Offshore Structures
Offshore structures and ocean environment
In the very long term, the oceans may also be used to increase man#39;s living and working space on the planet by providing room for process plant sites, floating airports and even seaborne communities living on man-made islands or large floating structures. All these activities will pose technically challenging problems for scientists and engineers in the development of materials, structures and equipment for use in the harsh environment of the ocean.
The design of offshore structures used for Oil and gas production offers some indication of these problems. A typical steel framed jacket structure used -for offshore oil drilling and production will encounter large steady environmental forces from wind and current flows, and from the structure#39;s self-weight. The jacket will also be subjected to high levels of cyclic load due to gravity waves, its sea bed equipment will be working in the presence of very high sea water pressure, and the steel in its structure will have to survive sea water corrosion for long periods since large parts of the jacket structure will be difficult to access and maintain. At the same time the physical processes that govern interactions between the atmosphere and the ocean surface, and the effects of the structure on the fluid around it and on the behaviour of the sea bed foundation are not completely understood in scientific terms. These problems are compounded by the uncertainties of predicting the most extreme environment likely to be encountered by the structure over its lifetime, which is measured in decades, and the uncertainty of categorizing the geology as well as the recoverable resources of the hydrocarbon reservoir that the steel structure is designed to develop. All these interacting Problems offer unique challenges for advanced scientific analysis and engineering design.
Water depth capabilities of the offshore industry
The technical evolution of the modern offshore industry can be measured by the depth at which it has been able to carry out exploration drilling and by the structures or vessels that have made such drilling possible, Initially, exploration drilling was carried out from shallow Water fixed platforms which were made of timber and were piled to the sea bed. This was later followed by drilling from steel barges or drilling tenders mounted in sheltered locations. The water depth capability of drilling has gradually increased, firstly by the use of jack-up rigs. Jack-up rigs are generally of triangular construction containing steel framed legs at each corner which can be jacked up or down by electric or hydraulic machinery. The jack-up hull is transported to the drilling site either by loading on to a barge or by towing the self-floating hull. The legs are jacked down at the drilling site#39; and the platform hull is raised a sufficient distance above mean water level to prevent waves hitting the underside of the Platform. Drilling then commences, usually for a work programme of between 2 and 4 months. When the drilling programme has been completed#39; the hull is lowered down to the sea surface or on to a transportation barge and the rig is moved to the next drilling location. Some jack-ups have also been used for oil production in shallow water, with modern jack-ups being able to operate in severe weather at water depths up to 107 m (350 ft).
Exploration drilling in waters of up to 18 m (60 ft) depth has also been carried out from floating vessels with one or more pontoons supporting a deck with vertical columns. Such platforms were floated on to the drilling site and then ballasted down on to the sea bed to carry out a drilling programme. During the floatation phase of deployment, it was noticed that such column stabilized platforms had exceptionally low motion response to waves. This feature was utilized to develop so-called semisubmersible floating platforms which did not have to be ballasted down to the sea bed in order to carry out drilling. A perspective view of one such modern vessel has two parallel submerged pontoons at keel level supporting a large deck area using eight vertical surface piercing columns. The columns, pontoons and deck are braced to form a space-frame structure which can be moored on location by a spread of catenary mooring ropes or chains. The deck contains a central opening, called the moonpool, through which drilling activities take place. Most semisubmersible vessels are equipped with accommodation, helicopter pads for crew transport, propulsion engines, pipe handling equipment, cranes and a variety of marine services to support crew and drilling operations.
Drilling into the sea bed is carried out through a vertical pipe called the marine riser which connects the area under the moonpool to a subsea well head. A drill bit on the end of the drill pipe is passed through the riser to penetrate the sea bed and carry out the actual drilling. A lubricating fluid, called drilling mud, is pumped to the drill face at high pressure through the hollow drill pipe and returned through the annulus between the drill pipe and the riser. The drilling mud pressure is used to drive rotating cones on the drill bit, with the drill bit and pipe itself rotating at up to 250 rpm. The drilling mud serves several purposes. It lubricates the drill bit, drives the drill bit cones, sweeps out drill cutting to the surface and provides a hydrostatic pressure head to contain high-pressure oil or gas that may be encountered. The small, but significant, heave motions of the floating drilling rig due to ocean waves are compensated for by a slip joint at the base of the drilling derrick. A tensioner also provides an upward force on the riser to keep it in tension and prevent buckling of its slender structure. The moorings of a drilling semisubmersible have to maintain the vessel#39;s horizontal position above a subsea well head within 7% Of the
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近海结构物
近海结构和海洋环境
从长远来看，海洋还可以用来增加人类在地球上的生活和工作空间，为加工工厂，漂浮机场甚至可以在海上生活的人造岛屿或大型浮式建筑上的社区提供空间。所有这些活动都将给科学家和工程师在海洋恶劣环境下开发材料，结构和设备带来技术上的挑战。
用于石油和天然气生产的海上结构设计为这些问题提供了一些指示。用于海上石油钻探和生产的典型钢框架结构会遇到来自风力和水流的大量稳定环境作用力以及结构的自重。由于重力波的作用，夹套也会承受较高的循环载荷，其海床设备将在海水压力很高的情况下工作，并且其结构中的钢必须经受长时间的海水腐蚀因为大部分护套结构将难以进入和维护。同时，控制大气与海洋表面之间相互作用的物理过程，以及结构对其周围流体的影响以及海床基础的行为，在科学术语上还没有完全理解。这些问题与预测结构在其一生中可能遇到的最极端环境的不确定性相结合，这是几十年来测量的结果，以及地质学的分类不确定性以及碳氢化合物储层的可采资源，结构是为了发展而设计的。所有这些相互作用的问题为先进的科学分析和工程设计提供了独特的挑战
近海工业的水深工作能力
现代海洋工业的技术发展可以通过它可以进行勘探钻井的深度以及使这种钻探成为可能的结构或船舶来衡量。最初，勘探钻井是从浅水固定平台由木材制成并堆放在海床上。随后在钢趸船上钻井或在避风地安装钻井招标。钻井的水深能力逐渐增加，首先是使用自升式钻井平台。自升式钻井平台通常为三角形结构，每个角落都有钢框架腿，可通过电动或液压机械升降。通过装载驳船或拖曳自浮船体将自升式船体运送到钻井现场。腿部在钻井现场下降，并且平台船体在平均水位以上升高足够的距离以防止海浪撞击平台的下侧。随后开始钻探，通常为2至4个月的工作计划。当钻井程序完成时，船体下降到海面或运输驳船上，钻机移到下一个钻井位置。一些自升式平台也被用于浅水中的石油生产，现代自升式起重机能够在107米（350英尺）深处的恶劣天气下运行。
在深达18米（60英尺）深的水域中进行钻探时，也采用了一艘或多艘浮船支撑具有垂直立柱的甲板的浮船。这些平台漂浮在钻井现场，然后压载到海床上进行钻井计划。在部署的浮动阶段，人们注意到这种柱稳定平台对波浪的运动响应特别低。这一特征被用于开发所谓的半潜式浮式平台，该平台不必为了进行钻井而被压载到海床上。一艘这样的现代船舶的透视图具有两个平行的龙骨水平淹没浮筒，其使用八个垂直表面穿孔柱支撑大型甲板区域。柱子，浮桥和甲板被支撑起来形成一个空间框架结构，可以通过悬链缆绳或链条的传播系泊在位置上。甲板上有一个中央开口，称为月池，通过它开展钻井活动。大多数半潜式船舶配备了住宿，船员运输用的直升机飞机垫，推进发动机，管道处理设备，起重机和各种海事服务，以支持船员和钻井作业。
钻进海床是通过称为海洋立管的垂直管道进行的，该管道将月池下的区域连接到海底井口。钻杆末端的钻头穿过立管穿过海床并进行实际钻进。称为钻井泥浆的润滑流体通过中空钻杆以高压泵送到钻头表面，并通过钻杆和提升管之间的环形空间返回。钻井泥浆压力用于驱动钻头上的旋转锥体，其中钻头和管道本身以高达250rpm的转速旋转。钻井泥浆有多种用途。它润滑钻头，驱动钻头锥体，扫除钻孔到地面，并提供静水压头以容纳可能遇到的高压油或气体。浮动钻机由于海浪引起的小而重要的升沉运动通过钻井井架底部的滑动接头补偿。张紧器还在立管上提供向上的力以保持其张紧并防止其细长结构的弯曲。为了继续钻井，半潜式钻井系泊设备必须将水下井口上方的船舶水平位置保持在水深7％以内。半潜式船舶可以钻进的最大水深和天气条件取决于其系泊系统，可携带的钻杆和立管管的数量以及船舶运动响应和当时天气所施加的升沉补偿器限制。
在高达457米（1,500英尺）的水深处，悬链线系泊系统通常是不切实际的，尽管这种系泊系统已经用于水深达1,128米（3,700英尺）的水深。在更深处，需要动态定位的船只。动态定位要求无论是船舶还是半潜式船舶，都要安装旋转推进器吊舱和推进机械，以便抵御和平衡由风，电流和波浪引起的环境干扰力。动态定位最常用于利用来自传感器的位置信号的钻井船舶，例如拉紧垂直导线至海床，或者来自井口周围海床上的声学信标，以获得代表水平偏移的误差信号在海底井口上方。该船配备有推进器，该推进器由基于自动计算机的算法控制，该算法被编程以减少该偏移并且尽可能地将船舶保持在井口的正上方。这种布置的示意图使钻井船在与井头连接之前通过立管连接到防喷器（BOP）堆。声波信标为钻井船提供位置参考，位置数据然后被计算机用于控制主推进系统和后来的推进器以抵抗船上的风，电流和波浪漂移力。为了继续钻井，必须保持半径小于水深约7％的“观察”圆内的位置。
几个现代化的半潜式平台也配备了动态定位系统。动态定位的钻探船可以工作的最大水深在理论上是无限的，尽管在实践中限制可以通过能够在船上进行的海洋立管的长度和张紧器和升沉补偿器的性能来施加。尽管如此，动态定位的船舶必须在极端天气条件下断开立管，抵御风暴，然后在平静的天气中重新连接。
勘探钻井的水深是未来石油生产需求的指标。在大量发现碳氢化合物的钻探项目中，石油生产的决策取决于当时的石油价格以及平台建设和运营的经济性。与勘探钻井不同“生产平台必须能够承载大量的开发钻井和处理设备。加工设备必须将水，气和砂与储层中的原油分离开来，准备运输原油并提供运输泵站。同时，油气藏枯竭程序可能需要气举，如果油藏压力不足，则需要气举来协助提高油量。可能需要注水以增加储层压力并因此允许提取更多的油。通过使用定向钻井或采用逐步出的卫星井，一个平台用于消耗油藏的大平面区域是常见的。
所有这些和许多其他要求意味着生产平台上设备的复杂性可能类似于化工厂或炼油厂。因此，在任何一个时间点，生产平台的深度能力往往远低于潜在的钻井深度能力。此外，开发钻井，石油生产的工程设备需求。强化采油和石油出口，使得生产平台的水深能力随着时间的推移没有像钻井船那样急剧增加。总的来说，20世纪30年代的标志是木材平台的使用，无论是在路易斯安那海岸的沼泽地还是远离土地。到了20世纪50年代中期，护套平台正在水深处安装约30米（98英尺），框架结构变得更加开放。 20世纪50年代到70年代初，平台水深延伸到大约120米（394英尺）。从1970年到1987年，固定平台水深能力从大约120米（394英尺）大幅增加到目前为止的最大深度，固定式夹套结构的干舷平台位于墨西哥湾311米（1,020英尺）水深中。
导管架平台
研究北海中等水深的典型导管架发展结构是很有益的。该导管架由钢制框架管状结构组成，该结构通过桩连接到海床，所述桩通过套管外部构件上的管道导向器驱动。夹层上部由一系列模块组成，这些模块包括钻井设备，生产设备，生活区，燃气火炬堆和旋转起重机。上部设施还包括救生艇筏，旅馆和餐饮设施，以及用于将船员往返于岸上的直升机平台。顶部模块由框架结构支撑，该框架结构穿透较宽的表面并堆积至海床。钻井和生产管道通过位于套管框架内的导体导管从海床上升至上部。原油和天然气从油藏带到地面进行处理，然后通过出口管道泵回油罐装载浮标或通过海底管道泵送到岸上终端。
根据强度，疲劳和启动程序的要求，护套结构框架的详细设计可能会有很大差异。主要结构构件和支撑可以通过或成形的接缝连接，其尺寸范围从小直径X#39;支撑或K#39;支撑构件的大范围空间框架到具有更大直径构件的更稀疏框架。
导管架设计师必须应对在其整个生命周期中对导管架结构施加约束的广泛列表。生命周期包括设计，施工，装载平台的启动，安装，打桩和挂钩阶段，然后进入石油生产服务C5J，然后是平台的IO-到25年的运行寿命。然后遵循生态上合乎需要的要求，以便在储库已经耗尽后移除和处理平台。
设计师在选择自浮式和驳驳式导管架之间有几个优缺点。最近几年为北海建造的大部分大型导管架一直是驳船发射类型。他们通常必须安装可拆卸的辅助浮力室以便于启动和结束。最近在北海安装的唯一自动上浮导管架是Magnus油田。
由于驳船发射导管架需要较小的浮力，因此它们利用较少的钢材并且通常更容易制造。然而，这种导管架需要适当的运输驳船，并且在发射过程中承受大的动态载荷。另一方面，自浮飞机不需要发射驳船，但需要额外的钢材以提供额外的浮力。浮力构件的较大直径在结构的寿命期间也引起额外的不必要的波浪力。通过使用具有可移动的浮力室的结构，可以实现自浮体和驳船发射导管架之间的折衷。这些室需要安装在装载完毕的阶段，只能在启动阶段和末端阶段进行安装，并且可以在安装完成后将其拆除，从而在很大程度上消除运行过程中波浪力较大的缺点。典型的驳船发射导管架结构，例如Cerveza油田的导管架重24,500吨。用于装载或发射自浮体的可用制造场的能力以及发射驳船的可用性影响这一设计决定。
导管架基础和桩设计的评估提供了另一个技术挑战。在开始设计导管架之前，必须对海床土壤进行测量并评估其特性。设计师然后确定桩的数量，所需的穿透深度以及桩是否应该由桩锤钻孔或驱动。钻孔打桩意味着在桩被安装和灌浆之前钻管的孔是钻孔的。然而，水下打桩锤的最新发展非常迅速，现在几乎总是使用打桩。桩锤能力的持续改进也影响了夹套设计和打桩安装。
在北鸬鹚导管架中，北海中部和北部海域的导管架顶部重量在17,400之间，Stafjord和Brae平台的重量在35,000吨之间。这种顶部重量必须分解成多个模块，这些模块可以通过起重驳船安装在海上的模块支撑框架上。套管和模块布置的设计受到起重驳船可用性和最大起重能力的很大影响。最近几艘具有大载荷提升能力的半潜式起重船的建造开始对海上安装实践产生重大影响。半潜式结构提供了较低的天气停机时间，而且容器的尺寸非常大，这意味着目前可以提升高达12,000吨的载荷，因此可以构建和提升更少的模块，每个模块
更大的吨位，从而降低模块安装和连接的复杂性和成本
时间，并且能够实现早期的油气生产。
在更深的水域和更恶劣的环境中使用钢框架结构要求设计人员确保在设计过程中对平台的水下部分进行检查和维护。这种检查和随之而来的修理可能是一项重大而昂贵的活动，因为它必须由潜水员或远程操作设备在水下进行。现代导管架结构的工程设计和经济评估的重点正在偏离仅考虑初始资本支出的历史方法，而转向更多地关注服务期间经济检查和结构维护设计的情况。
混凝土重力平台
北海的海上石油开发也开创了一种完全不同的固定平台设计，该设计基于混凝土的使用来创建一个大型重型结构，该结构可放置在海床上并在其自重下保持稳定。第一个这样的平台于1973年在Ekofisk油田的北海安装，到1982年，已经安装了超过17个平台。
尽管混凝土重力结构与钢框架导管架相比被认为是相对昂贵的，但这些结构的确为在北海等恶劣水域中的导管架提供了有吸引力的替代方案，并且油罐出口系统的不确定性需要一定量的油存储在平台上C7]。混凝土重力式平台在导管架上的其他优点是，结构可以在岸上或在有遮蔽的水域中建造，所有上部设备安装完毕，挂接并测试，然后将结构拖出并拖曳到海上位置。然后安装只需要将平台压载到海床上，并通过将水泥浆泵入平台和地基之间的空间来巩固平台下的地基。
消除钢桩和混凝土结构可承受超载和由于暴露于海水而导致的退化，这与使用钢材相比具有其他优点。已经证明，20世纪30年代和40年代在沿海设施中使用的混凝土一直存活到今天，基本上不受海水的影响，而传统的钢结构易受海水腐蚀的影响，并且需要大量的维护和保护。这些优点必须针对混凝土重力结构相对昂贵的事实来设定。它们实际上在其钢筋构件中实际使用的钢材质量要大于等效钢框架结构所需的钢质量。混凝土重力结构在其工作寿命期间可能遭受地基沉降，这可以减小平均水位与结构下侧之间的气隙。混凝土重力结构的另一个缺点是目前没有定义可行的去除结构的方法。
Condeep混凝土重力结构的典型设计包括一个多孔混凝土沉箱或三柱支撑顶部结构的基础。平台的基座包含钢制裙板，在安装平台期间穿透基座短距离进入基础。平台底部的混凝土沉箱用于储油。该平台由一个最大宽度为100米（305英尺）的基础沉箱和20米（65.5英尺）直径的圆形蜂窝式储油罐以及94.5米（310英尺）高的水面穿孔支撑塔组成。这些塔用于钻井和采油导体（管道）和输油管道。一些混凝土生产平台在其垂直立柱之间设计有横向支撑框架，以支撑裸露导体管穿过基础沉箱进入海床。
混凝土重力平台由一种称为滑移成形的技术构成，该平台在平面图中使用围绕平台横截面的结构，以在混凝土倾倒和凝固时容纳混凝土。随着混凝土浇注和更多浇注，滑动成形结构被抬高，平台从地面上建立或滑动成形。钢筋加强构件嵌入混凝土中并预加应力，以提供适当的整体结构特性。一旦整个平台建成后，它就会被拖到一个深水地点，压舱，并将预先准备好的上层建筑物与顶层配合。上部设备可以预先测试并连接到模块制造场地，从而确保只需很少的海上安装或测试。一旦安装了上部导管，平台就会降低到海床上。平台底部约有m（13-20英尺）高度的裙桩在平台的重量下切入基础。将基础和平台之间的密封通过将水泥浆泵入界面区域来加固。
对于在特定位置和油田选择钢框架护套或混凝土重力平台有许多技术理由。虽然混凝土重力平台的建造成本很高，但它们确实提供了低维护率和高甲板有效载荷增长能力的优势。尽管如此，自20世纪80年代初以来，新混凝土重力平台的建造速度已经放缓，与钢结构的结构相比，很少有人考虑或可能用于未来的开发。
开发海上油气田的总成本在选择生产平台时显然起着重要作用。在海上工业发展的早期，当发现巨大的油藏时，每个开发的经济性允许建造大型昂贵的结构。然而，随着更多的大型油藏被发现和开发，其余的油藏具有包含较小油藏的可能性较高，并且处于较深的水域和较恶劣的环境中。与此同时，固定钢框架夹层或混凝土重力结构的成本趋于以水深以指数方式增加，这主要是由于较大的平台结构和较深的水中结构完整性所需的较大的材料体积。
显然，外套的重量，因此成本的近似指数增加，随水深增加不能经济持续北海部门，因为新发现趋向于有小的可采储量，并且因此”边际价值。这为石油生产新技术的发展奠定了基础，试图通过水深
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