第一章绪论1112

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1、海洋平台强度分析,第1章 绪论,1.1 海洋平台的种类,随着海洋石油开发事业的发展，各类海洋乎台应运而生。海洋平台的种类大体上可按如下划分：,1.1 海洋平台的种类移动式平台,一、移动式平台 移动式平台是一种装备有钻井设备，并能从一个井位移到另一个井位的平台，它可用于海上石油的钻探或生产。 1坐底式平台 这种平台一般用于水深较浅的海域，工作水深在61m以内，作业水深再大则结构重量大，不大经济。加上其作业水深不能调节，对海底地形和土壤基础有一定要求，故适应性不强。 从世界范围而言，坐底式平台发展较慢。 然而我国渤海沿岸的胜利油田、大港油田 和辽河油田等向海中延伸的浅海潮间带， 潮差大而海底坡度小

2、，对于开发这类浅海 区域的石油资源，坐底式平台仍有较大的 发展前途。图11是我国自行设计建造的 “胜利1号”坐底式钻井平台。,1.1 海洋平台的种类移动式平台,80年代初，人们开始注意北极海域的石油开发，设计、建造极区坐底式平台也引起海洋工程界的兴趣。目前已有几座坐底式平台用于极区，图12就是其中一种，它可加压载坐于海底，然后在平台中央填砂石以防止平台滑移，完成钻井后可排出压载起浮，并移至另一井位。,1.1 海洋平台的种类移动式平台,2自升式平台 自升式平台产生于1950年，它具有能垂直 升降的桩腿（见图13），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

3、台就像驳船，可由拖 轮把它拖移到新的井位。 自升式的优点主要是所需钢材少，道价低，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，使其工作水深受到限制， 最大工作水深约在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。,1.1 海洋平台的种类移动式平台,2自升式平台,1.1 海洋平台的种类移动式平台,3钻井船 钻井船（图1-4)在船中央设有井孔 和井架，它靠锚泊系统或动力定位装置 定位于井位上。它漂浮于水面作业，能 适应更大的水深，同时它的移动性能最 好，便于自航。 但由于它在波浪上的运动响应大， 稍有风浪就会引起很大的运动，使钻

4、井 作业无法再进行下去，风浪更大时船还 得离开井位，这是钻井船得不到大的发 展的主要原因。,1.1 海洋平台的种类移动式平台,4.半潜式平台 为了能在深水钻井又有较高作业效率，在1962年出现了第一艘半潜式钻井平台。这种平台的基本结构形式和坐底式相仿，是由坐底式演变而来的。它上有平台甲板，在水面以上不受波浪侵袭，下有浮体，沉于水面以下以减小波浪的扰动力，连接于其间的是小水线面的立柱，图1-5至图1-7所示为半潜式平台的几种型式。 由于它具有小的水线面面积，使整个平 台在波浪中的运动响应较小，因而它具 有出色的深海钻井的工作性能。一般在 作业海况下其升沉不大于11.5m，水 平位移不大于水深的5

5、6%，平台的纵横 倾角不大于23。这种性能对漂 浮于水面钻井的平台具有十分重要的意 义。 半潜式平台可采用锚泊定位和动力 定位，锚泊定位的半潜式平台一般适用 于200500m水深的海域内作业。图1-8表示了移动式平台的作业水深情况。,1.1 海洋平台的种类移动式平台,1.1 海洋平台的种类移动式平台,“勘探三号”半潜式钻井平台填补了多项国内空白，是我国造船工业的一个重要突破。 它是我国自行设计和建造的第一艘半潜式钻井平台，性能优良，设备先进，安全可靠，达到了当时国际上同类型半潜式钻井平台的水平，同时具有中国船级社和美国船级社的入级证书，曾获1985年度国家科技进步一等奖、1986年度国家金奖、

6、交通部“重大科技成果一等奖”，建成后立即投入到东海油气田的勘探工作中，陆续发现了“平湖”等许多高产油气井，并曾创出当时我国海上钻井深度达5000米的纪录，为我国东海油气田的开发作出了重大贡献。 “勘探三号”是我国自行设计和建造的第一艘半潜式钻井平台，平台长91米，宽71米，型深6米，总高100米，最大工作水深250米，最大抗风能力100节，最大钻井能力达6000米的“海上巨无霸”。,1.1 海洋平台的种类移动式平台,图1-8表示了移动式平台的作业水深情况。,1.1 海洋平台的种类固定式平台,二、固定式平台 固定式平台靠打桩或自身重量固定于海底，目前用于海上石油生产阶段的大多是固定式平台。固定式

7、平台的外形如下图所示。,1.1 海洋平台的种类固定式平台,1.混凝土重力式平台 底部通常是一个巨大的混凝土基础（沉箱），用三个或四个空心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仓和压载仓，这种平台的重量可达数十万吨，正是依靠自身的巨大重量，平台直接置于海底。现在已有大约20座混凝土重力平台用于北海。 2.钢质早管架平台 钢质导管架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。钢质导管架平台自1947年第一次被用在里西哥湾6m水深的海域以来，发展十分迅速，到1978年，其工作水深已达312m。据报道，高度为486m的巨型导管架平台将安置于墨西

8、哥湾411m水深的海域上。,1.1 海洋平台的种类固定式平台,3张力腿式平台 张力腿式平台的上部类似于半潜式平台，整个平台是通过张力腿（实为系泊钢管或钢索垂直向下固定于海底。张力腿式平台是一种新开发的深海石油平台，与导管架平台相比，导管架平台的造价与水深大致呈指数关系增加，而张力腿式平台的造价则随水深的增加变化较小。此外，由于每个张力腿都有很大的预张力，因此张力腿平台在波浪中的运 动辐度远小于半潜式平台，这对海上作业是十分有利的。目前，虽然世界上只有一个张力腿平台用于北海的赫顿（Hutton）油田（水深150m)，但各国的海洋工程界已十分重视对张力腿式平台的开发研究。 4牵索塔平台 牵索塔平台

9、由甲板、塔体、牵索系统三部分组成。塔体是一个类似于导管架的空间钢架结构，牵索则围绕着塔体对称布置，牵索系统可以吸收由外力产生的能量以保证塔体的运动幅度在规定的范围内。 据文献介绍，水深在305m时，固定式平台和牵索塔平台造价几乎相等，水深在305610m时，牵索塔平台优于固定式平台，而当水深大于810m时，牵索塔平台应让位于张力腿式平台。目前已有一座牵索塔平台用于墨西哥湾水深305m的海域。,1.1 海洋平台的种类SPAR平台,三、SPAR平台 随着人类石油勘探逐渐向深水领域扩展，涌现出一些新型的适应深海海洋环境的平台。为了减小波激运动，往往将这些新型结构物的自然频率设计得远离波浪功率谱的最大

10、频率。SPAR平台即为这种用于深海石油的开采、生产、处理加工和储存的平台结构形式之一。与其他平台形式相比它具有以下特点： 1.可以应用于深达3000m水深处的石油生产 2.具有较大的有效载荷 3.刚性生产立管（Rigid Steel Production Risers）位于中心井内部 4.由于其浮心高于重心。因此能保证无条件稳定 5.与其它浮体结构相比具有更好的运动特性 6.壳体可以为钢结构或是水泥结构 7.可以低成本储藏石油 8.系泊系统的建造、操纵和定位较为容易 9.立管等钻井设备能装置在SPAR内部，从而得到有效保护,1.1 海洋平台的种类SPAR平台,正因为SPAR平台具有上述特点，它

11、能够很好地满足深度为500至3000m水域中石油的生产和储存，已经逐渐变成最具有吸引力和发展潜力的平台形式之一，被很多石油公司列为新一代的海洋石油开采平台。,1.2 平台的结构特征自升式平台,一、自升式平台 自升式平台由平台主体、桩腿和升降机构三大部分组成。 1.平台主体结构 平台主体平面形状一般有三角形（三腿）、矩形（四腿）和五角形（五腿）等，如图1-10所示。 平台主体通常是一具有单底或双层底的单甲板箱形结构。其内部根据作业、布置和强度要求设有纵仓壁和横仓壁，但在桩腿之间的连线上必须设置强力仓壁作为平台主体的主桁材。在大的液体仓内有时还设有止荡仓壁以缓冲仓内液体在平台运动时的摇荡主体结构的

12、甲板、底板、仓壁等也和一般船舶一样需要由扶强材或强桁材加强。,1.2 平台的结构特征自升式平台,2.桩腿结构 桩腿的作用主要在平台主体升起后支承平台的全部重量，并把载荷传至海底。桩腿的型式可分为壳体式和桁架式两类。壳体式桩腿由钢板焊接成封闭形的结构，其横断面有圆形和方形两种，如图1-11所示。 为配合升降装置，桩腿上有的设有销孔，有的装有齿条。这种壳体式桩腿一般用于工作水深6070m以下，再深则需增大桩腿尺寸，导致更大的波浪载荷，结构重量也增大。因此，深水的自升式平台都采用桁架式桩腿如图1-12所示。桁架式桩腿由弦杆、斜撑杆、水平撑杆、内水平撑杆组成，在弦杆上装有齿条。,1.2 平台的结构特征

13、自升式平台,1.2 平台的结构特征自升式平台,为适应海底地貌和土质的不同情况，桩腿下端结构可设计成单独带桩腿箱(spud can)，亦称桩靴(footing)，或设计成整体沉垫的型式。如图1-13所示。,1.2 平台的结构特征自升式平台,带桩腿箱的桩腿一般说可兼顾软硬地基的要求。桩腿箱的主要型式如图1-14所示。对较硬的海底，桩腿箱设计成具有较小的支承面，甚至略带锥形；对较软的海底，桩脚箱的平面形状有圆形、方形和多边形等。 沉垫型是将几根桩腿下端连成一个共同的大沉垫，由于沉垫的支承面很大，故适用于软地基，但采用沉垫型的自升式平台在大风浪中容易产生滑移，故不宜用于淤泥地区。,1.2 平台的结构特

14、征自升式平台,3.升降机构 升降装置安装在平台主体和桩腿的 交接处，升降装置能使桩腿和平台主体 实现上下相对运动，或把平台主体固定 于桩腿的某一位置。升降装置常用的有 电动液压式和电动齿轮齿条式。 电动液压升降装置常用于壳体型桩 腿，它利用液压缸中活塞杆的伸缩带动 环梁上下运动，并利用锁销将环梁和桩 腿锁紧而实现平台主体和桩腿的相对运 动，如图1-15所示。,1.2 平台的结构特征自升式平台,电动齿轮齿条式升降装置常用于 桁架式桩腿，它由电动机经过减速机 构带动齿轮转动，使齿轮与桩腿上的 齿条啮合而完成平台主体与桩腿的相 对运动。当电动机处于制动状态时， 则可把平台主体固定于桩腿的某一位 置。

15、在升降装置的齿轮架的上面和下 面还设有缓冲垫，以缓和力的冲击作 用（例如桩腿与海底碰撞的力），如 图1-16所示。,1.2 平台的结构特征自升式平台,在钻井作业和拖航状态时，平台主体必须可靠地固定在一起。固定桩腿的常用方法，对圆柱型桩腿是在桩腿和主体结构之间的环隙内嵌入上下两圈楔块，如图1-15所示。对桁架式桩腿则在齿条两侧各嵌入楔块，如图1-17所示。一般每个桩腿的固桩块都承受着由桩腿传递来的弯矩。为了加大上、下固桩块的距离以减少固桩块处的水平力，通常上固桩块设在升降室的顶部，下固桩块设在主体底部。,1.2 平台的结构特征半潜式平台,二、半潜式平台结构特征 半潜式平台主要结构由三大部分组成：

16、上层平台，浮箱（或下浮体）、立柱和撑杆，如图1-18。平台的结构形式不同，它的组成也不同，目前具有代表性的三种类型为 （1）平台形状为三角形由三个立柱，三个浮箱，三角形上层平台以 及若干撑杆所组成； （2）平台形状为五角形由五个立往，五个浮箱，五角形上层平台以 及若干撑杆所组成； （3）平台形状为矩形由二个下浮体，4至8个立柱，矩形上层平台以 及若干撑杆所组成。,1.2 平台的结构特征半潜式平台,三角形平台与其它平台相比： （1）结构形状简单、重量轻； （2）其立柱下采用靴式，结构复杂，撑杆较多，节点建造较难； 五角形平台结构更为复杂，重量也会增加，从施工建造考虑，它们也 都比矩形平台困难。五角形平台的优点是稳性好，而且波浪不论来自 何方，结构受到的载荷相差不大。 目前建造较多的还是矩形平台。 1.上层平台结构 上层平台布置着全部钻井机械，平台操作设备，物资贮备和生活设施，上