溫帶平臺極地作業適應性評估

李春，關慶齡

(中海油田服務股份有限公司，河北 三河 065201)

北極地區油氣資源豐富,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境限制，北極海域油氣勘探開發裝備不足，油氣勘探開發進展緩慢。

積極參與北極地區油氣開發將有助于保障我國的能源安全和戰略需求，有助于提升我國海洋勘探開發技術水平，加強我國在極地事務討論、極地規范標準編制方面的話語權。但我國海洋油氣開發裝備和技術與歐美發達國家相比，在極地鉆井平臺的設計、建造，以及關鍵裝備配置等方面仍有較大差距，國內現役海洋鉆井平臺無法直接滿足極地寒冷地區作業需求。為此，以現役海洋鉆井平臺為基礎，對平臺的主體結構及設備配置進行適應性改造，就成為我國參與極地海洋鉆井、積累極地海洋作業經驗的一種快速、可行的方案。

1 極地鉆井作業挑戰

但極地鉆井往往面臨極端低溫的惡劣自然環境，對平臺作業窗口、作業效率及安全性帶來嚴重挑戰，開發進展緩慢。以喀拉海為例，其作業水深通常在300 m以內，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，海上出現浮冰時，平臺需提前撤離至無冰的安全水域。

1.1 自然環境惡劣

極地高緯度地區環境惡劣，氣候寒冷，冬季始于11月份，歷時約半年，環境溫度低，-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將導致平臺穩性減弱，可能引起平臺管路結冰、航行設備失效，以及平臺人員執行力下降等后果，嚴重影響鉆井平臺的結構設備和作業安全同時，低溫工況嚴重影響人員操作環境，作業人員無法在露天環境正常作業。

北極的季節性低溫導致海上鉆井作業窗口窄，效率低，海上油氣開發成本遠高于常規海域。考慮極地海域的特殊低溫環境及浮冰影響，全球現役鉆井平臺一般無法滿足北極全年作業需求，作業窗口僅夏季無冰期，初冰期平臺即需要撤離至安全海域。

1.2 作業補給困難

北極地區地廣人稀，鉆井裝備產業鏈覆蓋不健全，缺少基礎設施，大型設備及設備備件等物資運輸不易，后勤保障困難。鉆井平臺作業海域遠離補給碼頭，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域，物資轉運及后勤將嚴重制約平臺運維成本及作業效率。以喀拉海為例，海上鉆井作業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 生態環境脆弱

北極特殊的地理環境導致北極地區生物多樣性低，生態環境脆弱，一旦遭到人類資源開發破壞，往往要耗費更長的時間來恢復甚至無法恢復。國際組織、極地相關國家都急切關注極地水域的環保問題，近年來極地相關的國際規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域環保要求，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險。

2 溫帶平臺極地作業評估流程

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，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需要，設計作業窗口期為北極無冰期。上述平臺應用于北極海域作業，設計建造過程中已充分考慮極地作業環境特殊性，設計適應環境溫度為-20 ℃～35 ℃，適應海水溫度范圍為0～32 ℃，平臺主要作業區域如井架、主甲板的管架區采用全封閉形式，內部相關設備、管系均單獨考慮保溫或加熱設施。考慮極地環境作業水深范圍不大，作業期間采用配置8～12點錨泊系統。

北極海域受季節性氣候影響，各類船舶在極地運營期間將面臨更惡劣的作業工況，平臺強度設計需額外考慮低溫浮冰、風雪等的影響，結構布局及材質選擇需考慮極端低溫影響。低溫條件下，平臺水線附近結構周圍易形成覆蓋冰，對平臺穩性也會產生影響。

受限于北極作業更嚴格的環保要求，極地平臺在設計、建造及作業過程中還需要滿足更嚴格的環保要求，配置相關設備或管系布置，確保作業期間固體、液體及氣體廢棄物的統一管控，實現固、液廢棄物零排放，氣體廢棄物無害化處理后達標排放，實現作業期間對極地生態環境的零污染。

2.2 溫帶平臺極地作業評估流程

我國海洋石油工業經過半個世紀的發展，相關的裝備技術已逐步達到國際領先水平，海洋鉆井平臺的規模已達到全球領先水平。但我國參與極地資源開發經驗不足，國內能夠滿足極地作業的鉆井平臺數量不多，以常規鉆井平臺改造，以適應極地海洋鉆井作業，積累極地油氣開發相關的地質數據、作業經驗就很有必要。

按照《極地規則》及船級社規范的要求，移動式鉆井平臺通常在開敞水域作業，冰載荷相對較弱，應歸類為C類船舶。結合極地作業挑戰和現役極地鉆井平臺配置情況，梳理極地特殊作業環境對海洋鉆井平臺的主要限制因素，從平臺結構強度校核、穩性分析、機電設備、安全設備等方面，建立基于平臺寒帶作業區域環境條件的適用性評估流程，見圖1。

圖1 鉆井平臺寒帶作業適應性評估流程

3 鉆井平臺極地作業評估要點

3.1 低溫結構鋼材適應性評估

鉆井平臺在極地水域作業的主要潛在危險是主船體結構設備等受到冰載荷或低氣溫環境的影響，目前船用結構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險。溫度低于18 ℃及以下，應避免在平臺暴露結構采用A級鋼材。

低溫環境溫度對于平臺結構鋼材的韌性影響非常明顯，應根據預計服役溫度確定關鍵結構、主要結構、次要結構等不同類別的構件采用不同鋼材等級時的材料厚度限制。評估時應選取平臺外部處于環境氣溫條件下的所有結構進行評估，評估時應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《極地規則》，水上部分選取的平臺設計溫度應較服役溫度低10 ℃，水下部分結構考慮海水不結冰，操作溫度按照-5 ℃考慮。全球各船級社現行入級規范中對于平臺不同構件類別和最低設計溫度下的各鋼材級別對應的材料厚度限制均有相關規定。中國船級社《海上移動平臺入級規范》中對于不同溫度下對平臺各區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 平臺結構強度

溫帶平臺赴寒帶水域作業，需對其平臺進行結構、設備等進行改造，改造后平臺載荷將發生變化。同時，考慮寒帶水域冰載荷，平臺結構校核時的環境工況也將發生變化。平臺結構校核應按照相關的船級社規范要求執行，評估環境重現期取為100年1遇，按照前述評估后的結構板厚推薦值對平臺結構強度進行校核。

3.2.2 結構框架及局部骨材校核

根據船級社規范，鉆井平臺冰載荷校核選區冰帶范圍為高水位與低水位區間，特定區域結構強度設計冰壓按照如下公式計算。

=02

(1)

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

根據船級社入級規范要求，橫骨架式結構板殼最小厚度不小于下式計算得到的厚度。

(2)

縱骨材結構板殼最小厚度應不小于下式計算得到的厚度。

(3)

式中各參數定義同公式(2)。

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

=()

(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 平臺結構穩性分析

3.3.1 分析假定

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

穩性分析主要針對3個工況，即拖航工況、作業工況以及風暴工況。為避免平臺赴寒帶拖航作業時水平橫撐受航區水域極冰作用發生結構破壞，拖航吃水需調整至浸沒橫撐結構。

3.3.2 完整穩性

極地運營船舶完整穩性除滿足船級社規范要求外，還應滿足如下要求。

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

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

3)極地操作手冊應有穩性計算中規定的結冰余量資料；應對平臺積冰狀況進行檢測并采取適當的措施確保積冰不超過手冊規定的值。

3.3.3 破艙穩性

鉆井平臺屬于C類船舶，滿足船級社規范要求即可。但極地規則中對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水線處的最大寬度前，縱向范圍為冰區高位水線長度的4.5%；否則為高位冰區水線長度的 1.5%，并應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，應在整個破損范圍之內垂直于船殼板量取。

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

3.4 平臺設備低溫性能評估

3.4.1 機械設備

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

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

3.4.2 電氣設備

平臺應急發電機應采用有恒溫裝置的電加熱保溫罩，確保應急發電機在低溫環境隨時可用。安裝與露天甲板和低溫處所的旋轉電機，應采用適當的潤滑油。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備安裝在甲板，也應考慮設置電加熱等冷凝裝置。

其他處于露天場所的畜電池、電纜等均需確認其材料不會受到低溫損害。

3.4.3 消防系統

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

消防系統和設備的設計應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

所有極地船舶的逃生布置，包括逃生路線、集合站、登乘站應采取防冰除冰雪和防滑措施。極地船舶的逃生路線應清楚標記，登乘布置應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采取除冰措施，包括在救生設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，通過危險區域的逃生路線應清楚標記和光顯。可考慮使用防滑涂層。

極地船舶應配備部分或全封閉救生艇。救生艇筏容積和出入口尺寸應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 環保控制要求

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的區域。平臺垃圾排放應嚴格遵守MARPOL附則V中的要求進行，食品廢棄物在處理后方可排放，排放區域應盡可能遠離并密集度超過1/10的區域，且遠離最近的陸地、冰架以及固定冰12 n mile以上。

根據《國際船舶壓載水和沉積物控制和管理公約》，應考慮該公約D-1條的壓載水置換標準或D-2條的壓載水性能標準的壓載水管理規定。

4 某平臺極地作業評估案例

某平臺計劃參與北極喀拉海域鉆井作業。喀拉海域滿足無冰期的作業窗口為6—9月份，期間月平均環境氣溫為-8.1 ℃。同時，由于作業井位位于新地島內側，洋流運動緩慢，環保要求苛刻，生態環境脆弱，作業期間鉆井液、工業廢水、生活污水等均不允許排放到海水中。為此，對平臺結構材質、總體強度、結構穩性、設備低溫性能等進行專項適應性評估。

平臺原設計滿足-20 ℃作業環境要求，其主體結構材料采用了船用E級鋼材，平臺關鍵結構強度及骨材尺寸能夠滿足規范要求。但考慮極地可能遭遇的-10 ℃的低溫，平臺作業區應重新布局，原開放式井架需增加擋風墻，鉆臺及二層臺為便于人員操作，還需增加加熱及保溫設施，使作業期間人員工作處所的環境溫度保持在10 ℃以上。

平臺作業期間可能遭遇極端環境，如主甲板積冰積雪、水線處結構覆蓋冰等。專項評估認為，平臺極地鉆井水深及井深要求不高，作業載荷需求遠低于平臺可變載荷極限，平臺經合理的重量配置及分布，完整穩性及破艙穩性均滿足作業及規范需求。

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

平臺原設計中已采用了零排放系統，滿足作業期間鉆井液、工業廢水等含油污水的回收要求。但考慮極地嚴苛的環保要求，且作業井位遠離后勤補給極地，平臺原有零排放系統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 結論

1) 極端低溫給極地海洋油氣開發帶來了惡劣環境、作業窗口窄、補給困難等多重挑戰，常規鉆井平臺無法直接參與極地海洋鉆井作業，其低溫配套設施、船體鋼材、結構穩性及防污染等需特殊配置。

2) 國內鉆井平臺通過船體結構保溫、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域短期作業需求。