海洋工程结构的发展历史.ppt

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1、海洋工程结构的发展历史海洋工程结构的发展历史海洋工程结构的发展历史海洋工程结构的发展历史海洋工程结构的发展历史海洋工程结构的发展历史n1.1 概述概述 n1.2 深水挑战深水挑战 n1.3 海洋结构的功能海洋结构的功能 n1.4 海洋结构的构造海洋结构的构造 n1.5 底部支撑的固定式结构底部支撑的固定式结构 n1.6 顺应式结构顺应式结构 n1.7 浮式结构浮式结构 n1.8 船级社和工业标准组织船级社和工业标准组织 1.1 概概 述述n1.1.1 海洋结构的定义海洋结构的定义n1.1.2 发展历史发展历史n1.1.3 深水生产方案的选择深水生产方案的选择n1.1.4 海上灾难海上灾难 随着

2、海洋石油开发的不断进展，出现了多种形式的海洋结随着海洋石油开发的不断进展，出现了多种形式的海洋结构物。新的石油构物。新的石油/天然气田正在深水、超深水中被发现，这些油天然气田正在深水、超深水中被发现，这些油气田中有很多储量很气田中有很多储量很少少，其，其经济开发经济开发对当今的海洋工程师是一对当今的海洋工程师是一个挑战。这就促进了新结构和新方案的发展，在很多方面它们个挑战。这就促进了新结构和新方案的发展，在很多方面它们是独特的，高效且经济的设计和安装是很大的挑战。这些海洋是独特的，高效且经济的设计和安装是很大的挑战。这些海洋结构物的功能特点、环境荷载、响应特性及其疲劳和抗屈曲等结构物的功能特点

3、环境荷载、响应特性及其疲劳和抗屈曲等特性，受到广泛地关注。特性，受到广泛地关注。本章既包括在浅水和中深水中已经安装的本章既包括在浅水和中深水中已经安装的较早期的海洋结较早期的海洋结构构，也包括适合于，也包括适合于深水开发的各种方案以及建议作为超深水结深水开发的各种方案以及建议作为超深水结构的各种方案构的各种方案，还扼要描述了，还扼要描述了这些结构及其应用这些结构及其应用。1.1 概述概述 没有通往干陆地的固定通道，可能要求在所有的天气状况下都没有通往干陆地的固定通道，可能要求在所有的天气状况下都保留在海上原位的结构叫做保留在海上原位的结构叫做海洋结构海洋结构。海洋结构可能被。海洋结构可能被固

4、定在海床固定在海床上上，或者是，或者是漂浮在海面上漂浮在海面上。这些海洋结构可。这些海洋结构可分类分类如下：如下：1.1.1 海洋结构的定义海洋结构的定义海洋结构浮式底部支撑固定式中浮性顺应式正浮力海底管线海底底盘重力基础平台自升式平台导管架平台最小型平台绷绳塔顺应塔铰接式平台钻井船FPS/FSO/FPSO半潜式平台Spar平台张力腿平台ETLP平台浮力塔平台张力腿井口平台最小型张力腿平台1.1.1 海洋结构的定义海洋结构的定义图图1.2 主要的固定式结构主要的固定式结构图图1.3 主要的浮式生产装置主要的浮式生产装置 本课程的关注点本课程的关注点主要集中在用于油气生产、储存和卸载的主要集中在

5、用于油气生产、储存和卸载的结构，并在较小程度上集中在用来勘探的结构。结构，并在较小程度上集中在用来勘探的结构。1.1.2 发展历史发展历史 海洋工业的海洋工业的诞生诞生通常被认为是通常被认为是1947年，年，Kerr-McGee公司在公司在墨西哥湾墨西哥湾成功地完成了第一口海上油井，此井位于离路易斯安那海岸成功地完成了第一口海上油井，此井位于离路易斯安那海岸4.6m的水中的水中。钻井塔架和绞车支持在长钻井塔架和绞车支持在长21.6m、宽、宽11.6m的木制甲板平台上，此平台建在的木制甲板平台上，此平台建在16根打入海底根打入海底31.7m的的24in的桩柱上。的桩柱上。自在墨西哥湾安装第一座平

6、台以来，海洋工业已经建成了许多创新的固自在墨西哥湾安装第一座平台以来，海洋工业已经建成了许多创新的固定式或者浮式结构，建造在不断加深的水域和更具挑战性和恶劣的环境中。定式或者浮式结构，建造在不断加深的水域和更具挑战性和恶劣的环境中。1975年，水深达到年，水深达到144m。在在接下来的三年接下来的三年里，水深戏剧性地跳跃了两倍，里，水深戏剧性地跳跃了两倍，达到达到312m。20世纪世纪90年代年代，在，在超过超过328m的水深区建造了五座固定式结构，的水深区建造了五座固定式结构，其中其中最最深的一座是深的一座是1991年在年在412m水中安装的水中安装的Bullwinkle平台平台。1998年

7、年，在墨西哥湾，在墨西哥湾502m的水中安装了的水中安装了Baldpate塔塔，在，在535米米的水深的水深安装了安装了Petronius塔塔。Petronius塔是世界上最高的自由直立式结构。塔是世界上最高的自由直立式结构。1.1.2 发展历史发展历史 自自1947年以来，全世界已经建造并安年以来，全世界已经建造并安装了装了10000座以上各种类型和尺寸的海洋平座以上各种类型和尺寸的海洋平台。几乎所有平台都是台。几乎所有平台都是钢结构钢结构，但在北海等，但在北海等非常恶劣的海域，也安装有非常恶劣的海域，也安装有少量少量大型大型混凝土混凝土结构结构，其中，其中Troll A天然气平台是现存最高

8、的天然气平台是现存最高的混凝土结构。混凝土结构。图图1.4全世界最高的混凝土结构全世界最高的混凝土结构Troll A天然气平台天然气平台 我国海上石油勘探开发我国海上石油勘探开发起步于起步于1957-1979年年，并于，并于1979-1999年对外合作中得到年对外合作中得到高速、高效发展，从高速、高效发展，从1999年开始，我国海洋年开始，我国海洋石油工业实行自营勘探开发与对外合作相结石油工业实行自营勘探开发与对外合作相结合，以自营为主的方式，取得了高速发展，合，以自营为主的方式，取得了高速发展，2010年年，我国海洋油气产量将超过，我国海洋油气产量将超过5000万吨，万吨，海洋石油生产进入海

9、洋石油生产进入高速发展时期高速发展时期。1.1.3 深水生产方案的选择深水生产方案的选择图图1.5 深水系统类型深水系统类型 图图1.5说明了深水生产可得到的生产方案的类型。大多数浮式生产说明了深水生产可得到的生产方案的类型。大多数浮式生产装置和几乎所有的半潜、浮式生产系统和装置和几乎所有的半潜、浮式生产系统和FPSO都从海底的油气井里生都从海底的油气井里生产石油和天然气，这些井称为产石油和天然气，这些井称为“海底井海底井”。与固定式平台上和陆地上的。与固定式平台上和陆地上的井不同，海底井不允许操作者拥有通往井口进行维修或进行重完井的直井不同，海底井不允许操作者拥有通往井口进行维修或进行重完井

10、的直接路径（从一口现存井钻入新储油层）。接路径（从一口现存井钻入新储油层）。1.1.3 深水生产方案的选择深水生产方案的选择 对特定的项目来说，哪个方案是对特定的项目来说，哪个方案是“正确的正确的”这一问题没有这一问题没有简单的答案。为深水生产简单的答案。为深水生产选择选择一个一个方案方案常常常常需要多年的努力需要多年的努力，包括无数研究和分析。包括无数研究和分析。主要的驱动因素主要的驱动因素是储油层特征和基础设是储油层特征和基础设施，这些因素将决定设备的尺寸、井的数量、井的位置和需要施，这些因素将决定设备的尺寸、井的数量、井的位置和需要湿式还是干式采油树。钻井通常占深水项目总值的一半以上，湿

11、式还是干式采油树。钻井通常占深水项目总值的一半以上，所以所以钻井方法通常确定了所需要的水面设备的类型钻井方法通常确定了所需要的水面设备的类型，例如，这，例如，这个设备是否需要支持钻井装备或者是否要使用租赁的可移式海个设备是否需要支持钻井装备或者是否要使用租赁的可移式海洋钻井装置。洋钻井装置。1.1.4 海上灾难海上灾难 20世纪世纪80年代年代，两座半潜式平台倾覆并两座半潜式平台倾覆并沉没沉没：一座是居住和供应船一座是居住和供应船Alexander Keilland（1980），另一座是），另一座是Ocean Ranger（1982），这两起事故导致了几百人），这两起事故导致了几百人丧生。丧生

12、最严重的海上灾难发生在最严重的海上灾难发生在1988年，年，Piper Alpha石油和天然气平台发生火灾石油和天然气平台发生火灾，167条性条性命丧生于火海。命丧生于火海。2001年年3月月，世界上，世界上最大的浮式生产系统最大的浮式生产系统巴西石油公司的巴西石油公司的P-36在在Campos盆地失事盆地失事沉没沉没，导致，导致10人丧生性命。人丧生性命。1979年年11月月，我国，我国“渤海渤海2号号”钻井平台钻井平台在井位迁移时在井位迁移时倾覆。倾覆。1983年年12月月，美国阿科公司租用的，美国阿科公司租用的“爪哇爪哇海海”号钻井船号钻井船在南海受台风袭击在南海受台风袭击翻沉翻沉，这

13、两，这两次事故均造成严重的人员伤亡。次事故均造成严重的人员伤亡。图图1.6 改造的半潜式平台改造的半潜式平台P-36在在一个立柱进水后发生事故一个立柱进水后发生事故第一章第一章 海洋工程结构的发展历史海洋工程结构的发展历史n1.1 概述概述 n1.2 深水挑战深水挑战 n1.3 海洋结构的功能海洋结构的功能 n1.4 海洋结构的构造海洋结构的构造 n1.5 底部支撑的固定式结构底部支撑的固定式结构 n1.6 顺应式结构顺应式结构 n1.7 浮式结构浮式结构 n1.8 船级社和工业标准组织船级社和工业标准组织 1.2 深水挑战深水挑战 深水的界定深水的界定，随时间、区域和专业的不同而变化，随着科

14、随时间、区域和专业的不同而变化，随着科技的进步和海洋石油的发展，深水的定义也在不断发展。技的进步和海洋石油的发展，深水的定义也在不断发展。目前可目前可以将水深大于以将水深大于500m定义为深水，水深超过定义为深水，水深超过1500m定义为超深水。定义为超深水。深水海洋环境深水海洋环境主要特点主要特点在于：在于：1）工作水深深）工作水深深 2）海床不稳定）海床不稳定 3）破裂梯度低）破裂梯度低 4）海床温度低）海床温度低 5）存在水合物）存在水合物 6）高压浅层流）高压浅层流 7）有内波活动）有内波活动1.2 深水挑战深水挑战从技术和经济角度来看，只能使用从技术和经济角度来看，只能使用浮式系泊

15、浮式系泊的结构。在深的结构。在深水尤其是在超深水中，立管和系泊系统提出了相当大的挑战。水尤其是在超深水中，立管和系泊系统提出了相当大的挑战。这些水深需要这些水深需要新材料和创新性的方案新材料和创新性的方案。更轻、更坚固且更费。更轻、更坚固且更费用高效的用高效的人造纤维缆索人造纤维缆索正开始取代钢丝绳和锚链。拉紧的正开始取代钢丝绳和锚链。拉紧的人人造聚酯系泊绳造聚酯系泊绳在浮式平台上会产生较小的垂直载荷。在浮式平台上会产生较小的垂直载荷。用于水下回接到浮式结构的用于水下回接到浮式结构的柔性立管柔性立管，目前，目前限制到大约限制到大约1800m水深水深。钢悬链线立管钢悬链线立管在深水和超深水域正变

16、得更加在深水和超深水域正变得更加普遍普遍。新立管新立管正在用具有高强度与重量比和良好疲劳特性的正在用具有高强度与重量比和良好疲劳特性的钛合金钢钛合金钢设计。设计。用于用于顶部张紧立管顶部张紧立管的的钛合金钛合金和和复合材料复合材料也在研发中。也在研发中。第一章第一章 海洋工程结构的发展历史海洋工程结构的发展历史n1.1 概述概述 n1.2 深水挑战深水挑战 n1.3 海洋结构的功能海洋结构的功能 n1.4 海洋结构的构造海洋结构的构造 n1.5 底部支撑的固定式结构底部支撑的固定式结构 n1.6 顺应式结构顺应式结构 n1.7 浮式结构浮式结构 n1.8 船级社和工业标准组织船级社和工业标准组

17、织 1.3 海洋结构的功能海洋结构的功能n1.3.1勘探钻井结构勘探钻井结构n1.3.2 生产结构生产结构n1.3.3 储存结构储存结构n1.3.4 输出系统输出系统1.3 海洋结构的功能海洋结构的功能 海洋结构可以由海洋结构可以由功能功能和和构造构造这两个相互依赖的参数确定。这两个相互依赖的参数确定。可移式海洋钻井装置的可移式海洋钻井装置的构造构造主要由主要由可变甲板有效荷载可变甲板有效荷载和和运移速运移速度要求度要求决定。决定。一个生产装置可能有几种功能一个生产装置可能有几种功能，例如加工处理、，例如加工处理、钻井、修井、生活起居和供应、储油和立管支持。储油层和流钻井、修井、生活起居和供应

18、储油和立管支持。储油层和流体的特征、水深和海洋环境是变量，这些变量主要确定海洋设体的特征、水深和海洋环境是变量，这些变量主要确定海洋设备的功能要求。备的功能要求。尽管结构的功能以及水深和环境主要影响结构的大小和构尽管结构的功能以及水深和环境主要影响结构的大小和构造，其它同样重要的因素是现场的基础设施、管理特点和操作造，其它同样重要的因素是现场的基础设施、管理特点和操作者的财政力量以及法令、条例规定和国家法律。者的财政力量以及法令、条例规定和国家法律。海洋结构的设海洋结构的设计显然是根据结构的类型、而不是它的功能。计显然是根据结构的类型、而不是它的功能。1.3.1 勘探钻井结构勘探钻井结构 适

19、用于勘探钻井装置的一些合意的特性，同样可适用于生产装置。由于它们将要遇到适用于勘探钻井装置的一些合意的特性，同样可适用于生产装置。由于它们将要遇到的钻井要求不同，可移式海洋钻井装置必须适应高度变化的甲板载荷，并且通常被设计成的钻井要求不同，可移式海洋钻井装置必须适应高度变化的甲板载荷，并且通常被设计成适用于相对高的运移速度，以使搬移费用减到最少。适用于相对高的运移速度，以使搬移费用减到最少。三种最常见的钻井结构形式三种最常见的钻井结构形式是是钻井船钻井船、自升式驳船自升式驳船和和半潜式平台半潜式平台。任何一种勘探结构，进行合适的改进，适合用作生产结构。任何一种勘探结构，进行合适的改进，适合用作

20、生产结构。许多浮式生产装置是改造许多浮式生产装置是改造的钻井装置的钻井装置，只是钻井设备由生产设备取代而已。，只是钻井设备由生产设备取代而已。钻井船钻井船1.3.2 生产结构生产结构 生产平台在使用寿命内都固定在井位上，一般为生产平台在使用寿命内都固定在井位上，一般为20到到30年。年。导管架是最常见的固定式平台导管架是最常见的固定式平台，是通过打入桩或钻孔灌注，是通过打入桩或钻孔灌注桩固定在海底的管状结构。固定式平台的经济水深极限随环境桩固定在海底的管状结构。固定式平台的经济水深极限随环境而变化。当水深超过这些极限时，顺应塔或浮式生产平台变得而变化。当水深超过这些极限时，顺应塔或浮式生产平台

21、变得较有吸引力。这些结构的较有吸引力。这些结构的经济极限可能是经济极限可能是535m。在在更深的水域更深的水域或更恶劣的环境下，需要采用或更恶劣的环境下，需要采用浮式生产结构浮式生产结构。1.3.3 储存结构储存结构在海洋石油生产期间，在海洋石油生产期间，在原油运输到岸上进行加在原油运输到岸上进行加工之前，在海上位置暂时工之前，在海上位置暂时储存原油可能是符合要求储存原油可能是符合要求的。的。储存能力储存能力由由穿梭油轮穿梭油轮的大小的大小和和往返频率决定往返频率决定。石油储存舱通常采用石油储存舱通常采用惰惰性气体性气体覆盖层维持在大气覆盖层维持在大气压下。货物和压载物管理压下。货物和压载物管

22、理是是FPSO操作的一个重要操作的一个重要组成部分，下图是一个专组成部分，下图是一个专用储油结构。用储油结构。图1.7 500000桶容量的储油结构1.3.4 输出系统输出系统 海上生产的石油需要从井场运输到岸上。如果结构坐海上生产的石油需要从井场运输到岸上。如果结构坐落在落在海岸附近海岸附近，或者有现有的基础设施可连接或者有现有的基础设施可连接，那么可，那么可用用水下管线或管网水下管线或管网输出。输出。对于对于边远的海上边远的海上位置，使用管线运输不是经济可行的，位置，使用管线运输不是经济可行的，通常由通常由穿梭油轮穿梭油轮完成。这些油轮直接系泊在储存或生产结完成。这些油轮直接系泊在储存或生

23、产结构上，或者用专门的结构系泊。石油用装油软管从结构传构上，或者用专门的结构系泊。石油用装油软管从结构传输给油轮。输给油轮。第一章第一章 海洋工程结构的发展历史海洋工程结构的发展历史n1.1 概述概述 n1.2 深水挑战深水挑战 n1.3 海洋结构的功能海洋结构的功能 n1.4 海洋结构的构造海洋结构的构造 n1.5 底部支撑的固定式结构底部支撑的固定式结构 n1.6 顺应式结构顺应式结构 n1.7 浮式结构浮式结构 n1.8 船级社和工业标准组织船级社和工业标准组织 1.4 海洋结构的构造海洋结构的构造n1.4.1底部支持式结构底部支持式结构n1.4.2浮式海洋结构浮式海洋结构n1.4.3浮

24、式与固定式海洋结构的比较浮式与固定式海洋结构的比较1.4 海洋结构的构造海洋结构的构造 海洋结构可分成海洋结构可分成底部支持式底部支持式或或浮式浮式两类。两类。底部支持式结构底部支持式结构既可以是既可以是“固定的固定的”，例如导管架和，例如导管架和重力基础结构，也可以是重力基础结构，也可以是“顺应的顺应的”，例如绷绳塔和顺应，例如绷绳塔和顺应塔。塔。浮式结构浮式结构本质上是本质上是顺应的顺应的。它们可被看作为。它们可被看作为“中浮性中浮性的的”，例如基于半潜的浮式生产系统、船形，例如基于半潜的浮式生产系统、船形FPSO和单立和单立柱的柱筒式平台，或者被看作为柱的柱筒式平台，或者被看作为“正浮力

25、的正浮力的”，例如张力，例如张力腿平台。腿平台。1.4.1 底部支持式结构底部支持式结构 坐底式结构坐底式结构通常是由焊接的通常是由焊接的钢管构件建造钢管构件建造的，重力基础结构的，重力基础结构明显例外。这些构件用作为桁架，来支持处理设备的重量以及来明显例外。这些构件用作为桁架，来支持处理设备的重量以及来自风、海浪和海流的环境力。当自风、海浪和海流的环境力。当弯曲运动的最低固有频率高于有弯曲运动的最低固有频率高于有效海浪激励的最高频率时效海浪激励的最高频率时，坐底式结构称为，坐底式结构称为“固定式固定式”。它们就。它们就像刚体一样起作用，并必须抵抗环境的全部动态力。通常也会设像刚体一样起作用，

26、并必须抵抗环境的全部动态力。通常也会设计计“顺应式顺应式”坐底结构，为的是使它们的坐底结构，为的是使它们的最低固有频率在海浪的最低固有频率在海浪的能量以下能量以下。风、海浪和海流导致这些结构弯曲，但动力载荷的幅。风、海浪和海流导致这些结构弯曲，但动力载荷的幅值被大大降低。对于固定结构不可行的水深，允许设计经济的坐值被大大降低。对于固定结构不可行的水深，允许设计经济的坐底式结构。底式结构。另一类另一类底部支持式结构在底部支持式结构在温和的环境里表现得如同固定式结温和的环境里表现得如同固定式结构构。这样的结构按照功能既像固定式也像顺应式结构的方式进行。这样的结构按照功能既像固定式也像顺应式结构的方

27、式进行设计。设计。顺应性利用选定的方法来实现顺应性利用选定的方法来实现，例如，当作用的侧向风、，例如，当作用的侧向风、海浪和海流力超出设计极限时，锚链被提离海底或者桩连接被释海浪和海流力超出设计极限时，锚链被提离海底或者桩连接被释放，把固定式结构转变为转动顺应式结构（从零自由度成为绕海放，把固定式结构转变为转动顺应式结构（从零自由度成为绕海底的二自由度结构）。底的二自由度结构）。1.4.2 浮式海洋结构浮式海洋结构 浮式结构浮式结构具有各种程度的顺应性。具有各种程度的顺应性。中浮性结构中浮性结构，例如半潜式平台、柱筒式平台和钻井船动力不受约，例如半潜式平台、柱筒式平台和钻井船动力不受约束，因而

28、允许有六个自由度（升沉、纵荡、横荡、纵摇、横摇和艏摇）束，因而允许有六个自由度（升沉、纵荡、横荡、纵摇、横摇和艏摇）。正浮力结构正浮力结构，例如张力腿平台和系泊浮力塔或浮力腿结构，被系，例如张力腿平台和系泊浮力塔或浮力腿结构，被系泊在海底上，因而是升沉约束的。所有这些有整体顺应性的平台在结泊在海底上，因而是升沉约束的。所有这些有整体顺应性的平台在结构上是刚性的。顺应性用系泊系统实现，浮式结构尺寸大小由浮力和构上是刚性的。顺应性用系泊系统实现，浮式结构尺寸大小由浮力和稳定性确定。稳定性确定。这些结构的上部组块重量比坐底式结构的重量更为关键。这些结构的上部组块重量比坐底式结构的重量更为关键。半潜式

29、平台和船形船体半潜式平台和船形船体的稳定性依赖于水面积，的稳定性依赖于水面积，重心重心一般一般在浮心在浮心以上以上。柱筒式平台柱筒式平台必须设计成必须设计成重心比浮心低重心比浮心低，因而它本质上是稳定的。，因而它本质上是稳定的。正浮力结构正浮力结构依赖于依赖于水面积水面积和和系缆刚度的组合系缆刚度的组合来达到稳定性。来达到稳定性。1.4.2 浮式海洋结构浮式海洋结构 浮式结构浮式结构通常由加强的平板格建造而成，构成一个排水主体。通常由加强的平板格建造而成，构成一个排水主体。这种建造方法与坐底式结构的管状构造使用的方法涉及不同的过程。这种建造方法与坐底式结构的管状构造使用的方法涉及不同的过程。中

30、浮性浮式结构中浮性浮式结构的运动可以作为受到激励力作用的六自由度系的运动可以作为受到激励力作用的六自由度系统准确地确定。在深水中的统准确地确定。在深水中的正浮力浮式结构正浮力浮式结构具有相当大质量的约束具有相当大质量的约束系统，并且这个约束系统也受到激励力影响。平台的运动与系泊系系统，并且这个约束系统也受到激励力影响。平台的运动与系泊系统的动力相耦合。统的动力相耦合。随着水深增加，平台、立管和系泊系统之间的运动耦合变得日随着水深增加，平台、立管和系泊系统之间的运动耦合变得日益更重要。这些平台在环境力作用下的动力分析在本课程的后面讨益更重要。这些平台在环境力作用下的动力分析在本课程的后面讨论。论

31、1.4.3 浮式与固定式海洋结构的比较浮式与固定式海洋结构的比较功功 能能底部支持式底部支持式浮浮 式式有效有效负荷支持荷支持基基础承承载能力能力浮力浮力井口通道井口通道“刚性性”管路（管路（导管）水面井口装置管）水面井口装置和控制装置和控制装置“动力力“立管水下井口水下或水面控制立管水下井口水下或水面控制装置装置环境荷境荷载由由结构和基构和基础的的强强度、度、顺应结构构惯性抵抗性抵抗由船舶由船舶惯性和性和稳定性、系泊定性、系泊强强度抵抗度抵抗建造建造管状空管状空间框架：施工框架：施工现场平板和框架排水船体：造船厂平板和框架排水船体：造船厂安装安装驳船（干式）运船（干式）运输和下水、扶正、和

32、下水、扶正、桩承基承基础湿式或干式运湿式或干式运输，拖运到井，拖运到井场并并连接接到到预安装的系泊装置上安装的系泊装置上规章和章和设计惯例例石油工石油工业惯例和政府石油法例和政府石油法规石油工石油工业惯例，政府石油法例，政府石油法规和海岸和海岸警警卫队&国国际海洋法海洋法规表表1.1 坐底式与浮式结构对比坐底式与浮式结构对比表表1.1总结了坐底式和浮式结构设计的主要不同点。固定式和浮式平台不但在外形总结了坐底式和浮式结构设计的主要不同点。固定式和浮式平台不但在外形上、而且在结构的构件上是非常不同的。它们在如何建造、运输和安装，受到哪上、而且在结构的构件上是非常不同的。它们在如何建造、运输和安装

33、受到哪种激励力，如何对这些激励力作出响应，以及在设计寿命结束时如何退役和再应种激励力，如何对这些激励力作出响应，以及在设计寿命结束时如何退役和再应用用/回收利用方面是独特的。回收利用方面是独特的。第一章第一章 海洋工程结构的发展历史海洋工程结构的发展历史n1.1 概述概述 n1.2 深水挑战深水挑战 n1.3 海洋结构的功能海洋结构的功能 n1.4 海洋结构的构造海洋结构的构造 n1.5 底部支撑的固定式结构底部支撑的固定式结构 n1.6 顺应式结构顺应式结构 n1.7 浮式结构浮式结构 n1.8 船级社和工业标准组织船级社和工业标准组织 1.5 底部支撑的固定式结构底部支撑的固定式结构n1

34、5.1最小型平台最小型平台n1.5.2导管架结构导管架结构n1.5.3重力基础结构重力基础结构n1.5.4自升式平台自升式平台 n1.5.5水下底盘水下底盘n1.5.6海底管线海底管线1.5.1 最小型平台最小型平台 对于浅水中的对于浅水中的边际油田开发边际油田开发，经，经常使用有小型甲板的常使用有小型甲板的固定式生产平台固定式生产平台。在最小型状态下，这些结构可能支持在最小型状态下，这些结构可能支持下列各项：下列各项：（1）少量的井，典型地不足）少量的井，典型地不足10口；口；（2）小型甲板，有足够的空间来处理）小型甲板，有足够的空间来处理连续油管或试井车；连续油管或试井车；（3）一个试验

35、分离器和一个井口装置；）一个试验分离器和一个井口装置；（4）一个小型起重机；）一个小型起重机；（5）一个登船平台；）一个登船平台；（6）一个最小的直升机甲板。）一个最小的直升机甲板。图图1.8 用于边际油田的最小化平用于边际油田的最小化平台方案举例台方案举例 Chevron公司完成了一项研究，在现有的生产平台方案中，公司完成了一项研究，在现有的生产平台方案中，对于对于三种不同的设计重现期三种不同的设计重现期（25、50和和100年），年），识别并选择识别并选择能能使使46m和和61m水深油田的开发水深油田的开发最优化的平台方案最优化的平台方案。图。图1.8描述了三描述了三种这样的方案。种这样的

36、方案。1.5.2 导管架结构导管架结构 导管架或底盘结构导管架或底盘结构仍然是用于钻井和生仍然是用于钻井和生产的最常见的海洋结构。一些结构包括延伸产的最常见的海洋结构。一些结构包括延伸的腿，这些结构适合于井场安装过程中的自的腿，这些结构适合于井场安装过程中的自浮。固定式导管架结构由互相连接的管状构浮。固定式导管架结构由互相连接的管状构件制成，形成一个三维空间框架（图件制成，形成一个三维空间框架（图1.9）。）。这些结构通常具有这些结构通常具有4到到8根根倾斜腿倾斜腿，在海，在海浪中浪中抵抗倾翻抵抗倾翻实现稳定。实现稳定。管状的管状的主桩主桩通常支撑着导管架并穿过导管架通常支撑着导管架并穿过导管

37、架打入海底打入海底。这些平台通常支持有两层或三层甲板的这些平台通常支持有两层或三层甲板的上上层结构层结构，甲板上有钻井和生产设备以及修井，甲板上有钻井和生产设备以及修井机。机。图图1.9 Fulmar导管架平台导管架平台 目前的纪录保持者是目前的纪录保持者是Bullwinkle平台平台，其导管架重其导管架重49375吨，甲板重吨，甲板重6033吨，吨，1988年，被安装在年，被安装在412m水深的井场。水深的井场。1.5.3 重力基础结构重力基础结构 放置在海底上并由自身重量固放置在海底上并由自身重量固定就位的海洋结构叫做定就位的海洋结构叫做重力式结构重力式结构。因此，这些结构并因此，这些结构

38、并不需要桩或锚不需要桩或锚的的附加帮助。这些结构十分附加帮助。这些结构十分适合于生适合于生产和存储石油产和存储石油。它们在靠近海岸的。它们在靠近海岸的位置或有遮蔽的水域（例如峡湾）位置或有遮蔽的水域（例如峡湾）建造。一旦建成，它们就以直立状建造。一旦建成，它们就以直立状态拖航到最终的目的地并浸没就位，态拖航到最终的目的地并浸没就位，并经常可与结构一起运载上部组块并经常可与结构一起运载上部组块甲板。由于重力式结构甲板。由于重力式结构需要大体积需要大体积和大重量和大重量，混凝土一直是重力式结，混凝土一直是重力式结构的常用材料。拥有两百万桶石油构的常用材料。拥有两百万桶石油储量的储量的Statoil

39、 Gullfaks C平台如图平台如图1.10所示所示 图图1.10 2百万桶湿储油量的百万桶湿储油量的Gullfaks C生产平台生产平台 1.5.4 自升式平台自升式平台 自升式驳船自升式驳船一般是一般是三腿结构三腿结构，甲板支撑在它们的腿上。这些腿甲板支撑在它们的腿上。这些腿由管状桁架构件组成。甲板一般由管状桁架构件组成。甲板一般是能漂浮的。自升式平台是能漂浮的。自升式平台用于勘用于勘探钻井作业探钻井作业，因此，按照能在不，因此，按照能在不同井位之间移动进行设计。自升同井位之间移动进行设计。自升式驳船在自身的船体浮力支撑下式驳船在自身的船体浮力支撑下拖航。有时，它们在运输驳船的拖航。有时

40、它们在运输驳船的顶部运输。它们被称为自升式平顶部运输。它们被称为自升式平台，因为一旦到达钻井位置，它台，因为一旦到达钻井位置，它们的腿就被固定在海底上，而且们的腿就被固定在海底上，而且甲板在这些腿上被举升到水线以甲板在这些腿上被举升到水线以上。自升式驳船在钻井作业期间上。自升式驳船在钻井作业期间如固定平台一样作业。如固定平台一样作业。图1.11 自升式钻井驳船1.5.5 水下底盘水下底盘水下底盘的水下底盘的作用作用：1）提供合适的井距，并为钻井设备提供）提供合适的井距，并为钻井设备提供导引。导引。2）减少钻井与开发之间的时间，使油田）减少钻井与开发之间的时间，使油田能较早投产。能较早投产。3

41、与卫星井相比，采用底盘井集中，可）与卫星井相比，采用底盘井集中，可节省管线。对高凝原油来说，管线越短、节省管线。对高凝原油来说，管线越短、热量损失少，有利于保温输送。热量损失少，有利于保温输送。4）卫星井分散、底盘井集中。）卫星井分散、底盘井集中。5）底盘既可适用于固定式采油平台，也）底盘既可适用于固定式采油平台，也可用于浮式采油平台及张力腿平台，还可可用于浮式采油平台及张力腿平台，还可用于钻井和采油，操作简单，灵活方便，用于钻井和采油，操作简单，灵活方便，能使钻井速度加快。能使钻井速度加快。水下底盘的水下底盘的类型：类型：定距式底盘定距式底盘、组合式底盘组合式底盘和和整体式底盘整体式底盘三

42、三类类。图图1.12 水下底盘示意图水下底盘示意图1.5.6 海底管线海底管线海底管线海底管线用来把油气从生产平台传输用来把油气从生产平台传输到储存设施或岸上，具有连续、快捷、到储存设施或岸上，具有连续、快捷、安全、经济的特点，可达到较高的输送安全、经济的特点，可达到较高的输送效率和速度，能量利用也颇为合理。海效率和速度，能量利用也颇为合理。海底管线的安装在几百米的中深水和深水底管线的安装在几百米的中深水和深水都很常见。都很常见。常见的管线常见的管线铺设方法铺设方法包括：包括：l使用倾斜塔的使用倾斜塔的J型铺设型铺设l使用垂直塔的使用垂直塔的J型铺设型铺设lS型铺设型铺设l卷筒式铺设卷筒式铺设

43、l串接串接l多重铺设多重铺设 海底管线的设计、建造和安装将海底管线的设计、建造和安装将在后面讨论。在后面讨论。第一章第一章 海洋工程结构的发展历史海洋工程结构的发展历史n1.1 概述概述 n1.2 深水挑战深水挑战 n1.3 海洋结构的功能海洋结构的功能 n1.4 海洋结构的构造海洋结构的构造 n1.5 底部支撑的固定式结构底部支撑的固定式结构 n1.6 顺应式结构顺应式结构 n1.7 浮式结构浮式结构 n1.8 船级社和工业标准组织船级社和工业标准组织 1.6 顺应式结构顺应式结构n1.6.1铰接式平台铰接式平台n1.6.2顺应塔顺应塔n1.6.3绷绳塔绷绳塔1.6 顺应式结构顺应式结构 顺

44、应式结构顺应式结构包括那些延伸到海底并用桩和包括那些延伸到海底并用桩和/或导向索直或导向索直接固定在海床上的结构。这些结构通常被设计成接固定在海床上的结构。这些结构通常被设计成最低阶模最低阶模态频率在海浪能量以下态频率在海浪能量以下，与固定式结构恰恰相反，与固定式结构恰恰相反，固定式固定式结构结构的的第一阶模态频率大于海浪能量频率第一阶模态频率大于海浪能量频率。顺应式平台顺应式平台主要包括主要包括铰接塔铰接塔、顺应塔顺应塔和和绷绳塔绷绳塔。1.6.1 铰接式平台铰接式平台 铰接塔平台是在较浅水域起步并缓慢铰接塔平台是在较浅水域起步并缓慢移进深水中的最早的顺应式结构之一。移进深水中的最早的顺应式

45、结构之一。铰铰接塔接塔是一个是一个直立塔直立塔，在其基础上用，在其基础上用万向接万向接头铰接头铰接，并且由于环境的影响可绕这个接，并且由于环境的影响可绕这个接头自由振荡。在海床上的万向接头以下的头自由振荡。在海床上的万向接头以下的基础基础可以是可以是重力式基础重力式基础，也可以是，也可以是桩式基桩式基础础。铰接塔在万向接头附近进行压载，并。铰接塔在万向接头附近进行压载，并且在自由水面上有足够大的且在自由水面上有足够大的浮力箱浮力箱，来，来提提供大的恢复力供大的恢复力（力矩）。铰接塔延伸到自（力矩）。铰接塔延伸到自由水面以上，容纳甲板和液压水龙头。在由水面以上，容纳甲板和液压水龙头。在更深的水域

46、更深的水域，采用，采用双铰链双铰链往往更有优势，往往更有优势，第二个铰接头在中间深度位置。第二个铰接头在中间深度位置。铰接塔铰接塔被被用作用作为为单点系泊系统单点系泊系统，永久地系泊储存永久地系泊储存和和生产油轮生产油轮，或被用作，或被用作穿梭油轮的一种系泊和卸载的中间媒介穿梭油轮的一种系泊和卸载的中间媒介。铰接塔必须在寿命风暴以及与油轮。铰接塔必须在寿命风暴以及与油轮连接时的作业海况下能够自存。连接时的作业海况下能够自存。疲劳疲劳是这类系统的一个重要标准。在中深水，是这类系统的一个重要标准。在中深水，这种结构可能需要处理成一种柔性结构，进行疲劳应力评估。这种结构可能需要处理成一种柔性结构，进

47、行疲劳应力评估。图图1.13 铰接塔平台示意图铰接塔平台示意图1.6.1 铰接式平台铰接式平台平台平台油田油田/位置位置水深水深(m)独特性独特性年份年份2 SPM巴西巴西Campos盆地油田盆地油田122永久系泊和永久系泊和负载1975SALM北海北海Thistle油田油田174多个多个铰接接1977STATFJORD SPM北海北海1451980SALM加州圣巴巴拉加州圣巴巴拉Hondo油田油田150永久系泊到永久系泊到50000 总载重吨位重吨位ALT北海北海Fulmar油田油田82永久系泊；穿梭油永久系泊；穿梭油轮串串联1982ALT北海北海Maureen油田油田93混凝土立柱混凝土立

48、柱1982表表1.2 已安装的铰接式平台的实例已安装的铰接式平台的实例 表表1.2表示到目前为止建造的单点系泊系统的实例，表示到目前为止建造的单点系泊系统的实例，单点单点系泊系统系泊系统的实际应用和经济性通常的实际应用和经济性通常限制到几百米限制到几百米水深。水深。1.6.2 顺应塔顺应塔 顺应塔顺应塔与传统的平台相似，也是从水面延伸到海底，并与传统的平台相似，也是从水面延伸到海底，并且对波浪是相当透射的。顺应塔被设计成在风、海浪和海流且对波浪是相当透射的。顺应塔被设计成在风、海浪和海流力作用下力作用下能弯曲能弯曲。对于同样的水深，它比传统的平台。对于同样的水深，它比传统的平台使用的使用的钢材

49、少钢材少。表。表1.3比较了世界上最深的固定式平台比较了世界上最深的固定式平台Bullwinkle与与墨西哥湾中最高的顺应式结构的结构重量。墨西哥湾中最高的顺应式结构的结构重量。平平 台台水深水深ft（m）上部上部组块重量的吨数重量的吨数结构重量的吨数构重量的吨数Bullwinkle（固定式）（固定式）1353(413)2033（原始）（原始）49375Baldpate1650(503)240028900Petronius1754(535)750043000表表1.3 顺应塔的结构重量顺应塔的结构重量1.6.2 顺应塔顺应塔目前，目前，Petronius是全世界是全世界最高的自由竖立式结构最高

50、的自由竖立式结构图图 1.14 Petronius 顺应塔示意图顺应塔示意图1.6.3 绷绳塔绷绳塔 绷绳塔绷绳塔是一种由桁架构件是一种由桁架构件组成的细长结构，它放置在海组成的细长结构，它放置在海床上，由一系列对称的悬链线床上，由一系列对称的悬链线绷绳固定就位。绷绳塔绷绳固定就位。绷绳塔可应用可应用在很深的险恶水域在很深的险恶水域，环境产生，环境产生的作用在重力基础或导管架型的作用在重力基础或导管架型结构上的载荷惊人地大。结构上的载荷惊人地大。绷绳通常有几段绷绳通常有几段，上面部，上面部分是分是引导缆索引导缆索，在中等海况下，在中等海况下，它就像一根刚硬的弹簧那样发它就像一根刚硬的弹簧那样发