各类平台详解

随着人类对油气资源开发利用的深化，油气勘探开发从陆地转入海洋。因此，钻井工程作业也必须在浩瀚的海洋中进行。在海上进行油气钻井施工时，几百吨重的钻机要有足够的支撑和放置的空间，同时还要有钻井人员生活居住的地方，海上石油钻井平台就担负起了这一重任。由于海上气候的多变、海上风浪和海底暗流的破坏，海上钻井装置的稳定性和安全性更显重要。

目前的海上石油钻井平台可分为固定式和移动式两种。固定式钻井平台大都建在浅水中，它是借助导管架固定在海底而高出海面不再移动的装置，平台上面铺设甲板用于放置钻井设备。支撑固定平台的桩腿是直接打入海底的，所以，钻井平台的稳定性好，但因平台不能移动，故钻井的成本较高。

为解决平台的移动性和深海钻井问题，又出现了多种移动式钻井平台，主要包括：坐底式钻井平台、自升式钻井平台、钻井浮船和半潜式钻井平台。

坐底式钻井平台又称沉浮式或沉底式钻井平台，其上部和固定式钻井平台类似，其下部则是由若干个浮筒或浮箱组成的桁架结构，充水后，使钻井平台下沉坐于海底并处于工作状态，排水后，使钻井平台上浮可进行拖航和移位。坐底式钻井平台多用于水浅、浪小、海底较平坦的海区。

自升式钻井平台是有多个（一般为3～4个）桩腿插入海底，并可自行升降的移动式钻井平台。自升式钻井平台基本由两部分组成，一部分是可以安放钻井设备、器材和生活区的平台，另一部分是可升降并可插入海底的桩腿。我国自行制造的自升式钻井平台“渤海一号”平台的四根桩腿是由圆形的钢管做成的，桩腿的高度有七十多米，升降装置是插销式液压控制机构。该型钻井平台造价较低、运移性好、对海底地形的适应性强，因而，我国海上钻井多使用自升式钻井平台。

钻井平台桩腿的高度总是有限的，为解决在深海区的钻井问题，又出现了漂浮在海面上的钻井船。钻井船的排水量从几千吨到几万吨不等，它既有普通船舶的船型和自航能力，又可漂浮在海面上进行石油钻井。由于钻井船经常处于漂浮状态，当遇到海上的风、浪、潮时，必然会发生倾斜、摇摆、平移和升降现象，因此钻井船的稳定性是一个非常关键的问题。目前，海上钻井船的定位常用的是抛锚法，但该方法一般只适用于200m以内的水深，水再深时需用一种新的自动化定位方法。

半潜式钻井平台其结构形式与坐底式钻井平台相似，上部为钻井的工作平台，下部为浮筒结构。它综合了坐底式钻井平台和钻井船的优点，解决了稳定性和深水作业的矛盾。钻井作业时，平台呈半潜状态漂浮在海面上，浮筒在海水下的20～30m处，受大海风浪的影响小，所以平台的稳定性比钻井浮船要好，钻井作业结束，排出水形成浮箱后可进行拖航，是目前海上钻井应用较广泛的一种石油钻井平台。1.固定式平台固定式钻井平台，直接固定于海底的钻井平台，是通过管架结构在海底将平台固定，在整个使用寿命期内位置固定不变，不能再移动。主要用于有工业油流的油田，一般工作水深在20m左右。某些钻采综合固定平台的工作水深超过90m，但平台建造费用较高。按结构特点可以分为：导管架式、重力式、张力式和绷绳塔式四类。固定式钻井平台的优点是稳定、海面气象条件对它的影响较小，而且完井后可作为采油平台，使用时间大大增加。但是，它的灵活性差，不能及时运移，而且造价高，不能在较深的水域工作。重力式平台适用的水深较浅，导管架式平台适用的水深稍深，张力式和绷绳塔式平台则可在较深的水域使用。1.1导管架平台导管架型平台是在软土地基上应用较多的一种桩基平台，是先在陆上用钢管焊成一个锥台形空间框架，然后驳运或浮运至海上现场，就位后将钢桩从导管内打入海底，再在顶部安装甲板而成。导管架式钻井平台所采用的建筑材料不同，有木桩的，钢筋混凝土桩的，钢桩的和铝质桩的几种。导管架平台由上部结构（即平台甲板）和基础结构组成。上部结构：一般由承受作业机械（机器）和其它载荷的上下层平台甲板和层间桁架或立柱构成。甲板上布置成套钻采装置及辅助工具、动力装置、泥浆循环净化设备、人员的工作、生活设施和直升飞机升降台等。平台甲板的尺寸由使用工艺确定。上层平台用作安放井架、绞车、钻具、生活设施和直升飞机升降台等；下层平台安放泥浆泵、泥浆池、防喷器、发电房、固井设备、仓库等。基础结构（即下部结构）：包括导管架和桩。导管架可事先在岸上预制好。然后，或用驳船运至目的地，或依靠中空的浮力拖至目的地，下沉并坐在海底上。再将桩管由导管内插入，并用打桩机打入海底一定深度。桩支承全部荷载并固定平台位置。桩数、长度和桩径由海底地质条件及荷载决定。导管架立柱的直径取决于桩径，其水平支撑的层数根据立柱长细比的要求而定。在冰块飘流的海区，应尽量在水线区域（潮差段）减少或不设支撑，以免冰块堆积。导管架的作用：1、支承上部结构；2、作为打桩定位和导向的工具；3、将平台上面的负荷比较均匀地传递到桩上；4、可安装系靠船的设备；5、可作为安装上部结构时的临时工作平台。导管架平台的海上安装：导管架平台的施工是一个复杂的过程，主要工序是结构物陆上预制与海上安装。海上安装包括海上运输和海上安装两部分。导管架和组块用驳船或其它方式运到油田现场，先将导管架沉放到预定位置，打桩固定，再将导管架帽安装在导管架上，最后用起重船将上部模块装到导管架帽上。导管架平台的海上安装包括：导管架的运送、就位及安装；导管架帽安装；平台上部模块的安装。1.2重力式平台重力式平台它完全借助于其本身的重量直接稳定地座在海底。该平台的底部是一个或多个钢筋混凝土沉箱组成的基座，基座上有钢立柱或钢筋混凝土立柱支撑上部甲板，在平台底部的巨大基础中被分隔为许多圆筒型的舱室，这些舱室本身就是非常好的大型储油罐，在平台安装阶段的拖航和下沉时可作为压载舱。平台重量可达数十万吨，正是依靠自身的巨大重量，平台直接置于海底。由于混凝土平台自重很大，对地基要求很高，使用受到限制。重力式平台可分为混凝土重力式平台、钢质重力式平台。混凝土重力式平台与导管架平台相比，具有以下优缺点：不需打桩，具有相当的贮油能力，节省钢材，防火、防腐性较好，维修费用低，寿命长；对地质条件要求高，出现缺陷后修复较困难。钢质重力式平台是1971年意大利首造，水深90米，称洛安高平台。整个平台由沉箱、支承框架、甲板三部分组成，沉箱可作贮油罐。优点：重量比混凝土轻、预制过程中对水哉要求不高、拖船马力小、对地基承载力要求不高；缺点：贮油量、用钢多，易腐蚀。重力式平台由于整个结构比较大，一般先在岸边开挖的泥坞中建造基座，再拖往有掩护的深水区接高，然后浮运至现场，加载下沉。该平台一般是作为海底贮油罐或用于钻采海底石油。其主要特点是抵御风暴及波浪袭击的能力强，结构耐久和维护费用低，但需开挖岸边坞坑，并要有近岸深水施工水域，结构高度因此受到限制。该平台由沉垫、立柱、甲板三部分组成。沉垫圆形、六角形、正方形等有多种形式；立柱有三腿、四腿、独腿等几种；甲板有钢质和混凝土两种。1.3张力式平台张力式（又称张力腿式）平台本身是一个浮动平台，平台的贮备浮力远远大于平台的重力，靠缆绳或锚链（称作张力腿）的张力将平台与事先固定在海底的锚桩拉紧，平衡一部分浮力，并使平台较好地固定在海面上。非刚性地连接，不仅可减小平台的摇摆和倾斜，而且由海底地震引起的海床运动，也在到达平台之前被大大减弱了。张力腿式钻井平台（TLP）是一种垂直系泊的顺应式平台，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。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。张力腿式钻井平台（TLP）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。自1954年提出设想，英国北海Hutton油田首次于生产中使用此平台，1983年安装，1984年投产。张力式平台一般由五大部分组成，分别是平台上体、立柱（含横撑和斜撑）、下体（沉箱）、张力腿系泊系统和锚固基础。通常将平台上体、立柱及下体并称为平台本体。张力式平台是深水用主要平台，其优点是受力合理、用钢少、成本低、适用于深水、对海洋环境适应性大。1.4绷绳塔式平台绷绳塔式平台亦称牵索塔平台，是将一个预制的钢质塔身安放在海底基础块上，四周用钢索锚定拉紧而成。它适用于水深较大的海域。牵索塔式钻井平台得名于它支撑平台的结构如一桁架式的塔，该塔用对称布置的缆索将塔保持正浮状态。在平台上可进行通常的钻井与生产作业。原油一般是通过管线运输，在深水中可用近海装油设施进行输送。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，它的应用范围在200米至650米，而研究证明最经济的工作水深范围在40米至480米之间。绷绳塔式平台与钢质导管架平台相比，优点是节省钢材（成本低）和井口装置可设置于水面上.2移动式平台2.1坐底式平台坐底式钻井平台（submersibledrillingplatform）又叫钻驳或插桩钻驳，亦称“沉浮式钻井平台”，具有构造比较简单，投资较少，建造周期较短等优点，钻井时坐落于海底，移位时浮到海面上，适用于河流和海湾等30m以下的浅水域，海床平坦的浅海区域进行油气勘探开发作业。坐底式钻井平台[1]有两个船体，上船体又叫工作甲板，安置生活舱室和设备，通过尾郡开口借助悬臂结构钻井；下部是沉垫，其主要功能是压载以及海底支撑作用，用作钻井的基础。两个船体间由支撑结构相连。该种钻井装置在到达作业地点后往沉垫内注水，使其着底。因此从稳性和结构方面看，作业水深不但有限，而且也受到海底基础（平坦及坚实程度）的制约。所以该平台发展缓慢。然而中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海域，潮差大而海底坡度小，对于开发此类浅海区域的石油资源，坐底式钻井平台仍有较大的发展前途。20世纪80年代初，人们开始注意北极海域的石油开发，设计、建造极区坐底式钻井平台也引起海洋工程界的兴趣，已有几座坐底式钻井平台用于极区，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。[2]坐底式钻井平台工作原理是利用其浮体（沉垫或稳定立柱）灌水下沉，用几个立柱支承固定高度的上层平台进行作业，当作业完成后，排除浮体（潜体）中的水而起浮，转移到另一个作业点。该种平台名称较多，中国海上移动式钻井平台入级与建造规范中将它称为坐底式钻井平台，是从它的接地方式而命名的，反映了坐底工作的特点，应成为它的正式名称，但也有些称以及可沉式或沉浮式，以及固定甲板高度式。坐底式钻井平台是海上移动式平台中产生最早的一种。早期的钻探作业是将钻井设备安装在驳船上，然后下沉坐在海底进行钻进作业。由于驳船型深有限，工作水深很浅，而且它抗风、浪能力很差，很快就被后来的沉垫坐底式和格管坐底式所代替，形成现代的坐底式钻井平台，由上部平台、下部结构和立柱支撑结构三个主要部分组成。[3]主要分类坐底式钻井平台从接地形式、沉浮稳性和立柱功能等方面可分成以下类型：一、驳船坐底式。它是坐底式驳船，驳船本身起着上部平台和下部浮体的作用，只可用于极浅的水域。以后的坐底式钻井平台是从它演变而成的，早期的钻井驳船多采用该种型式，工作水深一般在5m以内。二、沉垫坐底式。按立柱的粗细和作用可分成以下两种：1、稳定立柱沉垫坐底式，是粗立柱坐底式钻井平台，立柱除支承上部平台外，在沉、浮过程中可保持平台稳性，平台可平稳下沉和起浮，适用于较大工作水深，一般在10m以上。2、细立柱沉垫坐底式钻井平台，立柱只起支承上部平台并连接下部沉垫的作用。当平台下沉时，一旦水深超过沉垫的型深时，水线面突变，平台的下沉稳性不能保证，适用水深较小，只有在沉垫型深的水深范围内，平台可平稳沉、浮，当超过时，应采取一头先下沉（或起浮）或采取其它措施沉浮，多用于10m水深以内。沉垫坐底式钻井平台适用于较平坦的海底，地基承载力较差的海床条件。3、格管坐底式，立柱都是大型稳定立柱，常作成钢瓶式变载面的，在波浪作用压变成细瓶口状，钢瓶立柱，既起支承作用，又起浮体作用，设有压载水舱。平台底部结构不用沉垫，而是用格管连接各立柱，形成整体结构，格管有纵、横格管、卧在海底，适用水深较大，一般在10m以上，可达25m至30m，且地基承载力较好的海床。坐底式钻井平台在国外海上移动式平台规范中不再单列，而是归到立柱稳定式平台中，它包括半潜式平台和坐底式钻井平台，半潜式平台坐底工况和坐底式钻井平台坐底工况相同。国外极浅海海域的油气资源已开发完了，而中国极浅海尚未开发。从以上坐底式钻井平台分类可看出，坐底式钻井平台不全是立柱稳定式，在10m以内水深的坐底式，常用细立柱，采用一头先下沉或起浮，胜利1号至胜利4号坐底式钻井平台都是此种型式。新设计建造的胜利开发1号和2号坐底式采油平台也是细立柱沉垫坐底式钻井平台。由于中国极浅海海域油气资源开发刚刚开始，在中国极浅海勘探开发中仍将发挥重要的作用。[3]结构组成1、上部平台和上甲板。上部平台主要为海上作业提供生产和生活的场地。甲板有单层和双层，主要根据生产工艺和生活设施的布置确定。对于坐底式钻井平台，其钻井设备、动力设备、井场和生活楼等均布置在平台甲板上。对于极浅海坐底式钻井平台可作成单层甲板，采用轻型梁板结构，如胜利1号的甲板。若水深增大，工艺布置需要，上部平台设计成箱形结构，如胜利3号的上部平台。上部平台的非浸水结构，不考虑波浪的直接作用，上部平台最低构件下沿与波峰之间的峰隙高度C不必大于1.2m，但不应小于下式的计算值：C=0.1（H1+H2+H3），式中H1为天文潮潮高（m），H2为风暴潮潮高（m），H3为最大设计波高在设计高潮水面以上的高度。2、沉垫和格管。沉垫坐底式钻井平台，其沉垫为浮体结构，为拖航和起浮提供浮力，同时它可有效地传递并分配立柱和撑杆传下来的载荷给地基。沉垫中可布置压载水舱、淡水舱、燃油舱和泵舱等。沉垫的尺度和型式对平台着底稳性有重要的影响，它受到地基反力作用。格管坐底式钻井平台是通过下部的格管将稳定立柱连接成一个整体，它与立柱底部共同支承平台的重量，平台的载荷通过立柱和格管传给地基。格管可纵、横交叉布置，也可沿立柱轴线方向布置。3、立柱和撑杆。稳定立柱常设计成有构架支撑的壳体结构，细立柱和撑杆常采用钢管。立柱和撑杆把上部平台和下部结构连接成一个空间构架，并将上部平台的载荷传到下部结构；相反地，也把下部结构受到的外力传递到上部平台，立柱和支撑结构是承上启下，波浪力、海流力和冰力作用在立柱和撑杆上。4、抗滑桩和防冲刷结构。对于沉垫坐底式钻井平台，工作在风、浪、流较大、海底土壤较差的海域，一般都设置抗滑或防冲刷结构。为防止滑移，常采用抗滑桩，胜利1号至4号均采用抗滑结构。为增加抗滑和防冲能力也可在沉垫上设置垂直裙板，但要减少一部分吃水，对于极浅海坐底式钻井平台不适用。胜利4号平台采用活动式水平裙板，铺在沉垫四周，每块裙板用6m*5m*5mm的钢板，对防冲刷取得较好效果。[3]应用情况坐底式钻井平台投入浅海石油勘探开发中，发挥了重要作用，并培养和锻炼了一支设计、建造、操作和管理的队伍，在解决沉浮稳性、抗滑稳性，向极浅海迈进等技术问题上取得了好的成绩。坐底式钻井平台已应用于中国浅海钻井平台、采油平台和储油平台，并正在设计研制铺管平台，生活平台，动力平台和起重、打桩、施工作业平台，有着广阔的应用前景。在10m水深范围内，已有较成熟的设计、建造和使用的经验。国外坐底式钻井平台统计资料表明，坐底式钻井平台较经济的工作水深范围为3m至25m,工作水深在3m至10m、11m至20m、21m至30m三个范围大约各占三分之一左右，25m水深以内占95%，18m水深以内占65%。中国现有的坐底式钻井平台均在10m水深以内。随着勘探开发水深的增加，在10m至20m水深范围内，坐底式钻井平台在中国浅海勘探开发中有着广阔的应用前景，应研究立柱稳定坐底式钻井平台，以满足平稳沉浮的稳性要求。[3]2.2自升式平台带有能够自由升降的桩腿，作业时桩腿下伸到海底，站立在海床上，利用桩腿托起船壳，并使船壳底部离开海面一定的距离（气隙）。拖航时桩腿收回，船壳处于漂浮状态。作业水深范围从12/14英尺直至550英尺。大多数自升式钻井平台的作业水深在250至300英尺范围内。自升式钻井平台有两种型式，独立桩腿式和沉垫式。平台稳定站立后，大多数悬臂梁可以将钻台外伸到固定平台。在风大浪急的海面不能进行拖航。1.支撑型式：桩靴式；沉垫式2.升降装置：液压缸升降(插桩式)；齿条/齿轮箱3.桩腿结构型式：筒型；桁架4.桩腿数量：3腿；4腿5.槽口：有槽口；无槽口6.生活楼的布置：横向布置；周边布置自升式钻井平台，又称为桩脚式钻井平台，是目前国内外应用最为广泛的钻井平台。自升式钻井平台可分为三大部分；船体，桩靴和升降机构。需要打井时，将桩腿插入或坐入海底，船体还可顺着桩腿上爬，离开海面，工作时可不受海水运动的影响。打完井后，船体可顺着桩腿爬下来，浮在海面上，再将桩脚拔出海底，并上升一定高度，即可拖航到新的井位上。2.3Spar平台随着人类开发海洋的步伐逐渐迈向深海海域，涌现出了很多新型的浮动式海洋平台，Spar平台就是其中之一。Spar平台也属于顺应式（compliantplatform）的范畴。20世纪80年代以来，Spar平台被广泛应用于人类开发深海的事业中，担负了钻探、生产、海上原油处理、石油储藏和装卸等各种工作。它被很多石油公司视为下一代深水平台的发展方向。实际上，Spar平台技术应用于人类海洋开发的历史已经超过30年了，但是在1987年之前，在人类开发海洋的工作中，Spar平台一向是作为辅助系统使用而不是直接生产系统。它们被用作浮标、海洋科研站，或是被用作海上通信中转站，有时还作为海上装卸和仓储中心使用。早期建造的Spar平台的结构和当前深海油气开发使用的Spar平台相比还是有所区别的，但是通过对这些早期的Spar平台进行观测，各国的研究者收集了大量的数据，为现代Spar平台的诞生和发展打下了坚实的基础。1987年，EdwardE.Horton设计了一种专用于深海钻探和采油工作的Spar平台，其结构形式特别适合于深水作业环境。Horton设计的这种Spar平台被公认为现代Spar生产平台的鼻祖。Spar平台由于其经济性和稳定性优于其他浮式平台,在经过短暂的二十几年来的发展中,已经开发出三代类型，分别为经典式(ClassicSpar)、桁架式(TrussSpar)和分简集束式(Ce1lSpar)。根据0ffshore的统计：截至2010年5月．全球共有17座Spar平台，并且其中l6座在美国墨西哥湾运营,只有l座(Kikeh)在马来西亚。优点：1）特别适宜于深水作业，在深水环境中运动稳定、安全性良妩在系泊系统和主体浮力控制的作用下，Spar平台相应的六个自由度上的运动固有周期都远离常见的海洋能量集中频带，显示了良好的运动性能。2）灵活性妩由于采用了缆索系泊系统固定，使得Spar平台十分便于拖航和安装，在原油田开发完后，可以拆除系泊系统，直接转移到下一个工作地点继续使用，特别适宜于在分布面广、出油点较为分散的海洋区域进行石油探采工作。另外，Spar平台动态定位比较方便，即使是处于下桩状态，也可以通过调节系泊索3)经济性好。主体结构目前投入实际生产的Spar平台，在整体组成上一般可分为六大系统:平台上体主体外壳、浮力系统、中央井、立管系统、系泊系统(包括锚固基础)，而从结构上来讲，则将Spar平台分为三部分:平台上体、平台主体以及系泊系统。2.4半潜式平台半潜式钻井平台，又称立柱稳定式钻井平台。大部分浮体没于水面下的一种小水线面的移动式钻井平台，是从坐底式钻井平台演变而来的。半潜式钻井平台的类型有多种，其主要差别在于水下浮体的式样与数目，按下体的式样，大体上可分为沉箱式和下体式两类。沉箱式沉箱式是将几根立柱布置在同一个圆周上，每一根立柱下方设一个下体，称为沉箱。沉箱的剖面有圆形、矩形、靴形。沉箱的数目，亦即立柱的数目，有三个、四个、五个不等。下体式下体式中最常见的是两根鱼雷形的下体分列左右，每根下体上的立柱数可以有两根、三根、四根。下体的剖面有圆形、矩形、或四角有圆弧的矩形。为了减小平台在移位时的水阻力，将下体的首尾两端做成流线型体。最常见的是双下体型和四下体型还有环型下体式，是用四根立柱支承平台本体，立柱下方支承于一个圆形剖面有十二边的环形下体上。此种型式根据模型试验表明耐波性较好，但阻力较大。外型半潜式钻井平台由于下体都浸没在水中，其横摇与纵摇的幅值都很小。有较大影响的是垂荡运动。优点由于半潜式钻井平台在波浪上的运动n向应较小，在几种钻井平台中得到很大发展，在海洋工程中，不仅可用于钻井，其他如生产平台、铺管船，供应船、海上起重船等都可采用。随着海洋开发逐渐由浅水向深水发展，这类平台的应用，将会日渐增多，诸如油与气的贮存，离岸较远的海上工厂，海上电站等都将是半潜式平台的发展领域。作业条件半潜式钻井平台在深水区域作业，需依靠定位设备，一般为锚泊定位系统，常规的锚泊定位系统