西西河:海洋平台的种类

作者:dutfrid

前面一点罗嗦的话:从对动力定位系统的回复延伸出一篇完整的帖子,我稍稍考虑了一下该从哪几方面叙述。同时也是第一次在河里发如此规模的文章,任何不当之处请大家批评指正。

第一篇先从海洋平台的分类开始吧。

海洋平台是在海洋上进行作业,石油钻探与生产所需的平台,主要分钻井平台和生产平台两大类。在钻井平台上设钻井设备,在生产平台上设采油设备。平台与海底井口有立管相通。

呵呵,石油钻探就是民用啦,当然也可理解为战略物资储备。但多才的美军把雷达也放到半潜式平台上了。

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咱们先把军用的放在一边,海洋平台就是石油开采业向水下进军的一个产物。最原始的海洋平台甚至不能称为海洋平台,而是湖泊平台(1891年,圣玛丽湖,俄亥俄州),结构为木质,作业水深甚至仅有1.5m。说白了,就是给陆上井架加了一层台阶。既然能在湖边,也能在海边嘛,到现在海洋平台已经发展成为高附加值、高科技的工业设施。形式多种多样,且几乎每种新型的平台形式出现都是为了再更深的海区中作业。

最早出现的平台是导管架平台(Jacket),适用于浅近海。导管架平台可以看作最原始,最直接的将钻井设备与海底连接起来的措施。钢桩穿过导管打入海底,并由若干根导管组合成导管架。导管架先在陆地预制好后,拖运到海上安装就位,然后顺着导管打桩,桩是打一节接一节的,最后在桩与导管之间的环形空隙里灌入水泥浆,使桩与导管连成一体固定于海底。平台设于导管架的顶部,高于作业区的波高,具体高度须视当地的海况而定,一般大约高出4-5m,这样可避免波浪的冲击。导管架平台的整体结构刚性大,适用于各种土质,是目前最主要的固定式平台。但其尺度、重量随水深增加而急骤增加,所以在深水中的经济性较差。导管架平台使用水深一般小于300m,世界上大于300m水深的导管架平台仅7座。目前最大的导管架平台是在墨西哥湾安装的水深为610m的导管架平台。呵呵,看到下图,你是不是就想到一个字,“笨”?

典型导管架平台

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导管架平台还有一个缺点,就是走不动。自从安装之日起,它就永远固定在那个经纬度上了。如果某公司财力有限,无法同时安装多个导管架平台,这时就出现了坐底式平台。坐底式钻井平台是早期在浅水区域作业的一种移动式钻井平台。平台分本体与下体(即浮箱),由若干立柱连接平台本体与下体,平台上设置钻井设备、工作场所、储藏与生活舱室等。钻井前在下体中灌入压载水使之沉底,下体在坐底时支承平台的全部重量,而此时平台本体仍需高出水面,不受波浪冲击。在移动时,将下体排水上浮,提供平台所需的全部浮力。坐底式的工作水深比较小,愈深则所需的立柱愈长,结构愈重,而且立柱在拖航时升起太高,容易产生事故。由于坐底式平台的工作水深不能调节,已日渐趋于淘汰。胜利1号与胜利4号都是坐底式平台。

坐底式平台

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你看,坐底式平台虽然能移动,但还是到不了更深的地方去。好么,人类中从来不缺乏能工巧匠。在全面研究了海洋工程环境之后,美国人R G LeTourneau在20世纪50年代初提出了自升式平台的理念,受到了广泛的关注,但热闹归热闹,关注之后却没有一家石油公司愿意建造自升式平台。LeTourneau找来找去,终于找到了一家愿意签合同的公司Zapata Off-Shore Company,这家公司的掌柜叫George H W Bush,哈哈,没错,就是后来当过大统领的老布什。在某次平台建造中的仪式上,老布什还特意带着小布什一起去见了见世面。

LeTourneau设计的自升式平台,于1955年建成。

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老小布什

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是不是从这起,就注定了父子俩要为石油跟伊拉克干仗?

自升式钻井平台(Jack-up)是由一个上层平台和数个能够升降的桩腿所组成的海上平台。这些可升降的柱腿能将平台升到海面以上一定高度,支撑整个平台在海上进行钻井作业。这种平台既要满足拖航移位时的浮性、稳性方面的要求,又要满足作业时着底稳性和强度的要求,以及升降平台和升降桩腿的要求。由于自升式平台可适用于不同海底土壤条件和较大的水深范围,移位灵活方便,便于建造,因而得到了广泛的应用。目前,在海上移动式钻井平台中它仍占绝大多数。导管架平台和自升式平台比起来就是铃木摩托和福特汽车的关系。

典型的自升式平台

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自升式平台下水,跟导管架平台一样的道理,去更深的地方就得付出尺度和重量增加的代价。目前自升式平台最大的作业水深是400ft,也就是122m。还是那个老问题,如何到更深的地方去采油?除了钻井船之外还有什么办法?壳牌公司的Bruce Collip提出了半潜式平台的理念。其实这个理念得来相当轻巧。壳牌公司的一家施工单位——蓝水钻井公司有一座浸没式平台“蓝水1号”,“蓝水1号”的结构就像一张方桌,方形甲板下面四根立柱,四根立柱底部之间有一些浮箱连接。“蓝水1号”本来就是按照浸没式设计的,拖航时浮箱提供的浮力自然无法与平台重力平衡,因此拖航时水面没过了浮箱,但还在甲板之下。在1961年的一次拖航过程中,Bruce Collip观察到在这个状态下平台相对于其平衡位置的运动极小,就意识到这座平台也能在漂浮状态下作业。

半潜式平台(Semi)是大部分浮体沉没于水中的一种小水线面的移动式平台,它从坐底式平台演变而来,由平台本体、立柱和下体或浮箱组成。此外,在下体与下体、立柱与立柱、立柱与平台本体之间还有一些支撑与斜撑连接,在下体问的连接支撑一般都设在下体的上方,这样,当平台移位时,可使它位于水线之上,以减小阻力;平台上设有钻井机械设备、器材和生活舱室等,供钻井工作用。平台本体高出水面一定高度,以免波浪的冲击。下体或浮箱提供主要浮力,沉没于水下以减小波浪的扰动力。平台本体与下体之间连接的立柱,具有小水线面的剖面,主柱与主柱之间相隔适当距离,以保证平台的稳性,所以又有立柱稳定式之称。半潜式平台已经成为海洋钻井平台的主要发展方向。嗯,相当于用了TSI+DSG的迈腾吧。到目前为止,半潜式钻井平台已经经历了第一代到第六代的历程。

代 作业水深 年代

1 600 ft 1960

2 1000 ft 1969–1974

3 1500 ft 1980

4 3000 ft 1990

5 7500 ft 1998–2004

6 10000 ft 2005–2010

工作水深排世界前15名的半潜式平台中,巴西国家石油(BR)占9艘,英国石油公司(BP)2艘,壳牌石油1艘,美国ATP油气公司1艘,Chevron公司1 艘,美国Anadarko石油公司(APC)1艘。

典型的半潜式平台

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前面说了,海洋平台主要分钻井平台和生产平台两大类。在深海,半潜式平台主要用作钻井,生产平台就主要靠张力腿平台(TLP)了。张力腿式平台利用绷紧状态下的锚索链产生的拉力与平台的剩余浮力相平衡。一般来说,半潜式平台的锚泊定位系统,都是利用锚索的悬垂曲线的位能变化来吸收平台在波浪中动能的变化。悬垂曲线链的特征之一是链的下端必须与水底相切,以保证锚柄不会从水底抬起,这样就可保证锚的抓力。张力腿式平台也是采用锚泊定位的,但与一般半潜式平台不同,其所用锚索是绷紧成直线的,不是悬垂曲线的,钢索的下端与水底不是相切的,而是几乎垂直的。用的锚是桩锚(即打入水底的桩作为锚用),或重力式锚(重块)等,不是一般容易起出的转爪锚。张力腿式平台的重力小于浮力,所相差的力可依靠锚索向下的拉力来补偿,且此拉力应大于波浪产生的力,使锚索上经常有向下的拉力,起着绷紧平台的作用。简单说,张力腿平台就像一个气球,把绳子拴在海底,它就不随便跑了。第一代张力腿平台其实就是从半潜式平台发展过来的,差别在于:张力腿平台的甲板一般呈正方形,半潜式平台一般呈长方形。张力腿平台的浮箱要相互连通,半潜式平台的浮箱可不连通。第二代张力腿平台则包括单柱式TLP、最小化TLP和延伸TLP,其中单柱式TLP和最小化TLP又称为迷你式TLP。

典型的第一代张力腿平台

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接下来呢,该海洋平台中的保时捷出场了——SPAR平台。SPAR的理念源自于浮标,实际上它结构的大部分都是浮筒。主体是单圆柱结构,垂直悬浮于水中,特别适宜于深水作业,在深水环境中运动稳定、安全性良好。主体可分为几个部分,有的部分为全封闭式结构,有的部分为开放式结构,但各部分的横截面都具有相同的直径。由于主体吃水很深,平台的垂荡和纵荡运动幅度很小,使得SPAR平台能够安装刚性的垂直立管系统,承担钻探、生产和油气输出工作。

SPAR平台本身的发展也经历了三个过程:Classical SPAR, Truss SPAR, Cell SPAR.

哥儿仨

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海洋平台中的偏门:重力式混凝土平台,牵索塔平台在此就不做介绍了。

TLP和SPAR是目前海洋平台中科技含量最高的产品,留作后续单独介绍。

再来回顾一下海洋平台中的主流:

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此图中,从左到右依次是导管架平台,自升式平台,半潜式平台,钻井船,张力腿平台。

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