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海洋钻采与环境工程 海洋环境工程海上钻井海上采油 海洋石油工程环境 主讲 杨志 Tel 3353 采油研究室2000年2月 参考书籍 海洋石油工程环境天津大学水文水力学教研室编石油工业出版社海洋工程环境条件及其载荷孙意卿编著上海交通大学出版社海洋学杨殿荣主编高等教育出版社 第一章海洋环境概论 第一节海洋环境概论一海洋所在的大环境 图1 1太阳系示意图 海洋存在于地球表面上 而地球又存在于太阳系中 海洋便是这种独特环境的产物 它不断承受来自环境的作用 同时也反作用于环境 海洋的各自然因素及特性便是在它与环境之间的物质和能量交换过程中形成 作用形式 物质交换 能量交换 大气圈 水圈 岩石圈 图1 2地球层圈结构 大陆架 大陆坡 大陆隆 自由海面 图1 3海洋边界示意图 二海洋的基本特征1 海洋的边界海面 海洋与大气环境沟通的窗口 是海洋与大气系统进行物质和能量交换的界面 海底 海洋与岩石圈之间沟通的窗口 是海洋与海底进行物质和能量交换的场所 根据海底地形的基本特征 从海岸向大洋中心 依次可将海底地形分为大陆边缘 大洋盆地和洋中脊三个单元 1 大陆边缘大陆边缘是大陆表面与大洋底面之间的过渡带 一般由大陆架 大陆坡 大陆隆 见图1 3 图1 4所示 大陆架 大陆架是大陆周围浅而平坦的海底 国际上曾规定从低潮线到 200米 一般为坡出现的位置 之间的地方称为大陆架 即大陆架是大陆周围从低潮线始直到向深海倾斜急剧增大的地方之间的海域 大陆坡 大陆坡是大陆架外缘陡倾部分 水深介于1400米 3200米 平均宽度50KM 大陆基 大陆基是浊流和滑塌作用在大陆坡麓形成的沉积 深海扇 水下冲积锥也属大陆基范畴 图1 4大陆边缘的剖面的三种类型 大陆架 大陆坡 大洋盆 大洋盆 大陆坡 大陆架 岛弧 大洋盆 2 大洋盆海洋的主要部分 广阔而平坦大洋盆地 大洋盆地是海洋主体 约占海洋总面积的45 其中主要部分是水深在400 5000米的开阔水域 称为深海盆地 深海盆地中最平坦的部分称为深海平原 深海平原中可见到范围不大的 地形比较突出的孤立高地 称为海山 其中有一类极为突出的海山 呈锥状 比周围海底高1000以上 隐没于水下或露出海面 称为海峰 大洋盆地中还有一些比较开阔有隆起区 高差不大 没有火山活动 是构造比较宁静的地区 称为海底高地或海底高原 有些无地震活动的长条隆起区 称为海岭 3 大洋中脊海底山脉 约占海洋面积的32 7 沿岸带 大陆与大洋联系的桥梁 大陆物质经过沿岸带的作用才进入海洋 也是海洋能量的耗散带 在海底地形中和石油关系密切的主要是大边缘中的大陆架 2 海洋的形状特征1 大即广阔 尤其是南北尺度 2 既深又浅绝对深度大 相对深度小 为10 3量级 3 连成一片各大洋连成一体 形状特征的效果是 大 可形成潮汐 既深又浅 可将运动简化为二维 3 海水的物理化学特性1 物理特性物性状态量 密度 盐度 温度 比热 压缩性等 盐度 1000克海水中 碳酸盐全部转化为氧化物后所得固体物质的克数 一般在3 2 3 7 之间 平均3 5 氯度 沉淀0 328533kg海水中的全部卤素所需的原子量纯银的克数 2 化学特性海水是多种物质组成的复杂体系 分溶解物和不溶解物两类 溶解物质 无机盐类 气体等 溶解物的无机盐类主要离子有 等八十多种 与海洋腐蚀有关的离子主要是氢 氧离子和铁离子等 溶解物的气体有 氧气 二氧化碳气体 放出等气体 不溶解物质 固态颗粒形式存在 海水呈弱碱性 Ph值 7 第二节我国海域概况一分区及水域概况我国是一个濒临海洋的国家 毗邻我国大陆边缘的有渤海 黄海 东海和南海四大海区 总面积约485 104km 相当于我国大陆面积的一半左右 我国海域幅员辽阔 自然条件多样 海洋油气资源极为丰富 油气显示十分普遍 在国民经济建设和国防上具有重要的地位 我国海域西接欧亚大陆 东临太平洋 北以我国大陆为界 南到大翼他群岛 西起我国大陆 中印半岛和马来半岛 东至朝鲜半岛 日本九州岛以及琉球群岛 中国台湾省和菲律宾 我国海域的整个位置是 北起北纬41 南止于南纬3 西自东径99 10 东到东径131 东西横越32个经度 南北纵跨44个纬度 跨经温带 亚热带和热带 海岸线长 河口 岛屿众多 1 渤海渤海南北长约560km 东西宽约300km 海区面积约为7 8 104km 比我国台湾省面积的两倍还大些 是四个海区中面积最小的一个 渤海海区通常由四部分组成 即 周围的三个主要海湾 北面的辽东湾 西面的渤海湾 南面的菜州湾和渤海中央盆地 渤海属内陆海 常年风压不是很大 但由于地理位置偏北 冬季季风出现最早 冬季受寒潮侵袭 故每年均有不同程度的结冰现象 2 黄海黄海位于中国大陆和朝鲜半岛之间 北接我国辽宁省和朝鲜的南 北两道 东邻朝鲜半岛西岸 北与渤海沟通 西濒我国山东半岛和江苏北部 南与东海相连 东南面至济州海峡西侧 并经朝鲜海峡与日本海相通 为一半封闭性浅海 整个黄海南北长870km 东西宽约570km 面积约为41 2 104km 约为渤海面积的5倍 山东半岛深入黄海之中 其顶端成山头与朝鲜半岛的长山串之间最窄 宽约192km 自然地将黄海分为南 北两部分 北面的叫 北黄海 面积为8 2 104km 南面的称 南黄海 面积为33 104km 黄海北部常常受冬季季风的影响 在冬季受寒潮侵袭后 每年也有不同程度的结冰现象 黄海水面自北向南渐趋开阔 故风速自北向南逐渐增大 南黄海受台风影响也较北黄海显著 3 东海西濒上海 浙江 福建 北与黄海相连 东北面与朝鲜半岛经日本五岛至长崎半岛南端连线为界 与日本海相通 东与日本的九州岛 琉球群岛 台湾为界 南通过台湾海峡与南海相通 为一较开阔的边缘海 东海的南北长约1300km 东西宽约740km 总面积77 104km 东海与浩瀚的太平洋为邻 直接受太平洋风场的影响 台风活动频繁 4 南海北接我国台湾 广东和广西等省 区 即将台湾海峡的南界作为南海的北界 东以我国台湾省南端经巴士海峡 隔以菲律宾的吕宋岛 民都洛岛及巴拉望等岛与太平洋为邻 西依中南半岛和马来西亚 南抵印度尼南亚的苏门答腊岛与加里曼丹岛 整个南海的四周几乎被大陆和岛屿所包围 为一个较封闭的与大洋隔开的深海盆 因此 有人把南中国海 地中海和加勒比海称为世界三大内海 南海南北长约3330km 东西相距约1670km 面积约为360 104km 几乎为渤 黄 东海总面积的3倍左右 南海是我国海域受台风影响最为严重的海区 海风也是最大的区域 南海地处热带常年气温较高 四季变化不显著 海区分区界线水域概况渤海渤海海峡平均20米 最大限度78米黄海长江口至济州岛连线40米80米东海澎湖列岛至台湾富贵角349米2719米南海1140米5420米 二海底地形中国海的海底地形 尤其是渤 黄 东海的海底地形 与中国大陆的地形有些相似 即西高东低 西部水浅 东部水深 总的趋势是自西北向东南倾斜 至于南海 是一个较为封闭的而且深度较大的海盆 它的地形比较复杂 总的特点是 锅形盆地 四周浅 中央深 海盆中央地区的平均深度在3000M左右 海盆中有几处隆起 系繁茂的珊瑚虫而形成东沙 西沙 中沙和南沙群岛等珊瑚岛 就海底地貌单元而言 中国海不仅有广阔的大陆架 而且还有大陆坡和深海盆 1 渤海的海底地貌渤海为东北 西南向的半封闭的浅海 海底地势是从三个海湾向渤海中央及渤海海峡倾斜 坡度平缓 平均坡度为0 0 23 海底地貌全是为大陆架所占据 2 黄海的海底地貌黄海为一近南北向的浅海盆 海底地势由北 东 西三面向黄海中央及东面方向倾斜 但倾斜的坡度不大 平均坡度为0 1 21 整个黄海全为大陆架地貌类型所占 3 东海的海底地貌东海的海底地形与我国东南沿海的陆地地势大致相似 西北高 东南低 成为自西北向东南倾斜的形势 但在东海的东南边缘处 坡度突然变陡 急剧倾入深海 东海的海底地貌 大致以我国台湾岛东北角与日本九州西北面的五岛列岛联成一线为界 有两个明显不同的区域 西部是水深在150 160m以内的大陆架区 东部是沿琉球岛内侧的大陆坡区 4 南海的海底地貌南海的水深要比渤 黄 东海的水深大得多 除北部和西部靠近大陆 半岛附近的水深较浅外 中部和东部的大部分地区水深在2000m以上 南海海域辽阔 海底地貌的类型丰富多样 北部 西南和南部沿岸为大陆架区 中部为大陆坡及深海盆 东部多为岛屿坡 并有深海沟和深海槽 总趋势是 由西北向东南倾斜南海海底地形较复杂 四周浅 中央深 海盆中有隆起 渤海与黄海属于大陆架区 东海三分之二为陆架区 其余为陆坡区 三海底沉积大陆许多径流汇入海洋 带入大量淡水 泥沙 营养盐 悬浮物 可形成巨厚沉积 四海洋气侯跨越温带 亚热带 热带三大气候带 呈现出多样性 渤海 位置偏北 冬春季结冰 冰期3 4个月 黄海 北部有冰情 风速自北向南逐渐增大 南黄海受台风影响较北黄海大 东海 较少结冰 但为台风经过区 南海 台风频繁 尤其是7 8 9三个月台风影响很大 四 各海区含油气情况渤海 自66年开始钻探以来 已发现十多个海上油气田 渤海海区断裂构造十分发育 主要为断块型油气藏 黄海 北黄海三面环陆 面积约8万k 沉积盖层不发育 未列为寻找油气的重点区域 南黄海面积30万k 具有良好的含油气远景 一般含油气面积较小 属于产量较低的小型油气田 东海 东海约75 的区域为大陆架区 沉积巨厚 生 储 盖组合发育良好 油气资源丰富 前景广阔 南海 南海海域自北向南主要的沉积盆地有北部湾 莺歌海 珠江口外 曾母暗沙盆地等 北部湾盆地 已在涠10 3等构造开采出工业性油气流 珠江口外盆地已获工业油流 莺歌海盆地天然气蕴藏量极大 曾母暗沙盆地沉积巨厚 含油气远景很好 五 世界海上石油勘探开发的发展情况 总观海洋石油工业的发展 可划分为如下几个阶段 1 1950年以前 由于受技术发展的限制再加上特殊环境条件的影响 海洋石油开发基本沿用陆地勘探开发设备 2 1960年 世界上有25个国家进行海上勘探活动 12个国家进行浅海采油 年产油1 94亿吨 占当年海陆石油总产量的11 3 1970年 75个以上国家从事海洋石油地质及物理勘探 45个国家进行浅海钻探 30多个国家进行浅海开发 年产油3 9165亿吨 占世界总产量的17 04 4 1972年 海上产油量达4 728亿吨 较1971年增长8 99 5 1975年 世界海上探明可储量为228亿吨 较1950年的67亿吨增长3 4倍 6 1985年 海上石油产量上升至全世界总产量的35 左右 而且开始在深海开采石油 六我国海洋石油发展概况1 普查阶段 1950 1966 2 自营勘探开发阶段 1966 1980 到1978年共形成八大勘探领域 渤海 北黄海 南黄海 东海 台湾海峡 珠江口 北部湾 莺歌海 西沙海域3 中外合资勘探开发阶段 1980 今 总产量1600万吨 占全国产量10 强 分布于各海域 主要油气田有 埕北 渤中 陆丰 西江 流花 涠州 崖13 1 第三节海洋石油工程环境研究的内容和意义一研究的内容1 风 浪 流 海冰 海面高程变化 海洋腐蚀环境形成 运动 变化规律 2 风 浪 流 海冰 海面高程变化设计标准的确定 3 因素与结构作用机理 载荷计算 二意义1 海洋石油工程环境因素是结构强度 寿命设计的控制参数 2 影响作业安全和质量 3 影响作业经济效益 图1 5海洋石油工程环境示意图 海面高程变化 波浪与海流 风 海冰 隔水导管 海底 损坏修复费 初期建造费 总投资 10 20 30 设计波高 M 总投资 初期建设费 图1 6设计波高与投资优化分析示意图 第二章风与风载荷 第一节风与风的描述一大气环境及其描述风是大气环境受到太阳辐射 地球自转 地表物理化学特性影响而产生的一种维持大气系统平衡的自然现象 1 表征大气状态的物理量气压 温度 密度 湿度 风速 风向 气压 大气作用于地球表面单位面积上的力 叫做大气压力 简称气压 它是时间和空间的函数 等压线 瞬时气压观测值相等的各个点联成的线 相邻两等压线的差为一定值 一般为5mb或2 5mb 1mb 3 4mmHg 2 天气形势图1 地面形势图2 高空形势图等压面形势图 等高面形势图 3 海平面气压场用海平面等压线图表示 海平面气压场的9种主要形式 低压 高压 低压槽 高压脊 低压带 高压带 副低压 副高压 鞍形区 二风的形成及其描述1 风的形成1 成因由于气压在水平方向上分布的不均匀性而产生的空气从高压区向低压区的运动 2 运动方程气流运动满足动量方程 3 风的类型 地转风地转风指在自由大气层中等压线平直的风场内形成的风 梯度风梯度风指在气旋效应显著 等压线弯曲的风场内 不考虑摩阻力作用形成的风 海面风海面风速考虑了摩阻力和海面垂直对流影响的风速 质点轨迹 柯氏力 压差梯度力 风速矢量 图2 1地转风形成过程 L H 图2 3低压中心气旋 图2 4高压中心气旋 P1 P2 P1 P2 fc v f 图2 2海面风形成过程 4 台风台风是热带海洋上空形成的急速旋转的逆时针低压气旋 强度 以靠近台风中心地面处的最大风速和台风中心处海面的最低气压值而确定 热带低气压 气旋中心风力在7级以下 最大风速10 8 17 1m s 热带风暴 气旋中心风力在8 11级 最大风速17 2 32 6m s 强台风暴 气旋中心风力在12级以上 最大风速大于32 6m s 结构 台风为近似圆形的逆时针气旋 风速沿径向变化可分为外 中 内三圈 外圈 自台风边缘至台风最大风速区的外缘 半径为200 300km 圈内风速里大外小 中圈 从风眼壁至最大风速区外缘 R约为100km 又称为气流急剧旋转区 内圈 台风风眼壁圈 半径为5 30km 该区域内风速自外向内迅速递减 直至为0 内圈又称为风眼 移动特性 气旋中心移动速度为台风移动速度 移动趋势 向西北方向移动 生命期 3 8天 P V 1 S P0 2 3 Vmax R 风速曲线 风压曲线 图2 5台风风速 风压结构示意图 风圈结构示意图 台风区内的气压分布式中 台风区内某点的气压 mb 1mb 3 4mmHg 台风外围气压 可用最外圈闭合等压线的气压值代替 mb 台风外围气压与中心气压Pc之差 mb 台风中心附近最大风速点与台风中心的距离km 台风区内距中心r的某点的风速式中 地球自转角速度 取r 该点距台风中心的距离 km 纬度 空气密度值 取 沿r方向的气压剃度 1005 1002 5 1000 970 1002 6 P 应用实例 P0 1005mb Pc 970mb 则对图中气压P 1002 6的A站 可量取与台风中心的距离r 214km 则 5 风的描述 风向 指风的来向 用十六个方位表达 N NNE NE ENE E ESE SE SSE S SSW SW WSW W WNW NW NNE风向在天气形势图上用风向矢杆及尾部的风速标记来表达 风向矢杆指向风的来向 风向矢杆上的风速标记有 小旗 20m s 长划 4m s 短划 2m s 风速 空气在单位时间内移动距离 风级 按风速大小划分十八个风级 称为Beanfort风级 三风速计算1 风速垂直分布计算风速垂直分布的影响因素有 1 大气层特性 如温度 湿度 水平气压梯度等 2 海面特性 粗糙度 反射率 温度 湿度 对数公式 使用于近地面100m以内风速分布计算 式中 K0为高度换算系数 Z0为风速为零处高度 取决于粗糙度 0 001 0 15m 指数公式 适用于己于100m以上的风速分布计算 m为指数 约为1 15 1 4 常取m 1 7 2 地转风速的计算海面风速 3风速时段修正计算一般风速都指平均风速 各时段平均风速可作互换式中 t为时段长度 秒 也可按如下风速系数进行换算 V10min1 0V5min1 05极值风速Vm1 16极大阵风V3s1 373sgustwindvelocitv 第二节海洋工程结构与装置的风载荷计算一风与结构的相互作用1 绕流现象2 风载荷阻力 结构前后部动压差之和升力 旋涡周期性脱离的不对称性导致周期性激振力 二风载荷计算结构风载荷可视为结构表面风动压力之和 总作用力 拖曳力 升力 上式为风载荷计算的通式式中 为结构在垂直于风向方向上投影面积为阻力系数为升力系数 三实用风载荷计算1 API风力公式 AmericanPetroleumInstitute 式中 F 风力 IborNCs 形状系数 A 投影面积 S morS ft v 持续风速 m horkm h API推荐如下形状系数 梁Cs 1 5结构平面Cs 1 5圆柱Cs 0 5同时API推荐风速垂直分布计算采用指数公式 阵风 m 1 13 持续风暴 m 1 8 EnglishUnitsMetricUnits 2 ABS风力公式 AmericanBureauofShipping 式中 F 风力 kgorIbCs 形状系数 Ch 高度系数 A 投影面积 S morS ft v 平均风速m sorknot 节 海面 m高处 EnglishUnitsMetricUnits BS推荐的如下高度系数 Height feet Ch0 501 0050 1001 10100 1501 20150 2001 30200 2501 37250 3001 43300 3501 48350 4001 52400 4501 56450 5001 60500 5501 63 BS推荐的形状系数形状ABS LRZCNVBV园筒形0 50 50 6水面船形1 01 0甲板室1 01 01 51 0甲板以下区域的光滑构件1 01 01 51 0甲板以下区域的光滑构件1 31 31 51 0孤立结构物 起重机 梁等 1 51 52 0井架 每一面 1 251 25ABS 美国船舶检验局ZC 中国船舶检验局LR 英国劳氏船级社NV 挪威船级社BV 法国船舶检验局 3 Zc风力公式 中国船级社 有关参数可查阅规范 4 半潜式平台风载荷计算装置总风载荷计算原则 将结构分成多个风力单元 分别计算各个风力单元的风力和风力矩 迭加后得到总的风力和风力矩 在半潜式平台发生倾斜时 由于风力单元的投影面积 形心距海面高度都发生了变化 故其风载荷将发生变化 面高度都发生了变化 故其风载荷将发生变化 在平台稳定性校荷中 还需计算在平台倾斜时风载荷曲线 如下图所示 风倾力矩 平台倾角 风倾力曲线 平台回复力矩曲线 第三章波浪与波浪载荷 第一节概述一有关坐标系和特征参数1坐标系的建立2波浪要素波峰 波谷 波高 波长 周期 圆频率无量纲参数 波陡 相对波高 d 相对水深 d 浅水度 d Z X SWL L O H 3波浪要素的统计分布规律 平均波高 部分大波平均波高 波列累积率F 的波高 波高与周期联合分布4我国各海域大浪分布规律 二 海洋中波浪的类型1按作用力性质表面张力波 毛细波 主要恢复力 表面张力重力波重力惯性波科式力行星波科式力随纬度的变化2按周期长短表面张力波 毛细波 表面波 长波 潮波3按浅水度 d L d L 1 2 深水波 1 2 1 10 浅水波1 10 1 25 应考虑波顶曲率的长波 1 25 长波 重力波 风浪和涌浪及近岸波 海浪 产生原因 风海啸地震海面震荡气压变化潮波重力 科式力三波浪理论1规则波浪理论 对单一波浪的研究 线性波浪理论 微幅波 Airy波 正弦波 非线性波浪理论 有限振幅波 tokes波浪理论 孤立波浪理论 椭圆余弦波浪理论 随机波浪理论 对过程的研究 谱描述理论 第二节线性波浪理论一基本方程和边界条件假设 流体是理想均匀的 不可压缩的 无粘性的理想流体 其运动是无旋的 从以上假设有 1基本方程 连续方程 动力学方程 uler方程 其 agrange积分 at为大气压力 边界条件 动力学边界条件 运动边界条件海底 海面 从上述方程中可看出 部分条件是非线性的 边界条件的线性化 动力边界的线性化分成两步进行 首先将动能部分忽略 然后将其展开 得到 运动边界条件线性化同理进行线性化 得到 将两式组合起来 得到 二二维行进波的速度势由于以上的方程组无法直接解出 故只能假设波面后求解 我们假设波剖面为规则的余弦曲线式中k 2 L 2 由线性化的动力边界条件知 将速度势表达式带入连续方程可求出A z 表达式 当水深无穷大时得到如下关系式 当水深为有限时 三线性波浪水质点运动特性 水质速度 加速度 水质点轨迹静止时在 x0 z0 处的水质点在波浪运动中的运动方程为 式中 讨论 1 上式为一个椭圆方程 水平长轴为A 短轴为B 当z0 0时 B H 2 当z0 d时 B 02 当d为无穷大时 A B Hexp kz0 2 此时轨迹为一圆 3 当Z0 L时 exp 2 1 535 ci此时可认为水质点静止 Z0 L 2时 exp 1 23 故工程上常将d L 2时 认为水深为无穷大 即所谓深水 海底 无穷水深条件水质点轨迹 有限水深条件水质点轨迹 在不同水深中水质点运动及流线 水质点运动流线形状 SWL WaveProfile u w t t t 2 2 2 波面 水平速度 垂向速度过程曲线 ax t az t 2 2 微幅波运动表达式波浪参数一般表达式深水浅水1 201 2d L 1 20波面速度波长uw压力速度势 第三节波浪与海洋工程结构的相互作用一小特征尺度结构与波浪的相互作用当D L 0 2时 结构被称为小特征尺度结构 1平面流与园柱的绕流现象绕流 流体流过园柱但不显著改变流场特征 载荷 阻力 Dragforce 结构前后部动压差之和横向力 Lateralforce 旋涡周期性脱离的不对称性导致周期性激振力 2振荡流与园柱的作用载荷 阻力 Dragforce 结构前后部动压差之和 惯性力 Inertialforce 水质点加速度存在 横向力 Lateralforce 旋涡周期性脱离的不对称性导致周期性激振力 绕流现象 二大特征尺度结构与波浪作用当D L 0 2时 结构被称作大尺度结构 1绕射现象入射波在结构表面的散射效应增强 散射波与入射波互相干扰 称之为绕射现象 Diffraction2载荷流动分离已不重要 粘滞阻力相对于惯性力也已不重要 载荷主要成分是惯性力 不恒定流场内由于结构的存在使液体质点受到扰动而产生速度的变化 即产生一个加速度 第四节小特征尺度结构的波浪载荷一Morrison波浪力公式对于D L 0 2时的铅直园柱结构 其 x z 坐标处的单位长度结构的波浪力 式中 CM 惯性力系数 InertiaCoefficient Cd 阻力系数 DragCoefficient u x z t 为水质点速度 为水的密度 D为园柱直径 讨论1惯性力部分 惯性力被分成两部分 一部分为假设园柱体不存在 占据该体积的流体加速运动所需推力 第二部分为跟随园柱运动的部分流体加速运动所需推力 Cm为附加质量系数 Addedmasscoefficient 2阻力根据粘性流体力学得到 CD为粘滞阻力系数 园柱总载荷为 二有关系数的确定1CD CM的确定CD CM与结构形状 表面粗糙度 流态有关结构形状基准面积 单位长度 CDCMD1 02 0D2 02 191 41D1 551 0D2 010 75D D1 20 75D D0 51