朱為全,陳國龍,高 巍,王春升,許 鑫,石 云,王 晉

(1.北京高泰深海技術(shù)有限公司，北京 100029；2.中海油研究總院有限責任公司，北京 100028)

0 引 言

深水浮式生產(chǎn)平臺技術(shù)在20世紀80年代處于初期研發(fā)階段，從20世紀90年代開始進入產(chǎn)業(yè)化工程應用階段，至目前已發(fā)展了四代，即第一代浮式生產(chǎn)儲卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO)、第二代半潛式生產(chǎn)平臺、第三代張力腿平臺(Tension Leg Platform，TLP)和第四代深吃水立柱式平臺(Spar)。Spar作為繼TLP之后的新一代主力深海生產(chǎn)平臺[1-2]，被廣泛應用于世界各深水區(qū)域的油氣田開發(fā)中。

隨著海洋油氣開發(fā)水深的不斷增加和離岸距離越來越遠，海上油氣田開發(fā)的總成本也大幅增加，對深水浮式生產(chǎn)平臺“鉆-采-儲-運”綜合能力和安全可靠性的要求也不斷提高。美國油氣工業(yè)界研究組織DEEPSTAR于 2003—2005年對墨西哥灣深水油氣田開發(fā)項目進行統(tǒng)計研究，結(jié)果表明，對于特定的深水油氣田開發(fā)總成本而言，平臺的船體部分和上部組塊部分成本占總成本比例(約15%～16%)相對較小，而鉆井部分的成本則高達40%。另外，水下系統(tǒng)、立管系統(tǒng)和油氣外輸海底管線成本所占比例也大幅提高。最佳的深水浮式平臺應有效地降低鉆井、完井和修井部分的成本以及水下系統(tǒng)、立管系統(tǒng)和油氣外輸海底管線的成本，而不一定具有最低的平臺本身成本?；诖?，提出一種新型的深水立柱式Spar鉆井生產(chǎn)儲卸油(Spar Drilling Production Storage Offloading,SDPSO)平臺概念，該平臺能夠顯著提高深水工程技術(shù)方案的靈活度并降低深水油田開發(fā)總成本。同時，SDPSO平臺的可移動性和綜合鉆井生產(chǎn)儲卸油能力也能夠使許多深水邊際油田具有更好的商業(yè)開采價值，并使SDPSO平臺成為早期生產(chǎn)系統(tǒng)的選擇方案。SDPSO平臺具備完整的深水鉆完井能力、干樹采油生產(chǎn)作業(yè)能力，適用于中小型深水和邊際油田的開發(fā)。其主體內(nèi)部空間可以用來存儲生產(chǎn)出的原油，從而節(jié)省深水油田開發(fā)的總體建設成本。SDPSO平臺結(jié)構(gòu)對立管等設施提供良好保護。SDPSO平臺整體重心低于浮心，具有無條件穩(wěn)性特征，其運動響應固有周期遠離波浪主要能量范圍且對水深變化不敏感，適合在深水和超深水海域使用[3]。

本文針對目標海域環(huán)境特點，介紹SDPSO平臺的主尺度與安裝方案，對SPDSO平臺的主要安裝步驟進行分析，包括拖拉裝船、干拖運輸、船體浮卸、船體扶正等。圖1 為SDPSO平臺示例。

圖1 SDPSO平臺示例

1 基本信息

1.1 船體基本信息

SDPSO平臺目標服役海域為西非某海域，平臺總長為182 m，空船質(zhì)量約28 008 t，具體尺度如表1所示。

表1 SDPSO平臺主尺度 m

目標安裝運輸船裝載能力為50 000 t，型寬為42.00 m，總長為221.60 m，基本信息如表2所示。由于SDPSO船體直徑為40 m，與安裝運輸船型寬接近，SDPSO總長超過安裝運輸船甲板長度，用于浮卸的臨時浮筒沒有安裝位置，且安裝運輸船在遠洋運輸中的穩(wěn)性存在挑戰(zhàn)，因此需要對目標安裝運輸船進行改造以適應SDPSO船體運輸要求。

表2 安裝運輸船基本信息 m

續(xù)表2 安裝運輸船基本信息 m

在目標安裝運輸船左舷和右舷各添加4個艙室，艙室寬為7 m、長為24 m、高為8.44 m。具體改裝效果如圖2所示。

圖2 目標安裝運輸船改造效果

1.2 安裝方式

SDPSO船體采用場地建造、拖拉裝船、整體運輸、浮卸、扶正和組塊吊裝的方式進行安裝。安裝運輸船運送SDPSO船體至目標港口外進行壓載作業(yè)。安裝運輸船壓載至指定吃水后，SDPSO自浮并在拖船牽引下偏移出安裝運輸船，隨后被拖航至碼頭岸邊進行系泊固定。在岸邊起重機輔助下，SDPSO船體旋轉(zhuǎn)以將未安裝的螺旋側(cè)板進行安裝。在合適的作業(yè)天氣窗口SDPSO船體在拖船的拖帶下拖航至作業(yè)地點進行扶正作業(yè)。

SDPSO船體扶正后回接3根系泊纜，運輸固定壓載的礦砂船就位，連接軟艙與礦砂船，將鐵礦砂輸送至軟艙中。在具體作業(yè)時鐵礦砂需要均勻分布在4個軟艙內(nèi)，體積不超過艙容的2/3。

當固定壓載完成安裝后平臺回接另外6根系泊纜，完成系泊系統(tǒng)的安裝。系泊纜回接完成后進行組塊安裝，組塊可采用雙船浮托安裝或分塊吊裝進行安裝。

在SDPSO的安裝過程中船體拖拉裝船、整體運輸、浮卸、船體扶正為關(guān)鍵步驟。

2 裝船分析

2.1 目標碼頭信息

安裝運輸船裝船吃水范圍D計算方法[4]為

D=Dd+D1-D2-De+Dt

(1)

式中：Dd為安裝運輸船型深；D1為安裝運輸船滑道高度；D2為陸上滑道高度；De為碼頭標高；Dt為碼頭潮位變化范圍。

建造場地碼頭高程為5.30 m，陸上滑道高度為1.00 m，安裝運輸船滑道高度為1.20 m，安裝運輸船型深為13.30 m。碼頭潮位變化范圍為1.22～4.42 m。最終，安裝運輸船裝船吃水范圍為9.42～12.62 m。

2.2 平臺拖拉裝船分析

針對SDPSO船體拖拉裝船的載荷步進行裝船分析。裝船分析需要對安裝運輸船最小吃水狀態(tài)(見圖3)、最大吃水狀態(tài)(見圖4)進行穩(wěn)性計算和總縱強度校核。

圖3 目標安裝運輸船最小吃水狀態(tài)分析模型

圖4 目標安裝運輸船最大吃水狀態(tài)分析模型

拖拉裝船分析要求SDPSO船體在各個載荷步中，運輸船的橫穩(wěn)心高應大于1 m，各個裝載步驟具體分析結(jié)果如圖5所示。分析結(jié)果顯示，在裝載過程中安裝運輸船穩(wěn)性滿足要求。

圖5 最小和最大吃水狀態(tài)SDPSO船體裝船穩(wěn)性分析結(jié)果

在整個裝載過程中安裝運輸船船體總縱強度需要滿足許用要求。在安裝運輸船最小吃水狀態(tài)和最大吃水狀態(tài)下各個載荷步對應的剪力和總縱彎矩校核如圖6和圖7所示。計算結(jié)果顯示，在整個裝載過程中最大剪力為5 003 t，遠小于靜水許用剪力；最大總縱彎矩為-215 037 t·m，遠小于靜水許用彎矩，在整個SDPSO拖拉裝船過程中船體總縱強度滿足要求。

圖6 目標安裝運輸船最小吃水狀態(tài)剪力與彎矩分析結(jié)果

圖7 目標安裝運輸船最大吃水狀態(tài)剪力與彎矩分析結(jié)果

3 運輸分析

3.1 穩(wěn)性分析

運輸穩(wěn)性包括完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性，具體要求參照DNV GL-ST-N001[5]規(guī)范：(1)完整穩(wěn)性。校核風速為100 kn，要求穩(wěn)性范圍不小于36.00°，面積比不小于1.40，初穩(wěn)心高不低于1.00 m。(2)破艙穩(wěn)性。校核風速為50 kn，破艙后初穩(wěn)心高不低于1.00 m。

安裝運輸船遠洋運輸吃水為9.0 m，完整穩(wěn)性校核結(jié)果如表3所示。

表3 安裝運輸船在風速為100 kn時完整穩(wěn)性校核結(jié)果

破艙情況如圖8所示。破艙穩(wěn)性校核結(jié)果如表4所示，計算結(jié)果顯示破艙穩(wěn)性滿足要求。

注：?代表破損艙室圖8 破損艙室示例

表4 安裝運輸船破艙穩(wěn)性校核結(jié)果

續(xù)表4 安裝運輸船破艙穩(wěn)性校核結(jié)果

3.2 運動分析

SDPSO船體在拖拉裝船后進行綁扎固定，安裝運輸船通過調(diào)節(jié)壓載至拖航吃水后完成準備工作，開始遠洋運輸。遠洋運輸分析海況如下：

(1)有義波高Hs=9.0 m，譜峰周期Tp=10.8 s，提升因子γ=5.0；

(2)有義波高Hs=9.0 m，譜峰周期Tp=12.7 s，提升因子γ=2.4；

(3)有義波高Hs=9.0 m，譜峰周期Tp=16.4 s，提升因子γ=1.0。

針對上述海況進行運動分析，SDPSO船體重心位置運動分析主要結(jié)果如表5所示。

表5 SDPSO船體運動分析主要結(jié)果

4 浮卸分析

目標安裝運輸船將SDPSO船體運輸至作業(yè)地點鄰近港口進行浮卸作業(yè)。SDPSO平臺的浮卸作業(yè)分為10步，每一步需要對安裝運輸船船體浮態(tài)與穩(wěn)性進行計算。在浮卸作業(yè)過程中要求安裝運輸船初穩(wěn)心高不低于0.15 m；在浮卸完成后SDPSO船體可以自由漂浮且初穩(wěn)心高不低于1.00 m。

在安裝運輸船運輸過程中臨時可移動船體自身浮箱于船尾改造艙室上方，使其位于SDPSO螺旋側(cè)板的間歇處。同時，SDPSO船體底部焊接臨時浮箱以增強其橫向穩(wěn)性，臨時浮箱位于螺旋側(cè)板的間歇處。

具體計算結(jié)果如表6所示。安裝運輸船的最低橫穩(wěn)心高為0.50 m，滿足要求。

表6 浮卸浮態(tài)與穩(wěn)性

5 扶正分析

SDPSO扶正過程如圖9所示。

圖9 SDPSO船體扶正過程

SDPSO扶正過程分為13步，需要分析的內(nèi)容包括各個步驟對應的SDPSO船體浮態(tài)與穩(wěn)性、壓載方案、總縱強度。SDPSO船體扶正過程浮態(tài)與穩(wěn)性如表7所示。在整個扶正過程中橫縱穩(wěn)心高均大于0.15 m。當接近豎直狀態(tài)時，SDPSO平臺實際穩(wěn)心高是較大的。

表7 SDPSO船體扶正過程浮態(tài)與穩(wěn)性

續(xù)表7 SDPSO船體扶正過程浮態(tài)與穩(wěn)性

SDPSO船體扶正過程剪力、彎矩曲線如圖10所示。在整個過程中最大剪力為7 187 t，最大彎矩為360 238 t·m。

圖10 SDPSO船體扶正過程剪力與彎矩分析結(jié)果

6 結(jié) 論

SDPSO 是一種新型浮式平臺，集鉆-采-儲-卸四大功能于一體，可以大幅節(jié)約深水油田開發(fā)成本，同時其具有優(yōu)良的安全可靠性、深水鉆完井能力、儲卸油能力等優(yōu)點，非常適合于西非深水油氣田開發(fā)。

簡要分析SDPSO船體運輸安裝的主要工況。分析結(jié)果顯示：目標運輸船拖拉裝船滿足相關(guān)要求；考慮到服役于目標海域的SDPSO主尺度超出目標運輸船的甲板長度和寬度，對其進行改造以滿足穩(wěn)性和浮卸作業(yè)要求；SDPSO船體扶正滿足相關(guān)要求。

SDPSO安裝設計涉及多個環(huán)節(jié)，安裝資源和目標海域的場地條件都是影響最終方案的重要因素，在初始設計階段應對其予以充分的重視。