海洋工程结构

从技术层面和产品种类上，世界海洋工程装备制造业分成三个梯队：欧美为第一梯队，它坐拥价值链的顶端，主要进行海洋工程高端设备的开发、设计、工程总包及关键配套设备供货；韩国和新加坡为第二梯队，它们主要进行总装建造；而我国为第三梯队，主要进行制造低端产品。见表1-1。

表1-1　世界海洋工程装备制造业分布情况

（1）FPSO

FPSO即浮式生产储卸油装置。FPSO由锚系到海底的大型油轮型驳船构成。FPSO通常与井口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。其作业原理是：通过海底输油管线接受从其他海上设施的海底油井中收集采出的原油，并在船上应用油气处理设备进行处理、注水或注气，然后储存原油在货油舱内，最后通过尾卸载系统输往穿梭油船。FPSO作为一种浮式生产系统，它集生产处理、储存外输及生活、动力供应于一体，具有高风险、高技术、高附加值、高投入、高回报的综合性海洋工程特点。同时，FPSO建造周期短、装置投资省、迁移方便、可重复使用，能适应的水深条件范围非常广泛，又具有风标效应，被广泛应用于环境条件比较恶劣的海域，尤其适用于海上油气储量有限、地层构造复杂或边远地区中小型边际油气田的开发。图1-2为FPSO作业场景。

图1-2　FPSO作业场景

FPSO主要包括系泊系统、船体部分、油生产设备、尾卸载系统等几个部分。系泊系统：这种系统可以有一个或多个锚点，一根或多根立管，一只浮式或固定式浮筒，一座转塔或扼架，主要用于将FPSO系泊于作业油田。船体部分：这部分既可以按特定要求新建，也可以用油船或驳船改装。生产设备：主要是采油设备和储油设备，以及油、气、水分离设备等。尾卸载系统：包括卷缆绞车、软管绞车等，用于连接和固定穿梭油船，并将FPSO储存的原油卸入穿梭油船。

FPSO系泊方式有单点系泊、多点系泊、动力定位系泊。单点系泊系统主要有浮筒式系泊系统、转塔式系泊系统及塔架式系泊系统。浮筒式单点系泊系统是将浮筒锚泊在海上，作为系泊点与具有风标效应的FPSO相连。转塔式单点系泊系统是一种可以集系泊、油气和电力输送为一体的系泊系统，包括外转塔及内转塔两种系泊方式。塔架式单点系泊系统是将固定塔结构固定在海床上，为FPSO提供一个锚点。多点系泊与单点系泊的区别在于，该系统系泊和传输系泊功能不是一个整体，而是各自独立。

FPSO还可以与各种类型的钻井开采平台构成海上油田的浮式系统：①FPSO＋固定式平台；②FPSO＋海底采油树；③FPSO＋张力腿平台；④FPSO＋半潜式平台；⑤FPSO＋Spar平台。FPSO能够适合世界各种海域，广泛受到人们的青睐。图1-3为FPSO和TLP（Tension Leg Platform，张力腿平台）构成了海上油田的浮式生产系统。

图1-3　FPSO和TLP构成海上油田的浮式生产系统

（2）海洋工程作业船

海洋工程作业船是指能独立从事海洋工程作业，为海洋油气勘探开发工程系统提供配套装备工程作业和技术支持服务的工程船舶。主要包括：海洋资源调查船、地球物理勘探船、天然气水合物综合调查船、海洋工程起重船、导管架下水驳、大型半潜运载船、深潜水作业支持船、海洋工程铺管／缆船、海底开沟埋管船、海洋工程综合勘察船、水下工程作业船、海洋工程综合检测船、海上油田运行维护支持船等。随着海洋油气勘探开发迅速发展，为海上工程提供配套装备工程作业和技术支持服务的工程船舶，得到了很大的发展，并逐渐趋向于多样化、复合化和智能化，成为海洋油气勘探开采工程中不可缺少的一个组成部分。特别是近几年来，海洋油气勘探开发从浅海逐步扩展到深海，满足深水作业要求的海洋工程作业船舶已成为当前急需开发研究的项目之一。海洋工程作业船舶船型品种较多，涉及范围较广，其不同船型品种特性、高新技术含量各不相同，船型个性化因素突出。

海洋资源调查船、地球物理勘探船、天然气水合物综合调查船是从事海底油气资源调查、天然气水合物调查、海洋地质调查、海上地球物理勘探、海洋工程地质取芯的工程作业船。海洋工程起重船是从事特大、超大型海洋工程结构物、导管架、生活模块、特种物件等起吊、工程安装的工程作业船。导管架下水驳、大型半潜运载船是从事特大、超大型海洋工程结构物、导管架、生活模块、特种物件等运输、下水、起吊、工程安装的工程作业船。海洋工程铺管／缆船、海底开沟埋管船是从事海洋石油、天然气输送管道的铺设、海底开沟埋管、保障管道安全的工程作业船舶。深潜水作业支持船、水下工程作业船是从事海洋工程的水下工程作业、饱和深潜水支持、大型结构物安装、脐带缆／电缆／软管铺设、FPSO锚系处理的工程作业船舶。海洋工程综合勘察船、海洋工程综合检测船是从事模拟工程物探调查、海洋工程环境调查、工程地质钻孔、海底表层采样的工程作业船舶。海上油田运行维护支持船是从事海上油气田生产设施与装备的大型维修、改造、搬迁、抢修等运行维护、维修保障作业支持的特种工程作业船舶。图1-4为抓斗船作业场景。

图1-4　抓斗船作业场景

（3）海洋工程辅助船舶

海洋工程辅助船舶是指为海洋油气勘探开采工程装备提供配套服务的辅助工程船舶，主要包括：三用工作船、平台供应船、油田守护船、海工远洋拖船、破冰工作船、油田消防船、浮油回收船、多功能营救船、油田交通船等。随着海洋油气勘探开发迅速发展，为海上工程装备提供配套服务的辅助工程船舶，同样得到了较大的发展，成为海洋油气勘探开采工程中不可缺少的一个组成部分。特别是近几年来，海洋油气勘探开发从浅海逐步扩展到深海，海洋工程辅助船舶同样要适应海洋工程的深水作业要求，已成为当前急需开发研究的项目之一。海洋工程辅助船舶船型品种也较多，涉及范围较广，其不同船型品种高新技术含量各不相同。图1-5、图1-6分别为世界顶级深水三用工作船“海洋石油681”和6000HP平台守护船。

海洋工程辅助船舶是在海洋油气勘探开采工程中，为海洋工程装备工程作业提供多种配套服务，船舶主要用于：拖曳海上石油平台、深水石油平台、大型起重船、大型下水驳船、FPSO、工程作业船舶和海洋结构物，是大型海洋工程装备、大型海洋工程结构物移动远洋拖航的主拖船；它们具有较强的抛起锚作业能力，能进行深水抛起锚作业，提供快速高效的抛起锚作业服务，能为海上石油和天然气勘探、开采工程作业运送和供应多种作业设备和器材、甲板物资、油水和材料。如甲板货供应（钻井物资和材料、钻井钢管、集装箱、平台生活用品）、液货供应（钻井淡水、钻井泥浆、钻井盐水、淡水、燃油）、散料供应（散装水泥、重晶石、土粉）等。它们具有一／二级对外消防灭火作业能力及一／二级动力定位能力；能进行海面浮油回收和海面消除油污作业；船舶能低速巡航于海上作业船舶、石油平台附近，随时随地听候调遣，进行守护值班和营救作业，能搭载获救人员100～200人；能提供对外供电服务；能对储油轮及到达的提油轮进行拖带、顶推和捞取油管，协助油轮提油作业。破冰型海洋工程辅助船还能在寒冷结冰的恶劣环境条件下进行破冰作业和为海洋工程提供多种特种作业服务。

海上石油开发关系到国民经济发展的大局，我国海洋石油和天然气勘探、开采水平与国际水平相比仍有一定差距，发展我国海上石油和天然气勘探、开采事业，研发各类高新技术、高性能水平的海上石油和天然气勘探、开采工程所需的海洋工程辅助船舶，是发展和提高我国海上石油开采水平综合能力的一项关键性工作。

图1-5　世界顶级深水三用工作船“海洋石油681”

图1-6　6000HP平台守护船

（4）动力定位系统

动力定位系统是一种闭式的循环控制系统，由传感器系统、控制器和推进器系统组成。其功能不需要借助锚泊系统等装置，通过传感器不断的自动校对船舶或者移动式平台的位置，检测出位置的偏移量，再根据外界扰动力的影响计算出所需的力和力矩，并对安装于船舶或平台上的各种推力器进行推力分配计算，发出指令，使各推力器产生相应推力，从而使船舶或者平台不断纠正偏移状态，定位于所要求的位置。

动力定位系统是海洋工程装备技术研究中的主要支撑技术研究之一。动力定位系统是进行深水海洋油气勘探开采，从事海底工程作业、水下打捞、海洋资源调查、海洋工程起重、海洋工程管缆铺设、深潜水作业支持、水下工程作业、海洋工程综合检测等海上作业不可或缺的手段。

我国对动力定位系统研究较晚，主要是进行了部分理论研究和部分实船应用。哈尔滨工程大学很早就开始研究船舶动力定位技术，进行了深潜救生艇六自由度动力定位系统的研制以及实船动力定位系统的加装应用研究，取得较好的效果。上海交通大学海洋工程国家重点实验室从1998年起，把动力定位系统研制列为实验室主要研究方向之一，进行了较多的动力定位理论研究和试验研究工作。完成了基于多种控制下的动力定位系统设计、仿真及实验室原理样机的实现；完成了基于波浪二阶力外干扰的新型动力定位系统数值仿真及模型试验；完成了基于风、浪外干扰的动力定位系统理论模拟和模型试验工作。

如图1-7所示，海洋中的船舶因不可避免地受到风、波浪与水流产生的力的影响，船舶在这些环境外力的干扰作用下，将产生六个自由度（纵荡、横荡、升沉、纵摇、横摇、艏摇）运动；而对于定位船舶而言，需要控制的只是水平面内的三个运动，即纵荡（Surge）、横荡（Sway）和艏摇（Yaw）运动。

图1-7　船舶在环境外力作用下产生六个自由度运动示意图

（5）深水锚系泊系统

众所周知，海洋环境十分恶劣，而随着水深的不断增加，这种环境的恶劣程度将更趋剧烈。深水一般是指水深在500～1 500m之间的水域，1 500m以上为超深水。我国南海油气资源勘探开发的海域水深在500～2 000m，最大水深在3 000m以上，平均水深在1 200m以上。常规水深的海上定位，最普遍的是锚系泊系统，这种定位方式具有结构简单、可靠、经济性好等优点，广泛应用于工程船舶、半潜式钻井平台等。在深海油气勘探开发中，深水锚系泊系统是海洋工程装备技术研究中的主要支撑技术研究之一。深水及超深水锚系泊系统主要有柔性和刚性两种锚系泊形式，柔性锚系泊形式为悬链线系泊系统（SMS），刚性锚系泊形式为张紧式系泊系统（TMS）。

悬链线系泊系统即为传统展开式锚泊系统，定位的复位力是靠锚泊缆的重量产生，它与锚缆的淹没重量、水平锚泊载荷、锚泊线张力、导向孔处锚泊线的角度等因素有关。张紧式系泊系统定位的复位力量是靠锚泊缆的轴向弹性产生，即分别用锚泊线的垂向悬链线效应或锚泊线伸长的弹性效应引起的恢复力，使作用在浮体水平面内的外力传递到海床上，使平台或海洋结构物保持在允许的位移范围内，如图1-8所示。

图1-8　悬链线系泊系统和张紧式系泊系统

在作业水深1 000m以内的锚系泊系统的布置中，最常见的主要是使用锚链加置入钢缆的悬链线系泊方式，也可采用锚链加置入纤维缆索的悬垂线系泊或张紧式系泊方式，拖入式埋置锚得到了广泛选择。在超过1 000m以上作业水深的锚系泊系统的布置中，通过置入合成纤维缆索来减轻系泊线的质量，除了悬链线系泊方式外，更多选择方案是采用张紧式系泊方式，系泊线以大角度（45°以上）进入海底，系泊锚主要有垂直负载锚（VLA）、吸力锚、动态重力穿刺锚。在作业水深1 500m以上的超深水水域，主要采用锚链加置入纤维缆索作为系泊线，建立张紧式系泊系统，常采用垂直负载锚、吸力锚、动态重力穿刺锚等。

（6）海洋钻井平台

海洋钻井平台经历了一个比较漫长的发展过程，期间钻井平台无论在形式上、数量上，还是在性能方面均发生了巨大变化，这是时代发展的必然规律。对各类平台而言，每种钻井平台的诞生都代表了各个时代的特征，并具有各自生存和发展的必然性。目前在用的钻井平台主要有：坐底式平台、自升式平台、半潜式平台、钻井船、张力腿式平台、牵索塔式平台等，具体在1．2节海洋工程平台发展现状中作详述。