（机械电子工程专业论文）基于半物理仿真的海上平台沉浮运动研究.pdf

浙大学博士学位论文 摘要 海洋平台是海上钻井采油的必备设施之一。为了适应各种不同的油田地质状况和海 况条件，开发了各种不同结构形式的海洋平台，如导管架式平台、重力式平台、自升式 平台以及张力腿平台等。随着各国对石油需求的日益增加，以及现有大型油田开采的日 益衰竭，人们已经逐渐把目光转向储量小、地址条件恶劣、但数量庞大的边际油田。边 际油田由于特殊的地质条件，其开采设施与开采方法也有其特殊性。一个共同的要求就 是开采边际油田的海洋平台要有可移动性、结构形式简单、最好有储油功能等。 为了满足边际油田开采的需要，目前国际上研制成功一种新形式的海洋平台，即桶 形基础海洋平台。这种平台是依据负压桩原理，通过调节桶形基础内的压力实现平台的 沉贯与拔出，国内外己对桶形基础的工作机理有了很深八的研究。随着此类平台逐渐被 各国重视并投入使用，有一个越来越突出的问题摆在面前，那就是，由于桶形基础平台 的可移动性，其从水底上浮到水面和从水面下沉到水底吐及拖航这一系列环节应该以怎 样的方式来进行? 传统的方法是通过浮吊等大型海上施工机具来实现平台的沉浮和拖 航，这对于需要经常移动的平台来说，无疑是大幅度的增加了施工成本，从而造成边际 油田开发总体效益的下降。更主要的是，在浅水区域，大型施工机具根本无法进入。为 了解决这一难题，本课题提出了通过抽注水的方法实现平台的自主沉浮，为桶形基础平 台沉浮过程的实现提供了一个切实可行的技术方案，从而达到简化平台施工过程，降低 平台施工成本的目的。平台自主沉浮是通过向各容腔( 桶形立柱或经过密封处理的桶形 基础) 中注水或抽水的方法得以实现，即通过调节注水或抽水的总体流量实现平台的下 沉或上浮，通过把总体流量适当分配给平台各容腔( 即调节平台的质量分布) ，实现平 台的平稳沉浮。 为了验证这一簟略的可行性，本文提出应用半物理仿真技术研究海上平台的沉浮过 程。为了验证半物理仿真试验结果的可信度，本文以实验室一平台物理模型为研究实例， 通过半物理仿真试验与物理模型试验结果的对比，充分证明了海上平台沉浮运动研究中 应用半物理仿真技术是切实可行的，以抽注水的方法实现平台自主沉浮的控制策略是可 以实现的，并且达到了纵向运动控制精度在2 。以内。 本文总体目标是构筑海上平台沉浮过程半物理仿真试验系统，然后进行试验，并对 试验结果进行深入分析研究，得出相应的结论。为了实现这一半物理仿真试验系统，需 要建立平台沉浮过程的数学模型、研究沉浮过程的实时控制方法以及半物理仿真系统中 其它各环节的实现。所以，总体上，本文分为三大块，即平台沉浮过程数学建模( 第二 摘要 章) 、半物理仿真系统设计与试验( 第三章) ，以及试验结果比较分析与结论( 第四、 第五章以及结论部分) 。具体各章研究重点如下： 本文的第一章通过分析目前边际油田开发的技术现状、平台沉浮过程的研究进展， 以及半物理仿真技术应用状况与前景，提出了本文的研究内容。 第二章论述了半物理仿真试验系统中最重要的环；平台沉浮过程的数学建援。首 先是根据海洋平台沉浮过程的机理，给出了具有一定普遍意义的参数计算思路和方法， 其中主要包括平台浮心、重心计算，稳心高以及回复力矩等参数。然后把平台的沉浮运 动过程分解为横向运动和纵向运动，并对纵向运动按静力学原理进行建模与仿真，横向 运动按动力学原理进行建模与仿真，并建立相应的数学模型，在横向运动建模中同时考 虑了相关模态的耦合与非线性情况。 第三章提出了应用半物理仿真方法对平台沉浮过程进行系统仿真的总体构想，并进 步分析平台半物理仿真系统各个环节之间的接口关系，通过适当简化使整个半物理仿 真系统达到可实际操作的程度。根据仿真运算的具体情况，提出了在平台半物理仿真系 统中，把平台纵向运动数学模型进行实时仿真，而对横向运动数学模型进行间歇仿真策 略，有效解决了半物理仿真系统的实时性问题。较详细的论述了平台半物理仿真系统的 控制软件与仿真软件，并给出了二者的通讯方法。并对平台半物理仿真系统中的一些关 键环节进行了概述，包括水路设计、传感器布置以及虚拟仪器技术的应用状况。为了对 平台半物理仿真结果进行校验，在进行半物理仿真试验的同时，也同时进行了模型试验， 根据模型试验的结果可以用来进一步修改数学仿真模型。 第四章对平台沉浮过程中的稳性进行研究。通过分析平台的初稳性和大倾角稳性， 得出了平台初稳性在沉浮过程中的变化规律，并依据大倾角稳性分析，提出了平台施工 前稳性校核的具体方法。 第五章对平台沉浮过程中横向运动和纵向运动半物理仿真结果进行了分析研究，并 与模型试验的结构进行了比较。给出了平台横倾角、纵倾角随吃水深度变化关系，并得 出相应的结论。对平台半物理仿真结果的可信度进行分析，并提出对模型进一步修改的 意见。 第六章对全文进行了总结，并给出本文的研究结论、创新之处以及对未来的展望a 关键词：桶形基础：海洋平台；半物理仿真：沉浮过程；数学建模；稳性：动态性能 浙扛大学博士学位论文 o f f s h o r ep l a t f o r mi so n eo ft h em o s tn e c e s s a r ye q i n p m e n t sf o ro i le x 订a c t i o ni nt h e c c e s n m a n y s e r i e so f p l a t f o r m sh a v eb e e nd e v e l o p e di nr e c e n ty e a r s ，s u c ha sg r a v i t y p l a l f o r m ， j a c k e tp l a t f o r m ，s e l f - e l e v a t i o np l a t f o r ma n dt e n s i o nl e gp l a t f o r m , e t e ，t om o o td j f f c n t g e o l o g i ca n dm e c o n d i t i o n s a st h ei n c r e a s eo f t h ew o r l do i ld e m a n da n dd e c r e a s eo f t h e l a r g e o i l f i e l d i e s o f v o s ，p e o p l e h a v e t o g i v e t h e i r a t t t i e n s t o t h e t h o u s a n d s o f s m a l lo i l f i e l d s w h o s eg n e l o g i cc o n d i t i o n s 黜g e n e r a l l yb a d n 嵋e x t r a c t i o nm e t h o da n d e q u i p m e n t sn e e d e d i nt h e s ek i n d so fo i l 丑e l d sa r ed i s t i n c t i v ef r o mt h o s ei nn o r m a lo i if i e l d m o s tb a s i c r e q u i r e m e n t sa r ct h a tt h ep l a t f o r mc s nb eu s e dr e p e a t e d l y ，h a st h ea b i l i t yt os t o r eo i la n dh a s s i m p l es t r u c t u r e f o rt h en e e do fe x t r a c t i n gm o l em a r g i n a lo i lf i e l d s ，an o w - s t y l ep l a t f o r mh a sb e e n d e v e l o p e d , w h i c h i sc a l l e db u c k e tf o u n d a t i o no f f s h o r ep l a t f o r m t h i sk i l l do f p l a t f o r mh a s t h e p n i l - o u ta n ds u c t i o nc a p a b i l i t yb a s e do np r i n c i p l eo fs u c t i o np i l e m u c hr e s e a r c hw o r ko n b u c k e tf o u n d a t i o nm e c h a n i s mh a sb e e nd o n or e c e n t l y a st h er e c o g n i t i o na n du s eo f t h i s 】c i n d o f p l a t f o r m , aq u e s t i o nm u s t b e e m p h a s i z e d , t h a t i sh o wt om a k e p l a t f o r ml o w e r f r o mm a r i n e s u r f a c et ob e da n dr a i s ef r o mm a r i n eb e dt os u r f a c e t h er a i s i n ga n d1 0 w c r i n gp r o c e d u r e s s h o u l db ec u n s i d e r e db e c a u s eo ft h ep l a t f o r m sm o b i l i t y t r a d i t i o n a lm e t h o di st od e p e n do n f l o a t i n gc r a n e , o no n eh a n d , w h i c hi n c r e a s e st h ei n s t a l l a t i o n 【p 鼬s e s ，s o t h a tt h et o t a l b e n e f i t so ft h e 甜e x p l o i t a t i o nd e c r e a s e ，o nt h eo t h e rh a n d ，w h i c hc n o tb cc a r r i e do u ti n s h a l l o ws e ab e c a t l s eo fn ow a yt oo f f e re n o u g hs e ag a u g e i no r d c ft or e s o l v et h i sd i f f i c u l t p r o b l e m ，an e wf e a s i b l em e t h o d f o rt h er a i s i n ga n dl o w 日i n gp r o c e d u r e so ft h ep l a t f o r mi s p r e s e n t di n t h i sd i s s e r t a t i e n t 1 l i sm e t h o di sc a l l e dp u m p i n g - o u t - a n d - p u m p i n g - i nm e t h o d w h i c hm e a o st h a ts e l f - r a i s i n go rs e l f - l o w e r i n go ft b ep l a t f o r mi si m p l c m e n t a db yp u m p i n g w a t e ri n t ot h ec a v i t yo rp u m p i n gw a t e ro u to ft h ec a v i t y n ec a v i t yi st h eb u c k e tc o l u m n s a n d o rs e a l e db u c k e tf o u n d a t i o n s t h a ti st os a y ，t h er a i s i n gf i t l o w e r i n gp r o o e d o r eo ft h e p l a t f o r mi sc o n t r o l l e db yr e g d a 矗n g t h et o t a lf l o wp u m p e di no rp u m p e do u to f t h ec a v i t y ，a n d t h ep l a t f o r ms t a b i l i t yi sc o n t r o l l e db yr e g u l a t i n ge v e r yc a v i t y f l o w , i nf a c tt h ep l a t f o r mi sv e r yl a 噼i f t h et e s ti sp e r f o r m e di n f i e l 粤t h e c o s tm u s t b eh i g h ， a n dt h et e s t 坤d o di sa l s ov e r yl o n g ，a tt h es a m et i m e ，t h e r ei sd s n g o ri nt h et e s t i no r d e r t o t e s t i f yt h ef e a s i b i l i t yo f t h em e t h o d , h l 哪h 喝r 争i i i 扯咖s i m u l a t i o n i su s e df o ra n a l y z i n gt h e r a i s i n ga n dl o w e r i n l n gp r e e e d u r o f t h ep l a t f o r mi nt h i sd i s s e r t a t i o n t o v a l i d a t et h em l i a b i l i t y o ft h eh a r d w a r e i n - t h e - l o o ps i m u l a t i o nr e s u l t s 。ap l a t f o r mm o d e li sb u i l ta st h er e s e a r c h e x a m p l e ，a n df a r t h e x m o r e ，m o d e lt e s ta n dh a r d w a r e - i n - t h e 1 0 0 ps i m u l a t i o nt e s ta r ep e r f o r m e d s y n c h r o n o u s l y b yt h i sm o a n s ，f c a s 南i l i t yo f t h eh a r d w a r e - i n - t h e - l o o ps i m u l a t i o na p p l i e di n t h er e s o a r e , ho nt h er a i s i l 喀a n dl o w e r i n g p r o o c d l e oo f t h eb u c k e tf o u n d a t i o np l a t f o r m , a n dt h e p u m p i n g - o u t - a n d - p u m p i n g i n m e t h o dc a nb er e a l i z e d p r e c i s i o no f t h ec o n t r o l l e d l o n g i t u d i n a l m o t i o ni sl e s st ! t a n 2d e g r e e 1 1 艟f m a lg o a lo ft h i sp a p e ri st ob u i l dh a r d w a r e i n - t h e - l o o ps i m u l a t i o nt e s ts y s t e mf o rt h e r a i s i n ga n dl o w e r i n gp r o c e d u r e so f t h ep l a t f o r n ha n dt od ot h ee x p e r i m e n t a t i o n , t h a nc a r e f u l l y t os t u d yt h ee x p e r i m e n t a t i o nr e s u l t ss ot h a tc o n c l u s i o n s d r a w na tl a s t t ob u i l dt h i ss y s t e m ， t h em a t h o m a t i cm o d e ld u r i n gr a i s i n ga n d l o w e r i n gs h o u l db e e s t a b l i s h e df i r s t l y , t h e nr c 。a 1 t i m e c o n t r o la r i t h m e t i cm u s tb ec a r r i e do u td u r i n gt e s ts e c o n d l y , a n dt h eo t h e rp a r to ft h es y s t e m a l s os h o u l db es t u d i e da tl a s ts o , t h e r e t h r e ep a r t si nt h i sp a p e r , w h i c ha r ee s t a b l i s h m e n t o ft h em a t h e m a t i cm o d e l ( t h es e c o n dc h a p t e r ) ，d e s i g na n dt e s to ft h eh a r d w a r e - i n 也e - l o o p s i m u l a t i o ns y s t e m ( t h et h i r dc h a p t e r ) ，a n da n a l y s i sa n dc o n c l u s i o n so ft h ee x p e r i m e n t a t i o n r e s u l t s ( t h ef o u r t h f i f n la n ds i x t hc h a p t e r ) t h ef a s tc h a p t e r ：b a s e do nt h ed e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g yo ft h em a r g i n a lo i lf i e l d s s t u d i e s0 1 1t h e p r o c e d u r e o ft h e r a i s i n g a n d l o w e r i n g ，a n dd e v e l o p m e n t o ft h e h a r d w a r e - i n - t h e - l o o p s i m u l a t i o n t e c h n i q u e ，t h e m a i nc o n t e n t so ft h i s d i s s e r t a t i o na r e p r e s e n t e d n s e c o n d c h a p t e r ：a st h em o s ti m p o r t a n tp a r ti nt h eh a r d w a r e - i n - t h e l o o ps i m u l a t i o n s y s t e m , t h em a t h e m a t i cm o d e l sd u r i n gr a s i n ga n dl o w e r i n gm e s t a b l i s h e d b a s e do n t h e s t a t i c s ，m a n yc a l c u l a t i n gm e t h o d so f t h ep a r a m e t e r sa t ep r e s e n t e d , s u c ha sc e n t e ro fg r a v i t y a n db u o y a n c y ，m e t a c e u t e rh e i g h t ，a n dr e s t o r i n gf o r c e ，咖t h ep l a t f o r mm o t i o n sd u r i n g r a i s i n ga n dl o w e r i n ga r cf a r 出c 1 m o r 0d e c o m p o u n dt ol o n g i t u d i n a l m o t i o na n d 衄i l s c o r $ 0 m o t i o n e s t a b l i s h m e n ta n ds i m u l a t i o no ft h ei o n g i t o d i n a lm o t i o na r eb a s e do ns t a t i c sa n d t h o s eo ft h en a n s v a r s em o t i o na t eb a s e do nk i n e t i c s t h ec o u p l ea n dn o u l i n c a rf a c t o r sa r e c o n s i d e r e di nt h eu a n s v o r s em o t i o n n ”t h i r dc h a p t e r ：t h et o t a lc o n s t r u c t i o no fa p p l y i n gh a r d w a r e i n - t h e l o o ps i m u l a t i o n t e c h n i q u et ot h ea n a l y s i so ft h ec o n t r o ls y s t e mf o rr a i s i l l ga n dl o w e r i n gp r o c e d u r eo ft h e p l a t f o r m i s p r e s e n t e d t h i sc o n t r o ls y s t e mc a nh er e a l i z e da t a s ta l t e rb e i n gs i m p l i f i e d p r o p e x ! y n er e a l - t i n p r o b l e m o a rb et h o r o u g h l yr e s o l v e db yr e a l - t i m es i m u l a t i n gt o l o n g i t o d i n a lm o t i o n , a n d i n t e r m i t t e n ts i m u l a t i n gt ot r a n s w e r s em o t i o n c o a 响la n ds i m u l a t i o n s o f t w a r ei sd i s c u s s e d , a n dt h ec o m m u n i c a t i o nm e t h o db e t w e e nt h e mi ss t u d i e d s o m ek e y 浙江大学博士学位论文 p a r t s i nt h es y s t e ma r ei n v e s t i g a t e d , s u c h h y d r a u l i cp a s e n s o rd i s p o s a la n dv i r t u a l i n s w u m e n t t ov a l i d a t et h eh a r d w a r e - i n - t h e l o o ps i m u l a t i o nt e s tm u i t s ，m o d e it e s ta l s ob e c 蜘e do u ta tt h es a t r et i m e n ”f o u r t hc h a p t e r ：t h em b i l i r yo ft h ep l a t f o r md u r i n gr a i s i n ga n dl o w e r i n gi s d i s c u s s e d f r o mt h ei n i t i a ls t a b i l i t ya n ds t a b i l i t ya g a i n s to v e r t u r n i n g ，s t a b i l i t yv a r i e t yr u l e d u r i n gr a i s i n ga n di n w e d n g i sf o u n do u t , a n dam e t h o da b o u t s t a b i l i t yc r i t e r i ai sp r e s e n t e d i n 也i sd i s s e r t a t i o n 1 1 l ef i f t hc h a p t e x ：t h eh a r d w a r e - i n - t h e l o o ps i m u l a t i o nr e s u l t sa b o u tl o n g i t u d i n a la n d t r a n s v e t s cm o t i o na r ei n v e s r i g a t e d , c o m p a r e dw i t hm o d e lt e s t s i m u l a t i o np r e c i s i o na n a l y s i si s d i s c u s s e d s o m ec o n c l u s i o n sa r ed r a w n 吐l a s t i nt h ee n d , a l lo f t h ew o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o na r es u m m e du pa n dp r o s p e c t e d k e yw o r d s ：b u c k e tf o u n d a t i o n ，o f f s h o r e p l a t f o r m , h a r d w a r e - i n - t h e 。l o o ps i m u l a t i o n ， r a i s i n ga n dl o w e r i n g ，m a t h e m a t i cm o d e l ，s t a b u i t y , d y n a m i cr 西p o n s e v 浙旺大学博士学位论文 致谢 本论文是在陈鹰教授和朱世强教授的亲切关阡和悉心指导下完成的。 在攻读博士学位期闻的学习、科研和生活中，导师陈鹰教授给予了我谆谆教诲和悉 心关怀，并一直热情地鼓励我，在开题报告、科研方法、技术路线以及论文的定稿方面 都进行了认真的检查指正。导师严谨求实的治学作风、扎实勤勉的工作态度和诲人不倦 的高尚品德，时刻激励着我刻苦学习、认真完成科研工作；导师对科学事业孜孜以求、 废寝忘食的崇高献身精神，将时刻鞭策着我在未来的人生旅途中奋发努力、锐意进取。 朱世强教授在整个课题研究的各个方面，从方案的论证到课题的进展，从试验结果 的分析到论文的撰写都给予我悉心的指导。在三年多的科研生活中，朱世强教授对我学 业上严格要求，生活上关怀备至。他以身作则，严谨治学的态度，以及无私忘我的工作 热情和敬业精神，奋进执着、积极乐观的生括作风，令我深受感动。导师的言传身教， 谆谆教导，不仅使研究工作得以顺利进行，更使我养成了认真、踏实的作风。这切将 便我在未来的工作和生活中受益无穷。 在此论文完成之际，谨向在学业和生活中给予我无微不至关怀的陈鹰教授和朱世强 教授表示深深的敬意和衷心的感谢。 衷心感谢金波副教授和葛耀峥高工在课题研究过程中给予的耐心的指导和无私的 帮助。感谢武星军博士在课题的前期做了大量研究工作，为以后的研究打下了扎实的基 础，在此深表谢意。 还要诚挚地感谢实验室的师弟洪涛、汤进举、刘瑜、田角锋等同学对我在学习和生 活上的帮助。也要感谢冯申申，龚华锋等同学对我的帮助。 衷心感谢生我、养我、育我成人的父母，虽然他们年已花甲，远在千里之外，但我 无时无刻不感受到他们殷殷期盼的目光，无时无刻不沐浴着他们无比关切的慈爱。 十分感谢我的爱人何素梅女士，是她无微不至的关心体贴使我能顺利完成学业，同 时在思想上更给予我无限的理解和支持。 最后深深地感谢将在百忙中对我的论文进行评审的各位专家。 昊海彬 2 0 0 2 年1 月于求是固 主要变量表 口口，b b ：矩形平台的横跨度和纵跨度 h ：平台的总体高度 ，l ：桶形立柱的内径 r 2 ：桶形立柱的外径 m ，：平台甲板的质量 ，2 ：平台每一立柱的质量 m 。：平台本身的总质量 h w a t e r ：平台平均吃水深度 ( x m ，) ，m ，= m ) ：重心相对坐标 口：平台的倾角 h i ，h 2 ，h 3 ，h 4 ：平台各立柱的吃水深度 ( x f ，y f ，z 十) ：浮心相对坐标 h h 。2 ，h 。1 ，h 。4 ：平台各立柱内水的深度 丽：稳心高 r ：回复力 g ：平台所受重力 ( x g ，圪，z g ) ；重心绝对坐标 ( x f ，耳，z f ) ：浮心绝对坐标 日o ：水深 v i l 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 内容提要 本章介绍了目前国内外边际油田的开发状况、常用开发技术、存在的问题，综述了 国内外开发边际油田常用海洋平台的发展趣势和有关海洋平台沉浮过程的研究进展；提 出了目前存在的现实问题以及亟待解决的关键技术，并结合国家八六三项目以及以前的 研究基础，提出本文的研究内容 1 1 引言 人类大规模开发海洋石油资源已有几十年的历史了，随着海洋石油的不断开采，一 些自然条件好的大型油田的剩余储量越来越小。为了满足石油需求不断增长的需要，人 们不得不把目光转向更多的小型以及断块油田，即边际油田。在现有技术条件下，这些 边际油田，由于地质条件以及储量的限制，开发成本很高，没有可观的经济效益。通过 什么样的技术手段，使更多的边际油田得到开发，是石油界一直关注的问题。 显然，开发边际油田的首要问题是经济问题，由于边际油田本身的特点，其开发手 段与大型油田相比有明显的不同。为了切实提高经济效益，使边际油田的开发成本尽可 能降到最低，世界各国都在研制适合边际油田开发的钻采设备，这些设备一般具备了如 下特点的一项或几项“”1 ： 1 结构轻型化 要降低边际油田的开发成本，首先考虑到的就是降低开采设备本身的硬件成本，所 以，平台结构的小型化是所有边际油田开发的基本要求，通过减少平台桩腿的数量以及 改变平台的结构形式等方式可以把平台重量减至最轻。 2 搬运、安装和就位简单 由于目前的大多钻采平台在安装过程中都需要拖航、吊装以及打桩机具，这些大 型设备的使用大幅度的增加了安装成本。据粗略统计，导管架平台的安装成本占总成本 的大约一半。所以，使平台的搬运、安装与就位简单化是开发边际油田必须考虑的因素。 3 总体造价成本低 边际油田开发的造价成本包含很多困紊，除了钻采设备本身以及安装成本外，还有 设计费用以及管理等备方面的开销。只有把每个环节的成本都降到最低才能切实降低总 第一章绪论 体成本。 4 有一定的储油能力 储油能力是降低边际油田开发成本的很关键的因素。由于边际油田的储量小，开采 时间短，铺设海底管线并不是很现实，而使用穿梭油船外运，不仅运输成本高，而且极 易受气象条件影响，所以导致经常停工不能作业，影响正常作业，降低工作效率。如果 平台有了储油能力，就可以每隔一段时间外运一次，有效的降低了运输成本。 5 可重复使用 平台的重复使用可以大幅度降低边际油田的开发成本，目前已经出现多种移动式生 产系统，为边际油田的开发提供了可靠的技术保证，但是由于边际油田的多样性和复杂 性，目前的装备还远不能满足所有边际油田开发的需要。所以，研制开发新的装备系统 是边际油田开发的长期任务。 近年来，开发边际油田的新技术、新方法更是不断涌现，到目前为止，主要表现为 如下几个主要的研究方向： l 轻型平台技术。” 在滩海油田开发建设投资中，平台的建设费用占有相当大的比重。依据我国滩海油 田开发建设的特点，在今后相当长一段时间内将要建设的平台中，单井以及具有3 到6 口井规模的小型井口或井组平台将占多数。因此，这部分平台的造价，将会在相当大的 程度上影响油田工程建设投资。降低平台造价，将可能使更多的边际性断块油田得到开 发，使滩海油田的宝贵资源得以充分利用。 我国滩海油田开发中，已建成一批固定式平台，其中，绝大多数为单井平台和井组 平台。这些平台对滩海油田的开发和生产起了决定性作用，并在油田生产中取得了重大 效益。但是这些平台多属于传统的导管架式平台，虽然技术成熟，安全可靠，但在造价 及用钢量方面，对于产出量较低的断块油田来说，仍对其建设投资能否低于经济性界限 构成重大压力。 国外在经济效益的驱动下，已在海洋边际油田开发中开创了成功使用轻型平台的有 效途径，我国滩海油田的环境等条件与之相比并不苛刻，但资金条件等方面却更为受限。 因此参考国外在采用轻型平台开发边际油田方面的经验结合我国情况开发适合我国 滩海油田条件的轻型平台，对于加快我国滩海油田建设意义将更加突出，是当前需要考 虑和解决的一项课题。 轻型平台不仅可以降低建造费用，而且由于重量和尺度的减小，兼有制造周期短， 可用钻井平台、作业平台和小型浮吊安装，以降低安装就位费用和缩短安装就位时间， 便于考虑迁移和重复使用以及便于拆除等有利之处。在适当条件下采用，则可有利于边 2 浙江大学博士学位论文 际油田的开发。 基于上述因素的驱动，经过十余年来的探索和成功应用，国外已开发出多种形式的 轻型平台并经过了实际应用的考验。 2 桶形基础与负压桩技术“】【“” 迄今，不论是导管架平台还是上述的轻型钢质固定式平台，绝大多数皆采用传统的 桩式基础。我国滩海油田己建造的固定式钢制平台，也均采用这种基础。 由于摩擦桩的工作机理所决定，这种桩基所用的钢桩具有细、长、重的特点，并进 而导致了桩基平台的制造和安装就位中的如下问题： 桩的重量大，用钢量往往接近甚至超过导管架的用钢量，从而在平台的制造成本中 占有相当地比重。 由于桩基的特点，桩基平台在安装就位中的吊装、打桩、调平等不仅需要大型的海 上施工机具，而且旌工技术难度较高，从而导致了施工期长和费用增高。 桩基平台难于迁移重复使用，而且拆除费用高，这对于油田开发寿命较短的小型断 块油田来说，在经济性方面也是一项制约因素。如果能从桩基变革出发，开发出便于固 定钢制平台、且能搬迁和重复使用的新的基础型式，必将对平台的经济性评价带来重大 的突破性影响“。 传统的桩基所带来的上述诸问题，特别是海洋石油平台向更深水域进展时传统的 桩基以及锚桩等都遇到了更大的困难“。因此，如美国海军水下工程部、荷兰壳牌石 油公司、挪威国家石油公司等，自7 0 年代以来，均先后投入对新型锚桩以及导管架基 础的研究和开发并相继取得成功和投入使用。其中应用十分成功的有荷兰壳牌石油公司 开发的“负压沉入锚桩”，简称“负压桩”以及挪威国家石油公司开发的用于导管架平 台的“桶形基础”，负压桩和桶形基础不论在形式上和原理上都无所差别，唯一不同的 是，前者用于锚桩，后者用于平台基础。其共同特点是用短粗的上端封闭的倒置桶型基 础取代了传统的细长打入式或钻入式桩基，不仅重量大为减轻，而且只靠用泵对桶形基 础内抽汲所产生的负压，而使基础由静水压头压入泥中达到所需的深度，无需传统桩基 施工所需的大型吊装以及打桩设备，而且沉入平稳迅速，大大减低了海上施工的难度和 费用，缩短了海上施工时间。更为甚者，在需要时，只要用泵向此封闭的桶型基础构件 内注水充压，即可使其从泥中自行拔出，满足易地使用的需要。挪威国家石油公司已于 1 9 9 4 年在北海的e u r o p i p e l 6 l l e 平台上成功的用了桶形基础。如图卜1 所示。 作为对传统打入式桩的重大变革，桶形基础和负压桩的开发成功和实践应用，在国 外海洋石油工业中引起了强烈关注。如图卜2 所示为基于负压桩技术的北海丹麦海域 g o r m 油田的3 5 0 0 0 吨单点系泊锚桩。 第一章绪论 图l 一1 北海的e u r o p i p e1 6 1 1 e 桶形基础平台 沉艘中 沉放毕 图1 - 2 单点系泊盘压锚桩 由于桶形基础与传统桩基有着本质的区别，所以桶形基础平台从拖航就位到沉贯过 程等一系列环节的实现方法都与传统的桩基平台相比，有明显的优势，大大减低了海上 4 浙江太学博士学位论文 施工的难度和费用，缩短了海上施工的时间。 桶形基础平台从设计制造到就位采油等各环节顺序如图1 - 3 所示： 圈卜3 桶形基础平台施工过程 3开发具有水下储油能力的混凝土沉垫式小型平台 对于分散的小型断块油田，海上的集油和外输对于生产影响很大。而在我国目前的 滩海油田生产中，除了少数几个有储油能力外，大多数井口平台设有储油能力，只能靠 小型油船进行间歇性的采油。这种方式受气象影响较大，平均每年的生产臼数相对较少， 使生产受到很大制约。 园此，为了增加生产，就需要设法提高海上储油能力，使这些分散生产的井口平台 得以增加生产日数和提高产量，并且也可使用较大型的穿梭油船和较少的穿梭次数以降 低生产费用。此外，提高海上储油能力，还会使海上集油和生产系统具有更大的灵活性 和适应性，为优化集油和生产方式创造良好的条件。 图卜4 具有储油能力的混凝土沉垫式平台 5 井 平台 第一章鳍论 基于相似的原因，国外在浅海边际油田开发中，早从6 0 年代初期就开始采用多种 型式的具有可储油能力的水下混凝土沉垫的小型生产平台。这类平台可重新起浮迁移再 次使用。这类平台的共同特点是具有驳船的重力式混凝土沉垫。除具有储油能力外，还 具有海上就位简单，可以起浮再用，较少维护以及抗冰等特点。如图卜4 所示为美国开 发的一种用于墨西哥湾的此类平台。 1 2 平台沉浮过程研究进展1 8 ”1 1 海洋平台沉浮以及拖航状态研究一直受到各国专业技术人员的高度重视。近一、二 十年以来，各种移动式平台的建造量急剧增长。由于海洋移动式平台的设计、建造和使 用等方面不如船舶那样积累了几百年的丰富实践经验，各类稳性事故不断地在海上发 生。尤其是重大事故，对人命财产带来了极大的损失。因此，各国纷纷对制订移动式平 台的稳性规范进行修补和补充，以期更有效地指导平台的设计、建造和使用。 对移动式平台的稳性要求最早是由美国海岸警卫队的海运技术部( l t e r c h a n tm a r i n e t e c h n i c a lb r a n c h ) 于1 9 6 8 年发布的，后几经修改，包括对完整和破损两种状态的稳 性要求。挪威海事管理局关于海上移动式石油钻井平台的规则早在1 9 7 3 年就开始实施。 1 9 8 0 年3 月半潜式居住平台“a l e x a n d e rl k i e l l a n d ”号在北海翻沉后，于1 9 8 1 年作 了修订。我国船舶检验局颁布的海上移动式钻井平台船入级与建造规范于1 9 8 2 年 1 2 月起实施。 国内上海交通大学船舶与海洋工程国家重点实验室潘斌等学者对平台漂浮状态下 的稳性有着深入的研究“。纵观国内外对平台漂浮状态下各种性能的研究现状，可 以知道，稳性研究一直是一个颇受重视的研究课题，而对漂浮状态下平台的动态特性研 究却相对少的多。而深入彻底弄清平台漂浮状态下受到海浪等外扰时的动态响应是一个 非常值得重视的研究课题。特别是新型桶形基础平台，目前还没有得到推广，很多内在 机理还不是很清楚，如何保证在拖航和就位过程中的安全是非常重要的。 在近二十年的发展过程中，对桶形基础以及与之机理相通的负压桩的下沉、承载机 理、在负压作用下的土壤特性咀及设计计算方法、安装就位等方面，均取得了不断深入 的认识，并建立了可以满足工程需要的设计、制造、安装就位的整套方法和作业程序， 为其工业化应用奠定了基础。国外负压基础技术的成功应用，为我国在滩海油田的开发 中应用这一技术提供了依据。但是国外此类基础形式的平台一般应用于几十米以上的较 深海域，而且全部需要较大的施工作业船只进行揸工作业，如运输平台需要大型甲板驳 船，平台坐底必须用大型海上浮吊等，而这些船只在拽水域无法通行。另外，我国的滩 海油田处于潮间带和极浅水域中有相当一部分为淤泥质软地基工程地质情况复杂，开 6 浙江大学博士学位论文 发难度大，水浅，缺少必要的海上作业船只，因此，完全照搬国外的技术和经验是不行 的。 鉴于此，2 0 世纪9 0 年代初，国内也开始了小型桶形负压基础的研究试验工作，并 于1 9 9 8 年列入国家高新技术8 6 3 研究项目。胜利石油管理局、国家海洋局第一研究所 等共同承担了可