随着海洋油气资源开发逐步向深海(水深500-1500m)和超深海(水深大于1500m)发展,各种新型海洋工程结构物不断涌现。目前,新型海洋工程结构物的设计研究主要集中在浮式海洋平台概念的基础之上。国际上广泛应用的浮式海洋平台类型主要有：张力腿平台、Spar平台、半潜式海洋平台、深水钻井船、浮式生产储卸油系统(Floating Production Storage and Offloading system,简称FPSO)以及浮式钻井生产储卸油系统(FDPSO)等。尽管浮式海洋平台被广泛拓展应用于超深海油气资源的开发活动,但是面对具有强风和巨浪等多种灾害性海洋环境要素特征的超深海,浮式海洋平台存在着诸多不足,例如：本体结构尺寸过大、定位性能要求高、设计和施工技术复杂以及无安全有效的避险技术等。因此,研究开发新一代的“超深海灾害性海洋环境要素适应性海洋油气开发作业支撑系统”对于我国掌握超深海油气资源勘探开发的前沿技术和建立具有自主知识产权的超深海石油工程装备体系具有深远意义。本文的研究内容主要分为以下五个部分：(1)基于对超深海灾害性海洋环境要素的认知和超深海油气资源开发作业所遇到的技术难题,提出一种基于张力系泊式潜没浮筒(水中生产作业平台)的水中生产系统(Subsurface Tension Leg Production system,简称STLP系统)新概念,并进一步构建了基于水面FPSO和STLP系统的超深海油气生产开发系统,为超深海油气田开发提供了一种全新的解决方案。在明确STLP系统的功能需求和技术要求等设计基础上,提出了需要遵循的设计准则,采用交互式的方法开展了STLP系统关键构件的概念设计。概念设计内容主要包括潜没浮筒结构型式的确定、潜没浮筒的总布置和主尺度预估、潜没浮筒的重量分布、张力系泊系统设计、刚性立管系统设计和管线中转装置设计等。(2)提出一种新型桁架式海星构型的潜没浮筒(Truss Seastar Pontoon,简称T-SSP),应用数值计算的方法开展T-SSP的水动力性能研究,计算得到了T-SSP的水动力系数,并进一步开展了潜没浮筒的水动力参数敏感性分析。研究结果表明T-SSP横向拖曳力系数的确定具有相当重要性。(3)建立了潜没平台(包括T-SSP、采油设备、系泊系统以及刚性立管系统)全耦合的数值计算模型,系统地研究了水中生产作业平台的张力系泊系统的定位特性,重点研究了张力系泊缆的初始方位角、预张力、水深以及流速等因素对潜没浮筒定位性能的影响。研究结果表明,张力系泊缆的初始方位须垂直于潜没浮筒底面,从而在保持T-SSP稳定性的前提下,能够实现基于潜没平台的超深海油气生产开发系统的整体优化布局。此外,系统地开展了刚性立管系统的设计分析,包括刚性立管系统的运动响应分析、干涉分析、在位强度分析、屈曲分析以及疲劳损伤计算分析等,分析结果表明预安装的T-SSP能够为多井口联合生产作业提供稳定可靠的浅水作业平台。(4)基于悬链线理论,建立了FPSO与STLP系统之间的柔性跨接管长度的优化设计准则。进一步地,建立了基于水面FPSO和STLP系统的超深海油气生产开发系统(包括T-SSP、采油设备、系泊系统、刚性立管系统、柔性跨接管系统和FPSO)全耦合的数值计算模型,系统地研究了不规则波环境条件下一阶波浪运动和FPSO极限偏移对潜没平台运动特性的影响；研究结果表明,针对超深海灾害性海洋环境要素,STLP系统具有良好的适应性。(5)针对STLP系统在生产作业过程中由于潜在的危险事件而导致的原油泄漏风险,建立了STLP系统定量风险评估的理论框架。在建立STLP系统风险接受准则的基础上,识别潜在的危险事件,并建立整体风险模型；基于事故数据库和专家评判,对主要危险事件的发生概率和危险事件发生后果进行了系统地计算分析,并研究了定量风险评估过程中不确定性的影响；基于已建立的风险接受准则,确立了STLP系统的风险等级,并提出了降低STLP系统整体风险水平的推荐措施。定量风险评估结果表明只有水下井口头泄漏的环境风险水平位于ALARP (As Low As Reasonable Practicable,简称ALARP)区域,其余危险事件的环境风险水平和经济风险水平均位于可接受风险区域,验证了采用新型STLP系统开展超深海油气资源开发作业所具有的安全性优势。