岩石力学与工程科普—漂浮在海面的堡垒

引言：推开门就是一望无际的大海，深蓝的海水与湛蓝的天空在天际交汇，阳光在纯净的底色里愈加耀眼，而你也彷佛脚底海中自由自在的鱼儿，在天地之间自由贪婪地呼吸着空气，享受着阳光。当你以为这样“面朝大海，春暖花开”的生活只在海滨城市时，你就错了！

（摘自网络视频截图）

这里是一座“漂浮”在无边无际海洋上的钢铁堡垒——海洋平台！

海洋平台，顾名思义，就是在海洋上面的一座建筑平台，不过它可不是为了让度假人在海洋上观景钓鱼，而是一种有着钻井、采油、集运、观测、导航等多种功能的海上大型建筑物。

第一座真正意义上的海洋平台在墨西哥湾海域建成，墨西哥湾深水区的深水油气储量约占全球总储量的1/4，因此这个海洋平台是世界第一口海上商业油井，虽然作业区水深只有6m，但却标志着海上石油开采的起始！

随着技术的发展，海洋平台离海岸也越来越远，所在海区的深度也越来越深，比如惊马油气田（2008年投产），距离海岸240公里，海洋平台作业区平均水深1800米。那么我们不禁就要问：这样一座庞然建筑是如何在无边无际又深不见底的海洋中落成的呢？又是如何在险恶的海洋环境中维持稳定的呢？

第一座墨西哥海域的海洋平台是直接将支撑平台的“刚性导管腿”插入海底，这样就可以像陆地上“建房子打桩”一样，很好地稳定住上部结构。但海洋显然和陆地有着很大的区别，就比如：海面上海风要比陆地狂暴得多，海水还会对海上的建筑产生浮力，所以深入海底的桩不仅仅要承担上面平台的重力荷载，还有海水浮力上拔和海风水平向的力量。因此在不同的海域，海面和海底状况不一样，对于海洋平台的建设就会有不一样的要求，通常我们主要分为浅海区域（<500m）和深海区域（>500m）两部分进行海洋平台的设计。

浅海区域常见的海洋平台就是上文提到的墨西哥海域的桩基导管架平台，还有一种重力式平台，这种平台具有较大尺寸，因为它是依靠自身重量来抵抗在海面上遇到的各种风浪。比如挪威的Troll-A，接近500米高，干重60多万吨，飞机在它面前就是个小家伙；下面的一簇小罐子是用来打压载水的，大概能打入120万吨海水，这样它才能在海底坐稳。

当海洋平台想要往深海区域去发展时，所会遇到的情况就会更加复杂，像上文这种深入海底的建筑，成本自不必说！最重要的是平台还会被固定在原地，无法重复利用，当遇到巨大的海上风暴时，只能被动承受。因此聪明的工程师们将海洋平台与最初的钻井船进行转换，也就演变为目前应用广泛的移动式钻井平台。

移动式钻井平台中当下比较流行就是半潜式平台，平台由下方的数根立柱支撑，在立柱下方还安装着几个巨型浮箱，它们可以通过调节内部的海水容量来控制整个平台的深浅程度。而想要抵御风浪、保持平衡，还少不了系泊定位系统的帮忙，即通过长长的锚链固定平台。

在深水海域中开发石油时，坐底式的钻井系统不能满足要求；浮动式钻井船虽然可适用于较大水深，然而受海况的影响，其开工率很低；而半潜式平台既可在很深的海域工作，又较能适应恶劣的海况，因此是是深海钻井的主要装置。

这里不得不提我们中国的海洋平台的建设成就：中国981深水半潜式钻井平台，是我国在世界上首次按照南海恶劣海况设计的，能抵御200年一遇的17级台风；2017年2月我国建造了“蓝鲸一号”深海钻井平台，随后又制造了“蓝鲸2号”深海钻井平台，它们配置了高效的液压双钻塔和全球领先的闭环平台，是世界上最大、最先进的半潜式深海钻井平台；“深海一号”是一座四柱式半潜式生产平台，我国自主研发建造的全球首座10万吨级深水半潜式生产储油平台。这些半潜式海洋平台都标志这我国在海洋强国的道路上越走越宽！

当然还有其他许多深海海洋平台的类型，但这些只是海洋平台在不同海域以及途径上的应用，那么他们是如何维持稳定并成功应用的呢？
我们知道海面天气恶劣，海底下面的情况更为复杂，所以这些平台如何稳定就成了重要问题。就比如：2005年7月30日，Dennis飓风过境墨西哥湾，造成油田作业平台Thunder Horse（惊马） PDQ严重倾斜，后经维修得以正常使用。

除了风浪，还有海底我们看不到的地质问题，比如说：浅埋断层的活动、地震、海底滑坡等等。这些问题都会影响海洋平台锚固系统的稳定性，因此一方面我们前期要开展详细的场地调查，另一方面，我们要通过合理的结构设计来应对可能出现的情况。

这里就不得不提一门重要的学科“海洋工程地质”。海洋工程建设与安全运维是海洋油气或矿产资源等开发与利用的基石，是建设海洋强国的重要内涵之一。海洋工程建设会引发新的海洋地质问题，海洋地质也有可能会破坏我们建设的海洋工程。就比如可燃冰开采时，可能引发海底滑坡（新的地质问题），海底滑坡也可能造成海洋平台的倾覆（破坏海洋工程 ） 。因此对海洋中的地质问题开展相关研究就显得格外有必要！

关于海洋工程地质相关知识普及的书籍相对较少，本文重点参考书目《鹿灵探海记》，是一本海洋工程地质科普类小说，也是本文的灵感的重要来源。

（供稿 杨庆、于达、孔纲强；文中部分图片来自互联网，如有侵权，请联系删除。）