Evolution of Spar Floating Drilling Production Storage System

 

By JohnHalkyard

 

 

写在开头

 

“阿基米德果然是对的”，1996年Ed Horton在Oryx Neptune Spar扶正作业顺利完成后如是说。

 

Neptune平台是第一座服役的Spar生产平台，现在墨西哥湾已经有三座服役（2001年）还有三座计划部署。

 

Spar并不是第一次应用于海洋石油开发领域。20世纪70年代，Shell/Exxon在北海部署了一座Brent Spar专门用于储油和外输，目前已经安全运行超过19年（该平台已于1999年拆除）。追本溯源，早在1962年，属于Office of Naval Research（ONR）的FLIP（Floating Instrument Platform）海洋调查船就利用Spar的基本原理进行了相关海洋调查研究活动。在20世纪70年代，当时对Spar的研究主要集中如何利用Spar作为湿树回接平台。

 

 

 

 Edward E. Horton是海洋工程领域的爱迪生，20世纪60年代他就提出了张力腿平台概念（TLP）并成立了Deep Oil Technology, INC（DOT）来研究并推广TLP概念。DOT被Fluor收购后最终解散，这让Horton认识到研究推广新概念必须保持自身的独立性，在概念不成熟和不具推广说服力的时候还是把专利掌握在自己手中为妙。

 

 

Deep Oil Technology, INC

 

1984年，Horton离开Global Marine Development Company并重新成立了Deep Oil Technology, INC来研究和推广他的新发明：Spar。Horton的内弟（内兄？）Walter Munk就职于Scripp’s Institution of Oceangraphy（FLIP由该机构负责运行），是位顶尖的海洋学家，Horton对于FLIP的运动特性有相当程度的了解，并对Brent Spar的相关信息了然于胸。他对Spar的前景充满信心。Horton在研发TLP的时候对干树生产平台的技术要求非常了解，Spar的运动特性让他得出一个影响深远的结论：Spar完全可以作为干树生产平台应用于海洋油气开发中。

 

Brent Spar

 1984年9月，Horton为Arco Oil介绍了Spar概念并得到了进一步研究Spar运动、系泊系统以及立管系统的技术合同。Horton找到了他的同学兼好友，就职于伯克利的浮体专家Randy Paulling教授开展Spar的研究工作。Paulling教授当时研发了一套频域分析程序（SPLSH）并成功的应用于TLP和半潜平台的运动分析。该程序随后被用在Spar的运动分析工作中。分析结果显示：Spar的升沉运动随着吃水的增加快速下降，当达到650ft（198.1m）时，平台的升沉运动小于10ft（3.05m）能够基本满足干树生产要求，这也就是经典Spar吃水198.1m的由来。

 

虽然平台的升沉运动可以控制在4m以内，但以当时的技术条件，张紧器的冲程能力并不能完全满足要求。为此，Horton提出了Buoy Can，将浮筒连接于立管上方位置以保持其垂向稳定，这也是早期干树Spar与干树TLP立管方面的最大区别。

 

Arco的投资取得了重大进展，但1985年9月，Arco没有同意开展Spar进一步的概念设计，主要原因在于Spar的造价与其他方案相比缺乏优势。随后不久，包括Spar的研究在内，Arco停止了其所有的深水项目。

 

Horton不得不另寻他法来推进Spar的研究工作。20世纪80年代，当时业界对于Spar特性的关注焦点在其升沉运动。1987年，DOT接受了一项JIP研究项目来深入研究Spar的运动特性，该项目包括七家油公司：Shell，Texaco，Amoco，Arco，Sun，Elf和Chevron。

 

Horton又一次和Paulling合作。当时加州大学有一个小的拖曳水池，依靠来自于Amoco的经费，他们造了几个大缩尺比的Spar模型来进行水池实验。二人亲自下水进行试验的布置和准备工作。当时业界对于Spar大升沉周期下的二阶运动不甚了解，一系列试验结果证明：Spar的二阶升沉运动存在，但并不是升沉运动主要成分。

 

对于非储油Spar，Horton也提出了新的概念，即Tensioned Buoyant Tower（TBT）。JIP项目的一些模型试验工作在Arctec Offshore波浪和拖曳水池进行。我本人当时在此工作并参与了模型试验的相关工作。

 

TBT的模型试验包括立管、张力腱以及TBT船体模型。Paulling教授在80年代初开发了耦合分析程序COPIPE，该程序用于TBT的数值耦合分析。

 

 

由于Arctec的水池没有造流能力，TBT的立管和张力腱特性通过拖车拖拽平台来近似模拟流的作用。在一个周五下午，所有JIP的参与代表都在船池边参观，拖车缓缓启动，第一次拖曳试验开始，此时水池没有造波。Horton后来形容他当时看到试验现象时候的心情。

 

“被一条毒蛇狠狠的咬了一口！”

 

平台出现了明显的涡激运动（VIM）。当时来自Amoco的Pierre Beynet也在场，他是立管方面的专家，对于VIV非常熟悉，他第一时间确认了平台出现VIM现象。

 

当天下午没有人想离开现场，大家都在想办法来“试”，看如何能将VIM抑制掉。我坚持进行进一步的试验研究，直到所有人都劝我说该现象是TBT出现的，而不是Spar出现的时候，我最终放弃了尝试。

 

当天晚上我们尝试在平台外径铺上管子，此时VIM有所减小，但仍然比较明显。后来大家经过讨论认为VIM的发生主要是由于TBT下部的直径较小。最终，在午夜临近的时候大家最终同意各回各家。

 

这次试验表明TBT适用于井口树小，组块重量有限的油气田开发，而“经典”Spar更具广泛应用特性。

 

1989年，Chevron为GC205区块寻找合适的开发方案。他们最初选择顺应塔作为这个水深2500ft（762m）油田的开发平台。部分雪弗龙的研究人员觉得这是个Spar大展身手的好机会，于是联系了DOT来做Spar的开发方案。与此同时，由于Arctec水池濒临破产，Horton为我提供了工作机会，主要来做GC205的Spar开发方案研究。这个项目是我参与过的最难搞的项目，但让我受益匪浅。

 

GC205的Spar开发方案是Spar概念第一次真正在实际项目中出现，也是第一次进入开发方案比选。开发方案设计包括：平台布置、运动、系泊、建造和安装。为了便于建造，Spar的横截面被设计为八边形，首选的建造地点位于美国新奥尔良的Avondale’s船厂。出于降低系泊成本考虑，首选的系泊方案为Taut mooring。

 

在Chevron的资助下，我们来到伯克利的拖曳水池对圆截面和八角形界面的Spar开展对比试验，包括配备螺旋侧板和不配备螺旋侧板的状态以研究平台的VIM响应特性。

 

Chevron的Irv Brooks是模型试验的（甲方）负责人。他对Spar的优点有非常清醒的认识，并最终成为了GC205 Spar方案的坚定支持者。

 

与此同时，Horton为未来Spar的实际建造场地不断奔走。他最终通过Global Marine联系到芬兰具有丰富半潜钻井平台建造经验的Rauma-Repola船厂来作为未来Spar的建造地点。Rolf Ohman是Rauma-Repola美国办事处的代表，他敏锐地认识到Spar具有的潜力并同Horton一起说服了芬兰母公司参与到未来Spar的建造项目中。Rauma-Repola同意参与并资助DOT在Spar技术方面继续开展研发和市场开发活动并指派了工程师Timo Lehtinen同DOT一起工作。Timo的第一项工作就是协助Chevron完成其在伯克利水池的模型试验工作。

 

最终试验表明八边形Spar出现的VIM很难被常规手段抑制，同时，无论是运动特性还是in-line拖曳力，相比于圆形截面，八边形截面平台都不具备优势。

 

 

深入研究

 

在伯克利水池的模型试验进行同时，DOT完成了Spar平台VIM运动特性的理论与数值分析方法研究。研究工作包括大量的拖曳水池模型试验，包括多边形截面和圆形截面两种截面形式、配备螺旋侧板不配备螺旋侧板等多种工况。DOT掌握了经典Spar VIM运动特性分析方案和螺旋侧板的设计方法，最终能够从理论上预报不同螺旋侧板布置方式对VIM抑制的有效性。我的同学兼好友Atle Steen同我一起参与到了这项研究工作中，最终Atle Steen和我一样加入了DOT并投身到Spar的研发工作中。

 

在这之后，Chevron为DOT提供了DG205油田Spar前端设计合同，Spar真正进入了方案比选阶段，它的对手是TLP方案。方案设计中的Spar为圆形截面，配备合适的螺旋侧板。平台的数值分析由Paulling教授完成，它使用新开发的时域分析工具TDSIM6完成了这项工作。

 

Spar的建造和费用估算由Rauma-Repola负责，潜在的建造地为芬兰或者韩国，此时我们发现，圆形截面的平台在建造成本上与多边形方案相比并没有很大区别。

 

1990~1992年，在Chevron和其他油公司的资助下，Spar的研究持续进行。CG205的开发方案还在顺应塔，TLP和Spar中徘徊，但最终开发方法并没有确定。

 

随着时间的推移，Spar概念在一些油公司中得到了更多的认可和支持，最重要的两位支持者就是雪弗龙研发部门的Irv Brooks和阿莫科研发部门的Steve Perryman。我们花费了大量时间来讨论如何证明和说服油公司：

 

Spar是一种可行的、安全的、经济的开发平台形式。

 

当时业界对于Spar的VIM和升沉运动还有质疑，并怀疑此前小缩尺比模型试验的精度。

 

大尺度的模型试验势在必行，但如何实现？

 

我们一开始想利用FLIP来做一些实际尺度的试验。但由于FLIP是美国海军的资源，协调起来太过困难，经过几番尝试我们最终放弃了这个想法。

 

备胎计划是通过JIP的形式来获得资助和支持来进行一些大尺度模型试验工作。DOT为Reading and Bates设计了一种生产-钻井Spar，该Spar被选为模型试验的目标平台。Shell也在设计一种小型的湿树Spar平台并同意加入JIP项目。Amoco同意出钱制作模型，另外还有八家单位参与到了这项JIP项目中，这在现在简直是难以想象的盛况！

 

1993年，试验在OffshoreTechnology Research Center完成。相关成果得到了广泛的认可，实际上OTRC接受了Spar作为一种主要的平台类型用于未来的科研和生产活动。

 

 

实际工程终于到来

 

在研究工作进行的同时，DOT同Oryx签订了Spar的设计合同。Oryx计划在Vioska Knoll Block 826区块部署一艘Spar平台。在Oryx的协调下，DOT同McDermott、Rauma-Repola签订了联合体合作协议。

 

1994年初，Oryx Spar的概念设计完成。设计成果极大的增强了Oryx采用Spar进行开发的信心和决心，唯一的障碍在于成本。1994年的剩余时间，我们一直在做成本核算工作，各方的负责内容和工作界面逐渐清晰：DOT负责平台概念设计和技术分析；Mc负责组块建造和安装；Rauma负责船体建造和系泊设备采购。

 

1995年2月，Oryx授出第一个生产Spar的合同，此时距离Horton为Arco进行第一项Spar的研发工作已经过去11年，换算成人工时的话，这一过程花费了30人-年。

 

新概念的应用之路从来都是荆棘满地。现在我们要设计一个“真的”Spar了！（此时Rauma 被Aker收购）。

 

Oryx将设计工作分成若干部分分包给Mc、Aker Rauma，DOT以及其他的分包商。DOT负责总布置和平台设计，平台的详细设计在芬兰进行。项目管理，组块建造以及安装在休斯敦进行。Oryx的项目经理Don Vardeman通过邮件与各地分包团队保持联系。

 

随着项目推进，我们遇到了一些关键技术问题：

1.      立管和Buoy can设计；

2.      平台扶正载荷与结构分析；

3.      Keel Joint和Keel Guide；

4.      VIM。

 

相关的项目信息可参考OTC相关论文。Spar（当时的Spar）的立管系统有两个特别之处：Buoy can提供立管顶端拉力，立管经过中央井穿过Keel joint和guide达到船体外侧。

 

本项目Buoy Can仅提供净浮力，在以后的Spar项目中，Buoy can可以在有内压的条件下进行操作。净浮力Buoy can没有压力阀门，在长期服役条件下可能出现漏气从而降低自身提供浮力的能力。

 

Keel Joint是立管贯通的通道，配备套筒来保护立管并传递立管在船底受到的弯矩。顺应塔立管隔水套管的设计经验被借鉴到该项目的keel joint设计中，但后续应用证明这样的设计是保守的。

 

Spar立管的设计与TLP立管有明显的区别。在TLP上，几乎所有的立管疲劳损伤都来源于波频疲劳，其疲劳损伤可以通过频域分析来解决。Spar的立管疲劳受一阶波频运动影响较小，受二阶低频运动影响较大，Keel处的立管疲劳多由于Spar二阶低频纵荡运动和二阶低频纵摇运动引起，此时时域耦合分析必不可少。

 

我们针对Oryx做了四个模型用于水池试验，其中三个用于研究VIM。之前的模型试验研究过螺旋侧板对于抑制Spar VIM的有效性，现在的模型要将舾装件和所有船体外部附属结构都考虑在内。这些附属构件有可能增强涡泄从而降低螺旋侧板的作用。

 

VIM是Spar设计中不可避免、不可忽视的影响因素。每一个投产的Spar的外部附属构件都不相同，因而在VIM特性上都不尽相同。针对每一个Spar进行模型试验来研究VIM相应特性也成为Spar设计过程中的必要环节。

 

第四个模型在OTRC做试验，用于研究扶正和在位运动特性。船体外部贴了应变片用于研究Spar扶正过程中受到的弯矩剪力载荷。扶正作业也往往是Spar船体垂向方向受到弯矩最大的载荷工况。所以Horton在Oryx Spar完成扶正作业的时候除了感谢阿基米德以外，他也需要感谢William Foude。因为没有了Froude，也就没有了缩尺比水池试验。

 

Upending

 

 

From OTC 11073, “The Neptune Spar – Performance Over the First Two Years of Production”

 

FromOTC 11073, “The Neptune Spar – Performance Over the First Two Years of Production”

 

当Neptune Spar成功安装后，我们继续参与了Neptune Spar的运行监测项目。幸运的是，在1998年9月平台遭遇两次飓风袭击过程中，我们的设备都完好并记录了有效数据。监测数据证明了我们理论分析和模型试验的正确性，但有一个方面让我们很惊讶：平台的升沉运动和纵摇运动非常小，远远小于设计值。

 

我们在做设计的时候忽略了立管系统的贡献，而Spar的升沉运动由固有周期共振产生，升沉运动幅值对于阻尼量级很敏感。立管系统的阻尼对于抑制升沉共振幅值有一定的贡献。后续我们的研究也表明系泊系统的阻尼贡献同样不可忽视。很显然，我们对于Neptune的升沉运动估计的过于保守了。

 

纵摇响应与升沉类似但机理不尽相似。立管对于平台具有一定的刚度贡献，客观上提高了有效GM值。纵摇恢复刚度提高使得平台在定常力作用下的净倾角有所减小，二阶低频纵摇运动也减小。平台纵摇固有周期65s，远大于波浪主要能量范围，因而波频纵摇运动成分很小。

 

Rauma offshore证明了其具备船体建造不超支并按时交付的能力。这对于一个新的平台概念而言非常难得，同样，Oryx及其伙伴CNG在该项目的项目管理中的出色表现也值得称道。

 

Oryx Neptune Spar的成功点燃了业界对于Spar平台的热情。在这之后不久，Chevron重新显示出在GC205采用Spar平台进行开发的兴趣并将Spar的设计推到一个新的阶段。DOT研究了第二代Spar即Truss Spar。1994年DOT开始将Truss Spar概念推荐给Chevron。

 

Truss Spar用Truss结构代替了经典Spar的midsection，在节省钢材的同时，也有助于减少平台的VIM。Chevron表现出了极大的兴趣，这使得Truss Spar前途一片光明。

 

1995年2月，我们为Chevron建造了一个特定尺度的TrussSpar模型并准备模型试验，当时船体硬舱没有配备螺旋侧板。我们认为平台硬舱长度足够短且Truss结构有足够的阻尼来抑制VIM的产生。又是在一个周五，我们又一次被水池试验给出的结论惊住了。后来我们乖乖地又把螺旋侧板加上了！

 

Truss Spar的垂荡板距离平均水面较远，该处受到水质点运动影响较小，垂荡板可以起到明显的阻尼作用，同时增加平台的附加质量，将平台升沉固有周期拉长。相比于经典Spar，这使得我们可以将Spar设计的短一些并有利于建造工作的展开。船体硬舱可以单独在芬兰建造然后干拖至美国墨西哥湾再进行组装。而Neptune吃水太大（受制于当时半潜运输船的能力）只能分为两段进行运输，然后在美国墨西哥湾进行拼装，这种方式将工期拉长了近16周。

 

我们对于Truss Spar的设计工作推进的非常快，1995年上半年我们的方案已经在和Chevron提出的半潜平台改造方案进行PK了。

 

 

SPARS INTENATIONAL, INC

 

1995年年初，在Neptune合同签订的同时，Aker同Mc对于Spar技术的前景有了更直观的了解，他们认为推广Spar技术的最好方式是成立一家新的、专门用于市场开拓和项目管理的专业公司---Spars International, INC(SII)。DOT依旧保留独立地位，但两家增资入股。DOT依旧作为技术研发和工程设计公司存在着。

 

SII的第一个合同就是Chevron Spar。该Spar的规模远大于Neptune，同时平台具有钻井功能。项目的管理方式也大不相同，一个油公司牵头的联合项目组就此成立。设计工作从1995年6月持续到1996年7月。期间做了一些关于VIM的模型水池试验。正式建造合同在1996年7月授出，最终平台于23个月（1998年6月）后顺利安装成功并于1999年一月试产成功。

 

Genesis Spar用钢量是Neptune的两倍，整个建造时间多了9个月。

 

1997年，Horton的DOT公司从1个人发展到35人，办公地点也从加州Irvine搬到休斯敦。我同另外两位同事留在加州继续从事新型Spar的研发工作，从1995年至1997年，我们一共完成了29个不同模型的水池试验。

 

下图展示了我们在此期间研究了一些新型Spar。Plate Spar和Truss Spar是经典Spar的改进。DP Spar配备钻井功能、拖曳力载荷小并具有升沉运动优良的特点。Telspar和Colspar用于建造条件受限的情况，甲板可以预先安装或者拆除。当平台就位以后，裙板结构下降，增加吃水以实现较好的升沉运动性能。Pipe Spar用于里海。Shallow draft spar（Box Spar）用于西非和巴西的油田开发，支持干树并具备储油功能，Aker将这种概念称为DPS2000。混凝土Spar目标定位于挪威沿海，在97~98年我们接到过一些挪威沿海和北大西洋海域的研究项目，但一直以来也没有实际项目。

在我们推进DOT的inhouse研究项目的同时，一些油公司开始主动寻求合作。Amoco对Truss Spar非常关注，并希望提供一个针对Marlin油田的Spar开发方案。在一系列模型试验的支撑下，Truss Spar看上去成熟了更多，更具说服力了。虽然最终Amoco采用了TLP方案，但我们能够理解，这并不是说Spar方案不够好，而是其他场外因素影响了最终方案的确定。

 

Exxon在Diana实现了商业发现，并最终决定采用Spar来实现Diana和Hoover的联合开发，相关合同与1996年签订，这也是第三座Spar平台，尽管Exxon把她叫做DDCV（Deep Draft Caisson Vessel）。

 

1997年，Amoco选择Truss Spar方案作为KingField的最终开发方案，Truss Spar真正迎来了大发展。DOT、SII、Aker、Mc都参与到了这个项目中，但1999年BP收购阿莫科，项目戛然而止。

 

1999年，Aker和McDemott决定各自开展Spar方面的业务而不再保留SII公司，这意味着他们同Horton一样享有Spar的等额权益。Aker和Mc都想收购DOT，所有DOT和SII的员工几乎同时收到了两份offer。Aker和Mc最终成为了Spar业务的竞争对手。

 

随着深水发现的增多，作为一种主要的开发平台类型，Spar无疑为开发者提供了更多样的选择。在未来，一定还会有更多现在还在图纸上的概念最终成为现实。

 

Ed Horton和许多和他一样的先行者和发明家还会继续他们的创新之路，虽然这条路艰辛无比，但金子总是要发光的---虽然发光的过程中需要“贵人”和像Oryx这样识货的买家相助。

 

 

About the author

 

Dr.Halkyard is an ocean engineer with over 40 years experience in deep oceansystem development, including deep ocean mining and floating production systems(FPS). Between 1971 - 1980 he was Chief Ocean Engineer and Director of theOcean Mining Laboratory for the Kennecott Consortium, one of the pioneers inthe development of deep sea manganese nodule mining. From 1980 - 2007 hefocused on deep water oil & gas drilling and production. He was one of theoriginal architects for the very successful Spar concept for deep-water oilproduction. 

 

In 2016, Dr. Halkyard founded Ocean Minerals, LLC(OML) to pursue exploration of seafloor rare earth and cobalt rich polymetallicnodules in the Cook Islands Exclusive Economic Zone. He is currently Chairmanand President of OML. 

Dr. Halkyard is a Fellow of the Society of NavalArchitects and Marine Engineers (SNAME) and Life Fellow of the American Societyof Mechanical Engineers (ASME). He is also a Member of the Society of Mining,Metallurgy and Exploration (SME). He is a registered Professional MechanicalEngineer in California (since 1982). He has served on the Marine Board of theNational Research Council, National Academy of Engineers, and is on theInternational Professional Advisory Panel for the University of Hawaii, Schoolof Ocean Earth Science and Technology (SOEST). He is currently a member of theOversight Committee for OTC Asia.

 

 

About Edward E. Horton(1927~2015)

 

Edward E. (Ed) Horton is the inventor of both the Spar and TensionLeg Platform drilling and production units, the two standard deepwater conceptsthat represent the vast majority of deepwater floating oil and gas facilitiesin service today.  

 

Overthe past 30 years, more than two billion bbls of oil have been produced throughfacilities that incorporate on his patents.  By year-end 2008, 17production spars will be in operation, 16 in the Gulf of Mexico and one offMalaysia.  Horton is a member of the Society of Petroleum Engineers (SPE)and the National Academy of Engineering, and has been previously honored forhis accomplishments by the Offshore Technology Conference, the National Academyof Science and SPE. 

 

 

这篇文章是我刚工作的时候搞Spar设计时无意间看到的，前一阵子电脑格式化的时候偶然翻了出来。在我的认识中，这篇文章还是第一次也是目前仅有的一次看到一篇讲故事的论文。虽然整篇文章偏流水，但不失为一篇非常有价值的论文，从这篇论文中我们可以从一个侧面了解上个世纪末的技术发展特点，也能从中看到一种不屈的精神和探求真理的执着，这种精神显然现在已经很难再找到了。

 

Ed Horton如果活到现在会发现Spar作为他留给海洋工程界的最大遗产，还在继续发展。挪威沿海也用上了Spar，而Spar不光用于海洋油气开发，也已经用到了浮式风机上。

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