【文章內容簡介】 及關鍵技術，這部分是本文研究重點，也是本文的關鍵部分，這部分首先分析海洋平臺的物理性質、海浪的相關知識，這為研究海洋平臺的設計原理提供理論基礎，然后根據(jù)海洋防護平臺物理性質和海浪的特點，設計出安全、可靠的海洋防護系統(tǒng)，提出設計的原理功效、思路等，并且指出設計的關鍵基礎。 第四部分主要是海洋平臺防護系統(tǒng)的構建與建模計算，這個部分是對第三部分的充實和實證，通過這個部分，使本文更有說服力和意義。這個部分首先提出海洋平臺防護系統(tǒng)的構建，然后是 建模計算。 第五部分對全文進行總結，并對研究中存在的問題，和對未來前景的展望。 研究的方法 本文擬采取的研究方法： 理論研究與實地調研相結合的方法。查閱相關文獻，并通過對海洋平臺的考察，獲得研究的第一手資料，這樣可以在現(xiàn)有的理論的基礎上，對觀察到的事實進行分析研究，形成自己的結論。 理論分析與實例分析相結合的研究方法。依據(jù)海洋平臺、海浪等基礎知識的學習，結合海洋平臺的實際需求，進行設計建模，使文章更有說服力和實踐意義。 定量研究與定性研究相結合的方法。以定性分析為主，通過定量模型進行考證。 西南石油大學碩士研究生學位論文 7 第 2 章 海洋平臺相關概念概論 海洋平臺的定義 二十一世紀是海洋科學不斷飛速發(fā)展的年代，在這個能源問題成為全球矚目問題的年代，海洋資源的開發(fā)利用是一項海洋工程。海洋工程的啟動和研發(fā)則是以海洋科學為基礎的。 要明白海洋平臺，首先需要明白海洋工程。海洋工程是以開發(fā)和利用各種海洋資源為目的而存在和建造的一系列的工程結構物，還包括為了完成這些科研、任務、開發(fā)等所需的一系列的技術平臺和設備儀器。 海洋平臺是我國海洋科技研發(fā)中海洋油氣田開發(fā)的一個基礎設施之一，海洋平臺主要是運用于海洋石油的勘測和開采海洋結構物 。隨著海洋事業(yè)的不斷發(fā)展，各種海洋工程設備的不斷完備，海洋平臺結構的研發(fā)和建設也被國內外科研界和生產界越來越重視。海洋平臺設計的完善性和科學性直接關系到海洋油氣資源的開發(fā)利用的成本和效率。因此研究海洋平臺的開發(fā)和利用具有十分重要的含義。 隨著海洋科學的快速發(fā)展，海洋開發(fā)也不斷深入，海洋平臺就是伴隨著海洋開發(fā)和利用而產生的，它是海洋工程的一部分。海洋平臺、海洋工程主要是以海洋科學為基礎，主要是用來開發(fā)和利用海洋各種資源，建立的一系列工程結構物，以及為完成這一任務所需的技術和儀器設備。 海洋平臺防護系統(tǒng)建設投資 巨大，面對海洋惡劣的生產環(huán)境，它必須面臨很多危險，一旦海洋平臺發(fā)生事故，就會給整個人類社會帶來巨大的損失和災難。所以，必須建立安全的海洋平臺防護系統(tǒng)，確保平臺的安全，這是海洋工程健康發(fā)展的十分必要條件，也是可行的。 海洋平臺是海上石油勘探、海上開發(fā)和海上生產的條件，它不同于陸地平臺，有著非常惡劣的環(huán)境，海洋環(huán)境決定了海洋作業(yè)的難度較大，同時海洋作業(yè)的難度也決定了海洋平臺的特點： ； ； ，海洋救援工作難度較大； 。 風險大。 海洋平臺結構及其復雜、自身的體積龐大 ,加上外在的海洋環(huán)境復雜和惡劣 ,使得海洋平臺材料易老化、構件缺陷和機械損傷以及疲勞和裂紋擴展等等，這些不利因素的影響往往會導致平臺結構衰減 ,降低了海洋平臺結構的服役安全度和耐久性。海洋平臺的疲勞和損傷主要表現(xiàn)在海洋平臺裂縫尺寸不斷的擴展，嚴重時會導致整個平臺的倒垮，給人類帶來不可估量的風險和災害，因此，海洋平臺的建設必須要特別注意它的安全性，在建設過程中，要考慮到于海洋平臺的安全涉及到的各個方面，不要局限于一點。面對海洋平臺作業(yè)環(huán)境惡劣，應該充分考慮工作人員和財 產的安全，建設中確保它的安全可靠。 海洋平臺的分類 海洋蘊涵如此豐富的資源，如何將其開發(fā)出來供人類所用，就成為了各國尤其是沿海國家的重要課題。海洋平臺為在海上進行鉆井、采油、集運、觀測、導航、施工等活動提供生產和生活設施的構筑物。按其結構特性和工作狀態(tài)可分為固定式、活動式和半固定式三大類。固定式平臺的下部由樁、擴大基腳或其他構造直接支承并固著于海底，按支承情況分為樁基式和重力式兩種?；顒邮狡脚_浮于水中或支承于海底，能從一井位移至另一井位，接支承情況可分為著底式和浮動式兩類。近年來正在研究新穎的半固定 式海洋平臺，它既能固定在深水中，又具有可移性，張力腿式平臺即屬此類。 固定式平臺 固定式 海洋平臺防護 方案 的設計與建模分析 8 1. 樁基式平臺 導管架型平臺。在軟土地基上應用較多的一種樁基平臺。由上部結構（即平臺甲板）和基礎結構組成。上部結構一般由上下層平臺甲板和層間桁架或立柱構成。甲板上布置成套鉆采裝置及輔助工具、動力裝置、泥漿循環(huán)凈化設備、人員的工作、生活設施和直升飛機升降臺等。平臺甲板的尺寸由使用工藝確定。基礎結構（即下部結構）包括導管架和樁。樁支承全部荷載并固定平臺位置。樁數(shù)、長度和樁徑由海底地質條件及荷載決定。導管架立柱的直徑取決 于樁徑，其水平支撐的層數(shù)根據(jù)立柱長細比的要求而定。在冰塊飄流的海區(qū)，應盡量在水線區(qū)域（潮差段）減少或不設支撐，以免冰塊堆積。對深海平臺，還需進行結構動力分析。結構應有足夠的剛度以防止嚴重振動，保證安全操作。并應考慮防腐蝕及防海生物附著等問題。導管架焊接管結點的設計是一個重要問題，有些平臺的失事，常由于管結點的破壞而引起。管結點是一個空間結點，應力分布復雜；近年應用譜分析技術分析管結點的應力，取得較好的結果。導管架由導管（即立柱）和導管間的水平桿和斜桿焊接組成，鋼樁沿導管打入海底。打樁完畢后，在兩者的環(huán)形空隙 內用水泥漿等膠結材料固結，使樁與導管架形成一個整體，以承受巨大的豎向和水平荷載。若樁的承載能力不能滿足要求時，可在立柱之間和角立柱的周圍增設鋼樁。這種平臺施工時一般先在陸地上預制導管架 ,再用駁船拖運就位進行安裝 ,通過調節(jié)壓艙水使駁船傾斜，然后用卷揚機將導管架送入水中，由其自身浮力懸浮在水中，再向導管架立柱內灌水，同時用起重船把導管架豎立就位于海底井址，再將樁逐段連續(xù)打入海底土層固定。用于深海的導管架高度很大，整體運輸困難，可采用分段制造，分段下水連接而成。 塔架型平臺。另一種適于軟土地基的樁基平臺。由腿柱 （通常直徑達 6米）、水平桿和斜桿及大梁 (圓形或箱形 )組成。為減小擋水面積，樁均設置在腿柱內 ,排成圓形，樁頂與腿柱焊接，空隙內灌入水泥漿，以防止薄壁腿柱發(fā)生局部壓屈，并使樁固定在腿柱下端。施工時將塔架側放并拖運就位 ,注入壓艙水，使塔架直立 ,然后打樁，最后安裝平臺甲板。在自然條件惡劣的深水區(qū)，目前多采用導管架和塔架的組合方式。 2. 重力式平臺 鋼筋混凝土重力式平臺。依靠自身重量維持穩(wěn)定的固定式海洋平臺。主要由上部結構、腿柱和基礎三部分組成?；A分整體式和分離式兩種。整體式基礎一般是由若干圓筒形的艙室組成的 大沉墊。沉墊也可采用平板分倉的蜂窩式結構，其側表面可做成多波形或平板形。分離式基礎用若干個分離的艙室做基礎，它對地基適應性強，受力明確，抗動力性能好，腿柱間距大，在拖航及下沉作業(yè)時較安全。 鋼重力式平臺。也屬于分離式基礎型 ,由鋼塔和鋼浮筒組成，浮筒也兼作儲油罐。 鋼 鋼筋混凝土重力式平臺。上部結構和腿柱用鋼材建造，沉箱底座用鋼筋混凝土建造，可充分發(fā)揮兩種材料的特性。以上三種重力式平臺適用于較深海域。整體式基礎多建造在密實的砂土上，避免建在松散砂或較厚的軟土地基上。分離式基礎由于基礎面積視地質條件而定，立 柱的間距隨水深而變 ,故對地基和水深的適應性很強 ,可用于地質條件較差的場合。重力式平臺的施工分兩個階段，前階段在干塢中進行，后階段在近岸可避風浪的深水區(qū)進行。施工程序是；在干塢中建造基礎下部，至預定高度后向干塢中灌水，把已建成的基礎下部連同起重設備一起浮運至能避風浪的深水區(qū)，并牢牢系泊，繼續(xù)建造基礎的上部及立柱，直至混凝土工程全部完成，再向基礎內部灌水，使平臺下沉，然后將預制的平臺甲板構件用駁船運到立柱上，使基礎排水，稍稍起浮，直至立柱恰好頂在平臺甲板的預定位置。最后把立柱與平臺甲板牢固地連在一起，形成平臺。 重力式平臺設計時應防止基礎艙壁失穩(wěn)或壓壞。當基礎兼做儲油罐時，應考慮由于內外溫差所產生的溫度應力。平臺要有足夠的整體穩(wěn)定性?；A下邊可設有插入地基的裙板，防止基礎底座沿海底滑動。此外，結構的傾斜度，總沉降量及動力效應都要求不超過限值。 西南石油大學碩士研究生學位論文 9 活動式平臺 1. 著底式平臺 坐底式平臺。最早的活動平臺采用鉆井駁船。后來隨著海洋石油鉆探水深的不斷增加 ,鉆井駁船進一步發(fā)展成坐底式平臺 ,它由沉墊、立柱和平臺甲板三部分組成 ,適用于水深為 5～ 30米而且海底比較平坦的場合。沉墊可以是整體式，也可以是分離式。向沉 墊內灌水，平臺即下沉坐落在海底。把水排出 ,平臺就能浮起，故這種平臺又有沉浮式之稱 ,要求沉得下，坐得穩(wěn)，浮得起。中國建成的勝利一號平臺即屬淺海坐底式平臺。 自升式平臺。由一個駁船式船體和若干能升降并能起支撐作用的樁腿組成，船體有足夠的浮力以運載鉆井設備和給養(yǎng)到達工作地點。作業(yè)時平臺被樁腿支撐并抬升到海面以上。轉移時，把樁腿拔起，駁船式船體下降浮于水面，即可拖運到另一地點。 自升式平臺分為插樁自升式和沉墊自升式。樁腿可插入海底，也可在樁腿下面設置“樁靴”或獨立的小沉墊。樁腿結構可以是封閉殼體式，也可以是構架 式。樁腿升降機構，有電動液壓式和電動齒輪齒條式。船體平面形狀可以是三角形、矩形或五邊形，其特點是浮運方便 ,作業(yè)時穩(wěn)定性好，適用水深為 5～ 90 米。這種平臺的應用較廣。 3. 浮動式平臺 鉆井船。把鉆井設備安裝在船體上，靠錨系或動力定位，在漂浮的狀態(tài)下鉆井。一般都有自航能力，可在幾百米或上千米水深的海域工作，但對風浪極為敏感，當風力超過 7～ 8級，波高超過 3～ 4 米時就要停止作業(yè)。 半潛式平臺。主要由上部結構、下潛體、立柱及斜撐組成，下潛體有靴式、矩形駁船船體式、條形浮筒式。其外形與坐底式平臺相似，上部結構 裝設全部鉆井機械、平臺操作設備以及物資儲備和生活設施、它是一個由頂板、底板、側壁和若干縱橫倉壁組成的空間箱形結構，水密性較高，能提供較大的浮力，作業(yè)時下潛體灌入壓艙水使其潛入水下一定深度，靠錨纜或動力定位。拖航時排出壓艙水，使下潛體浮在水面。在淺水區(qū)作業(yè)時可使下潛體坐落在海底，類似坐底式平臺。它既可在 10～ 600 米深的海域工作 ,又能較好地適應惡劣的海況，但其經濟水深一般為 100～ 300 米。 在深水海域中開發(fā)石油時，坐底式鉆井平臺不能滿足要求；自升式平臺雖然使用水深較大，但不經濟；浮動式鉆井船可適用于較大水 深，然而受海況的影響，其開工率很低；而半潛式平臺既可在很深的海域工作，又較能適應惡劣的海況，有良好的運動特性。因此，半潛式平臺是目前深海鉆井的主要裝置。（見彩圖 21） 半固定式平臺 張力腿式平臺。上部結構是浮體，通過收緊錨固在海底的纜索，使浮體的吃水深度比靜平衡狀態(tài)大一些，浮力大于浮體重力，剩余浮力由纜索的張力來平衡。當平臺受到擾動力時，纜索張力改變而產生彈性變形，因此，平臺只產生微量位移。纜索可豎向或斜向布置。對于深水海域 ,如果采用固定平臺 ,則造價隨水深增大而劇增，海上安裝工程也趨于困難， 相應配備的工程船舶均需大型化，而張力腿式平臺僅需加長纜索，對造價影響不大，這種平臺在工作完成后可浮運到其他地點。施工時整座平臺在工廠建造，工作地點定位，適用于開采周期較短的深水井小型油田。 拉索塔式平臺。是一種新型的海洋平臺結構 ,其支承塔架下端著地，上端一般用 4～ 8 根鋼索張緊固定。這種平臺用料少，工作水深大，適用于大深度水域。 各類平臺的適用范圍 :活動式平臺，由于機動性能好 ,故一般均用于鉆井；坐底式平臺特別適合于淺海 (10 米左右及岸邊的潮間區(qū) )油田的鉆井和采油工作； 自升式平臺和半潛式平臺主要是供鉆井之 用，當油田的規(guī)模很小而又不宜設置固定式平臺時，也可做采油用；活動式平臺整體穩(wěn)定性較差，對地基及環(huán)境條件有一定的要求。 固定式 海洋平臺防護 方案 的設計與建模分析 10 固定式平臺整體穩(wěn)定性好，剛度較大，受季節(jié)和氣候的影響較小 ,抗風暴的能力強。缺點是機動性能差 ,一經下沉定位固定，則較難移位重復使用。樁基平臺屬鉆井、采油平臺 ,工作水深一般在十余米到 200米的范圍內（個別平臺超過 300米） ,是目前世界上使用最多的一種平臺。從設計理論和建造技術來衡量，它都是一種最成熟和最通用的平臺型式。鋼筋混凝土重力式平臺是 70年代初開始發(fā)展起來的一種新型平臺結構，目前主要用于 歐洲的北海油田。這種平臺具有鉆井、采油、儲油等多種功能，水深在 200 米以內均可采用，最佳水深為 100～ 150 米。 半固定的張力腿式平臺及拉索塔式平臺是兩種適合于大深度海域（ 200 米以上）的平臺結構。是近年來發(fā)展起來的新結構型式，具有明顯的優(yōu)點。但仍處于研究試制的階段。 海洋平臺的發(fā)展概況 國外海洋平臺的發(fā)展 第一座海洋平臺于 1887年建于美國加州海岸幾英尺深的水域中，它由陸地延伸到海上的油田上，實際上是一座木質棧橋。木質平臺樁基腐蝕嚴重，平臺使用壽命短。限于當時的科技條件，平臺的發(fā)展極為 緩慢。 鋼質導管架平臺于 1947年首次出現(xiàn)在墨西哥灣 6 米水深的海域，結束了木質平臺時代。那個時候正處在第二次世界大戰(zhàn)之后，戰(zhàn)爭中許多先進的科學技術和研究成果不斷的運用到海洋事業(yè)的開發(fā)中，尤其是鋼管制造技術，使鋼鐵技術得到了快速發(fā)展，鋼管樁樁徑、壁厚和樁的長度可以得到不斷增加，加上電子計算機技術的開發(fā)和應用，讓海