為在海上進行鑽井、採油、集運、觀測、導航、施工等活動提供生產和生活設施的構築物。按其結構特性和工作狀態可分為固定式、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並固著於海底,按支承情況分為樁基式和重力式兩種。活動式平臺浮於水中或支承於海底,能從一井位移至另一井位元,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 樁基式平臺 ① 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。甲板上佈置成套鉆采裝置及輔助工具、動力裝置、泥漿循環凈化設備、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。樁支承全部荷載並固定平臺位置。樁數、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於樁徑,其水平支撐的層數根據立柱長細比的要求而定。在冰塊飄流的海區,應盡量在水線區域(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。並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,常由於管結點的破壞而引起。管結點是一個空間結點,應力分佈復雜;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。打樁完畢後,在兩者的環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,通過調節壓艙水使駁船傾斜,然後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於海底井址,再將樁逐段連續打入海底土層固定。用於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。

  ② 塔架型平臺。另一種適於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,以防止薄壁腿柱發生局部壓屈,並使樁固定在腿柱下端。施工時將塔架側放並拖運就位,註入壓艙水,使塔架直立,然後打樁,最後安裝平臺甲板。在自然條件惡劣的深水區,目前多采用導管架和塔架的組合方式。

  重力式平臺 ① 鋼筋混凝土重力式平臺。依靠自身重量維持穩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。基礎分整體式和分離式兩種。整體式基礎一般是由若幹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。分離式基礎用若幹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,在拖航及下沉作業時較安全。

  ② 鋼重力式平臺。也屬於分離式基礎型,由鋼塔和鋼浮筒組成,浮筒也兼作儲油罐。

  ③ 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,可充分發揮兩種材料的特性。

  以上三種重力式平臺適用於較深海域。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。分離式基礎由於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,可用於地質條件較差的場合。重力式平臺的施工分兩個階段,前階段在幹塢中進行,後階段在近岸可避風浪的深水區進行。施工程序是;在幹塢中建造基礎下部,至預定高度後向幹塢中灌水,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,並牢牢系泊,繼續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,然後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。最後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或壓壞。當基礎兼做儲油罐時,應考慮由於內外溫差所產生的溫度應力。平臺要有足夠的整體穩定性。基礎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。

  活動式平臺 著底式平臺 ① 坐底式平臺。最早的活動平臺采用鉆井駁船。後來隨著海洋石油鉆探水深的不斷增加,鉆井駁船進一步發展成坐底式平臺,它由沉墊、立柱和平臺甲板三部分組成,適用於水深為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,浮得起。中國建成的勝利一號平臺即屬淺海坐底式平臺。

  ② 自升式平臺。由一個駁船式船體和若幹能升降並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到達工作地點。作業時平臺被樁腿支撐並抬升到海面以上。轉移時,把樁腿拔起,駁船式船體下降浮於水面,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,作業時穩定性好,適用水深為5~90米。這種平臺的應用較廣。

  浮動式平臺 ① 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。

  ② 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、側壁和若幹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。在淺水區作業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於較大水深,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)

上海船廠1984年建成的“勘探三號”半潛式鉆井平臺的施工現場

  半固定式平臺 ① 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大一些,浮力大於浮體重力,剩餘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,平臺隻產生微量位移。纜索可豎向或斜向佈置。對於深水海域,如果采用固定平臺,則造價隨水深增大而劇增,海上安裝工程也趨於困難,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後可浮運到其他地點。施工時整座平臺在工廠建造,工作地點定位,適用於開采周期較短的深水井小型油田。

  ② 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,適用於大深度水域。

  各類平臺的適用范圍 活動式平臺,由於機動性能好,故一般均用於鉆井。坐底式平臺特別適合於淺海(10米左右及岸邊的潮間區)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。活動式平臺整體穩定性較差,對地基及環境條件有一定的要求。

  固定式平臺整體穩定性好,剛度較大,受季節和氣候的影響較小,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,工作水深一般在十餘米到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年代初開始發展起來的一種新型平臺結構,目前主要用於歐洲的北海油田。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於大深度海域(200米以上)的平臺結構。是近年來發展起來的新結構型式,具有明顯的優點。但仍處於研究試制的階段。

  

參考書目

 W.J.Graff,Introduction to Offshore StructuresDesiɡnFabricationInstallation,Gulf Pub.Co.,Houston,1981.