海洋平台

《海岸工程学》课程结业论文

——海洋平台结构型式发展过程及导管架平台设计需要计算的内容

一、海洋平台结构的分类

海洋平台是一种海洋工程结构物, 它为开发和利用海洋资源提供了海上作业与生活的场所。随着海洋开发事业的迅速发展, 海洋平台得到了广泛的应用, 如海底石油和天然气的勘探与开发、海底管线铺设、海洋波浪能的利用、建造海上机场及海上工厂等。目前应用海洋平台最为广泛的领域当属海上油气资源的勘探与开发。用于海上油气资源勘探与开发的海洋平台按功能划分主要分为钻井平台和生产平台两大类, 在钻井平台上设有钻井设备, 在生产平台上则设有采油设备。若按结构型式及其特点来划分, 海洋平台大致可分为三大类固定式平台、移动式平台和顺应式平台。

1．固定式平台

固定式平台靠打桩或自身重量固定于海底, 目前用于海上石油生产阶段的大多数是固定式平台, 它又可分为桩式平台和重力式平台两个类别。

桩式平台通过打桩的方法固定于海底, 其中的钢质导管架平台是目前海上使用最广泛的一种平台；而重力式平台则是依靠自身重量直接置于海底, 这种平台的底部通常是一个巨大的混凝土基础沉箱, 由三个或四个空心的混凝土立柱支撑着甲板结构。

2．移动式平台

移动式平台是一种装备有钻井设备, 并能从一个井位移到另一个井位的平台, 它可用于海上石油的钻探或生产。移动式平台可分为坐底式平台、自升或平台、钻井船和半潜式平台四个类别。

坐底式平台一般用于水深较浅的海域, 工作水深通常在60米以内；

自升式平台具有能垂直升降的桩腿, 钻井时桩腿着底, 平台则沿桩腿升离海面一定高度, 移位时平台降至水面, 桩腿升起, 平台就像驳船可由拖轮把它拖移到新的井位。自升式平台的优点主要是所需钢材少, 造价低, 在各种情况下都能平稳地进行钻井作业, 缺点是桩腿长度有限, 使它的工作水深受到限制, 最大的工作水深约在120米左右；

钻井船是在船中央设有井孔和井架, 它靠锚泊系统或动力定位装置定位于井位上。它漂浮于水面作业, 能适应更大的水深, 同时它的移动性能最好, 便于自航。但由于它在波浪上的运动响应大, 稍有风浪就会引起很大的运动, 使钻井作业无法再进行下去, 风浪更大时船还得离开井位, 这是钻井船得不到大发展的主要原因；

半潜式平台是由坐底式平台演变而来的, 它上有平台甲板, 在水面以上不受波浪侵袭,下有浮体, 沉于水面以下以减小波浪的扰动力, 连接于其间的是小水线面的立柱。由于半潜式平台具有小的水线面面积, 使整个平台在波浪中的运动响应较小, 因而它具有出色的深海钻井的工作性能。半潜式平台可用锚泊定位和动力定位, 锚泊定位的半潜式平台一般适用于200~500米水深的海域。

3．顺应式平台

顺应式平台是一种适于深海作业的海洋平台, 它在波浪作用下会产生水平位移。顺应式平台又可分为张力腿式平台和牵索塔式平台两个类别。

张力腿式平台的上部类似于半潜式平台，整个平台是通过张力腿（实为系泊钢管或钢索）垂直向下固定于海底, 它是一种新开发的深海平台, 与导管架平台相比, 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。此外, 由于每个张力腿都有很大的预张力, 因此张力腿式平台在波浪中的运动幅度远小于半潜式平台；牵索塔式平台由甲板、塔体和牵索系统三部分组成。塔体是一个类似于导管架的空间钢架结构, 牵索则围绕着塔体对称布置, 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。

二、海洋平台结构的发展历史及现状

海洋平台的建造历史可以追溯到1887年在美国加里福尼亚所建造的第一座用于钻探海底石油的木质平台。而钢质导管架平台则是在1947年首次出现于墨西哥湾6米水深的海域, 此后, 海洋平台得到了迅速发展。到1978年, 钢质导管架平台的工作水深已达312米, 而不久前高度为486米的巨型导管架平台也已安装于墨西哥湾411米水深的海域。

第一座坐底式平台是1949年在墨西哥湾钻井的“环球40号”。在50年代建造了近30座坐底式平台。50年代末, 坐底式平台的工作水深已达到27.43米（90英尺）。1963年出现了一座大型坐底式平台, 其工作水深达53.34米（175英尺）。此后10年中, 坐底式平台没有什么发展。直到1973~1974年间, 由于原油价格暴涨, 人们对适合于水深小于30米的浅水区工作的坐底式平台的需求再一次表现出来, 于是在70年代后半期又建造了一些坐底式平台, 此后又趋冷落。由于我国有大片的浅水及海滩地区需要勘探开发, 在所采用的钻探装备中, 坐底式平台占有重要的地位。1979年建成并投入使用的“胜利一号”坐底式平台是我国设计、制造的第一座坐底式平台, 它的作业水深范围为2~5米。

为了适应在不同水深范围内钻井, 1954年出现了第一座自升式钻井平台——“加里福尼亚号”。到1960年, 大约有30座自升式平台在使用中, 最大工作水深约50~60米。60年代，自升式平台不仅在数量上大为增加, 而且在结构上也得到了不断的改进, 到60年代末, 自升式平台的工作水深已达到91.44米（300英尺）。在70年代, 为了满足全世界勘探的需要, 自升式钻井平台的数量迅速增加, 到70年代末, 自升式钻井平台占移动式钻井装置的总数的一半。而到了1985年, 此比例已达到60%，自升式钻井平台的最大工作水深已达137.16米（450英尺）。

1962年出现的第一座半潜式平台是由一带有稳定立柱的坐底式平台改建而成, 60年代共建造了大约30座半潜式平台。半潜式平台的数量在70年代迅速增加, 设计重点表现在自推进、动力定位、恶劣海况、更大的工作水深（1830米）及更大的钻井深度（9144米）。在此期间, 运动补偿装置的使用提高了钻井效率。80年代, 半潜式平台的最大工作水深能力为3048米, 半潜式平台已开创了在北纬60°以北的北海海域钻井的记录。

自1973年北海建成第一座棍凝士重力式平台Ekofisk Tank平台后, 相继又有20余座混凝土重力式平台投人使用。混凝土重力式平台的安装水深也在逐渐增大, 由最初的70米水深已发展到305米水深（1995年安装的Troll平台）。

张力腿平台的研究始于1954年，R·O·Marsh Jr.首先提出了张力索组平台概念。从1954年到70年代末期, 基本上各国学者都致力于理论与实验的概念性的研究。70年代末期以后, 各国学者才真正致力于工程性的研究和实施。1984年世界上第一个由美国CONOCO公司建造的张力腿平台正式安装在147米深的Hutton油田, 目前在深水海域投人使用和在建的张力腿平台近20座, 其工作水深已接近1000米。

据文献介绍, 牵索塔式平台在水深为300米左右时, 与固定式平台造价几乎相等；在水深为300~600米范围内时, 优于固定式平台；而在水深大于600米时, 则让位于张力腿式平台。目前已有一座牵索塔式平台用于墨西哥湾水深305米的海域。

海上油气资源的开发在不断向深海进军的同时, 浅海边际油气资源的开发利用也引起了人们的日益关注, 研究和开发适合于浅海边际油气资源开发的固定式简易平台得到了广泛的重视。自80年代以来, 简易平台的应用日趋广泛, 墨西哥湾地区尤为突出。近年来, 在北海南部海域也已开始应用, 其中应用较多的简易平台主要有MOSS Ⅱ型、Mantis Ⅰ型Guardian、Seashore及独桩平台等。

MOSS平台由CBS工程公司于1987年首次设计用于墨西哥湾, 共有4种型式, 其中MOSS Ⅱ型使用最广, 已有80余座用于该地区。MOSS Ⅱ型平台用钻井隔水套管作支柱并有两根