浮动式海洋油气生产平台研究现状与发展.pdf

2 0 1 5年 1 1 月 第 4 4卷 第 1 1期 机械设计与制造工程 Ma c h i n e D e s i g n a n d Ma n u f a c t u r i n g En g i n e e ri n g NO V． 2 01 5 V o 1 ． 4 4 No ． 1 l D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 2 0 9 55 0 9 X ． 2 0 1 5 ． 1 1 ． 0 0 2 浮动式海洋油气 生产 平 台研 究现状与发展 史筱 飞 山东省科学技术情报研究院， 山东 济南2 5 0 1 0 1 摘要 海洋油气生产平 台是用于海上油气开采、 处理、 贮藏 、 监控 、 计量等 生产作业的平 台。对浮 动式海洋油气生产平 台的产业现状 、 关键技术、 发展趋势等进行 了分析研 究， 为相 关机构和组织 了解此类平台的全球发展情况提供参考资料。 关键词 浮动式海洋油气生产平台； 现状 ； 发展 中图分类号 T E 9 5 2 文献标志码 A 文章编号 2 0 9 55 0 9 X 2 0 1 5 1 1 0 0 0 7 0 4 海洋工程装备产业是 为海洋资源开发提供装 备和技术 的先导性产业 ， 也是海洋强国掌握核心技 术、 造船大国竞相发展的高技术、 高附加值产业， 更 是我 国重点支持发展 的战略性新兴产业 。海洋工 程装 备是指用于海洋 资源的勘探 、 开采 、 加工 、 储 运、 管理及后勤服务等方面的大型工程装备及辅助 性装备 ， 主要包括海洋油气钻井装备 、 海洋油气生 产平 台、 海洋工程船舶以及这些装备的配套设备和 系统 _ l J 。本文主要对海洋油气生产平 台进行研 究。 1 生产 平 台产业发展概 况 1 ． 1概述 海上生产平台的作用是从事海上油气生产性 的开采、 处理 、 贮藏 、 监控 、 计量等作业。海上 生产 平 台可分 为固定 式生产平 台与浮动式 生产平 台。 根据型式的不同 ， 固定式生产平台可分为导管架式 平 台、 重力式平台 、 塔式平台。由于固定式生产平 台只能在浅海海域进行油气生产活动并且位置无 法改变 ， 随着海洋油气资源开发 向深水 、 超深水海 域延伸 ， 此类平 台的需求和在役数量逐渐减少。目 前海上生产平 台以浮动式为主， 浮动式生产平台主 要包括以下几类 浮式生产储油卸油装置 fl o a t i n g p r o d u c t i o n s t o r a g e a n d o f fl o a d i n g ， F P S O 、 半潜式 生 产平 台 s e m i s u b m e r s i b l e fl o a t i n g p r o d u c t i o n s y s t e m。 S e mi F P S 、 张 力 腿 平 台 t e n s i o n l e g p l a t f o r m， T L P 和立柱式平 台 s p a r p l a t f o rm ， S p a r 见表 1 。 本文主要针对这 4类浮动式生产平 台进行研究 、 探 讨 。 室 圭鎏生 垩鱼 簦 FP S O S e mi F P S’nJ P S p a r 3 o一3 0 0 0 8 o～2 4 0 0 1 0 0 ～2 0 0 0 6 0 0～3 0 0 0 适 用海域 海 、 海 、 超 深 浅海 、深海 海 、 超 深 亿 i 美 g i 元 ／ 2 旱 - 号1 1 差 异；ti 2 5 小g - 型 l5 一 - 2 7，1 ．5 -5． 0 优点 鍪 望 ， 劣 柔 需 要 大 型 浮 缺 点塞 藉 荔 柔 芏 蒜 立 管 要 求 高 减 小 ； 吾 ’ 注 资料来源于 I MA F l o a t i n g P r o d u c t i o n S y s t e ms Re p o r t 、 厂发 证 券发展研究中心海洋工程装备深度分析报告 。 1 ． 2生产 平 台产业发 展现 状 1 ． 2 ． 1 总体情况 浮动式生产平 台是获取海洋油气资源的重要 设施 ， 一般用于较深的海域或不适宜建设 固定式生 产平台的海域。 截至 2 0 1 5年初 ， 现役 浮式生产储油卸油装置 数量为 1 9 6艘 ， 其中 1 1艘为 2 0 1 4年交付 的新船。 2 0 1 4年浮式生产储油卸油装置新增订单 1 O艘， 包 括 8 艘改 装订单 和2 艘 建造 订单 。 半潜 式生 产平 收稿 日期 2 0 1 5 0 92 3 作者简介 史筱飞 1 9 8 2 一 ， 女， 山东济南人， 山东省科学技术情报研究院助理研究员， 硕士， 主要研究方向为情报学。 7 2 0 1 5年第 4 4卷 机械设计与制造工程 台全球共有 4 8座 ， 其中 2 0 1 4年新交付 1座。浮式 生产储油卸油装置和半潜式生产平 台分别 占生产 平台装备总量的 6 8 ％ 和 1 7 ％ 。据统计 ， 张力腿平 台全球 只有 2 4座 ， 数量较少 ， 且 2 0 1 4年度没有新 增平台。立柱式平 台共 2 l座 ， 其中 2 0 1 4年新增 1 座。2 0 1 4年之前交付使用的立柱式平台分布区域 是 墨西哥湾 1 8座， 马来西亚 1 座 ， 北海 1座。 截止 2 0 1 4年 6月初 ， 全球共有 2 2 4个浮式生 产装置项 目处于规划 阶段。其 中浮式生产储油卸 油装置占 5 8 ％， 浮式油／ 气生产装置 占 1 4 ％， 浮式 液化天然气生产储油卸油装置 F L N G ／ 浮式存储 再气化装置 F S R U 占 2 2 ％ ， 浮式存储／ 卸载装置 占6 ％。南美洲、 非洲和东南亚仍然是浮式生产装 置规划项 目的主要区域 ， 占全球浮式生产装置规划 项 目的 5 8 ％ ， 其 中南美洲 主要是 巴西 4 4个 ， 非 洲 4 8个 ， 东南亚 3 8个 。尽管 目前非洲是浮式生产 装置规划项 目最多的区域 ， 但是随着 巴西近年来不 断发现深海盐下层油田， 其对海工装备的需求量大 增 ， 因此 巴西或将成为未来浮式生产装置市场需求 量最大的国家。 进入 2 0 1 4年以来 ， 受原油供需、 地缘政治、 美 元贬值以及通货膨胀预期等多重因素的影响 ， 2 0 1 4 年前三季度全球共成交生产平 台 1 6座， 成交金额 1 2 0 ． 1 亿美元， 其中浮式生产平台成交 9 座。浮式 生产平台中浮式生产储油卸油装置成交量居首 ， 共 成交 4艘 L 3 ] ， 浮式存储再气化装置 、 浮式液化天然 气生产储油卸油装置等天然气相关装备分别成交 3艘和 2艘 ， 占比出现了一定程度 的上升 ， 反映了 全球对天然气的消费需求有所增加。 1 ． 2 ． 2 市场分析 随着全球海洋油气开发向深水海域不断推进 ， 浮式生产平台的发展前景十分广阔， 本文将依次分 析浮式生产储油卸 油装置 、 半潜式生产平 台、 张力 腿平台和立柱式平 台目前的市场情况。 1 浮式生产储油卸油装置。 浮式生产储油卸油装置并不是一种真正意义 上用于运输的船 ， 它兼有生产、 储油 、 卸油的功能 ， 一 般与水下采油装置和穿梭油船一起构成一套完 整的生产系统H ] 。目前， 建造浮式生产储油卸油 装置的主力是韩 国造船企业和新加坡的船厂。 韩国在 2 0世纪 7 0年代开始涉 足海洋工程产 业 ， 并于 9 0年代加大 了对海洋工程装备的研发力 度 ， 涉及建造 、 维护和安装等环节。目前 ， 韩国企业 在海洋工程产业高端装备的建造领域 占有重要地 位， 特别是在浮式生产储油卸油装置等高端海工装 备 的制造、 总装领域 占据主导地位 ， 几乎垄断了浮 8 式钻井生产储卸油装置 F D P S O 、 浮式存储再气 化装 置、 浮 式 液 化 天 然 气 生 产 储 油 卸 油 装 置 L N GF P S O 等新式高端海工装备产 品的建造。 三星重工 、 现代重工、 大宇造船、 S T X造船等企业是 其代表企业 。 新加坡在全球海洋工程装备 的建造和维护领 域占有重要地位 ， 并在设计和安装领域获得较大进 展。新加坡企业在浮式生产储油卸油装置 的改造 等方面处于世界领先地位 ， 代表企业有吉宝、 裕廊 、 胜科海事、 泛联海事等， 共改造过 6 1 艘浮式生产储 油卸油装置。此外 ， 日本一些企业也参与了浮式生 产储油卸油装置的建造 ， 如石川岛播磨重工、 名村 造船公司、 三井造船公司 、 日本钢管等船厂 。 中国的浮式生产储油卸油装置完全 由国内 自 主设计建造 ， 形成了从浮式生产储油卸油装置的设 计 、 现场建造和调试 、 投产准备到运营管理 、 升级改 造的全生命周期能力 。目前 ， 中国海油拥有浮式生 产储油卸油装置 1 7艘 ， 规模与总吨位均居世界前 列【 5 j 。大连造船 、 青岛北海重工 、 烟 台来福 士、 江 苏汉通 、 沪东中华 、 上海外高桥 、 上海江南等船企均 有能力制造浮式生产储油卸油装置。 巴西、 俄罗斯等国以及中东和东南亚地区的国 家是海洋工程产业发展的新兴国家 ， 当前主要活跃 在海洋工程产业链 的制造环节。 2 半潜式生产平台。 半潜式生产平台的主体结构 由上船体 、 立柱 、 下浮体 以及立柱之间或下浮体之间的横撑结构组 成 ， 这种类型的平台最早 出现于 2 0世纪 7 0年代， 是早期应用最为广泛 的海洋石油浮式生产装置之 一 ，在 2 0世纪 9 O年代后期开始迅速发展起来。 半潜式生产平台的设计具有很强的特殊性 ， 因 此几乎每座平 台所采用的设计都不完全相 同。在 半潜式生产平 台的设 计领域 ， 主要 的企业有挪威 A k e r S o l u t i o n公 司 及 M o s s Ma ri t i me公 司 、 美 国 F fi e d e G o l d m a n公司 已被中交集 团并购 、 荷兰 G u s t o M S C公司、 瑞典 G V A C o n s u l t a n t s 公司和新加 坡 K e p p e l 公 司， 其 中 A k e r S o l u t i o n公 司和 G V A C o n s u l t a n t s 公 司是设计半 潜式生产平 台数量最多 的企业。 半潜式生产平台的船体建造厂商较为分散， 据 统计 ， 建造过半潜式生产平台的厂家共有 3 6个 ， 其 中韩国大宇造船株式会社建造过 4座半潜式生产 平台船体， 建造数量最多。建造过 2 座及以上半潜 式生产平台船体 的企业共 9家 ， 共建造 了 2 4座半 潜式生产平台的船体。其余建造商则均只建造过 2 0 1 5年第 1 1期 史筱飞 浮动式海洋油气生产平台研究现状与发展 1 座半潜式生产平台船体。从区域 角度看 ， 亚洲企 业共建造了 2 2座半潜式生产平 台， 欧洲 为 1 9座 ， 美国和巴西共 8座。中国仅 中远船务建造过半潜 式生产平 台， 分别是 2 0 0 8年为 T r u o n g S o n建造的 S o n g D o c P ri d e半潜式生产平 台船体和 2 0 1 2年为 美 国 A T P O i l G a s C o r p o r a t i o n公 司建 造 的 O c t a b u o y八角形半潜式生产平 台船体。 半潜式生产平台的上部模块附加值较高， 技术 难度大 ， 建造工艺要 求也较高 ， 因此建造企业主要 集中在欧美 国家。已知 的有过半 潜式生产平 台上 部模块建造经验的船厂有 2 4家。在 3 5座 已确定 建造厂商的上部模块 中， 欧洲企业共建造了 1 7座 ， 美国企业建造了 3座 ， 亚洲企业共建造 了 l 3座 ， 其 中新加坡 4座， 科威特 3座 ， 韩 国 3座 ， 日本 2座。 除中远船务建造的 O c t a b u o y八角形半潜式生产平 台的公用模块外 ， 目前中国还没有其他企业有过半 潜式生产平 台的上部模块的建造经验。 3 张力腿平 台。 张力腿平 台是在半潜式平台基础上发展起来 的一种深水顺应式平 台， 通过张紧缆索或张力腱将 半潜式平台结构系于海底 。1 9 8 4年 ， 美 国 C o n o c o 公司在 H u t t o n油田安装了世界上第一座张力腿平 台， 标志着张力腿平 台技术的完全成熟。 目前 ， 按 照总体结构分类 ， 张力腿平台可以分为第一代张力 腿平台和第二代张力腿平台。 在役的 2 4座张力腿平台， 主要分布在北海 、 墨 西哥湾、 西非沿海和东南亚海域 ， 其作业水深最 大 已达 1 4 2 5 m。 当前 ， 具备张力腿平 台总包能力的主要有荷 兰 S B M A t l a n t i a公 司、 法 国 T e c h n i p公 司、日本 MO ． D E C公司等几家 ， 我国尚不能建造张力腿平台。 4 立柱式平 台。 立柱式平台是一种深吃水平台 ， 因其重心位于 浮心下方而具有恒稳性 。2 0世纪 9 0年代 以来 ， 立 柱式平 台被用于深海 油气 资源开发 ， 可进行钻探 、 生产 、 海上原油处理 、 石油储藏和装卸等各种工作 。 目前 ， 世界上建成的立柱式平 台有 3种类型 ， 按 出 现时间的先后顺序分别是 传统型 c l a s s i c s p a r 、 桁架型 t r u s s s p ar 和蜂巢型 c e l l s p a r 。 立柱式平 台的相关技术 目前在 国际上被高度 垄断 ， 仅 有法 国 的 T e c h n i p和美 国的 J ． R a y ．Mc D e r mo t t 两家公司能够进行完整 的设计 、 建造和安 装 ， 专利壁垒很高。美 国 L i t t o n I n g a l l s 公司也具备 建造能力。我 国尚无建造立柱式平台的经验。 2 生产平台技术发展现状 2 ． 1 浮式生产储 油卸油装置 2 ． 1 ． 1 关键技术 浮式生产储油卸油装置关键技术主要包括 系 泊 系统、 外输油系统 、 生产工艺系统及船体结构等 。 深水超大型浮式生产储油卸油装置需要考虑结构 强度、 疲劳强度与船体极限强度等。浮式生产储油 卸油装置的船型性能与结构强度 、 特殊结构设计与 安装技术是 当前研究 的热点。 2 ． 1 ． 2 发展趋势 1 建造 技术模块 化。早些 年， 建造一艘 一般 的浮式生产储油卸油装置需要 2 0个月或者更长的 时间。近年来 由于采用模块化生产工艺， 船体结构 和上部设施可 以同时施工 ， 建 造周期可 以缩 短至 1 0～1 4个月 。 2 新型系泊与定位技术的应用。新一代浮式 生产储油卸油装置的系泊 系统多为转塔式多点辐 射状系泊系统 ， 并采用动力定位技术 D P 3 。 3 最大作业深度增加。1 9 9 5年 以前作业水深 一 般 不超 过 2 0 0 m， 1 9 9 5年 以后 作业水 深迅速 增 大 ， 达到了 1 8 5 3 m。 4 原油生产能力增强。随着浮式生产储油卸 油装置建造技术的发展以及配套设备性能的提高 ， 浮式生产储油卸油装置的产油能力不断增强 ， 同时 约有 3 0 ％以上的在役浮式生产储油卸油装置具有 天然气处理和转换成压缩天然气外输的能力。 5 新技术涌现。浮式液化天然气生产储卸船 和浮式液化石油气生产储卸船等新技术出现 ， 节省 了铺设海底输气管道的开支 ， 使气田开发和伴生气 处理具有了商业价值。近年来， 浮式钻井生产储油 卸油装置即浮式生产储油卸油装置 张力腿钻井 甲板 T L D 也 已经在深水油 田的生产 中得到 了应 用 。 2 ． 2 半潜式生产平台 2 ． 2 ． 1 关键技术 半潜式生产平 台的关键技术包括 甲板 面积与 排水量的设计 、 定位系泊系统设计和恶劣海况的适 应能力分析。平 台的运动性能、 疲劳寿命 、 涡激振 动、 结构可靠性 、 多系统耦合 、 模型试验技术 以及安 全 、 监测和控制问题等是当前研究 的热点。 2 ． 2 ． 2 发展趋势 半潜式生产平台未来 的发展方 向是趋 向于简 洁和大型化 ， 以求适应更加恶劣的海况 ， 要求 甲板 可变载荷大于 1 0 0 0 0 t ， 工作水深超过 3 0 0 0 m， 钻井 9 2 0 1 5年第 4 4卷 机械设计与制造工程 深度突破 1 2 0 0 0 m， 钻井系统配备双井架或一个半 井架。平台管理和设备控制则 向信息化 、 自动化和 智能化方 向发展。 2 ． 3张力腿 平 台 2 ． 3 ． 1 关键技术 张力腿平 台的主要技术难点是张力腿张力筋 腱的设计与建造 ，如何有效避免调和共振的发生 、 保持 良好的稳定性是考核张力腿平 台的重要标准 ； 质量控制及减重 、三维设计、总体布置等核心技 术是当前研究所 面临的重大挑战 ；此外动力响应 问题在设计中也非常重要 ，因为运动性能的优劣 会直接影响到张力腿的形式设计以及结构用钢量 等；系索问题是张力腿平台设计的另一关键问题， 主要涉及系索的形式 、安装方式及其受力和可靠 性等方面。 2 ． 3 ． 2 发展趋势 1 为了适应超深水 2 5 0 0 m以上 海域或极深 海边际油 田的开发需要 ， 需寻求更为经济有效的张 力腿平台结构型式。 2 张力腿平 台整体性能优化 ， 包括平 台本体 与张力腿系统的受力和运动响应研究、 锚固基础研 究等。 3 张力腿系统研究 ， 包括 张力 腿的极限承载 能力、 疲劳断裂的可靠性及其材料 、 直径 、 质量分布 等， 改善张力腿系统与极限水深的关系。 2 ． 4立柱 式平 台 2 ． 4 ． 1关键技术 目前对立柱式平台的研究主要集中在平 台动 力响应、 系泊系统、 疲劳分析、 垂荡板 h e a v e p l a t e 和侧板 s t r a k e c o n fi 【g u r a t i o n 的设计以及平 台主体 与系泊系统、 平 台构 件之间的相互作用 的耦合 分 析 、 涡激运动等方面 ， 同时浮力罐与支架 间的碰撞 也是近年来研究的热点问题之一。 2 ． 4 ． 2发展趋势 出于改进结构型式 、 改善运动性能并降低建造 成本的考虑 ， 近年来各国相继提出了一些改进的立 柱式平台概念并进行 了结构 、 疲劳、 水动力等各方 面的性能研究 。如美国 N o v e l l e n t L L C公 司提 出了 几何立柱式平 台 G e o m e t ri c S p a r 概 念， 上海交通 大学海洋工程国家重点实验室提出了多柱桁架式 立柱式平台 C e l l T r u s s S p a r 概念 ， A G R D D S公 司提出了多柱式浮式平 台 Mu l t i C o l u m n F l o a t e r ， MC F 概念 ， G u l f I s l a n d公 司和 B e n n e t t A s s o c i a t e s 公司联合提 出了 M i n D O C 3概念 ， 巴西石油公 司提 出了 Mo n o B R概念等。 3 结束语 随着全球海洋油气开发向深水海域的不断推进， 浮动式海洋油气生产平台的需求前景十分广阔。我 国海洋工程界正处在重大的技术变革 、 发展时期 ， 因 此了解此类平台的市场需求 、 关键技术以及技术发展 趋势， 有助于在今后的发展中有所侧重地研究和开发 浮动式生产平台相关技术与产品， 提升我国海洋工程 装备在全球海洋工程装备市场的竞争力。 参考文献 [ 1 ] 张宜群 ， 宋友 良． 典型海洋平台总装 建造 模式研究 【 J ] ．中国 海洋平台 ， 2 0 1 4 2 l 72 0 ． [ 2 ] 孙巍．深海石油工程装备技术发展现状及 展望 [ J ] ．中外能 源 ， 2 0 1 2 9 9一l 4 ． [ 3 ] 王诚志 ， 张琦 ．频遭 “ 灭灯 ”海 工如何 “ 脱 单 ” [ E B ／ O L ] ． 2 0 1 41 11 4 [ 2 0 1 50 92 2] ． h t t p ／ ／ w w w． c n o e e ． c o rn ／ n e ws ／ a ／ 2 01 4 1 1 1 4 ／1 6 7 9 0． h t m1 ． [ 4 ] 王占军， 许伟成， 褚丽丽． 海洋石油 F P S O主机尾气余热回收 装置的消防保护方案[ J ] ． 水上消防， 2 0 1 4 3 3 4 3 7 ． [ 5 ] 班健．中海油 F P S O产业规模 居世 界前列 [ E B ／ O L ] ．中国环 境报 ， 2 0 1 4一 O 81 4 1 1 [ 2 0 1 50 92 2 ] ． h t t p ／ ／ fi n a n c e ． c h i n a n e ws ． c o m／n y ／ 2 01 4 ／ 0 81 4 ／ 6 4 9 2 8 5 4． s h t m1 ． Re s e a r c h o n flo a t i n g ma r i ne o f o i l a n d g a s p r o du c t i o n pl a t f o r ms S HI Xi a o f e i I n s t i t u t e f 0 r S c i e n t i fi c a n d T e c h n i c a l I n f o r ma t i o n o f S h a n d o n g P r o v i n c e ，S h a n d o n g J i n a n ， 2 5 0 1 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t Ma rin e o i l a n d g a s p r o d u c t i o n p l a t f o rm i s t h e p r o d u c t i o n o p e r a t i o n p l a t f o rm f o r t h e e x t r a c t i o n o f o f f s h o r e o i l a n d g a s p r o d u c t i o n，p r o c e s s i n g ，s t o r a g e ，mo n i t o rin g a n d me a s u r e me n t ．Wi t h t h e e x p a n s i o n o f ma ri n e o i l a n d g a s r e s o u r c e s d e v e l o p me n t t o d e e p w a t e r a n d u l t r a d e e p wa t e r wa t e r s ，t h e d e ma n d o f fl o a t i n g ma rin e o i l a n d g a s p r o d u c t i o n p l a tf o rm s a r e i n c r e a s i n g g r a d u a l l y ．I t i n t r o d u c e s t h e fl o a t i n g ma ri n e o i l a n d g a s p r o d u c t i o n p l a tf o rm s ， d e s c rib e s t h e c u r r e n t d e v e l o pme nt s i t u a t i o n a n d t e c h n o l o g y s i t u a t i o n o f flo a t i ng p r o d u c t i o n p l a tf o r m i n d u s t r y a n d S O o n．T hi s p r o v i d e s t h e r e f e r e n c e i n f o r ma t i o n for r e l e v an t a g e n c i e s a n d o r g a n i z a t i o n s t o u n d e r s t a n d t h e g l o b a l d e v e l o p me n t o f t h e ma ri n e o i l a n d g a s p r o d u c t i o n p l a t f o rm s ． Ke y wo r ds f l o a t i n g ma r i n e o i l a n d g a s p r o d u c t i o n p l a tfo r ms；c ur r e n t s i t u a t i o n；d e v e l o p me n t 1 O