温带平台极地作业适应性评估

李春，关庆龄

(中海油田服务股份有限公司，河北 三河 065201)

北极地区油气资源丰富,原油储量约占目前全球已探明原油储量的13%,天然气约占全球天然气储量的30%，而油气资源的84%都储藏在海底。受北极海域恶劣的环境限制，北极海域油气勘探开发装备不足，油气勘探开发进展缓慢。

积极参与北极地区油气开发将有助于保障我国的能源安全和战略需求，有助于提升我国海洋勘探开发技术水平，加强我国在极地事务讨论、极地规范标准编制方面的话语权。但我国海洋油气开发装备和技术与欧美发达国家相比，在极地钻井平台的设计、建造，以及关键装备配置等方面仍有较大差距，国内现役海洋钻井平台无法直接满足极地寒冷地区作业需求。为此，以现役海洋钻井平台为基础，对平台的主体结构及设备配置进行适应性改造，就成为我国参与极地海洋钻井、积累极地海洋作业经验的一种快速、可行的方案。

1 极地钻井作业挑战

但极地钻井往往面临极端低温的恶劣自然环境，对平台作业窗口、作业效率及安全性带来严重挑战，开发进展缓慢。以喀拉海为例，其作业水深通常在300 m以内，钻井深度不超过5 000 m，海上油气钻井窗口通常在6—10月份，海上出现浮冰时，平台需提前撤离至无冰的安全水域。

1.1 自然环境恶劣

极地高纬度地区环境恶劣，气候寒冷，冬季始于11月份，历时约半年，环境温度低，-20 ℃～-40 ℃。每年的5—10月份，气温略有回升，约为-10 ℃，海水温度低至-2 ℃。极地浮冰和寒冷气候将导致平台稳性减弱，可能引起平台管路结冰、航行设备失效，以及平台人员执行力下降等后果，严重影响钻井平台的结构设备和作业安全同时，低温工况严重影响人员操作环境，作业人员无法在露天环境正常作业。

北极的季节性低温导致海上钻井作业窗口窄，效率低，海上油气开发成本远高于常规海域。考虑极地海域的特殊低温环境及浮冰影响，全球现役钻井平台一般无法满足北极全年作业需求，作业窗口仅夏季无冰期，初冰期平台即需要撤离至安全海域。

1.2 作业补给困难

北极地区地广人稀，钻井装备产业链覆盖不健全，缺少基础设施，大型设备及设备备件等物资运输不易，后勤保障困难。钻井平台作业海域远离补给码头，甲板面积及可变载荷有限，物资及后勤补给成本往往高于其他区域，物资转运及后勤将严重制约平台运维成本及作业效率。以喀拉海为例，海上钻井作业岸基支持依赖摩尔曼斯克港，直线距离1 500 km以上，后勤支持效率和成本远高于常规海域。受限于海洋钻井平台甲板面积、仓储能力，北极油气开发往往需考虑更完善的补给措施，以额外的成本来增强后勤保障能力。

1.3 生态环境脆弱

北极特殊的地理环境导致北极地区生物多样性低，生态环境脆弱，一旦遭到人类资源开发破坏，往往要耗费更长的时间来恢复甚至无法恢复。国际组织、极地相关国家都急切关注极地水域的环保问题，近年来极地相关的国际规范都对极地平台或船舶提出了更高的要求。IMO颁布的《极地公约》要求平台满足极地区域环保要求，禁止任何船舶排放油类或含油混合物，同时还需采取措施减少船舶压载水等引起生物入侵风险。

2 温带平台极地作业评估流程

2.1 极地钻井平台配置特点

目前，全球已有多个钻井平台参与极地钻井作业，其中的典型代表包括GM4D型半潜平台、CAT D型半潜平台。两型平台工作水深为100～500 m，设计钻井深度为8 000 m左右，能够满足极地海洋油气钻井开发需要，设计作业窗口期为北极无冰期。上述平台应用于北极海域作业，设计建造过程中已充分考虑极地作业环境特殊性，设计适应环境温度为-20 ℃～35 ℃，适应海水温度范围为0～32 ℃，平台主要作业区域如井架、主甲板的管架区采用全封闭形式，内部相关设备、管系均单独考虑保温或加热设施。考虑极地环境作业水深范围不大，作业期间采用配置8～12点锚泊系统。

北极海域受季节性气候影响，各类船舶在极地运营期间将面临更恶劣的作业工况，平台强度设计需额外考虑低温浮冰、风雪等的影响，结构布局及材质选择需考虑极端低温影响。低温条件下，平台水线附近结构周围易形成覆盖冰，对平台稳性也会产生影响。

受限于北极作业更严格的环保要求，极地平台在设计、建造及作业过程中还需要满足更严格的环保要求，配置相关设备或管系布置，确保作业期间固体、液体及气体废弃物的统一管控，实现固、液废弃物零排放，气体废弃物无害化处理后达标排放，实现作业期间对极地生态环境的零污染。

2.2 温带平台极地作业评估流程

我国海洋石油工业经过半个世纪的发展，相关的装备技术已逐步达到国际领先水平，海洋钻井平台的规模已达到全球领先水平。但我国参与极地资源开发经验不足，国内能够满足极地作业的钻井平台数量不多，以常规钻井平台改造，以适应极地海洋钻井作业，积累极地油气开发相关的地质数据、作业经验就很有必要。

按照《极地规则》及船级社规范的要求，移动式钻井平台通常在开敞水域作业，冰载荷相对较弱，应归类为C类船舶。结合极地作业挑战和现役极地钻井平台配置情况，梳理极地特殊作业环境对海洋钻井平台的主要限制因素，从平台结构强度校核、稳性分析、机电设备、安全设备等方面，建立基于平台寒带作业区域环境条件的适用性评估流程，见图1。

图1 钻井平台寒带作业适应性评估流程

3 钻井平台极地作业评估要点

3.1 低温结构钢材适应性评估

钻井平台在极地水域作业的主要潜在危险是主船体结构设备等受到冰载荷或低气温环境的影响，目前船用结构碳素钢的韧性随温度降低而降低，低温下A级船用低碳钢存在脆性断裂风险。温度低于18 ℃及以下，应避免在平台暴露结构采用A级钢材。

低温环境温度对于平台结构钢材的韧性影响非常明显，应根据预计服役温度确定关键结构、主要结构、次要结构等不同类别的构件采用不同钢材等级时的材料厚度限制。评估时应选取平台外部处于环境气温条件下的所有结构进行评估，评估时应按照最浅吃水的工况将平台分为水上部分与水下部分分别进行评估。根据《极地规则》，水上部分选取的平台设计温度应较服役温度低10 ℃，水下部分结构考虑海水不结冰，操作温度按照-5 ℃考虑。全球各船级社现行入级规范中对于平台不同构件类别和最低设计温度下的各钢材级别对应的材料厚度限制均有相关规定。中国船级社《海上移动平台入级规范》中对于不同温度下对平台各区域钢材板厚的要求参见文献[8]。

3.2 冰载荷工况下钻井平台强度校核

3.2.1 平台结构强度

温带平台赴寒带水域作业，需对其平台进行结构、设备等进行改造，改造后平台载荷将发生变化。同时，考虑寒带水域冰载荷，平台结构校核时的环境工况也将发生变化。平台结构校核应按照相关的船级社规范要求执行，评估环境重现期取为100年1遇，按照前述评估后的结构板厚推荐值对平台结构强度进行校核。

3.2.2 结构框架及局部骨材校核

根据船级社规范，钻井平台冰载荷校核选区冰带范围为高水位与低水位区间，特定区域结构强度设计冰压按照如下公式计算。

=02

(1)

式中：为上水线排水量，t；、为按照船级社规范中要求选取；为取(1.0～0.4)sin2；为冰载荷入射角，冰带与船体外壳板法线角度。

根据船级社入级规范要求，横骨架式结构板壳最小厚度不小于下式计算得到的厚度。

(2)

纵骨材结构板壳最小厚度应不小于下式计算得到的厚度。

(3)

式中各参数定义同公式(2)。

平台骨材的校核应按照下式给出的算法进行，骨材剖面模数应不小于以下公式计算得到的最大剖面模数。

=()

(4)

式中：为取为(160-100b/l)；为骨材间距，mm;为骨材跨距，mm;为0.4，m；为设计冰压，MPa；为材料最小屈服强度，MPa。

主框架同样按照公式(4)进行校核，其中取为主框架间的间距。

3.3 平台结构稳性分析

3.3.1 分析假定

温带平台赴寒带水域作业，改造通常不会改变平台的主要结构和分舱，其他主要变化部分为井架及钻台区域增加挡风墙，船尾救生艇周围增加保温间等会对平台稳性有一定影响。寒带作业过程中，还需考虑平台结冰余量对全船重量中心的影响。

稳性分析主要针对3个工况，即拖航工况、作业工况以及风暴工况。为避免平台赴寒带拖航作业时水平横撑受航区水域极冰作用发生结构破坏，拖航吃水需调整至浸没横撑结构。

3.3.2 完整稳性

极地运营船舶完整稳性除满足船级社规范要求外，还应满足如下要求。

1)为符合在遭受积冰时，平台在完整工况下具有足够的稳性，稳性分析时应考虑如下结冰余量，①暴露的露天甲板和舷梯上：30 kg/m；②水面以上两舷的侧投影面积7.5 kg/m;③栏杆、各种吊杆和索具的不连续表面的侧投影面积及其他小坞检的侧投影面积的计算，应将连续表面的总投影面积增加5%并将该面积的静力矩增加10%。

2)在可能发生积冰的水域和时间窗口内运营的船舶，①尽可能减少甲板面积冰；②配备除冰设备。

3)极地操作手册应有稳性计算中规定的结冰余量资料；应对平台积冰状况进行检测并采取适当的措施确保积冰不超过手册规定的值。

3.3.3 破舱稳性

钻井平台属于C类船舶，满足船级社规范要求即可。但极地规则中对A类、B类船舶提出了额外要求。

1)纵向范围：如果中心点位于高位冰区水线处的最大宽度前，纵向范围为冰区高位水线长度的4.5%；否则为高位冰区水线长度的 1.5%，并应假定破损位于沿船长的任何纵向位置。

2)横向穿透范围：760 mm，应在整个破损范围之内垂直于船壳板量取。

3)垂向范围：高位冰区水线吃水的 20%或纵向范围，取小者，并应假定破损位于龙骨与120%冰区高位水线吃水之间的任何垂向位置。

3.4 平台设备低温性能评估

3.4.1 机械设备

甲板机械设备应防止积冰或积雪侵入，润滑、控制等作业液体的粘度应保持在可确保机械操作功能的范围。评估中应选择材料和采取适当的防寒措施，来确保露天甲板设备包括栏杆、船首通道、系泊设备、起货设备、应急拖带装置、舷梯等在极地服务温度下功能完好。布置在甲板的锚机设备可能会由于海水而冻结，应采取加热或遮蔽措施，且其应急释放装置应可在驾驶室操控。

为了防止气温下降对甲板管系造成影响，应对甲板管系采取加热保温措施。甲板阀也需采取适当措施避免冻结。

3.4.2 电气设备

平台应急发电机应采用有恒温装置的电加热保温罩，确保应急发电机在低温环境随时可用。安装与露天甲板和低温处所的旋转电机，应采用适当的润滑油。同时，可通过配备额外的电加热装置保险电机线圈受极端低温和冷凝的损害。如平台配电和控制设备安装在甲板，也应考虑设置电加热等冷凝装置。

其他处于露天场所的畜电池、电缆等均需确认其材料不会受到低温损害。

3.4.3 消防系统

消防泵、水雾泵和喷水泵应布置在温度保持在冰点以上的舱室内，消防安全设备如果安装在暴露位置，其所有部件均应受到保护以防止积冰和积雪。消防总管应布置为暴露管路可以隔离，并应设有暴露管路的泄水装置。如果固定式水基灭火系统所在处所与主消防泵舱分开且使用其独立的海水吸口，该海水吸口也应能清除积冰。

消防系统和设备的设计应考虑到人员需要穿着体积大而笨重的防寒装。

3.4.4 安全救生系统

所有极地船舶的逃生布置，包括逃生路线、集合站、登乘站应采取防冰除冰雪和防滑措施。极地船舶的逃生路线应清楚标记，登乘布置应充分考虑对穿着附加极地服装/隔热型救生服或防寒服人员的影响。所有救生艇、救生筏、降落装置和进入救生艇筏的通道等应采取除冰措施，包括在救生设备附近可使用蒸汽或热水加热装置，或木槌等工具。外部逃生路线建议采取加热措施，通过危险区域的逃生路线应清楚标记和光显。可考虑使用防滑涂层。

极地船舶应配备部分或全封闭救生艇。救生艇筏容积和出入口尺寸应考虑适合穿臃肿的极地服装/隔热型救生服或防寒服的人员乘坐。救生服或防寒服的尺寸可按救生衣的 1.25 倍考虑。

3.5 环保控制要求

极地水域禁止所有船舶排放油或含油混合物入海。对于生活污水，平台必须安装合科要求的生活污水处理装置，并在实际操作中尽可能远离陆地、冰架、固定冰以及海冰密集度超过1/10的区域。平台垃圾排放应严格遵守MARPOL附则V中的要求进行，食品废弃物在处理后方可排放，排放区域应尽可能远离并密集度超过1/10的区域，且远离最近的陆地、冰架以及固定冰12 n mile以上。

根据《国际船舶压载水和沉积物控制和管理公约》，应考虑该公约D-1条的压载水置换标准或D-2条的压载水性能标准的压载水管理规定。

4 某平台极地作业评估案例

某平台计划参与北极喀拉海域钻井作业。喀拉海域满足无冰期的作业窗口为6—9月份，期间月平均环境气温为-8.1 ℃。同时，由于作业井位位于新地岛内侧，洋流运动缓慢，环保要求苛刻，生态环境脆弱，作业期间钻井液、工业废水、生活污水等均不允许排放到海水中。为此，对平台结构材质、总体强度、结构稳性、设备低温性能等进行专项适应性评估。

平台原设计满足-20 ℃作业环境要求，其主体结构材料采用了船用E级钢材，平台关键结构强度及骨材尺寸能够满足规范要求。但考虑极地可能遭遇的-10 ℃的低温，平台作业区应重新布局，原开放式井架需增加挡风墙，钻台及二层台为便于人员操作，还需增加加热及保温设施，使作业期间人员工作处所的环境温度保持在10 ℃以上。

平台作业期间可能遭遇极端环境，如主甲板积冰积雪、水线处结构覆盖冰等。专项评估认为，平台极地钻井水深及井深要求不高，作业载荷需求远低于平台可变载荷极限，平台经合理的重量配置及分布，完整稳性及破舱稳性均满足作业及规范需求。

考虑平台面临冰点以下环境温度，机械、电气等设备运转所需液舱及管线均暴露室外，需增设蒸汽除冰或电伴热设施，保持液舱及液体管线温度保持在冰点以上，以保障设备正常运转需求。同时，极地作业过程中，防喷器系统控制液等液控系统，控制液需考虑低温性能要求，提前配置低温控制液，以保证控制系统可靠性。

平台原设计中已采用了零排放系统，满足作业期间钻井液、工业废水等含油污水的回收要求。但考虑极地严苛的环保要求，且作业井位远离后勤补给极地，平台原有零排放系统中的污水处理舱需进行专项扩容，使其满足14 d以上的废液存储需求。

5 结论

1) 极端低温给极地海洋油气开发带来了恶劣环境、作业窗口窄、补给困难等多重挑战，常规钻井平台无法直接参与极地海洋钻井作业，其低温配套设施、船体钢材、结构稳性及防污染等需特殊配置。

2) 国内钻井平台通过船体结构保温、舱室及管系防寒、防污染等系列评估及改造，能够满足极地部分区域短期作业需求。