淺談海洋工程結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程與趨勢(shì)

施 峰

（南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院船舶與海洋工程系，江蘇 南通226010）

1 研究背景

隨著近年來經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們的生活水平得到了顯著地提高，同時(shí)石油的消費(fèi)量也急劇攀升。2003年，我國(guó)石油消費(fèi)量為2.75億噸，2013年石油消費(fèi)量達(dá)到了4.98億噸，比2003年增長(zhǎng)了81%，并且2014年仍呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，隨著汽車等石油消耗較大的消費(fèi)品大量進(jìn)入百姓生活，這樣的增長(zhǎng)仍將持續(xù)。

石油從20世紀(jì)開始出現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)后進(jìn)入到大規(guī)模的開采時(shí)期，世界范圍內(nèi)的大規(guī)模開采已經(jīng)有百年歷史，按照目前的開采速度，目前陸地的石油儲(chǔ)量大約會(huì)在50年內(nèi)開采完。屆時(shí)如何實(shí)現(xiàn)石油的可持續(xù)利用成為目前全世界都在研究的一個(gè)課題。在沒有找到替代能源之前，人類無法擺脫對(duì)于石油資源的依賴。那么海洋石油成了人們一個(gè)重要的選擇。由于海洋面積占據(jù)整個(gè)地球表面積的71%，其中蘊(yùn)含的資源更是十分豐富，據(jù)估計(jì)海洋石油儲(chǔ)量約為1000億噸，占據(jù)石油總儲(chǔ)量的34%，所以二十世紀(jì)中期以來各國(guó)一直在發(fā)展海洋石油開采技術(shù)。

2 發(fā)展階段

2.1 平臺(tái)出現(xiàn)

最早的海洋平臺(tái)出現(xiàn)在20世紀(jì)初，當(dāng)時(shí)的平臺(tái)作業(yè)水深主要是以淺海海床為主，鉆井的深度也是比較淺，但是海洋石油大部分集中在100m-3000m水深范圍內(nèi)，如何加強(qiáng)對(duì)深海石油的開發(fā)成為了各國(guó)競(jìng)相研究的目標(biāo)。我國(guó)的海洋石油開采起步相對(duì)較晚。但是隨著改革開發(fā)以來我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的提高，我國(guó)在海洋石油開采方面也取得了重大的進(jìn)展。我國(guó)海洋石油981號(hào)的建成標(biāo)志著我國(guó)深海石油的開采能力躋身于世界的先進(jìn)水平。

2.2 自升式平臺(tái)發(fā)展

20世紀(jì)50年代，海洋石油的開采主要集中在近海。1953年美國(guó)建成第一座自升式平臺(tái)，這種平臺(tái)對(duì)水深適應(yīng)性強(qiáng)，工作穩(wěn)定性良好,發(fā)展很快,約占移動(dòng)式鉆井裝置總數(shù)的二分之一。由平臺(tái)、樁腿和升降機(jī)構(gòu)組成，平臺(tái)通過齒條和牙箱能沿樁腿升降，故稱自升式，這型平臺(tái)一般無自航能力。平臺(tái)甲板上有鉆機(jī)、其他機(jī)械設(shè)備和生活設(shè)施等。平臺(tái)樁腿下部結(jié)構(gòu)根據(jù)海床的承載能力的不同分沉墊和插入式兩種。樁腿周圍裝升降系統(tǒng),主要有液壓進(jìn)行操作，工作時(shí)樁腿下放插入海底，平臺(tái)被抬起到離開海面的安全工作高度，并對(duì)樁腿進(jìn)行預(yù)壓，以保證平臺(tái)遇到風(fēng)暴時(shí)樁腿不致下陷。成開采后平臺(tái)降到海面，拔出樁腿并全部提起，整個(gè)平臺(tái)浮于海面，由拖輪拖到下一個(gè)鉆井位進(jìn)行新的作業(yè)。

2.3 半潛式平臺(tái)的發(fā)展

半潛式平臺(tái)作為一種目前深海作業(yè)常見的平臺(tái)類型出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代初,從出現(xiàn)以來其在海洋石油勘探開發(fā)中一直得到了廣泛應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)是:適用工作水深廣,最新型的深水半潛式平臺(tái)的工作水深已超過3000米，鉆井深度超過12000米；同時(shí)能適應(yīng)惡劣海況，抗風(fēng)浪能力強(qiáng),大部分半潛式平臺(tái)能夠抵御百年一遇的惡劣海況條件；其甲板面積大，同時(shí)由于其排水量較大所以裝載量大。隨著國(guó)內(nèi)外油氣開發(fā)向深水和超深水海域拓展，對(duì)半潛式平臺(tái)的制造提出了更高的要求，由于其作業(yè)環(huán)境的特殊性對(duì)于材料、操作、動(dòng)力的要求非常苛刻，對(duì)于制造過程中的焊接、精度控制等技術(shù)也是要求極高，尤其其動(dòng)力定位推進(jìn)裝置和系泊結(jié)構(gòu)由于有操作的要求必須做到非常精確。

半潛式平臺(tái)通常由上部甲板、立柱、浮箱，以及立柱之間或者浮箱之間的橫撐構(gòu)件所組成。同時(shí)平臺(tái)還通過錨鏈、立管與海底相連。,半潛式平臺(tái)經(jīng)過幾代的演變，外形趨向規(guī)則簡(jiǎn)單。下浮箱提主要供拖航和作業(yè)時(shí)所需的浮力，目前主要的形式有雙下浮箱和環(huán)形下浮箱兩種形式，浮箱內(nèi)設(shè)置艙室，可裝載壓載水、燃油、淡水、系泊等設(shè)備。立柱連接浮箱和上部甲板。作業(yè)時(shí),浮箱和部分立柱沉入水下，大大減小了水線面面積及波浪作用在平臺(tái)上的載荷，其較大的水線面慣性矩提供了平臺(tái)作業(yè)時(shí)所需的穩(wěn)性?？紤]到破艙穩(wěn)性和經(jīng)濟(jì)性,立柱的數(shù)量一般為4至8個(gè)，立柱內(nèi)設(shè)艙室，可裝壓載水和工作設(shè)備。立柱截面一般做成圓形或矩形,目前在建的半潛式平臺(tái)主要采用方形截面,這樣制造起來相對(duì)簡(jiǎn)單，同時(shí)能增大艙容。上層建筑主要是存放設(shè)備、同時(shí)提供人員居住場(chǎng)所，主要的鉆井器材和材料都堆放在甲板上，甲板中間開有月池，方便平臺(tái)鉆井采油。上部甲板有框架型和箱型兩種形式?？蚣苄图装逵沙休d甲板及其余甲板組成，箱型甲板則包括具有雙層底的下甲板結(jié)構(gòu)、一層或多層中間甲板和一層主甲板。

2.4 立柱式平臺(tái)的發(fā)展

20世紀(jì)80年代以來，立柱式平臺(tái)被開始應(yīng)用于開發(fā)深海油氣資源的各項(xiàng)工程中，承擔(dān)了勘測(cè)、鉆探、采油等一系列工作，它的出現(xiàn)被很多海洋工程企業(yè)視為未來海洋平臺(tái)發(fā)展的方向。

立柱式平臺(tái)屬于漂浮式平臺(tái)的類型，應(yīng)用于海洋石油開發(fā)的時(shí)間已經(jīng)超過30年了，但在早期，其一直是作為輔助系統(tǒng)，例如浮標(biāo)、海上科研站、海上通信中轉(zhuǎn)站以及海上裝卸和儲(chǔ)藏中心等結(jié)構(gòu)物來使用。1987年，Edward E.Horton設(shè)計(jì)了一種專用于深海鉆探和采油工作的Spar平臺(tái)，被公認(rèn)為現(xiàn)代立柱式平臺(tái)的鼻祖。1996年，Oryx能源公司委托J.Ray McDermott公司在美國(guó)墨西哥灣水深588 m的Neptune油田成功建造安裝了世界上第一座立柱式生產(chǎn)平臺(tái)，標(biāo)志著立柱式平臺(tái)開始正式應(yīng)用于海上油氣生產(chǎn)領(lǐng)域，在接下來的十幾年時(shí)間里，立柱式平臺(tái)得到了廣泛的應(yīng)用，其平臺(tái)形式也得到了不斷的改進(jìn)，由第一代Classic Spar平臺(tái)，發(fā)展為第二代Truss Spar，以及第三代Cell Spar平臺(tái)。

雖然不同形式的立柱式平臺(tái)各有特點(diǎn)，但總的來說，現(xiàn)代立柱式平臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)均為垂直于水面的柱體，主體為封閉式結(jié)構(gòu)，用來提供平臺(tái)所需的浮力，平臺(tái)的底部需要進(jìn)行壓載，使平臺(tái)的重心低于浮心，從而保證平臺(tái)的穩(wěn)性，對(duì)風(fēng)浪的抵抗能力比較強(qiáng)。在操作過程中，平臺(tái)的各向運(yùn)動(dòng)均能夠通過壓載得到很好的控制，因此此類型平臺(tái)的作業(yè)范圍比較廣，作業(yè)水深范圍也比較廣，比較適合深海采油作業(yè)，一般來說，立柱式平臺(tái)自身并無動(dòng)力，需要通過拖輪進(jìn)行拖曳移動(dòng)。

2.5 未來的發(fā)展方向

海洋工程結(jié)構(gòu)物作為目前人類獲取海洋石油的主要方式將來必將有更加快速的發(fā)展，其主要的發(fā)展方向主要集中在深海，由于深海的石油儲(chǔ)量非常巨大，加上其他海洋資源的開發(fā)，未來浮式鉆井平臺(tái)將會(huì)大規(guī)模的使用，如目前的半潛式平臺(tái)、張力腿平臺(tái)、立柱式平臺(tái)都會(huì)在以后的海洋石油開采中得到廣泛的應(yīng)用。

3 結(jié)語(yǔ)

海洋平臺(tái)形式的發(fā)展從淺海到深海的發(fā)展也標(biāo)志著人類在海洋結(jié)構(gòu)物制造、流體力學(xué)、材料學(xué)、地質(zhì)勘探測(cè)繪等一系列技術(shù)的不斷突破。未來，海洋石油將是人們獲取石油資源的重要途徑，隨著各種新型平臺(tái)的出現(xiàn)，未來的海洋石油資源將會(huì)得到更加便利和高效的開采，為解決石油能源危機(jī)，提供一個(gè)很好的途徑。

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