07-1海洋开发与海洋工程

海洋开发与海洋工程技术土木水利工程概论2007.03主要内容一、前言二、海洋油气开发技术三、海洋空间利用技术四、海洋能资源开发技术一、前言海洋开发是人类采用各种技术和方法把蕴藏在海洋中的矿产资源（海底矿产资源和海水资源）、生物资源、再生能源和空间资源开发出来，用于社会发展的整个行为，以及把海洋的潜在价值转化为实际价值和社会效益的各项活动。传统海洋开发：海洋运输、海盐业、海洋捕捞业新兴海洋开发：海洋石油天然气开采、海底采矿、海水养殖、海洋空间利用未来海洋开发：应用高科技手段，实现海洋矿产资源、生物资源、能源和空间资源的可持续开发与利用海洋自然环境一、海底地貌海底地貌就是海底轮廓，其基本轮廓和陆地一样有高山，平原，丘陵，峡谷等。可分为海岸带，大陆架，大陆坡和大陆隆。海岸带--海陆之间的界限，当水位升高时，海岸带被淹没，水位降低时，则露出水面。有重要的海滨砂矿：如金，铂，金刚石，锡砂等。大陆架---围绕大陆的浅海地区。该区一般坡度平缓，缓缓向外海倾斜。平均水深130米左右，最深的500多米。大陆架的总面积占海底面积的8%左右。大陆隆及大陆盆地--从大陆坡脚向大洋深处缓缓倾斜，一直延伸到水深6000米地带，是海洋的主体，约占海洋总面积的80%。在这巨大的深海平原里有几千米高的海底山脉，它隆起露出海面就形成断续或连续的岛屿。由于水深，压力大，不见阳光，故生物很少。另外，特别引人注意的则是大洋中深度大于6000米的陷落地带--海沟。它存在于两个板块之间，世界上火山，地震大多集中在这里。海流--海水作一定方向的水平运动。海流的成因有多种，如风，海水密度不同，含盐量不同，海面上气压的不等。海流可分为暖流和寒流。从暖海向寒流推进的流称暖流，反之称寒流。海冰--妨碍船舶航行，影响海上各种作业，除此之外，在海浪等的作用下破碎，开裂，并随风，流作用而堆积起来，形成冰山(其厚度可达几百米)或流冰，对海上建筑物产生巨大的并压力和冲击力。海啸--由于地震引起的海底地壳变动，海底火山爆发等原因所产生的长周期波动叫海啸。海啸波高可达几十米。长波不易衰减。风暴潮--由于台风，寒潮等天气系统带来的大风或气压剧变而引起的海水水位异常升降现象。风暴潮又称”风暴增水”或”气象海啸”。如遇风暴潮发生在潮汐的高潮，在其影响所及的海域水位暴涨，甚至海水侵溢内流，酿成巨灾。我国的海洋条件我国有着宽阔的海域，漫长的海岸线。200米水深以内的大陆架，约占世界大陆架面积的23%，该区域蕴藏着极其丰富的石油和天然气。渤海--面积较小，8万平方公里，平均水深不到26米，有一半海区不到20米。在这地区发现了自然条件优良的有开发价值的油田。黄海大陆架--我国大陆与朝鲜半岛之间。面积为40平方公里，平均水深44米，不超过60米。是一个很好的含油，气远景区。东海，南海都发现了海底石油资源，南海已经钻出了原油。沿海地区大力发展人工养殖业。海洋建筑物从广义的角度，凡是用于海洋开发而建造的建筑物，统称为海洋建筑物。海洋建筑物的分类--海洋建筑物是陆上建筑和船舶中间的形式。按照其固定方式可分为着底式和浮游式建筑物。着底式建筑物又可分为固定在海底的固定式和靠重力与海底接触的重力式建筑物。浮游式建筑物又可分为浮式、半潜水式、潜水式。海洋建筑物的特点---目前海洋开发中，各国投入最大的是海洋石油的开发，因此海上石油开发为例介绍海洋建筑物的特点。海洋建筑物特点环境条件复杂且随机性较大机构尺度大且设计安全度要求高结构设计时考虑作用力的多样性施工方法的特殊性承受的荷载大：其中不少是动力荷载，如波浪力、风压力、冰压力、地震荷载，再加上海啸，风暴潮等的影响。环境条件比较恶劣：海上施工，建造和组装的作业时间少。如水深较浅的渤海地区每年只有85天左右。海上石油建筑物主要包括：1钻井装置--要求提供一个能安装整套钻井设备和进行钻井作业的场所。要求具有足够的坚固性和稳定性。造价远高于陆上钻井。要求移动式。2采油构造物--按海上采油方式大体上可分为：设置人工岛:向海里填筑砂石，泥土或工业废渣等方法形成与岸相连或孤立与海中的人工岛，还需修筑坚固耐久的护岸工程。费时费工，只适合于近岸浅滩水深不超过10米的近海油田。固定式采油平台:目前海上采油的一种主要方式。将采油设备与装置安置在采油平台上。为此需在海上修建高出海面一定高度的固定平台，并保证在各种恶劣海况条件下采油，同时保持平台的稳定和安全。海上油气集输，贮运系统海上开采出来的油气，初步进行油气，油水分离，然后转输到岸上或海中的油罐等贮油设施贮存起来，再把它经由海底输油管线，运至原油码头和油轮等分送到各地。海上原油贮存方式有三种：一是海上临时贮油设备，二是岸上的中转油库或总油库，三是海上的中转油库或总油库。海底矿产资源开发内容重要设备用途石油天然气石油钻井平台、海底钻探装置提取石油和天然气锰结核矿开采船只或其他开采装置从海底采出的锰结核矿中，提炼出锰、铁、铜、钴、镍等其它矿物各种采掘装置和大深度挖泥船提取铁砂、金砂、锡砂、磷灰石及其它金属海洋空间资源开发内容重要设备用途海面港口建筑物、船舶、人工岛、大型浮体海上运输、开采油气、海上城市、海上工厂、海上机场、军事设施海底海底管线、通讯电缆、海底隧道、海底公园、海底仓库、海底军事基地输运、储藏、通信、交通、娱乐、国防海岸带海岸建筑物、滩涂围海造地、人工海滨浴场生产、生活、休闲娱乐海洋再生能源开发内容重要设备用途海水运动的势能与动能波力发电站、潮汐发电站、海流发电站海水运动的能量转变为电能温差能温差能发电装置表层与深层海水的温差转变为电能盐差能盐差能发电装置海水与河水的含盐浓度差转变为电能海水资源开发内容重要设备用途淡水各种海水淡化装置为海岛、船只或近岸缺水区提供淡水资源常量元素提取各种常量元素提取装置提取食盐、镁、溴、钾、重水等，供作各种工业原料微量元素提取提取微量元素的各种吸附装置提取铀、碘等，供作国防工业和医药原料海洋生物资源开发内容重要设备用途植物各种养殖设备生产海带、紫菜、巨藻等各种船只、网具猎捕渔类、虾类等人工渔礁鱼类在渔礁附近聚集、生息、形成天然渔场动物海湾人工养殖场人工养殖鱼类、贝类海洋开发的重要性我国拥有大陆海岸线总长度18000多公里与6500多个面积在500平方米以上的岛屿。根据《联合国海洋法公约》我国所管辖的海域有近300万平方公里（相当于我国陆地国土的1/3）我国是一个发展中国家，人口、资源和环境的压力相当沉重。中国要摆脱人均资源低下，在21世纪中叶进入中等发达国家水平的一个重要出路就是走向海洋。海洋开发对海洋工程技术的挑战海洋环境条件的严酷性，使得海洋开发所依赖于海上工程设施技术复杂、投资多、风险大。随着海洋开发利用的规模日趋复杂和庞大，要求人类对海洋环境条件的认识、工程设施的设计理论与建造技术等必须有很大的提高，以期在保证安全可靠的前提下节约工程造价、缩短建设周期、减少维修工作和延长使用年限。二、海洋油气开发技术研究资料表明，全球海洋蕴藏的可采石油储量约为1350亿吨，天然气储量约为140万亿立方米，约占世界油气总资源量的45％。我国近海大陆架面积140万平方公里，经过海洋石油地质专家的多年研究，预测其地质储量约275亿吨,天然气储量约41万亿立方米。目前仅在大陆架80多万平方公里的海域范围进行了初步勘探，就找到了石油地质储量13亿吨、天然气2350亿立方米。混凝土重力式平台混凝土重力式平台由底部的大储油罐、单根或多根立柱、平台上甲板和组装模块等部分组成。世界上最大的混凝土平台建在北海的“斯塔福德－B”平台，总高度271m。钢导管架桩基平台平台在导管架的顶部，高于作业海区的波高，并用钢桩穿过导管固定于海底。1981年，美国在墨西哥湾水深312m的海域安装的一座重59000t的平台，整个平台高达368m。平湖油气田是我国东海海域第一个投入开发的油气田，位于上海市东南约400公里。自升式平台自升式钻井平台在平台与桩腿或桩腿沉垫之间有升降装置可使它们作相对的上下移动。常用的可分为齿轮齿条式和液压插销式。最大工作水深约为100m左右。自升式平台多为拖航，也有可助航和自航的平台。中油海5号、6号钻井平台中油海2号、7号钻井平台张力腿平台张力腿平台的特点是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采油平台。1994年投产的奥杰平台，工作水深达587m，是目前世界上水深最深的一座张力腿平台。与导管架平台相比，导管架平台的造价与水深关系大致呈指数关系增加，而张力腿平台的造价随水深的增加变化较小。由于每个张力腿都有很大的张力，张力腿平台在波浪中的运动幅度远小于半潜式平台，这对海上作业是十分有利的。系索塔式平台系索塔式平台由垂直的塔型结构支承于海底，顶端的工作台被托出水面以上，用多根钢索向四周拉紧，使塔不宜倾斜并吸收风浪向它袭击的荷载。该类平台的作业水深在457～610m之间。半潜式平台半潜式平台由平台本体、立柱和下体或浮箱组成，是大部分浮体没于水面下的一种小水线面的移动式石油工作平台。大连新船重工有限责任公司开发的国际上最先进的第五代半潜式钻井平台，其工作水深3000米，可在风速41米/秒、浪高32米的恶劣气候海况下进行石油开采。钻井船浮式生产系统（FPSO）FPSO（Floatingproduction,storageandoffloadingsystems）具有钻井、修井、采油、生活、动力等多种功能，而且又可作为穿梭油轮，它采用先进的内转塔式单点系泊装置，实现了一条船开发一个海上大型油田。海底采油生产系统把整个采油装置、油气分离装置、储油装置等完全置于水下的海底采油装置。我国的南海流花油田采用了这种海底采油装置，其水下作业全部由水下作业机器人承担，在浮式生产平台上用多功能液压系统实现了对水下井口系统的遥控。我国海洋石油产业中国海洋石油总公司1990年原油年产量100万吨；1996年原油年产量跃上千万吨大台阶为1500万吨；2000年原油年产量1600万吨；2005年计划原油年产量4000万吨（油当量），其中渤海2000万吨。实现海上天然气年产100亿方。十五期间投入1200亿元人民币，建造50个平台。2010年实现海上天然气探明储量1万亿方，建成天然气年生产能力300亿方（目前海上气田年生产能力50亿方）。秦皇岛32－6油田东距塘沽100公里，石油地质储量1.7亿吨。南堡35－2油田位于唐山京唐港以南20公里，石油地质储量1.1亿吨。蓬莱19－3整装油田位于山东龙口海岸以北约70公里处，地质储量近3亿吨。我国海洋石油的技术进步1987年我国第一个对外合作油田－渤海埕北油田建成投产，年产原油40万吨。首次在南中国海采用深水永久型系泊系统。首次用半潜式生产系统代之以常规的导管架生产平台，并控制水下井口和水下生产系统。采用新型多功能具有动力定位装置的FPSO开发我国水深达330米的陆丰22－1油田。首次将单点系泊的FPSO用于浮冰区，开发渤海油田，投产后的实践证明设计是成功的。南海西江24－3油田利用现有的平台设施，利用创世界第一的大位移井钻井技术高速高效地开发了周边的区块油田。铺设了世界最长的绥中36－1油田70公里长的稠油输送管线。海洋石油资源开发中的部分技术难关台风浪、内波流、海冰、地基、地震等对海洋工程设施造成严重的灾害性。渤海湾极浅海地区油气田开发的地质问题。由于这一海域坡缓(小于1/1000)、滩宽(10余公里)、土质强度特低(承载能力5－6吨/平方米)，一般运输工具均无法进出，加上冬季有冰凌影响，给工程建设带来了极大的困难。边际油田开发的新技术，如：简易桩基平台、筒型基础平台、抗冰平台、小型TLP平台等的设计。新型浮式生产装置及新型系泊系统应用技术海底管线穿越复杂地层的铺设技术，管线在线监测、评估与维修技术等。三、海洋空间利用技术现代海洋空间利用技术是指人类生存与发展空间向海面、海中、海底和海岸带延伸所采用的高新技术。除传统的港口和海洋运输外，人类正在向建造各种工业和居住用的人工岛，