海洋工程环境学04

22本课程为船舶与海洋工程专业学生的专业课程，主要讨论船舶与海洋结构物遭遇到的海洋环境中的荷载问题。主要内容包括海洋环境因素(风、浪、流、潮汐、海冰等)形成的基本原理与统计分析方法，船舶与海洋结构物遭遇到的环境载荷及其运动响应等。课程摘要：33海洋环境因素介绍海洋结构物介绍海洋工程环境荷载的研究方法风载荷基本原理、分析与计算波浪载荷基本原理、分析与计算海流载荷基本原理、分析与计算潮汐载荷的分析海洋结构物在海洋环境下的设计与安全保障主要内容：4风浪流海冰海洋工程结构物响应设计评价载荷：load，指的是使结构或构件产生内力和变形的外力及其它因素。或习惯上指施加在工程结构上使工程结构或构件产生效应的各种直接作用，常见的有：结构自重、楼面活载荷、屋面活载荷、屋面积灰载荷、车辆载荷、吊车载荷、设备动力载荷以及风、雪、裹冰、波浪等自然载荷。响应：response，系统在激励作用下所引起的反应。课程意义5课程意义海洋工程结构设计中存在很多缺陷--控制载荷不明确--设计准则不确定海洋工程结构运行中存在很多风险--结构设计问题--环境载荷、结构动力分析--安全保障措施内容海洋油气资源海洋油气开发主要结构形式我国的海洋油气开发我们相关的41231海洋油气资源全球海洋石油蕴藏量约1000多亿吨，其中已探明储量为380亿吨，占全球资源总量的1/3。近30年来，世界海洋石油产量、探明储量的增长幅度，海上均超过陆上。1海洋油气资源海洋的平均深度是3730m。全球已探明的海洋石油储量的80%以上在水深500m以内，而全部海洋面积中90%以上水深在200~6000m，还有大量的深水海域面积有待探明。海洋石油开发经历了由岸边、浅水到深海、超深海的发展过程。Inflation-adjustedpriceofcrudeoil(WestTexasIntermediate,2008dollars)05010015019451955196519751985199520050102030405060708090195019521954195619581960196219641966196819701972197419761978198019821984198619881990199219941996199820002002200420062008WorldwideJack-upNewbuildsandAttrition1950-2005AdditionstothefleetAttritionSource:ODS-PetrodataAverageAgeofRetiredRigs:30yearsNumberofRetiredRigsperyear(20-yearaverage):6rigsScheduledConstruction/OnOrder55RigsUnderConstruction2006-102007–202008-202009-5海洋油气开发主要结构形式固定式平台—重力式平台钢筋混凝土重力式平台。依靠自身重量维持稳定的固定式海洋平台。主要由上部结构、腿柱和基础三部分组成。基础分整体式和分离式两种。钢重力式平台。也属于分离式基础型,由钢塔和钢浮筒组成，浮筒也兼作储油罐。钢-钢筋混凝土重力式平台。上部结构和腿柱用钢材建造，沉箱底座用钢筋混凝土建造，可充分发挥两种材料的特性。重力式混凝土平台固定式平台—导管架平台（桩基式）在软土地基上应用较多。由上部结构（即平台甲板）和基础结构组成。上部结构一般由上下层平台甲板和层间桁架或立柱构成。基础结构（即下部结构）包括导管架和桩。桩支承全部荷载并固定平台位置。导管架平台平湖气田导管架平台固定式平台整体稳定性好，刚度较大，受季节和气候的影响较小,抗风暴的能力强。缺点是机动性能差,一经下沉定位固定，则较难移位重复使用。固定式平台特点固定式平台顺应塔式平台顺应塔平台与固定平台相似，二者均具有支撑水面设施的导管架钢制结构。不同的是，上部的导管架内还可能有浮式部分，系泊链由导管架至海底，或者二者的组合。顺应塔平台会随水流或风载荷移动，与浮式结构类似。顺应塔平台应用水深可达1000m。这个水深范围一般对于固定式导管架平台，很不经济。顺应塔式平台顺应塔式平台活动式平台—自升式平台由一个驳船式船体和若干能升降并能起支撑作用的桩腿组成，船体有足够的浮力以运载钻井设备和给养到达工作地点。作业时平台被桩腿支撑并抬升到海面以上。转移时，把桩腿拔起，驳船式船体下降浮于水面，即可拖运到另一地点。适用于5～90m。自升式钻井平台NobleDrilling’sCecilForbesAJack-UpRig浮动式平台-钻井船把钻井设备安装在船体上，靠锚系或动力定位，在漂浮的状态下钻井。一般都有自航能力，可在几百米或上千米水深的海域工作。对风浪极为敏感，当风力超过7～8级，波高超过3～4m时就要停止作业。钻井船Zapata’sTraderADrillship浮动式平台-半潜式平台主要由上部结构、下潜体、立柱及斜撑组成，下潜体有靴式、矩形驳船船体式、条形浮筒式。它既可在10～600米深的海域工作,又能较好地适应恶劣的海况，但其经济水深一般为100～300米。半潜式平台Semi-SubmersibleDrillingRigSemi-Submersible半固定平台-张力腿平台上部结构是浮体，通过收紧锚固在海底的缆索，使浮体的吃水深度比静平衡状态大一些，浮力大于浮体重力，剩余浮力由缆索的张力来平衡。当平台受到扰动力时，缆索张力改变而产生弹性变形，因此，平台只产生微量位移。张力腿平台张力腿平台(海星式SEASTAR)迷你式（MOSES）扩展式（ETLP）张力腿平台张力腿平台半固定平台-Spar平台Spar(拉索塔式)平台。是一种新型的海洋平台结构,其支承塔架下端着地，上端一般用4～8根钢索张紧固定。这种平台用料少，工作水深大，适用于大深度水域。SparPlatformSPAR平台框架式（Truss）多筒式(Cell)SPAR平台Spar平台Spar平台FPSOFPSO是浮式生产储卸油装置的英文缩写，它集生产、加工、储存、外输及生活、动力于一体，是海洋石油投资最大的工程单体。FPSO主要由船体、负责油气生产处理的上部模块和水下单点系泊系统三部分组成。适用于20米至2000米不同水深和各种环境的海况，通过固定式单点或悬链式单点系泊系统固定在海上，可随风、浪和水流的作用进行360度全方位的自由旋转，规避风浪带来的破坏力。FPSO始于上世纪70年代中期。它具有两个特点：体型庞大，船体一般从5万至30万吨，一艘30万吨的FPSO甲板面积相当于4个足球场；功能较多，FPSO集合了各种油田设施，对油气水实施分离处理和原油储存，故被称为“海上工厂”、“油田心脏”。FPSOFPSO单点系泊FPSO各类平台适用范围活动式平台，整体稳定性较差，对地基及环境条件有一定的要求。由于机动性能好,故一般均用于钻井。自升式平台和半潜式平台主要是供钻井之用，当油田的规模很小而又不宜设置固定式平台时，也可做采油用。半固定的张力腿式平台及拉索塔式平台是两种适合于大深度海域（200米以上）的平台结构。是近年来发展起来的新结构型式，具有明显的优点。但仍处于研究试制的阶段。2.2海上油田开发模式固定平台+海底管线固定平台可根据需要设计成井口平台、油气处理平台、储油平台、动力平台、生活平台等FPSO+单点系泊装置+井口平台+海底管线FPSO:浮式处理与储存装置（为油田开发提供动力、人员生活设施、原油处理装置）陆上终端+固定平台+海底管线FPSO+单点系泊装置+海底管线+水下生产系统FPSO浮式生产系统JackupDrillingRig海洋石油平台系统番禺4-2/5-1项目东方1-1气田—3我国的海洋油气资源及海洋平台3.2我国海洋工程技术发展概况中国管辖的海域面积300万km2，根据第二次全国石油资源评价结果，我国近海大陆架石油资源量达248亿吨，占全国的26%，天然气资源量15.79万亿方，占全国的36%。目前石油发现率仅12.3%，天然气发现率仅10.9%。滩海油田(中石油、中石化)我国渤海海滩，海岸线总长2280km，辽河、冀东、大港、胜利海区，预测的石油资源量达40亿吨。上世纪70年代在滩海地区开始了油气的勘探开发。冀东滩海辽河滩海大港滩海胜利滩海胜利滩海油田中心一号胜利滩海油田中心二号大港油田-港海一号大港油田-赵东平台(中美合作)辽河油田-辽河试采一号目前已开发油田26个，其中14个合作开发油田，年产量已达到3000万吨。渤海海域包括埕北油田、绥中36-1油田、锦州9-3油田、锦州20－2凝析油气田、渤西油田群、渤中34-2/4油田（合作）及秦皇岛32-6油田（合作）。南海东部均为合作，包括陆丰22-1油田、陆丰13－1油田、西江24-3油田、西江30－2油田、流花11-1油田、惠州油田。南海西部包括崖城13-1气田（合作）、涠西南油田群、文昌13-1/2油田、东方1-1气田。东海海域包括平湖油气田（合作）、春晓油气田。中海油所属油气田海洋油田分布目前在渤海海域、东海海域、南海东部、南海西部已开发油田26个，其中14个合作开发油田，年产量已达到3000万吨。绥中36-1油田水深：31米投产日期：1993年（I期）1998年（II期）中海油海上油田-渤海海域渤南油气田东海海域平湖油气田水深：90米投产日期：1998年中海油所属油气田-东海海域南海西部海域文昌油田群水深：114米投产日期：2002年W13-1井口平台南海西部海域崖城13-1气田-中国海上最大气田水深：100米投产日期：1995年我国海洋石油开采中海工技术的能力与差距具有自行设计、建造工作水深较浅的各型移动式钻井平台的能力我国已有各种型式的移动式钻井平台24艘，目前在用的是18艘。在这18艘中，有10艘为我国自行设计、建造的。这充分说明，我国已经具有自行设计、建造工作水深较浅的坐底式、自升式、半潜式等各种类型移动式钻井平台的能力。总体技术性能指标落后。如半潜式钻井平台，我国的“勘探3号”其可变载荷与总排水量的比值为0.076，而国外的DSS20为1.75；总排水量与自重的比值国外设备高达355，我国的设备相差较大。深水平台缺乏设计实践，我国设计自升式钻井平台工作水深均在40m，而国外常规的工作水深为90m；半潜式钻井平台国外常规水深为300～600m，而我国设计的仅为200m；无动力定位系统。差距具有自行设计、建造工作水深150m以内的固定采油平台的能力中国海洋石油总公司自1985年以来，已独立设计、建造了水深5m以内的导管架式固定采油式平台40余座；中国石油天然气总公司(现集团公司)自1992年以来，也已独立设计、建造了水深5米以内的浅海用固定采油平台10余座；我国已拥有塘沽、深圳、胜利、湛江等4个大型专用固定平台制造基地，有2500吨的起重船。差距工作水深浅。目前，国外已有工作水深超过300m的固定采油平台，例如，墨西哥有水深305m的固定采油平台5座，BullWinkel固定采油平台的工作水深已达412m，而我国只能设计、建造工作水深150m以内的。适用于边际用油田的多功能移动式轻型采油平台尚处于研制阶段。尚未涉及SPAR平台、张力腿平台、顺应塔式平台。具有自行设计建造工作水深100米以内的浮式采油系统的能力能力我国目前共有海上浮式采油系统8套，其中，半潜式1艘，即“南海挑战号”，它是由新加坡的FELS和Keppel船厂改建的；有3套(序号1、2、3)是我国自行设计建造的；其余4套均系美国、新加坡等外国公司所建造。序号名称制造厂家工作水深储油能力1渤海明珠号江南造船厂FPSO31m6200m22渤海友谊号沪东造船厂FPSO22.9m62000m23长庆号沪东造船厂FPSO20m58500m24南海发现号CACT作业FPSO116m230000m25南海胜利号AMOCO作业FPSO305m119200m26南海希望号新加坡keppleFPSO37.5m95400m27南