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1、海洋工程简介,海上钻井的起源,世界上第一座海上钻井平台是1897年，在美国加利福尼亚海岸，从一只简陋的木筏上开创了石油水下钻探的历史。1911年，在美国路易斯安娜和科克萨斯之间的海上，建起了世界上第一座海上钻井平台。海底油气的开发，开始于20世纪初。它的发展经历了从近海到远海、从浅海到深海的过程。受技术条件的限制，最初只能开采从海岸直接向浅海延伸的油气矿藏。80年代以来，在能源危机和技术进步的刺激下，近海石油勘探与开发飞速发展，海洋石油开发迅速向大陆架挺进，逐渐形成了崭新的近海石油工业部门。海上钻井平台是实施海底油气勘探和开采的工作基地，它标志着海底油气开发技术的水平。工作人员和物资在平台和陆
2、地间的运输一般通过直升机完成。油气田离炼油厂一般都较远，油气要经过装油站通过船舶运到目的地，或直接由海底管道输送至海岸。,海洋平台,一、概 述,石油平台或石油钻塔是一种海上大型构件，通常用于装载钻井和/或抽提油和天然气所需的人工和机械设备。根据环境的不同，平台通常链接在海底或者漂浮在海上。通常来讲，海洋平台都坐落于大陆架上，但随着技术的进步及陆上资源的日渐匮乏，深海钻采变得可行并有利可图。因此越来越多的海洋工程平台开始出现。,按运动方式，可分为固定式与移动式两大类,二、海洋平台的分类,1.固定式平台是海上油气生产的一种平台形式。这些平台通常由混凝土和/或钢结构直接锚定在海底来支撑为钻探设备、生
3、产设施和居住区提供空间的上甲板。因为其不可移动性，通常设计成长期使用的固定设施。而其结构也有很多种不同的形式：钢质导管架、混凝土沉箱、漂浮的钢结构甚至是飘浮的混凝土结构。钢质导管架是由许多管形钢构件组成的垂直结构，通常直接桩入海底。而混凝土沉箱结构则通常在海平面下结构内设有储油仓，这样就可以在海岸附近进行建造然后漂浮到最终的位置后沉入海底固定。在水深约520米内的区域来说，固定式平台的安装是较为经济可行的。,钢质导管架式平台通过打桩的方法固定于海底，它是目前海上油田使用最广泛的一种平台。钢质导管架式平台自1947年第一次被用在墨西哥湾6m水深的海域以来，发展十分迅速，到1978年，其工作水深已
4、达312m。据报道，高度为486m的巨型导管架式平台将安置于墨西哥湾411m水深的海域内。桩基式平台用钢桩固定于海底。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。这种施工方式，使陆上工作量减少。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。桩基式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。,
5、1.2 导管架式平台,1.2 导管架式平台,1.2 导管架式平台,中海油下属的海洋工程公司为南中国海的番禺30-1天然气田建造了新的导管架。导管架在海油工程青岛制造场地完工，正在用海洋船229号拖往油田实施安装。番禺30-1气田导管架有腿裙桩，高212.32米，重16213吨，据称是亚洲最大的导管架。,1.3 重力式平台,海洋石油的开发，特别是北海的开发，促生了一种完全不同的固定式平台的设计混凝土平台。混凝土平台在规模上通常比导管架平台更大，但不是通过打桩固定在海底而是直接坐在海底，通过自身的巨大重量进行稳定。它一般都是钢筋混凝土结构，作为采油、贮存和处理用的大型多用途平台，底部通常是一个巨大
6、的混凝土基础(沉箱)，用三个或四个或更多的空心的混凝土立柱支撑着甲板结构，在平台底部的巨大基础中被分隔为许多圆筒型的贮油舱和压载舱，规模较大的，可开采几十口井，贮油十几万吨。混凝土平台广泛用于钻探、勘测，油气生产和储存等领域，其结构重量可达85万吨甚至更大。现在已有大约20座混凝土重力式平台用于北海。,选择此类平台的理由：可进行油类的储藏，特别是在大型的油区大部分设备安装和吊装都在岸上进行，减少了较为昂贵的海上安装工作量规模更大，可进行更大规模的生产，同时减少了同一地区所需的平台数量混凝土不需要维护而且其承重能力不会随着时间的推移而降低但是也有两个明显的缺点：与导管架平台相比，成本较高没有可行
7、的拆卸此类结构的方法,1.3 重力式平台,以左图北海Brent B Condeep 平台为例，其包括19根61米高的圆筒，其中的三根向上延申支撑离海底170米以上的甲板结构。沉箱跨度超过100米，底部面积达到6300平米。其基础的设计必须能够承受结构本身、甲板负载、储油及压载物的重量，并且必须能够经受环境因素的考验，例如波浪、涌流、风力，部分地区还有地震、冰雪等。,2.移动式平台又称活动平台，它是为适应勘探、施工、维修等海上作业必须经常更换地点的需要而发展起来的。现有的活动平台分坐底式、自升式、半潜式、船式、牵索塔、张力腿式等等很多种不同的结构形式。由于机动性能好，故一般均用于钻井。,钻井船是
8、设有钻井设备，能在水面上钻井和移位的船，也属于移动式(船式)钻井装置。较早的钻井船是用驳船、矿砂船、油船、供应船等改装的，现在已有专为钻井设计的专用船。目前，已有半潜、坐底、自升、双体、多体等类型。钻井船在钻井装置中机动性最好，但钻井性能却比较差。钻井船与半潜式钻井平台一样，钻井时浮在水面。井架一般都设在船的中部，以减小船体摇荡对钻井工作的影响，且多数具有自航能力。钻井船在波浪中的垂荡要比半潜式平台大，有时要被迫停钻，增加停工时间，所以更需采用垂荡补偿器来缓和垂荡运动。钻井船适于深水作业，但需要适当的动力定位设施。钻井船适用于波高小、风速低的海区。它可以在30004000 m水深的海底上进行探
9、查，钻深可达到10000多米，掌握海底油、气层的位置、特性、规模、贮量，提供生产能力等。,2.1 钻井船,Rig Name:West PolarisRig Owner:Seadrill LtdRig Design:Samsung designRated Water Depth:10,000 ft Drilling Depth:35,000 ft Built By:Samsung Heavy IndustriesDelivery Year:2008,Rig Name:Deepwater DiscoveryRig Owner:Transocean Inc.Rated Water Depth:10,
10、000 ft Drilling Depth:30,000 ft Built By:Samsung Heavy IndustriesDelivery Year:2000,半潜式钻井平台，又称立柱稳定式钻井平台。它是大部分浮体沉没于水中的一种小水线面的移动式钻井平台，它从坐底式钻井平台演变而来，由由上层工作甲板、下层浮体结构、中间立柱或桁架3 部分组成。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，
11、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。下层浮体结构又分下船体式和浮箱式两种，下船体式更利于航行，故新建造的自航半潜式平台多采用双下船体式。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。这种平台作业时处于半潜状态，采用锚泊定位或动力定位。作业后，排出压载舱内的水，上浮至拖航吃水线，即可收锚移位。通常用于水深60至3050米的区域，但随着技术开发的进步，工作水深也越来越深。,2.2 半潜式平台,2.2 半潜式平台,第一代：作业水深：300 to 600英尺，建造年代：Mid to Late 1
12、960sOriginal Semis built from the keel up.Only a very few of these units have escaped the scrape yard.第二代：作业水深：600 to 2,000英尺，建造年代：Mid to Late 1970s许多此类平台是向第四代、第五代平台进行改造的基础。右图Ocean Baroness即是由第二代平台升级改造为第五代平台。第三代：作业水深：1,500 to 5,000英尺，建造年代：Mid to Late 1980s许多平台进行了改造以适应更深的工作水深。,Rig Name:Ocean Baroness
13、Year Built:1973Upgrade:2001-Keppel FELSWater Depth:6500ftDrilling Depth:35,000ftOwner:Diamond Offshore,Rig Name:GSF Arctic IIIDelivery Year:1984Water Depth:1800ftDrilling Depth:25,000ftSemi-sub Generation:3Owner:Transocean Inc.,2.2 半潜式平台,第四代：作业水深：3,500 to 5,000英尺，建造年代：Late 1990s to Early 2000s这些平台扩展
14、了锚泊系统，其中一部分装配了动力定位辅助系统。第五代：作业水深：5,000 and beyond 英尺，建造年代：Late 1990s to Early 2000s 大部分拥有动力定位系统，通常被设计用于恶劣环境并且 在其他处理能力上也得到了提高，比如吊钩负载，泥浆系统等。第六代：作业水深可达10,000英尺或更多，The sixth generation mobile offshore drilling unit will probably will contain radical changes in both appearance and structure from conventio
15、nal rigs.,Rig Name:Noble Amos RunnerDelivery Year:1999Water Depth Rated:8000 ftDrilling Depth:32,500 ftSemi-sub Generation:4Owner:Noble,Rig Name:GSF Development Driller IDelivery Year:2005Water Depth Rated:7500 ftDrilling Depth:37,500 ftSemi-sub Generation:6Owner:Transocean Inc.,坐底式钻井平台是早期在浅水区域作业的一种
16、移动式钻井平台。平台分本体与下体，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。如属自航者，动力装置都安装在下体中。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。,2.3 坐底式平台,左图为中国石油集团海洋工程有限公司建造的“中油海3”钻井平台，是我国自主设计的新一代钻井平台，平台长78.4米，宽41米，上甲
17、板高20.9米，空船总重量5888吨，适合10米以内水深的海上作业平台作业水深10米，最大钻井深度可达7000米，上层甲板设有可供90人居住的生活楼，生活楼顶部为直升机平台。“中油海3”号是目前世界最大的坐底式钻井平台。,自升式钻井平台又称甲板升降式或桩腿式平台。这种石油钻井装置在浮在水面的平台上装载钻井机械、动力、器材、居住设备以及若干可升降的桩腿。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。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
18、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。,2.4 自升式平台,自升式平台的优点主要是所需钢材少、造价低，在各种海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120m左右。超过此水深，桩腿重量增加很快，同时拖航时桩腿升得很高，对平台稳性和桩腿强度都不利。尽管现在有些设计工作水深可达到170米，但这种平台通常普遍用于水深120米以内的区域内。自升式平台有自航、助航和非自航之分，但大多数为非自航。平台形状有三角形平台(三根桩腿)、矩形平台(一般为四根桩腿)和五角
19、形平台(五根桩腿)等。桩腿底部带箱形沉垫的称沉垫自升式平台，不带沉垫的称插桩自升式平台。为了在较深水域和环境恶劣的海况下工作时减少平台所受的力，最佳的自升式平台应是单桩腿平台。欧洲北海使用的自升式平台大都是此种单桩腿的自升式平台。,2.4 自升式平台,Maersk InspirerRated Water Depth:500 ft Drilling Depth:30,000 ft,2.4 自升式平台,2.4 牵索塔式平台(顺应塔式平台),牵索塔式平台是一瘦长的桁架结构，其下端依靠重力基座坐落于海底或是依靠支柱加以支撑，其上端支承作业甲板。桁架的四周用钢索、重块、锚链和锚所组成的锚泊系统加以牵紧，
20、使它能保持直立状态。由于这种平台是由锚泊系统牵紧的，它在小风浪时仅发生微幅摆动；风浪大时，由于桁架结构摆动幅度大，会把重块拉得离开海底，从而要吸收掉风浪的一部分能量，因此平台仍可维持在许可范围内摆动。这样在遇到大幅值长周期的风暴波时，系统变软，更大的顺应性出现。这种平台结构简单，构件尺寸小，故所受到的风、浪、流的作用力也小。由于这些优点，牵索塔式平台比导管架式平台、重力式平台更适合于深水海域作业，顺应塔式平台能被用于水深达3000ft的海域，而这个范围对固定导管架平台来说通常是不够经济的，但若超过这个水深，则由于要提高桁架的抗弯能力，建造时所耗用的材料会大大增加，经济上不一定合算。顺应塔式平台
21、与固定式平台相同的是它们都有一个钢管架用于支撑上部结构设施，不同的是，顺应塔式平台像其他浮动式平台一样顺应水及风的运动。像其他固定式平台一样，它们通过桩固定于海底，但是此类平台的管架通常比固定式平台小且可能包含两节甚至更多。,2.4 牵索塔式平台(顺应塔式平台),On April 15,2005 the Base Tower of Benguela Belize was launched from the barge H-851.The Base Tower makes up the first 250 metre of the more than 400 metre high tower,张
22、力腿式钻井平台是利用绷紧状态下的锚索产生的拉力与平台的剩余浮力相平衡的钻井平台或生产平台。张力腿式钻井平台也是采用锚泊定位的，但与一般半潜式平台不同。其所用锚索绷紧成直线，不是悬垂曲线，钢索的下端与水底不是相切的，而是几乎垂直的。用的是桩锚(即打入水底的桩为锚)或重力式锚(重块)等，不是一般容易起放的抓锚。张力腿式平台的重力小于浮力，所相差的力量可依靠锚索向下的拉力来补偿，而且此拉力应大于由波浪产生的力，使锚索上经常有向下的拉力，起着绷紧平台的作用。张力腿式平台自1954年提出设想以来，迄今已有40年的历史。,2.6 张力腿式平台,Tension Legs(steel tubularlengt
23、hs screwedtogether),Snorre A TLP,Topside Limitations(weight),Columns(can containequipment etc),Anchors(various available),Drilling capability,作用于张力腿式钻井平台上的各种力并不是稳定不变的。在重力方面会因载荷与压载水的改变而变化；浮力方面会因波浪峰谷的变化而增减；扰动力方面因风浪的扰动会在垂向与水平方向产生周期变化，所以张力腿的设计，必须周密考虑不同的载荷与海况。对于平台的水下构件，不论垂向或水平的，都会因波浪的波峰与波谷的作用而产生影响，因此如何选取
24、水下构件的形状与尺度，使波浪扰动力的作用为最小，减小平台在波浪中的运动以及锚索上的周期性载荷，是张力腿式平台的研究课题之一。一般张力腿式平台的重心高、浮心低，非锚泊情况时要求初稳性高为正值，为此要求稳心半径大或水线面的惯性矩大，这样在乎台发生严重事故时，仍能正浮于水面。要求达到此目的，就要把立柱设计得较粗，这样必然会使平台在波浪中的运动响应较大。也有一种把立柱设计得很细，虽然初稳性高可能出现负值，但在锚索拉力的作用下也是稳定的。这种平台在波浪中的运动响应较小，造价也可能低些，不过安全性差些。,2.6 张力腿式平台,SPAR也是像TLP一样锚定在海底的，但是与TLP垂直的张力腿不同的是，spar
25、平台有很多常规的锚绳。SPAR平台通常有三种设计型式：1.传统的单柱船体，2.桁架式结构，其中间部分由桁架式结构组成，用于连接上部浮船体和下部包含永久压载的仓体，3.多管式SPAR,有多个竖直的柱体组成。就中小型平台来说，SPAR的建造要比TLP更为经济，而且本身的稳性更好，因为其底部有足够的配重来保持平衡而不是依靠锚来保持它的竖直状态。它也能通过链式顶重器与锚绳相连，被水平移到油井的上方。,2.7 SPAR平台,世界第一台生产SPAR是Kerr McGee(柯麦奇)的Neptune,1996年安装于墨西哥湾588米水深区域。第一座Truss spar平台-Kerr McGee(柯麦奇)Nan
26、sen and Boomvang,于2001年安装于墨西哥湾。Eni(埃尼)集团的Devils Tower位于墨西哥湾1710米深的水域，是目前世界最深的SPAR，而如果Shell公司的Perdido安装完成，它的深度将达到2438米。第一个也是仅有的一个多管式SPAR是Kerr Magee的Red Hawk。,Moored in approximately 8,000 feet of water,it will be capable of delivering 130,000 barrels of oil equivalent per day(100,000 barrels of oil a
27、nd 200 million cubic feet of gas per day),2.7 SPAR平台,Devils Tower,Perdido,Horn Mountain,located in 5,400 feet of water in the Gulf of Mexico,The worlds first cell spar facility-Red Hawk of Kerr-McGee,located in 5,300 feet of water in the Gulf of Mexico.,Horn Mountain is produced using a truss spar;h
28、ere the hull is being transported to location;the hull is 585 feet long and 106 feet in diameter,Connection of Horn Mountain truss spar topside and hull;Horn Mountain is located in Mississippi Canyon in the GOM in 5,400 feet of water,Topsides for Horn Mountain truss spar transported to location to M
29、ississippi Canyon in the GOM.,FPSO即Float Production Storage and Offloading，中文是海上浮式生产储油船。FPSO是对开采的石油进行油气分离、处理含油污水、动力发电、供热、原油产品的储存和运输，集人员居住与生产指挥系统于一体的综合性的大型海上石油生产基地。与其他形式石油生产平台相比，FPSO具有抗风浪能力强、适应水深范围广、储/卸油能力大，以及可转移、重复使用的优点，广泛适合于远离海岸的深海、浅海海域及边际油田的开发，目前，已成为海上油气田开发的主流生产方式。它具有两个特点：一是体型庞大，船体一般从530万吨，一艘30万吨的
30、FPSO甲板面积相当于3个足球场。二是功能较多，FPSO集合了各种油田设施，对油气水实施分离处理和原油储存，故被称为海上工厂、油田心脏。FPSO主要由船体、负责油气生产处理的上部模块和水下单点系泊系统三部分组成，一般适用于202000米不同水深和各种环境的海况，通过固定式单点或悬链式单点系泊系统固定在海上，可随风、浪和水流的作用进行360度全方位的自由旋转，规避风浪带来的破坏力。,FPSO,FPSO,Accommodations:sleeping quarters for the crew Helideck:landing platform for transport helicopters
31、Turret area:connecting point between the FPSO and the subsea systems Water injection:inject treated seawater for reservoir Separation-high pressure compression:1st stage oil-water separation Produced water/glycol mixture:storage for glycol containing absorbed water Separation-low pressure compressio
32、n:2nd stage oil-water separation Power generation:gas turbine electric generators Flare:burn off vent gases Poop deck-offloading:loading/unloading area for supply ships,FPSO、TLP、SPAR是最主要的采油设备，其中，TLP和SPAR主要位于US GOM（该区域FPSO比较少），其余国家现在主要是FPSO。,海上钻井的设备相当复杂，包括井架(又称钻塔)、提升设备、转动系统、泥浆循环系统、动力系统、井口系统、封井系统、水下钻井设备的控制操作系统、运动补偿系统等。因为海上钻井要受到风、浪、流的影响，所以比陆上钻井要复杂得多。,2、按功能，海洋平台的分类有钻井平台、生产平台、生活平台、储油平台、近海平台等。,
