显著的特点就是运动性能优良。由于开放式架构设计,桁架式Spar平台的主体受力面积大大减小,从而减小了平台在相应方向上的运动响应;在开放式主体上水平设置的垂荡板结构也大大提高了平台的稳定性,当平台发生垂荡运动时,垂荡板与上下面的海水作用,产生很大的阻力,抵消了大部分波浪与海流产生的垂荡力,从而限制平台的垂荡运动;中部开放的桁架构结构能减小主体吃水量和主体长度,使质量比原来的封闭式结构轻,使耗用钢材大大减少,降低造价。

3、多柱式Spar平台是一种新型的Spar平台,本体由一束圆柱体组成,称为蜂巢式平台,由很多处在它们空隙间的水平的和垂直的结构单元连接起来。多柱式Spar平台的上部结构由6个外圆柱围绕1个中心圆柱组成,上部圆柱提供整体所需浮力;下部由外圆柱中的3个延伸到底部的圆柱腿构成;压载舱在这些圆柱腿的底部,以确保平台具有足够的稳定性;垂荡板装在圆柱腿上,提供较大的垂荡附加质量和附加阻尼,适合刚性立管。同其他par平台一样,由于浮心高于重心,多柱式Spar同样非常稳定。

优点:首先spar平台具有更好的运动性能。由于Spar平台的垂荡板质量相对较大,同时,其水线面积相对较小,因此有更小的垂荡运动,运动性能更好。第二Spar平台的重心大大低于浮心,即使横摇和纵摇到最大角度,Spar平台也是个稳定系统。第三Spar平台对水深并不敏感,水深的增加对Spar的影响只是增加系泊系统的长度和质量。

缺点:水平固定主要靠锚泊定位和动力定位水深增加则锚泊重量增加,对其造成不利。

(三)
半潜式:

它由坐底式演变而来,基本结构形式和坐底式相仿,上有平台甲板在水面以上不受波浪侵袭,下有浮体,沉于水面以下以减少波浪底扰动力连接于其间的是小水线面立柱,小水线面面积使整个平台在波浪中的运动响应较小,因而平台具有出色的深海钻井的工作性能一般在作业海矿下其升沉不大于 1-1.5m 水平位移不大于水深的5-6 平台的纵横倾角不大于 2 -3 这种性能对漂浮于水面钻井的平台具有十分重要的意义,半潜式平台可采用锚泊定位和动力定位、锚泊定位的半潜式平台一般用于200-500m水深的海域内作业。

设计思想:它由坐底式演变而来 基本结构形式和坐底式相仿。


类:


点:
抗风浪能力强(抗风100~120节,
波高16~32m );甲板面积和可变载荷达8000t;适应水深范围达3 000 m ;钻机钻井深度 6 000~10 000 m,具有多种作业功能(钻井、生

产、起重、铺管等)


点:
造价较高。

(四)
FPSO

FPSO是英文Floating Production Storage & Offloading的缩写,中文翻译“浮式生产储存卸货装置”。它集生产处理、储存外输及生活、动力供应于一体,油气生产装置系统复杂程度和价格远远高出同吨位油船,FPSO装置作为海洋油气开发系统的组成部分,一般与水下采油装置和穿梭油船组成一套完整的生产系统,是目前海洋工程船舶中的高技术产品。同时它还具有高投资、高风险、高回报的海洋工程特点。

设计思想:油船改造而成。


类:


点:
分为以下四点

1)生产系统投产快,投资低,若采用油船改装成FPSO,优势更为显着。而且目容易找到船龄不高,工况适宜大型油船。

(2)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;

(3)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,也可傍靠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。

(4)应用灵活,移动方便,其海上自航能力是其它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。

通过以上四种深海海洋半潜式平台的介绍我们了解了目前世界海洋平台的发展情况和趋势,对海洋平台的开目前还处于起步阶段,深海平台的优化设计中,新型平台的研究、非线性动力响应分析、柔性结构的耦合分析、新型材料的研发等都是值得重点研究的问题。所以对海洋平台的探索不会止步,就像人类当初对未知海洋的探索与追求一样,任重而道远。

参考文献:

[1] 段梦兰,陈永福,李林斌.海洋平台结构的最新研究进展.第9界ISOPE大会报告综述.海洋工程,2000,18(1).

[2] 董艳秋.深海采油平台波浪载荷及响应 天津大学出版社, 2005.

[3] 张智, 董艳秋,唐友刚,等.1990年后世界TLP平台的发展状况. 中国海洋平台,2004,19(2).

[4] 吴应湘, 李 华,曾晓辉.深海采油平台发展现状和设计中的关键问题.中国造船, 2002, 43.

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发表于 2013-12-12 10:38 | 显示全部楼层
楼主,有ETLP的图片吗?最近也需要做一个ETLP的Presentation,一直找不到具体的模式图或者装配图,有视频更好。谢谢楼主
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