溫帶平臺極地作業(yè)適應(yīng)性評估

李春，關(guān)慶齡

(中海油田服務(wù)股份有限公司，河北 三河 065201)

北極地區(qū)油氣資源豐富,原油儲量約占目前全球已探明原油儲量的13%,天然氣約占全球天然氣儲量的30%，而油氣資源的84%都儲藏在海底。受北極海域惡劣的環(huán)境限制，北極海域油氣勘探開發(fā)裝備不足，油氣勘探開發(fā)進展緩慢。

積極參與北極地區(qū)油氣開發(fā)將有助于保障我國的能源安全和戰(zhàn)略需求，有助于提升我國海洋勘探開發(fā)技術(shù)水平，加強我國在極地事務(wù)討論、極地規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)編制方面的話語權(quán)。但我國海洋油氣開發(fā)裝備和技術(shù)與歐美發(fā)達國家相比，在極地鉆井平臺的設(shè)計、建造，以及關(guān)鍵裝備配置等方面仍有較大差距，國內(nèi)現(xiàn)役海洋鉆井平臺無法直接滿足極地寒冷地區(qū)作業(yè)需求。為此，以現(xiàn)役海洋鉆井平臺為基礎(chǔ)，對平臺的主體結(jié)構(gòu)及設(shè)備配置進行適應(yīng)性改造，就成為我國參與極地海洋鉆井、積累極地海洋作業(yè)經(jīng)驗的一種快速、可行的方案。

1 極地鉆井作業(yè)挑戰(zhàn)

但極地鉆井往往面臨極端低溫的惡劣自然環(huán)境，對平臺作業(yè)窗口、作業(yè)效率及安全性帶來嚴(yán)重挑戰(zhàn)，開發(fā)進展緩慢。以喀拉海為例，其作業(yè)水深通常在300 m以內(nèi)，鉆井深度不超過5 000 m，海上油氣鉆井窗口通常在6—10月份，海上出現(xiàn)浮冰時，平臺需提前撤離至無冰的安全水域。

1.1 自然環(huán)境惡劣

極地高緯度地區(qū)環(huán)境惡劣，氣候寒冷，冬季始于11月份，歷時約半年，環(huán)境溫度低，-20 ℃～-40 ℃。每年的5—10月份，氣溫略有回升，約為-10 ℃，海水溫度低至-2 ℃。極地浮冰和寒冷氣候?qū)?dǎo)致平臺穩(wěn)性減弱，可能引起平臺管路結(jié)冰、航行設(shè)備失效，以及平臺人員執(zhí)行力下降等后果，嚴(yán)重影響鉆井平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)備和作業(yè)安全同時，低溫工況嚴(yán)重影響人員操作環(huán)境，作業(yè)人員無法在露天環(huán)境正常作業(yè)。

北極的季節(jié)性低溫導(dǎo)致海上鉆井作業(yè)窗口窄，效率低，海上油氣開發(fā)成本遠高于常規(guī)海域?？紤]極地海域的特殊低溫環(huán)境及浮冰影響，全球現(xiàn)役鉆井平臺一般無法滿足北極全年作業(yè)需求，作業(yè)窗口僅夏季無冰期，初冰期平臺即需要撤離至安全海域。

1.2 作業(yè)補給困難

北極地區(qū)地廣人稀，鉆井裝備產(chǎn)業(yè)鏈覆蓋不健全，缺少基礎(chǔ)設(shè)施，大型設(shè)備及設(shè)備備件等物資運輸不易，后勤保障困難。鉆井平臺作業(yè)海域遠離補給碼頭，甲板面積及可變載荷有限，物資及后勤補給成本往往高于其他區(qū)域，物資轉(zhuǎn)運及后勤將嚴(yán)重制約平臺運維成本及作業(yè)效率。以喀拉海為例，海上鉆井作業(yè)岸基支持依賴摩爾曼斯克港，直線距離1 500 km以上，后勤支持效率和成本遠高于常規(guī)海域。受限于海洋鉆井平臺甲板面積、倉儲能力，北極油氣開發(fā)往往需考慮更完善的補給措施，以額外的成本來增強后勤保障能力。

1.3 生態(tài)環(huán)境脆弱

北極特殊的地理環(huán)境導(dǎo)致北極地區(qū)生物多樣性低，生態(tài)環(huán)境脆弱，一旦遭到人類資源開發(fā)破壞，往往要耗費更長的時間來恢復(fù)甚至無法恢復(fù)。國際組織、極地相關(guān)國家都急切關(guān)注極地水域的環(huán)保問題，近年來極地相關(guān)的國際規(guī)范都對極地平臺或船舶提出了更高的要求。IMO頒布的《極地公約》要求平臺滿足極地區(qū)域環(huán)保要求，禁止任何船舶排放油類或含油混合物，同時還需采取措施減少船舶壓載水等引起生物入侵風(fēng)險。

2 溫帶平臺極地作業(yè)評估流程

2.1 極地鉆井平臺配置特點

目前，全球已有多個鉆井平臺參與極地鉆井作業(yè)，其中的典型代表包括GM4D型半潛平臺、CAT D型半潛平臺。兩型平臺工作水深為100～500 m，設(shè)計鉆井深度為8 000 m左右，能夠滿足極地海洋油氣鉆井開發(fā)需要，設(shè)計作業(yè)窗口期為北極無冰期。上述平臺應(yīng)用于北極海域作業(yè)，設(shè)計建造過程中已充分考慮極地作業(yè)環(huán)境特殊性，設(shè)計適應(yīng)環(huán)境溫度為-20 ℃～35 ℃，適應(yīng)海水溫度范圍為0～32 ℃，平臺主要作業(yè)區(qū)域如井架、主甲板的管架區(qū)采用全封閉形式，內(nèi)部相關(guān)設(shè)備、管系均單獨考慮保溫或加熱設(shè)施?？紤]極地環(huán)境作業(yè)水深范圍不大，作業(yè)期間采用配置8～12點錨泊系統(tǒng)。

北極海域受季節(jié)性氣候影響，各類船舶在極地運營期間將面臨更惡劣的作業(yè)工況，平臺強度設(shè)計需額外考慮低溫浮冰、風(fēng)雪等的影響，結(jié)構(gòu)布局及材質(zhì)選擇需考慮極端低溫影響。低溫條件下，平臺水線附近結(jié)構(gòu)周圍易形成覆蓋冰，對平臺穩(wěn)性也會產(chǎn)生影響。

受限于北極作業(yè)更嚴(yán)格的環(huán)保要求，極地平臺在設(shè)計、建造及作業(yè)過程中還需要滿足更嚴(yán)格的環(huán)保要求，配置相關(guān)設(shè)備或管系布置，確保作業(yè)期間固體、液體及氣體廢棄物的統(tǒng)一管控，實現(xiàn)固、液廢棄物零排放，氣體廢棄物無害化處理后達標(biāo)排放，實現(xiàn)作業(yè)期間對極地生態(tài)環(huán)境的零污染。

2.2 溫帶平臺極地作業(yè)評估流程

我國海洋石油工業(yè)經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，相關(guān)的裝備技術(shù)已逐步達到國際領(lǐng)先水平，海洋鉆井平臺的規(guī)模已達到全球領(lǐng)先水平。但我國參與極地資源開發(fā)經(jīng)驗不足，國內(nèi)能夠滿足極地作業(yè)的鉆井平臺數(shù)量不多，以常規(guī)鉆井平臺改造，以適應(yīng)極地海洋鉆井作業(yè)，積累極地油氣開發(fā)相關(guān)的地質(zhì)數(shù)據(jù)、作業(yè)經(jīng)驗就很有必要。

按照《極地規(guī)則》及船級社規(guī)范的要求，移動式鉆井平臺通常在開敞水域作業(yè)，冰載荷相對較弱，應(yīng)歸類為C類船舶。結(jié)合極地作業(yè)挑戰(zhàn)和現(xiàn)役極地鉆井平臺配置情況，梳理極地特殊作業(yè)環(huán)境對海洋鉆井平臺的主要限制因素，從平臺結(jié)構(gòu)強度校核、穩(wěn)性分析、機電設(shè)備、安全設(shè)備等方面，建立基于平臺寒帶作業(yè)區(qū)域環(huán)境條件的適用性評估流程，見圖1。

圖1 鉆井平臺寒帶作業(yè)適應(yīng)性評估流程

3 鉆井平臺極地作業(yè)評估要點

3.1 低溫結(jié)構(gòu)鋼材適應(yīng)性評估

鉆井平臺在極地水域作業(yè)的主要潛在危險是主船體結(jié)構(gòu)設(shè)備等受到冰載荷或低氣溫環(huán)境的影響，目前船用結(jié)構(gòu)碳素鋼的韌性隨溫度降低而降低，低溫下A級船用低碳鋼存在脆性斷裂風(fēng)險。溫度低于18 ℃及以下，應(yīng)避免在平臺暴露結(jié)構(gòu)采用A級鋼材。

低溫環(huán)境溫度對于平臺結(jié)構(gòu)鋼材的韌性影響非常明顯，應(yīng)根據(jù)預(yù)計服役溫度確定關(guān)鍵結(jié)構(gòu)、主要結(jié)構(gòu)、次要結(jié)構(gòu)等不同類別的構(gòu)件采用不同鋼材等級時的材料厚度限制。評估時應(yīng)選取平臺外部處于環(huán)境氣溫條件下的所有結(jié)構(gòu)進行評估，評估時應(yīng)按照最淺吃水的工況將平臺分為水上部分與水下部分分別進行評估。根據(jù)《極地規(guī)則》，水上部分選取的平臺設(shè)計溫度應(yīng)較服役溫度低10 ℃，水下部分結(jié)構(gòu)考慮海水不結(jié)冰，操作溫度按照-5 ℃考慮。全球各船級社現(xiàn)行入級規(guī)范中對于平臺不同構(gòu)件類別和最低設(shè)計溫度下的各鋼材級別對應(yīng)的材料厚度限制均有相關(guān)規(guī)定。中國船級社《海上移動平臺入級規(guī)范》中對于不同溫度下對平臺各區(qū)域鋼材板厚的要求參見文獻[8]。

3.2 冰載荷工況下鉆井平臺強度校核

3.2.1 平臺結(jié)構(gòu)強度

溫帶平臺赴寒帶水域作業(yè)，需對其平臺進行結(jié)構(gòu)、設(shè)備等進行改造，改造后平臺載荷將發(fā)生變化。同時，考慮寒帶水域冰載荷，平臺結(jié)構(gòu)校核時的環(huán)境工況也將發(fā)生變化。平臺結(jié)構(gòu)校核應(yīng)按照相關(guān)的船級社規(guī)范要求執(zhí)行，評估環(huán)境重現(xiàn)期取為100年1遇，按照前述評估后的結(jié)構(gòu)板厚推薦值對平臺結(jié)構(gòu)強度進行校核。

3.2.2 結(jié)構(gòu)框架及局部骨材校核

根據(jù)船級社規(guī)范，鉆井平臺冰載荷校核選區(qū)冰帶范圍為高水位與低水位區(qū)間，特定區(qū)域結(jié)構(gòu)強度設(shè)計冰壓按照如下公式計算。

=02

(1)

式中：為上水線排水量，t；、為按照船級社規(guī)范中要求選?。粸槿?1.0～0.4)sin2；為冰載荷入射角，冰帶與船體外殼板法線角度。

根據(jù)船級社入級規(guī)范要求，橫骨架式結(jié)構(gòu)板殼最小厚度不小于下式計算得到的厚度。

(2)

縱骨材結(jié)構(gòu)板殼最小厚度應(yīng)不小于下式計算得到的厚度。

(3)

式中各參數(shù)定義同公式(2)。

平臺骨材的校核應(yīng)按照下式給出的算法進行，骨材剖面模數(shù)應(yīng)不小于以下公式計算得到的最大剖面模數(shù)。

=()

(4)

式中：為取為(160-100b/l)；為骨材間距，mm;為骨材跨距，mm;為0.4，m；為設(shè)計冰壓，MPa；為材料最小屈服強度，MPa。

主框架同樣按照公式(4)進行校核，其中取為主框架間的間距。

3.3 平臺結(jié)構(gòu)穩(wěn)性分析

3.3.1 分析假定

溫帶平臺赴寒帶水域作業(yè)，改造通常不會改變平臺的主要結(jié)構(gòu)和分艙，其他主要變化部分為井架及鉆臺區(qū)域增加擋風(fēng)墻，船尾救生艇周圍增加保溫間等會對平臺穩(wěn)性有一定影響。寒帶作業(yè)過程中，還需考慮平臺結(jié)冰余量對全船重量中心的影響。

穩(wěn)性分析主要針對3個工況，即拖航工況、作業(yè)工況以及風(fēng)暴工況。為避免平臺赴寒帶拖航作業(yè)時水平橫撐受航區(qū)水域極冰作用發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，拖航吃水需調(diào)整至浸沒橫撐結(jié)構(gòu)。

3.3.2 完整穩(wěn)性

極地運營船舶完整穩(wěn)性除滿足船級社規(guī)范要求外，還應(yīng)滿足如下要求。

1)為符合在遭受積冰時，平臺在完整工況下具有足夠的穩(wěn)性，穩(wěn)性分析時應(yīng)考慮如下結(jié)冰余量，①暴露的露天甲板和舷梯上：30 kg/m；②水面以上兩舷的側(cè)投影面積7.5 kg/m;③欄桿、各種吊桿和索具的不連續(xù)表面的側(cè)投影面積及其他小塢檢的側(cè)投影面積的計算，應(yīng)將連續(xù)表面的總投影面積增加5%并將該面積的靜力矩增加10%。

2)在可能發(fā)生積冰的水域和時間窗口內(nèi)運營的船舶，①盡可能減少甲板面積冰；②配備除冰設(shè)備。

3)極地操作手冊應(yīng)有穩(wěn)性計算中規(guī)定的結(jié)冰余量資料；應(yīng)對平臺積冰狀況進行檢測并采取適當(dāng)?shù)拇胧┐_保積冰不超過手冊規(guī)定的值。

3.3.3 破艙穩(wěn)性

鉆井平臺屬于C類船舶，滿足船級社規(guī)范要求即可。但極地規(guī)則中對A類、B類船舶提出了額外要求。

1)縱向范圍：如果中心點位于高位冰區(qū)水線處的最大寬度前，縱向范圍為冰區(qū)高位水線長度的4.5%；否則為高位冰區(qū)水線長度的 1.5%，并應(yīng)假定破損位于沿船長的任何縱向位置。

2)橫向穿透范圍：760 mm，應(yīng)在整個破損范圍之內(nèi)垂直于船殼板量取。

3)垂向范圍：高位冰區(qū)水線吃水的 20%或縱向范圍，取小者，并應(yīng)假定破損位于龍骨與120%冰區(qū)高位水線吃水之間的任何垂向位置。

3.4 平臺設(shè)備低溫性能評估

3.4.1 機械設(shè)備

甲板機械設(shè)備應(yīng)防止積冰或積雪侵入，潤滑、控制等作業(yè)液體的粘度應(yīng)保持在可確保機械操作功能的范圍。評估中應(yīng)選擇材料和采取適當(dāng)?shù)姆篮胧?，來確保露天甲板設(shè)備包括欄桿、船首通道、系泊設(shè)備、起貨設(shè)備、應(yīng)急拖帶裝置、舷梯等在極地服務(wù)溫度下功能完好。布置在甲板的錨機設(shè)備可能會由于海水而凍結(jié)，應(yīng)采取加熱或遮蔽措施，且其應(yīng)急釋放裝置應(yīng)可在駕駛室操控。

為了防止氣溫下降對甲板管系造成影響，應(yīng)對甲板管系采取加熱保溫措施。甲板閥也需采取適當(dāng)措施避免凍結(jié)。

3.4.2 電氣設(shè)備

平臺應(yīng)急發(fā)電機應(yīng)采用有恒溫裝置的電加熱保溫罩，確保應(yīng)急發(fā)電機在低溫環(huán)境隨時可用。安裝與露天甲板和低溫處所的旋轉(zhuǎn)電機，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)臐櫥?。同時，可通過配備額外的電加熱裝置保險電機線圈受極端低溫和冷凝的損害。如平臺配電和控制設(shè)備安裝在甲板，也應(yīng)考慮設(shè)置電加熱等冷凝裝置。

其他處于露天場所的畜電池、電纜等均需確認(rèn)其材料不會受到低溫?fù)p害。

3.4.3 消防系統(tǒng)

消防泵、水霧泵和噴水泵應(yīng)布置在溫度保持在冰點以上的艙室內(nèi)，消防安全設(shè)備如果安裝在暴露位置，其所有部件均應(yīng)受到保護以防止積冰和積雪。消防總管應(yīng)布置為暴露管路可以隔離，并應(yīng)設(shè)有暴露管路的泄水裝置。如果固定式水基滅火系統(tǒng)所在處所與主消防泵艙分開且使用其獨立的海水吸口，該海水吸口也應(yīng)能清除積冰。

消防系統(tǒng)和設(shè)備的設(shè)計應(yīng)考慮到人員需要穿著體積大而笨重的防寒裝。

3.4.4 安全救生系統(tǒng)

所有極地船舶的逃生布置，包括逃生路線、集合站、登乘站應(yīng)采取防冰除冰雪和防滑措施。極地船舶的逃生路線應(yīng)清楚標(biāo)記，登乘布置應(yīng)充分考慮對穿著附加極地服裝/隔熱型救生服或防寒服人員的影響。所有救生艇、救生筏、降落裝置和進入救生艇筏的通道等應(yīng)采取除冰措施，包括在救生設(shè)備附近可使用蒸汽或熱水加熱裝置，或木槌等工具。外部逃生路線建議采取加熱措施，通過危險區(qū)域的逃生路線應(yīng)清楚標(biāo)記和光顯。可考慮使用防滑涂層。

極地船舶應(yīng)配備部分或全封閉救生艇。救生艇筏容積和出入口尺寸應(yīng)考慮適合穿臃腫的極地服裝/隔熱型救生服或防寒服的人員乘坐。救生服或防寒服的尺寸可按救生衣的 1.25 倍考慮。

3.5 環(huán)?？刂埔?/h3>

極地水域禁止所有船舶排放油或含油混合物入海。對于生活污水，平臺必須安裝合科要求的生活污水處理裝置，并在實際操作中盡可能遠離陸地、冰架、固定冰以及海冰密集度超過1/10的區(qū)域。平臺垃圾排放應(yīng)嚴(yán)格遵守MARPOL附則V中的要求進行，食品廢棄物在處理后方可排放，排放區(qū)域應(yīng)盡可能遠離并密集度超過1/10的區(qū)域，且遠離最近的陸地、冰架以及固定冰12 n mile以上。

根據(jù)《國際船舶壓載水和沉積物控制和管理公約》，應(yīng)考慮該公約D-1條的壓載水置換標(biāo)準(zhǔn)或D-2條的壓載水性能標(biāo)準(zhǔn)的壓載水管理規(guī)定。

4 某平臺極地作業(yè)評估案例

某平臺計劃參與北極喀拉海域鉆井作業(yè)?？Ｓ驖M足無冰期的作業(yè)窗口為6—9月份，期間月平均環(huán)境氣溫為-8.1 ℃。同時，由于作業(yè)井位位于新地島內(nèi)側(cè)，洋流運動緩慢，環(huán)保要求苛刻，生態(tài)環(huán)境脆弱，作業(yè)期間鉆井液、工業(yè)廢水、生活污水等均不允許排放到海水中。為此，對平臺結(jié)構(gòu)材質(zhì)、總體強度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)性、設(shè)備低溫性能等進行專項適應(yīng)性評估。

平臺原設(shè)計滿足-20 ℃作業(yè)環(huán)境要求，其主體結(jié)構(gòu)材料采用了船用E級鋼材，平臺關(guān)鍵結(jié)構(gòu)強度及骨材尺寸能夠滿足規(guī)范要求。但考慮極地可能遭遇的-10 ℃的低溫，平臺作業(yè)區(qū)應(yīng)重新布局，原開放式井架需增加擋風(fēng)墻，鉆臺及二層臺為便于人員操作，還需增加加熱及保溫設(shè)施，使作業(yè)期間人員工作處所的環(huán)境溫度保持在10 ℃以上。

平臺作業(yè)期間可能遭遇極端環(huán)境，如主甲板積冰積雪、水線處結(jié)構(gòu)覆蓋冰等。專項評估認(rèn)為，平臺極地鉆井水深及井深要求不高，作業(yè)載荷需求遠低于平臺可變載荷極限，平臺經(jīng)合理的重量配置及分布，完整穩(wěn)性及破艙穩(wěn)性均滿足作業(yè)及規(guī)范需求。

考慮平臺面臨冰點以下環(huán)境溫度，機械、電氣等設(shè)備運轉(zhuǎn)所需液艙及管線均暴露室外，需增設(shè)蒸汽除冰或電伴熱設(shè)施，保持液艙及液體管線溫度保持在冰點以上，以保障設(shè)備正常運轉(zhuǎn)需求。同時，極地作業(yè)過程中，防噴器系統(tǒng)控制液等液控系統(tǒng)，控制液需考慮低溫性能要求，提前配置低溫控制液，以保證控制系統(tǒng)可靠性。

平臺原設(shè)計中已采用了零排放系統(tǒng)，滿足作業(yè)期間鉆井液、工業(yè)廢水等含油污水的回收要求。但考慮極地嚴(yán)苛的環(huán)保要求，且作業(yè)井位遠離后勤補給極地，平臺原有零排放系統(tǒng)中的污水處理艙需進行專項擴容，使其滿足14 d以上的廢液存儲需求。

5 結(jié)論

1) 極端低溫給極地海洋油氣開發(fā)帶來了惡劣環(huán)境、作業(yè)窗口窄、補給困難等多重挑戰(zhàn)，常規(guī)鉆井平臺無法直接參與極地海洋鉆井作業(yè)，其低溫配套設(shè)施、船體鋼材、結(jié)構(gòu)穩(wěn)性及防污染等需特殊配置。

2) 國內(nèi)鉆井平臺通過船體結(jié)構(gòu)保溫、艙室及管系防寒、防污染等系列評估及改造，能夠滿足極地部分區(qū)域短期作業(yè)需求。