曹文冉，劉振紋

（1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津 300451；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司 海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300451）

0 引言

某油氣田位于水深1030m～1300m海域，已探明的天然氣儲(chǔ)量較高，如何以有限的投資對(duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)日益受到重視和研究?？紤]到海洋平臺(tái)的造價(jià)占投資很大比例，因此采取各種技術(shù)手段減少建造成本和安裝費(fèi)用成為關(guān)鍵[1-3]。

鋼質(zhì)導(dǎo)管架平臺(tái)是油氣田開(kāi)發(fā)中最主要的一種海洋平臺(tái)形式，而單腿導(dǎo)管架因平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、建造周期短、安裝費(fèi)用低等特點(diǎn)，在墨西哥灣、西非、北海等海域油氣田開(kāi)發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用[4,5]。如果能將其應(yīng)用于該地深水油氣田開(kāi)發(fā)，將大大降低前期的資金投入和工程風(fēng)險(xiǎn)，其意義將十分重大。

鑒于此，針對(duì)某海域海洋環(huán)境特點(diǎn)，借鑒國(guó)內(nèi)外油氣田開(kāi)發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn)，提出了適用于目標(biāo)油氣田的依托開(kāi)發(fā)模式，依據(jù)美國(guó)石油學(xué)會(huì)和鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，采用國(guó)際通用的海洋工程有限元軟件SACS，對(duì)選定的單腿導(dǎo)管架平臺(tái)進(jìn)行了整體吊裝和海上拖航分析，并給出了可行的海上施工船舶，旨在為我國(guó)類似平臺(tái)的建造安裝提供技術(shù)參考。

1 海洋平臺(tái)選型

1.1 開(kāi)發(fā)模式

目標(biāo)油田靠近的島礁位于西沙群島西南端，結(jié)合該地水文環(huán)境特點(diǎn)和國(guó)內(nèi)成熟的LNG技術(shù)條件，并借鑒國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)油氣田的成功經(jīng)驗(yàn)，初步提出了兩種適用于目標(biāo)油氣田的依托開(kāi)發(fā)模式：1）水下生產(chǎn)系統(tǒng)+淺水固定平臺(tái)+陸上LNG終端；2）水下生產(chǎn)系統(tǒng)+深水平臺(tái)+陸上LNG終端。其想象圖如圖1所示。

圖1 依托開(kāi)發(fā)模式想象圖

目前，國(guó)際上已經(jīng)成功應(yīng)用的深水平臺(tái)包括半潛式平臺(tái)、張力腿平臺(tái)（TLP）和柱筒式平臺(tái)（SPAR）?？紤]到國(guó)內(nèi)半潛式平臺(tái)技術(shù)尚不成熟，而TLP和SPAR的設(shè)計(jì)又為歐美發(fā)達(dá)國(guó)家所壟斷[4]，因此建議選用淺水固定平臺(tái)壓縮天然氣，然后經(jīng)海底管線輸送至該島，最后利用該島進(jìn)行油氣處理、儲(chǔ)運(yùn)和回接。

1.2 平臺(tái)選型

淺水固定平臺(tái)是指固定于海底為油氣開(kāi)采服務(wù)的長(zhǎng)久性結(jié)構(gòu)物，適用于60m以內(nèi)水深，多以鋼結(jié)構(gòu)為主，主要包括導(dǎo)管架平臺(tái)、自升式平臺(tái)、重力式平臺(tái)和順應(yīng)式平臺(tái)等，其中前兩類平臺(tái)應(yīng)用最廣泛，而導(dǎo)管架平臺(tái)又可分為簡(jiǎn)易平臺(tái)和常規(guī)平臺(tái)。

簡(jiǎn)易平臺(tái)是指支撐少數(shù)井口（1～6口）并滿足油氣田必要開(kāi)發(fā)需求和一定安全要求的簡(jiǎn)單鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)。這種平臺(tái)首先出現(xiàn)在墨西哥灣，而后在世界各海域得到不斷推廣，目前已超過(guò)1500座。在國(guó)內(nèi)，中海油潿洲11-4C油田采用的“兩腿三樁平臺(tái)”最為矚目，使工程投資由原方案的2.70億降至1.33億，每桶油成本由當(dāng)時(shí)的11美元降至3.1美元[3,5]。

考慮到目標(biāo)油田位于臺(tái)風(fēng)影響海域，風(fēng)大浪急，環(huán)境惡劣，所依托島礁四周海底多珊瑚巖礁盤和碎石，而且對(duì)周圍海域的環(huán)境保護(hù)也不容忽視。鑒于此環(huán)境條件，表1給出了常用淺水平臺(tái)的優(yōu)缺點(diǎn)和適應(yīng)性分析。

表1 常用淺水平臺(tái)特點(diǎn)及其適應(yīng)性

由表1可知，單腿導(dǎo)管架平臺(tái)和四腿導(dǎo)管架平臺(tái)均可滿足目標(biāo)海域作業(yè)要求，但前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且質(zhì)量輕便，可采用整體建造、整體運(yùn)輸和整體安裝的方式，對(duì)建造施工機(jī)械和海上安裝船舶要求不高，將明顯縮短建造工期、節(jié)省安裝費(fèi)用并降低操作費(fèi)用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，非常值得在目標(biāo)油田開(kāi)發(fā)中推廣應(yīng)用。

2 單腿導(dǎo)管架平臺(tái)施工分析

2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

單腿導(dǎo)管架平臺(tái)與常規(guī)導(dǎo)管架平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法基本相同[5]，以美國(guó)API RP 2A和AISC S360標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，同時(shí)參考國(guó)內(nèi)規(guī)范和設(shè)計(jì)指南[6,7]，依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

2.2 計(jì)算模型

采用國(guó)際通用的海洋工程有限元分析軟件SACS，將單腿導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)模擬為三維空間框架，如圖2所示。計(jì)算模型主要包括2個(gè)部分：

1）導(dǎo)管架：含筒柱、樁靴、水平支撐和斜撐。

2）附屬結(jié)構(gòu)：登船平臺(tái)、護(hù)船弦、防沉板等。

吊裝時(shí)必須保證吊點(diǎn)位于導(dǎo)管架重心的正上方，吊繩與水平面的夾角一般不宜小于60°。由于重心計(jì)算的不精確，需要考慮重心偏移的影響。分析時(shí)用一定剛度的彈簧約束導(dǎo)管架的橫向位移，當(dāng)彈簧力接近0時(shí)，就可以證明吊點(diǎn)位置正好在重心上方。

拖航時(shí)選用的駁船尺寸為長(zhǎng)300ft（91.44m）、寬90ft（27.432m）、高20ft（6.096m）。一般考慮靜力和動(dòng)力兩種情況，前者是導(dǎo)管架剛剛吊裝上船尚處于自由站立狀態(tài)，且駁船正在調(diào)節(jié)壓載；后者是已經(jīng)完成導(dǎo)管架的裝船固定，且駁船處于拖航運(yùn)輸狀態(tài)。

圖2 導(dǎo)管架整體結(jié)構(gòu)模型

單腿導(dǎo)管架施工布置圖如圖3所示。

圖3 導(dǎo)管架吊裝示意圖及裝船布置圖

2.3 基本荷載

單腿導(dǎo)管架在吊裝和拖航期間，會(huì)受到各種荷載的作用，主要包括恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載和動(dòng)力荷載[6-8]。

1）恒荷載

恒荷載是指平臺(tái)結(jié)構(gòu)的重量和在某個(gè)作業(yè)形式下不變化的任何永久設(shè)備和附屬結(jié)構(gòu)的重量。結(jié)構(gòu)自重一般由程序自動(dòng)計(jì)算，設(shè)備荷載和模擬時(shí)簡(jiǎn)化掉的附屬結(jié)構(gòu)必須將其重量人工計(jì)算后通過(guò)點(diǎn)、線或面荷載的形式輸入模型中。

2）活荷載

活荷載是指平臺(tái)使用期間隨著作業(yè)形式可能發(fā)生變化的荷載，如貨物、儲(chǔ)料、液體等?；詈奢d在施工分析中一般不考慮。

3）風(fēng)荷載

一般情況下，拖航運(yùn)輸選定的風(fēng)速為100km/h，根據(jù)API RP 2A的推薦公式計(jì)算風(fēng)荷載，計(jì)算公式為：

式中：F為風(fēng)荷載；Cs為形狀系數(shù)，通常迎風(fēng)平面取1.5，圓形構(gòu)件取0.5，總投影面積取1.0；VH為計(jì)算高度處的風(fēng)速；A為迎風(fēng)面總投影面積；VR為海平面以上10m高度處的參考風(fēng)速；H為計(jì)算高度；HR為參考高度，通常取海平面以上10m。

4）動(dòng)力荷載

動(dòng)力荷載是指拖航運(yùn)輸時(shí)船舶的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，主要包括橫搖、縱搖和升沉，可根據(jù)Noble Denton標(biāo)準(zhǔn)選用表3中的設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)而確定結(jié)構(gòu)的加速度和角加速度。

表3 拖航運(yùn)輸船體運(yùn)動(dòng)

2.4 荷載組合

荷載組合是將細(xì)化的基本荷載分別組合，按照對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最不利影響進(jìn)行設(shè)計(jì)[5,6]。單腿導(dǎo)管架吊裝分析和拖航分析分別考慮了3種組合工況，如表4所示。

表4 導(dǎo)管架施工分析荷載組合

2.5 分析結(jié)果

單腿導(dǎo)管架施工分析按照API RP 2A的要求，對(duì)主結(jié)構(gòu)桿件進(jìn)行名義應(yīng)力校核，并對(duì)主要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行沖剪應(yīng)力校核。

1）吊繩力及支反力

通過(guò)確定吊繩力可以選用合適的吊繩、卸扣并設(shè)計(jì)吊耳，通過(guò)確定支反力可以實(shí)現(xiàn)裝船固定設(shè)計(jì)。表5給出了吊裝時(shí)最大吊繩力和拖航時(shí)最大支反力。

表5 吊繩力/支反力

2）桿件名義應(yīng)力

桿件名義應(yīng)力校核通過(guò)應(yīng)力比（即UC）實(shí)現(xiàn)，即名義應(yīng)力與許用應(yīng)力的比值。表6給出了吊裝和拖航分析時(shí)主結(jié)構(gòu)桿件的最大UC值。由表6可見(jiàn)，主結(jié)構(gòu)桿件UC均小于1.0，且有一定的安全余度，完全滿足強(qiáng)度要求。

表6 主結(jié)構(gòu)桿件UC

3）節(jié)點(diǎn)沖剪應(yīng)力

節(jié)點(diǎn)沖剪應(yīng)力用于評(píng)估管節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度，表7給出了吊裝分析和拖航分析時(shí)主要管節(jié)點(diǎn)的最大UC值。由表7可見(jiàn)，所有主要管節(jié)點(diǎn)的沖剪應(yīng)力UC均小于1.0，完全滿足規(guī)范要求。

表7 主要節(jié)點(diǎn)沖剪應(yīng)力UC

3 施工機(jī)具選擇

通過(guò)第2節(jié)的計(jì)算得知，單腿導(dǎo)管架的吊裝重量為1012T，建議采用立式建造和整體吊裝的方式以減少陸地建造周期和海上安裝費(fèi)用。結(jié)合國(guó)內(nèi)現(xiàn)有船舶條件，目前可用于上述單腿導(dǎo)管架海上施工的起重船和運(yùn)輸駁船如表8和表9所示[5]。

表8 海上起重船

表9 海上運(yùn)輸駁船

4 結(jié)束語(yǔ)

基于海洋環(huán)境條件，針對(duì)目標(biāo)油氣田依托開(kāi)發(fā)模式，探討了導(dǎo)管架平臺(tái)選型問(wèn)題，采用有限元軟件SACS建立了單腿導(dǎo)管架三維計(jì)算模型，并根據(jù)API RP 2A規(guī)范進(jìn)行了整體吊裝和海上運(yùn)輸分析。通過(guò)模型計(jì)算和對(duì)比分析，得到了以下結(jié)論：

1）對(duì)于目標(biāo)油氣田，“水下生產(chǎn)系統(tǒng)+淺水固定平臺(tái)+陸上LNG終端”的依托開(kāi)發(fā)模式更為合理，加之單腿導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕便，更有利于陸地建造和海上安裝。

2）結(jié)合國(guó)內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀，單腿導(dǎo)管架完全滿足整體吊裝和長(zhǎng)距離拖航要求，海上起重船和運(yùn)輸駁船選擇空間較大，從而避免了對(duì)大型施工船舶的依賴，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

3）目前，簡(jiǎn)易導(dǎo)管架平臺(tái)在墨西哥灣、北海等海域的作業(yè)水深已接近200m，而在國(guó)內(nèi)尚處于40m以內(nèi)海域，如果將其推廣應(yīng)用于深水油氣田開(kāi)發(fā)將具有重要意義。

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[4]《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會(huì).海洋石油工程深水油氣田開(kāi)發(fā)技術(shù)[M].北京: 石油工業(yè)出版社,2011.

[5]《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會(huì).海洋石油工程邊際油氣田開(kāi)發(fā)技術(shù)[M].北京: 石油工業(yè)出版社,2010.

[6]《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會(huì).海洋石油工程平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京: 石油工業(yè)出版社, 2007.

[7]李潤(rùn)培, 王志農(nóng).海洋平臺(tái)強(qiáng)度分析[M].上海: 上海交通大學(xué)出版社, 1992.

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