◆高 凡 周建朋 黃 碩 楊杏玲 袁昌玉

新概念極地海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)

◆高 凡 周建朋 黃 碩 楊杏玲 袁昌玉

海洋平臺(tái)是海上石油開采的主要裝備，相關(guān)的理論與技術(shù)已經(jīng)日趨成熟,但是在某些極端環(huán)境下，仍不能很好地滿足海洋石油的安全與經(jīng)濟(jì)性的開發(fā)需求。由于長(zhǎng)年冰凍，盡管極地海底蘊(yùn)藏著豐富的石油資源，資源開發(fā)仍然受限。因此，設(shè)計(jì)一類具備抗寒能力、抗冰載荷能力、抗風(fēng)浪能力的新型海洋平臺(tái)具有重大意義。本文基于Spar平臺(tái)、張力腿平臺(tái)，提出一種新概念“I-bolt平臺(tái)”，該平臺(tái)利用特殊的破冰設(shè)計(jì)和分離式的主體結(jié)構(gòu)，得到適應(yīng)極區(qū)環(huán)境、抵抗浮冰的良好性能。

新概念；極地海洋；平臺(tái)設(shè)計(jì)

一、平臺(tái)概況

“I-bolt”平臺(tái)的設(shè)計(jì)概念來源于螺絲釘，其形狀如圖所示。其中字母“I”代表ice，“bolt”是螺栓的意思。平臺(tái)由兩個(gè)部分組成——上部平臺(tái)主體和下部?jī)?chǔ)油浮筒。

平臺(tái)在鉆井過程中，主體與浮筒通過螺紋及螺釘雙重固定，保證兩者之間不發(fā)生相互運(yùn)動(dòng)，保證其強(qiáng)度，進(jìn)行勘探、鉆井的作業(yè)。當(dāng)完成勘探和鉆井作業(yè)之后，平臺(tái)主體與儲(chǔ)油筒解禁，分離。儲(chǔ)油筒作為采油樹的依托平臺(tái)，完成采油和儲(chǔ)油的功能。

該平臺(tái)的設(shè)計(jì)可提前進(jìn)行預(yù)安裝，減少平臺(tái)的安裝周期，提高效率，又將采油，儲(chǔ)油[1]集中于一體，提高經(jīng)濟(jì)效益。

二、結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算

海冰與結(jié)構(gòu)物之間發(fā)生的接觸、相互作用、破碎、剝落的循環(huán)過程中，冰力表現(xiàn)為隨機(jī)荷載，隨時(shí)間呈不規(guī)則變化。海冰水平擠壓力是海冰對(duì)海洋工程結(jié)構(gòu)物的主要作用形式，表現(xiàn)為海冰對(duì)直立結(jié)構(gòu)物的垂直作用，海冰受到結(jié)構(gòu)物的反作用超過海冰的極限抗壓強(qiáng)度，使海冰發(fā)生擠壓形式破壞。由于海冰具有最大的抗壓強(qiáng)度，使得海冰水平擠壓力產(chǎn)生的作用強(qiáng)度最大，危險(xiǎn)性與破壞性也最大。通過改變結(jié)構(gòu)的迎冰面接觸形狀，可改變海冰冰塊的破壞形式，達(dá)到減小海冰作用強(qiáng)度的作用。設(shè)計(jì)成斜面結(jié)構(gòu)形式迎冰，使海冰在沿著結(jié)構(gòu)物斜面移動(dòng)時(shí)受到彎曲作用而先發(fā)生強(qiáng)度最小的彎曲破壞，使來自海冰的擠壓破壞轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢茐?，可有效減小海冰的作用力。

海冰破壞呈現(xiàn)三維特性，冰排既有彎曲斷裂，又有爬坡現(xiàn)象。大尺度斜面體要考慮碎冰上爬和碎冰堆積的影響問題。

下面擬對(duì)平臺(tái)進(jìn)行平整冰靜冰力計(jì)算，不考慮冰速的影響，認(rèn)為海冰的彎曲破壞是海冰與平臺(tái)錐體結(jié)構(gòu)作用發(fā)生破碎的主要破碎模式。

ISO-19906標(biāo)準(zhǔn)是世界石油天然氣工業(yè)領(lǐng)域中使用的用于海洋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與評(píng)估的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中海冰與錐體結(jié)構(gòu)相互作用的冰力計(jì)算公式主要基于海冰不同的破碎模式，推薦塑形模型的Ralston方法，即漂浮板的上限塑性極限彎曲理論，計(jì)算錐體冰載荷得到更廣泛的應(yīng)用。

模型中的冰力包含兩部分：冰排彎曲斷裂和破碎后碎冰下爬時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用力。

本結(jié)構(gòu)中，可視為水線在倒錐體，通過Ralston方法大致計(jì)算不同傾角下的冰力。結(jié)果如下：

α/° 30 35 40 45 50 55 60 65 Hr/kN 336 341 352 371 399 439 497 582 Vr/kN 700 577 511 493 523 607 757 988

三、技術(shù)發(fā)展途徑

新型破冰方法:

當(dāng)有浮冰撞擊平臺(tái)時(shí)，由于平臺(tái)主體與海平面的特殊夾角以及破冰板的壓力集中作用，平臺(tái)可以憑借自身重量將冰壓碎。

預(yù)安裝方法:

將平臺(tái)分為上下兩部分，平臺(tái)下部分可以事先通過系泊定位固定在海中，從而節(jié)省了平臺(tái)主體的使用時(shí)間，提高了平臺(tái)的利用效率。

新型海底儲(chǔ)油方法:

平臺(tái)下部分與平臺(tái)主體分離，采油樹采集之后的原油可以直接儲(chǔ)存在平臺(tái)下體，而上部分的平臺(tái)完成鉆井作業(yè)后可以撤離前往下一地區(qū)進(jìn)行作業(yè)，從而提高了平臺(tái)的使用效率。

四、可行性分析

現(xiàn)有的極地開采平臺(tái)有以下方案：

1.俄羅斯研發(fā)了配有6個(gè)4導(dǎo)口槽的平臺(tái)底座、1個(gè)破冰船型的浮式生產(chǎn)裝置和1個(gè)陸上液化天然氣處理終端，準(zhǔn)備用于shtokman氣田的開發(fā)，該生產(chǎn)裝置具有抵御大型浮冰的特點(diǎn)。

2.越洋鉆探公司建造了極地先鋒號(hào)鉆井平臺(tái)，目前正在挪威巴倫支海域skrugard油田服務(wù)。該平臺(tái)的鉆機(jī)組塊和管匯采用低溫碳鋼建造，所有操作都是全封閉的，并配有加熱系統(tǒng)，便于在寒冷的北極地區(qū)開展油氣[2]鉆探活動(dòng).

3.由anadark石油公司設(shè)計(jì)開發(fā)的新型極地鉆井平臺(tái)，被譽(yù)為極地陸地鉆井平臺(tái)的先驅(qū)者，該類鉆井平臺(tái)可大幅減小鉆井作業(yè)對(duì)環(huán)境的影響[3]。該類鉆井平臺(tái)為鋁制平臺(tái)，質(zhì)量小，采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，特別適合極區(qū)地區(qū)應(yīng)用。

可以看出，極地海洋平臺(tái)朝著“抵御大型浮冰，抵御嚴(yán)寒環(huán)境，質(zhì)地輕，結(jié)構(gòu)緊湊,智能化，高效率，高生產(chǎn)能力”等特點(diǎn)發(fā)展。

而我們?cè)O(shè)計(jì)的新型平臺(tái)，通過新型破冰裝置可以抵御并破碎大量的浮冰；通過外加保溫層，以及實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控系統(tǒng)；通過預(yù)安裝，以及平臺(tái)的新型儲(chǔ)油設(shè)計(jì)，可以大大節(jié)省平臺(tái)的安裝時(shí)間；而平臺(tái)主體的可移動(dòng)性，使得平臺(tái)的使用效率大幅度提升，大大提高平臺(tái)的生產(chǎn)能力。因此，我們的平臺(tái)具有一定的可行性。

[1]譚越,王春生,陳國(guó)龍．新型水下儲(chǔ)油技術(shù)．中海油研究總院

[2]劉學(xué),王雪梅,凌曉良,鄭軍衛(wèi),王立偉．北極油氣勘探開發(fā)技術(shù)最新進(jìn)展研究． 中國(guó)極地研究中心極地信息中心 上海 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家科學(xué)圖書館蘭州分館／中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)信息中心 蘭州

[3]周鵬,劉培林．運(yùn)用于張力腿平臺(tái)的海底儲(chǔ)油與外輸方案研究．海洋石油工程股份有限公司．

(作者單位：大連理工大學(xué))