海洋平台是在海洋上进行作业,石油钻探与生产所需的平台,主要分钻井平台和生产平台两大类。在钻井平台上设钻井设备,在生产平台上设采油设备。平台与海底井口有立管相通。
最原始的海洋平台甚至不能称为海洋平台,而是湖泊平台(1891年,圣玛丽湖,俄亥俄州),结构为木质,作业水深甚至仅有1.5米。说白了,就是给陆上井架加了一层台阶。
最早出现的平台是导管架平台(Jacket),适用于浅近海。导管架平台可以看作最原始,最直接的将钻井设备与海底连接起来的措施。钢桩穿过导管打入海底,并由若干根导管组合成导管架。导管架先在陆地预制好后,拖运到海上安装就位,然后顺着导管打桩,桩是打一节接一节的,最后在桩与导管之间的环形空隙里灌入水泥浆,使桩与导管连成一体固定于海底。
平台设于导管架的顶部,高于作业区的波高,具体高度须视当地的海况而定,一般大约高出4-5m,这样可避免波浪的冲击。导管架平台的整体结构刚性大,适用于各种土质,是目前最主要的固定式平台。但其尺度、重量随水深增加而急骤增加,所以在深水中的经济性较差。导管架平台使用水深一般小于300m,世界上大于300m水深的导管架平台仅7座。目前最大的导管架平台是在墨西哥湾安装的水深为610米的导管架平台。
导管架平台有一个缺点,就是走不动。自从安装之日起,它就永远固定在那个经纬度上了。如果某公司财力有限,无法同时安装多个导管架平台,这时就出现了坐底式平台。坐底式钻井平台是早期在浅水区域作业的一种移动式钻井平台。平台分本体与下体(即浮箱),由若干立柱连接平台本体与下体,平台上设置钻井设备、工作场所、储藏与生活舱室等。钻井前在下体中灌入压载水使之沉底,下体在坐底时支承平台的全部重量,而此时平台本体仍需高出水面,不受波浪冲击。在移动时,将下体排水上浮,提供平台所需的全部浮力。坐底式的工作水深比较小,愈深则所需的立柱愈长,结构愈重,而且立柱在拖航时升起太高,容易产生事故。由于坐底式平台的工作水深不能调节,已日渐趋于淘汰。
在全面研究了海洋工程环境之后,美科学家在19世纪50年代初提出了自升式平台的理念,受到了广泛的关注,并于1955年建成。自升式钻井平台(Jack-up)是由一个上层平台和数个能够升降的桩腿所组成的海上平台。这些可升降的柱腿能将平台升到海面以上一定高度,支撑整个平台在海上进行钻井作业。这种平台既要满足拖航移位时的浮性、稳性方面的要求,又要满足作业时着底稳性和强度的要求,以及升降平台和升降桩腿的要求。由于自升式平台可适用于不同海底土壤条件和较大的水深范围,移位灵活方便,便于建造,因而得到了广泛的应用。目前,在海上移动式钻井平台中它仍占绝大多数。
自升式平台下水,跟导管架平台一样的道理,去更深的地方就得付出尺度和重量增加的代价。如何到更深的地方去采油?除了钻井船之外还有什么办法?壳牌公司提出了半潜式平台的理念。半潜式平台(Semi)是大部分浮体沉没于水中的一种小水线面的移动式平台,它从坐底式平台演变而来,由平台本体、立柱和下体或浮箱组成。此外,在下体与下体、立柱与立柱、立柱与平台本体之间还有一些支撑与斜撑连接,在下体问的连接支撑一般都设在下体的上方,这样,当平台移位时,可使它位于水线之上,以减小阻力;平台上设有钻井机械设备、器材和生活舱室等,供钻井工作用。平台本体高出水面一定高度,以免波浪的冲击。下体或浮箱提供主要浮力,沉没于水下以减小波浪的扰动力。平台本体与下体之间连接的立柱,具有小水线面的剖面,主柱与主柱之间相隔适当距离,以保证平台的稳性,所以又有立柱稳定式之称。半潜式平台已经成为海洋钻井平台的主要发展方向。
在深海,半潜式平台主要用作钻井,生产平台就主要靠张力腿平台(TLP)了。张力腿式平台利用绷紧状态下的锚索链产生的拉力与平台的剩余浮力相平衡。一般来说,半潜式平台的锚泊定位系统,都是利用锚索的悬垂曲线的位能变化来吸收平台在波浪中动能的变化。悬垂曲线链的特征之一是链的下端必须与水底相切,以保证锚柄不会从水底抬起,这样就可保证锚的抓力。
张力腿式平台也是采用锚泊定位的,但与一般半潜式平台不同,其所用锚索是绷紧成直线的,不是悬垂曲线的,钢索的下端与水底不是相切的,而是几乎垂直的。用的锚是桩锚(即打入水底的桩作为锚用),或重力式锚(重块)等,不是一般容易起出的转爪锚。张力腿式平台的重力小于浮力,所相差的力可依靠锚索向下的拉力来补偿,且此拉力应大于波浪产生的力,使锚索上经常有向下的拉力,起着绷紧平台的作用。简单说,张力腿平台就像一个气球,把绳子拴在海底,它就不随便跑了。第一代张力腿平台其实就是从半潜式平台发展过来的,差别在于:张力腿平台的甲板一般呈正方形,半潜式平台一般呈长方形。张力腿平台的浮箱要相互连通,半潜式平台的浮箱可不连通。第二代张力腿平台则包括单柱式TLP、最小化TLP和延伸TLP,其中单柱式TLP和最小化TLP又称为迷你式TLP。
典型的第一代张力腿平台。