浅谈海洋工程结构的发展过程与趋势

2014-08-15施峰

科技视界 2014年31期

施峰

（南通航运职业技术学院船舶与海洋工程系，江苏南通226010）

1 研究背景

随着近年来经济的飞速发展，人们的生活水平得到了显著地提高，同时石油的消费量也急剧攀升。2003年，我国石油消费量为2.75亿吨，2013年石油消费量达到了4.98亿吨，比2003年增长了81%，并且2014年仍呈现上升的趋势，随着汽车等石油消耗较大的消费品大量进入百姓生活，这样的增长仍将持续。

石油从20世纪开始出现内燃机后进入到大规模的开采时期，世界范围内的大规模开采已经有百年历史，按照目前的开采速度，目前陆地的石油储量大约会在50年内开采完。届时如何实现石油的可持续利用成为目前全世界都在研究的一个课题。在没有找到替代能源之前，人类无法摆脱对于石油资源的依赖。那么海洋石油成了人们一个重要的选择。由于海洋面积占据整个地球表面积的71%，其中蕴含的资源更是十分丰富，据估计海洋石油储量约为1000亿吨，占据石油总储量的34%，所以二十世纪中期以来各国一直在发展海洋石油开采技术。

2 发展阶段

2.1 平台出现

最早的海洋平台出现在20世纪初，当时的平台作业水深主要是以浅海海床为主，钻井的深度也是比较浅，但是海洋石油大部分集中在100m-3000m水深范围内，如何加强对深海石油的开发成为了各国竞相研究的目标。我国的海洋石油开采起步相对较晚。但是随着改革开发以来我国经济水平的提高，我国在海洋石油开采方面也取得了重大的进展。我国海洋石油981号的建成标志着我国深海石油的开采能力跻身于世界的先进水平。

2.2 自升式平台发展

20世纪50年代，海洋石油的开采主要集中在近海。1953年美国建成第一座自升式平台，这种平台对水深适应性强，工作稳定性良好,发展很快,约占移动式钻井装置总数的二分之一。由平台、桩腿和升降机构组成，平台通过齿条和牙箱能沿桩腿升降，故称自升式，这型平台一般无自航能力。平台甲板上有钻机、其他机械设备和生活设施等。平台桩腿下部结构根据海床的承载能力的不同分沉垫和插入式两种。桩腿周围装升降系统,主要有液压进行操作，工作时桩腿下放插入海底，平台被抬起到离开海面的安全工作高度，并对桩腿进行预压，以保证平台遇到风暴时桩腿不致下陷。成开采后平台降到海面，拔出桩腿并全部提起，整个平台浮于海面，由拖轮拖到下一个钻井位进行新的作业。

2.3 半潜式平台的发展

半潜式平台作为一种目前深海作业常见的平台类型出现于20世纪60年代初,从出现以来其在海洋石油勘探开发中一直得到了广泛应用。其优点是:适用工作水深广,最新型的深水半潜式平台的工作水深已超过3000米，钻井深度超过12000米；同时能适应恶劣海况，抗风浪能力强,大部分半潜式平台能够抵御百年一遇的恶劣海况条件；其甲板面积大，同时由于其排水量较大所以装载量大。随着国内外油气开发向深水和超深水海域拓展，对半潜式平台的制造提出了更高的要求，由于其作业环境的特殊性对于材料、操作、动力的要求非常苛刻，对于制造过程中的焊接、精度控制等技术也是要求极高，尤其其动力定位推进装置和系泊结构由于有操作的要求必须做到非常精确。

半潜式平台通常由上部甲板、立柱、浮箱，以及立柱之间或者浮箱之间的横撑构件所组成。同时平台还通过锚链、立管与海底相连。,半潜式平台经过几代的演变，外形趋向规则简单。下浮箱提主要供拖航和作业时所需的浮力，目前主要的形式有双下浮箱和环形下浮箱两种形式，浮箱内设置舱室，可装载压载水、燃油、淡水、系泊等设备。立柱连接浮箱和上部甲板。作业时,浮箱和部分立柱沉入水下，大大减小了水线面面积及波浪作用在平台上的载荷，其较大的水线面惯性矩提供了平台作业时所需的稳性。考虑到破舱稳性和经济性,立柱的数量一般为4至8个，立柱内设舱室，可装压载水和工作设备。立柱截面一般做成圆形或矩形,目前在建的半潜式平台主要采用方形截面,这样制造起来相对简单，同时能增大舱容。上层建筑主要是存放设备、同时提供人员居住场所，主要的钻井器材和材料都堆放在甲板上，甲板中间开有月池，方便平台钻井采油。上部甲板有框架型和箱型两种形式。框架型甲板由承载甲板及其余甲板组成，箱型甲板则包括具有双层底的下甲板结构、一层或多层中间甲板和一层主甲板。

2.4 立柱式平台的发展

20世纪80年代以来，立柱式平台被开始应用于开发深海油气资源的各项工程中，承担了勘测、钻探、采油等一系列工作，它的出现被很多海洋工程企业视为未来海洋平台发展的方向。

立柱式平台属于漂浮式平台的类型，应用于海洋石油开发的时间已经超过30年了，但在早期，其一直是作为辅助系统，例如浮标、海上科研站、海上通信中转站以及海上装卸和储藏中心等结构物来使用。1987年，Edward E.Horton设计了一种专用于深海钻探和采油工作的Spar平台，被公认为现代立柱式平台的鼻祖。1996年，Oryx能源公司委托J.Ray McDermott公司在美国墨西哥湾水深588 m的Neptune油田成功建造安装了世界上第一座立柱式生产平台，标志着立柱式平台开始正式应用于海上油气生产领域，在接下来的十几年时间里，立柱式平台得到了广泛的应用，其平台形式也得到了不断的改进，由第一代Classic Spar平台，发展为第二代Truss Spar，以及第三代Cell Spar平台。

虽然不同形式的立柱式平台各有特点，但总的来说，现代立柱式平台的主体结构均为垂直于水面的柱体，主体为封闭式结构，用来提供平台所需的浮力，平台的底部需要进行压载，使平台的重心低于浮心，从而保证平台的稳性，对风浪的抵抗能力比较强。在操作过程中，平台的各向运动均能够通过压载得到很好的控制，因此此类型平台的作业范围比较广，作业水深范围也比较广，比较适合深海采油作业，一般来说，立柱式平台自身并无动力，需要通过拖轮进行拖曳移动。