书城自然科学巧夺天工:海洋工程与海港
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第13章 声名卓著的海洋工程(5)

一是建立海底山脉上的海底基地。海底并不是平坦无垠的。由于地壳的升降、褶皱、断裂、地震和火山活动等等,海底象陆地一样也形成高山、平原、高原和洼地等各种地形。在大陆边缘(包括大陆架、大陆坡和大陆基),除有较平坦的海底外,还有岛弧,岛弧露出水面的部分就是海岛或群岛。在大洋盆地,地形平坦而广阔,但却有许多纵横交错的海岭向四面八方绵延,另外,还有珊瑚岛、火山岛形成的高地,在约1000米或更深的海底有孤立的山地,叫做海底山,深度大于200米的海底山,顶部如平台,叫平顶山,海山成群,即称海山群。大洋中的巨大山脉叫洋脊或洋隆。这条洋脊起自北冰洋,纵贯大西洋,向东北直插印度洋中部,然后又延穿太平洋,形成环球的巨大山系。它突出海底高达2000~4000米以上,数百千米宽。海底这么多的高山峻岭,大有选用海底军事基地的余地。前面已述及,美国就打算把海底基地建立在海背上。建在海底在山脉上的海底基地,由于和山脉连在一起,又有其他山脉的遮挡,有一定的隐蔽性,但也会被越来越发达的水下探测系统发现,一旦被敌方发现,就可能被摧毁。

二是建立海底地下军事基地。海底上有厚厚的海水阻隔,已相当隐蔽了,再深入海底之下的地层,那就更加难以被故发现。有人曾设想建造三种类型的海底地下基地:①与陆地相通的海底地下基地,如在大陆沿岸或大的岛屿沿岸海底,向内陆挖掘通道,在通道纵深扩建成潜艇地下港口和码头。对这种基地,可在陆上建立隐蔽的出入口,通过升降电梯等装置更换人员,运送补给品,对基地进行维护和管理。目前,技术先进和经济发达的国家,建造这种海底基地已不存在困难,而且有些国家已建立了这种基地。②远洋浅海地下基地。建立这种地下基地,可由水面钻井平台进行施工。首先钻挖垂直通道,然后从底部向侧旁开挖。一个基地可有数个垂直通道,垂直通道的多少,视地下基地的规模而定。③远洋深海海底基地。这种基地的形式与远洋浅海地下基地类似,只是由于海水太深,要使用海底钻井装置施工,技术更加复杂。

三是建立海底悬浮基地。这种基地的武器装备大都是用锚索或锚固定在海底的,使武器装备悬浮于海底之上。若用锚固定,就要考虑海底地质,因海底底质直接影响锚的抓力。海底较平坦。又是黏土,锚抓力最大,泥沙质海底次之。如果海底坡度较大,底质是沙砾、碎石、贝壳和岩石等等,锚抓力就差,甚至不起作用,一般不适于锚定。此外,还应考虑海流等因素对武器载备冲移的影响。

四是建立活动的海底基地。这种基地的好处是,根据形势的变化和作战需要,能随时移动位置,机动性强。利于隐蔽,安全地作战。这种基地可坐落于海底,但要注意坐落稳定,起浮迅速。一般来讲,海底应平坦些,若坡度超过一定限度,就影响基地的稳固性。还应考虑海底对基地起浮的吸力。黏土、泥沙,对基地吸力较大。1970年6月,美国“海神”水下居住室在夏威夷试验场实验时,由于压载舱出现故障,浮力不足以克服海底吸力,致使“海神”在160米深的海底停留了4天,直到水面支援船送气后才勉强上浮。这种教训,是值得坐落海底基地时借鉴的。海底地质硬,吸力较小,但应避免坐落碰撞。日本“海底居住基地”要在泥泞的海底作业,因而每根支撑柱的底部都装有钢碟支撑板,而且支撑柱底端是带锥头角的锥体。这样,可防止支撑柱过深地陷于泥中,减少吸力。这种经验,也是值得借鉴的。

总之,海底军事基地的建设,除与海洋环境其他因素有关外,海底地形与地质对海底基地建设影响是很大的。因此,美国、前苏联等国家极为重视对海底地质的调查和研究。

海底基地的建设靠潜水员。各国海军的海底基地一旦建成,平静的海底就会变成一个个大兵营。因此,潜水员——蛙人,将是未来海军中一支不可忽视的力量,是海底兵营中最活跃、最有威慑力的主力军。

海上运载火箭发射场和航天港

目前,由于科学技术的飞速发展,一些国家计划在海洋上建立大型运载火箭发射场和筹划建设国际航天港。

大型海上运载火箭发射场,按所在海区可分为沿海型和远洋型,前者位于各国的领海内,运输补给方便,后者远离近海,有时还深入赤道水域实施作业;按运动方式分有固定式和机动式两种,前者为岛屿或海上人工平台,后者多为运载火箭发射船,有自航能力,可以洲际续航;按使用期限又可分为临时型、短期型和永久型;按技术复杂程度分类,又可分为简易型和综合型。

美国研究的浮动大型海上运载火箭发射平台能搭载起飞总重达3000吨的运载火箭,并能耐30米高的波浪冲击,可抵御40米/秒的劲风袭击。日本的海上运载火箭发射系统与美国的浮动拖曳平台不同,它由半潜式自航运输船、发射平台、维护平台、储备平台四部分组成。建立海上运载火箭发射场,对实现航天器从海上发射、遥测、遥控、回返一体化具有现实意义,并有效地扩大和改善了陆基航天基地的功能。

预计到21世纪初,美国在海上将建成3~4个航天港,其中最大的一个将位于太平洋地区。20世纪90年代中期,已着手建设太平洋航天港,其中包括建设2座可发射100吨级有效载荷的发射台,2条可供空天飞机起飞和降落的跑道和1条供运输机使用的普通跑道。90年代末期开始承揽发射卫星业务。21世纪,太平洋航天港各项公共设施将基本配齐,除照常开展发射、回收卫星业务外,还将承接航天飞机和空天飞机的发射和降落业务。届时,太平洋航天港将有15万名的居住人口,其中5万名职工、10万名家属,它不仅是立体交通最发达、最现代化的地方,而且是世界信息、通信中心,著名的旅游胜地。

海洋油气田开发

1. 勘探技术

为了掌握石油和天然气在海底埋藏的地点、分布范围及储量的多少,人们通常先采用地质勘探、地球物理勘探和地球化学勘探等多种间接勘探方法。其中,海洋地球物理勘探技术,简称海洋物探技术,是发展最快、最重要的技术。它是应用物理学原理研究海底地质构造、寻找海底油气田的方法,即在专用的调查船上,使用船舷重力仪和磁力仪、海洋地震勘探系统等特殊设备,以及各种无线电导航定位、卫星导航定位和精密定位仪等装备,来寻找有利于聚集油气的地层和构造。而最重要和最常用的是海洋地震勘探,在勘探早期也采用海洋重力勘探和海洋磁力勘探。

(1)海洋地震勘探法。在进行勘查时,从调查船上使用一种人工震源,在水中激发产生地震波,对海底内部结构进行勘探的方法,叫做海洋地震勘探法。

海洋地震勘探法能连续作业,并且由于地震波在水中激发接收条件较均一,所以它要比陆上地震勘探效率高、成本低、质量好。因此,人们把海洋地震勘探法看做是进行海上油气勘探最基本、最主要的方法。

目前,通常使用的海洋地震勘探的人工震源主要是空气枪震源,一定条件下也采用水枪震源、电火花震源等。近几年来,海洋地震勘探技术又有了新的进展,建造了高级地震船,采用了最新的三维地震勘探技术。

(2)海洋重力勘探法。海洋重力勘探法是通过装在船上的重力仪进行测量来实现的。它测量重力场的强度或重力场强度增量,进一步了解沉积岩的厚度和基岩起伏情况,划分所测区域的区域构造单元,并研究隆起的性质,再与其他物探资料相结合,来圈定油气远景区。这种勘探方法通常与地震勘探法同时进行,其投资少、速度快、效率高,是海洋油气勘探早期中常用的手段之一。

(3)海洋磁力勘探法。海洋磁力勘探法是通过在调查船后或飞机后拖着的磁力仪探测和研究所测海区的磁场异常,以确定海底下磁性基底上沉积层的厚度、地质构造。现已成为寻找石油和天然气资源的早期判断手段之一。目前,调查船上用的磁力仪有饱和式磁力仪、核子旋进磁力仪、光泵磁力仪或海上梯度仪等。

上述海上油气物探方法在国内外都已获得广泛应用。

2.钻井技术

海上钻井是油气勘探开发中必不可少的技术手段。它是在海上物探基础上进行的,是对海底石油和天然气情况的详查。通过对钻井取芯的分析,可搞清地层的岩性和油层的厚度情况。由于海上作业环境条件与陆上完全不同,所以海上钻井技术难度大、投资多。在海上钻井必须建造高出海面、置于海底的各种钻井平台,把钻机装在平台上进行钻探,称为固定式钻井平台。若在海上采用漂浮式的钻井装置,即为活动式钻井平台。自20世纪70年代中期以来,海上油气钻井技术逐渐向着自动化方向发展,在钻井设备的自动化和自动控制技术方面都获得新的突破,完善了一整套钻井计算机控制系统与网络,以及异常地层压力控制与预测技术和随钻测量系统,使用了高精度的卫星、无线电和声学定位技术,卫星数据传输通信技术和高精度的动力定位技术等。

海上钻井数量和钻井水深是钻井技术水平的综合反映。从国家来看,近年海上油气钻井50口以上的有17个国家,其中,美国、英国、印度和印度尼西亚的海上油气钻井数超过100口。

世界最高的石油钻采平台

1988年9月,美国壳牌公司在墨西哥湾水深411米处建造了一座世界最高的石油钻采平台——布尔温克尔平台,仅它的导管架就有416米高,重量约5万吨。安装完后的平台,连同钻井架的高度达492.3米,总重7.8万吨,平台面积为122米×146米,有60个井孔,两台钻机可同时在甲板上操作。这是一座大型整体钢结构钻井平台,是为开发深水的格陵峡谷油田而建造的。由于它的重量和大小都是创世界纪录的,因此,拖航和水下就位,就要使用特殊规格的大型驳船来承担。

在钻井水深方面,国际上把水深超过183米的钻井看做深水钻井。自1965年美国埃克森石油公司在南加利福尼亚近海用“卡斯”1号钻井装置钻出水深193米的世界上第一口深水井之后,深水钻井数量不断增加,水深也不断加大。1992年,巴西研制的海上浮式生产系统,在Marlin油田创造了325米水深海底钻井的世界纪录。

目前,世界海水钻井多采用活动式钻井装置。这类钻井装置既能保证钻井时的平稳性,又具有易移动且能适应各种水深的优点。它大致分为自升式、半潜式、坐底式和钻井船等类型。据统计,到1997年底,世界上固定式和活动式钻井平台达7384座,仅1997年就安装275座。