楊 旭， 周曉東， 竇宏波， 唐丕鑫

(1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司 工程研究設(shè)計院， 北京 100029；2. 中國石油天然氣管道工程有限公司， 河北 廊坊 065000)

0 引 言

南海北部灣存在眾多邊際油田。這些油田水深一般在40 m以內(nèi)，合計總儲量非常可觀。我國對石油和天然氣資源的迫切需求使得這些油田的開發(fā)十分重要。為把南海邊際油田油氣儲量經(jīng)濟(jì)有效地開發(fā)起來，必須從技術(shù)上突破傳統(tǒng)工程開發(fā)模式、降低工程投資。

針對邊際油田開發(fā)，海外研究人員提出一種新型簡易井口平臺，具有自安裝、沉淀基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)簡單、造價低等特點，可作為無人平臺使用。WATSON等[1]提到澳大利亞成功投產(chǎn)的一種新型平臺Yolla A, 該平臺采用一種無壓載深裙板基礎(chǔ)形式，入泥深度為5.4 m, 利用隔間的負(fù)壓實現(xiàn)貫入安裝。OOLEY等[2]研究印度尼西亞的Maleo可移動生產(chǎn)平臺MOPU (Mobile Offshore Production Unit)，該平臺為三腿平臺下設(shè)1個長方形沉墊基礎(chǔ)，沉墊基礎(chǔ)中有2個長方形開口。位于北海的Bentley 9/3B區(qū)塊采用MOPU依托圓筒型FSO(Floating Storage and Offloading)及水下生產(chǎn)系統(tǒng)、導(dǎo)管架的開發(fā)模式。MOPU所在水深約109 m，采用中間開口的桁架式樁腿，下部為中間開口的沉墊與深裙板的組合，深裙板可利用負(fù)壓貫入安裝，如圖1[3]所示。

圖1 Bentley MOPU示例

本文參考國外已有的這些工程實例，以南海北部灣某油田為目標(biāo)，設(shè)計一種簡易無人井口平臺，該平臺具有形式簡單、無人化操作、可在一定范圍內(nèi)變化水深、無須動用大型安裝資源、可重復(fù)利用等優(yōu)點。對該平臺進(jìn)行總體布置方案研究、主尺度設(shè)計和重量估算、平臺基礎(chǔ)研究、升降系統(tǒng)裝置選型、在位工況結(jié)構(gòu)分析、拖航穩(wěn)性分析和安裝方案研究，研究該平臺在南海北部灣的適應(yīng)性，為國內(nèi)邊際油田工程開發(fā)方案提供備選。

1 設(shè)計基礎(chǔ)

選擇南海潿洲區(qū)域某油田作為目標(biāo)油田，該油田設(shè)計井?dāng)?shù)為3口，其中2口為生產(chǎn)井、1口為注水井，經(jīng)濟(jì)年限約6 a，6 a后平臺移位至船廠進(jìn)行改造更新后再服役下一油田。

平臺設(shè)置控制系統(tǒng)、計量設(shè)備、化學(xué)藥劑設(shè)備、應(yīng)急發(fā)電機(jī)、簡易公用系統(tǒng)等。通過海底管道將產(chǎn)液輸送至附近中心處理平臺進(jìn)行注水，電力通過電纜依托附近平臺，采用鉆井船進(jìn)行鉆修井。

平臺所在位置設(shè)計水深為33.4 m(相對于海圖深度基準(zhǔn)面)，設(shè)計適應(yīng)水深至40.0 m。由于該平臺為無人簡易平臺，環(huán)境條件選擇五十年一遇極值條件作為生存海況。環(huán)境極值條件如表1所示, 風(fēng)玫瑰圖和浪玫瑰圖分別如圖2和圖3所示。

表1 環(huán)境極值條件

圖2 風(fēng)玫瑰圖(年)

圖3 浪玫瑰圖(年)

工程土壤為非常軟到硬的粉質(zhì)黏土，地質(zhì)條件如表2所示，參考API RP 2A-WSD[4]方法得到。

表2 工程土壤地質(zhì)條件[4]

2 平臺總體

根據(jù)設(shè)計基礎(chǔ)和平臺功能，結(jié)合已有的國外項目，針對該北部灣油田設(shè)計1座帶有鋼絞線牽拉升降系統(tǒng)的桁架可移動式自安裝無人井口平臺，平臺為鋼質(zhì)非自航，平臺效果圖如圖4所示。平臺由平臺主體、鋼絞線牽拉升降系統(tǒng)、桁架樁腿和基礎(chǔ)等組成。平臺主體為箱形結(jié)構(gòu)，箱形結(jié)構(gòu)平面為長方形。箱體內(nèi)設(shè)壓載水艙、海水艙、淡水艙和機(jī)械艙室等。主甲板設(shè)簡易處理模塊、注水模塊和工作間等。平臺樁腿為桁架式結(jié)構(gòu)，桁架式樁腿下端與基礎(chǔ)相連，平臺拖航時基礎(chǔ)上表面與箱體下表面基本貼近。桁架式樁腿為四邊形，每個角點設(shè)1套鋼絞線牽拉升降系統(tǒng)。升降系統(tǒng)可將平臺主體提升或降下一定高度，待升降至設(shè)計高度處，將桁架式樁腿與平臺主體連接固定。

圖4 平臺示例

平臺主體尺寸為33.0 m×32.0 m×4.5 m；中心開口尺寸為16.0 m×16.0 m×4.5 m；桁架式樁腿主尺度為14.0 m×14.0 m×61.5 m，設(shè)置5個水平層。平臺樁腿和結(jié)構(gòu)基本形式如圖5所示。平臺基礎(chǔ)尺寸為33.0 m×32.0 m×6.0 m，基礎(chǔ)由沉墊式箱型結(jié)構(gòu)和深裙板兩部分組成，其中：沉墊部分高度為2.0 m，裝滿壓載水；深裙板高度為4.0 m。沉墊和裙板被分為4個獨立部分。平臺基礎(chǔ)如圖6和圖7所示。污水艙、燃油艙、淡水艙、機(jī)泵艙設(shè)于平臺主體內(nèi)。

圖5 平臺樁腿和結(jié)構(gòu)示例

單位：m圖6 基礎(chǔ)立面示例

單位：mm圖7 基礎(chǔ)平面分區(qū)示例

經(jīng)測算，平臺空船總質(zhì)量約3 000 t，其中船體結(jié)構(gòu)770 t、基礎(chǔ)形式880 t、桁架結(jié)構(gòu)640 t、組塊上部設(shè)施及船體設(shè)施700 t。在在位工況下沉墊內(nèi)可加入壓載水約1 600 t。在預(yù)壓工況下上船體也可完成2 800 t的壓載。保證總預(yù)壓工況質(zhì)量達(dá)7 400 t。

3 升降系統(tǒng)選型

目前自升式平臺常見的升降系統(tǒng)包括齒輪齒條升降系統(tǒng)、液壓插銷升降系統(tǒng)、鋼絞線升降系統(tǒng)、浮箱浮力頂升系統(tǒng)，其主要區(qū)別和優(yōu)缺點如表3所示。

表3 升降系統(tǒng)選型

考慮到所用的平臺為單一樁腿結(jié)構(gòu)，同時該平臺生產(chǎn)年限(6～8 a)較長、移位較少、水深較淺、對移動速度要求不高，且對工程投資要求高、經(jīng)濟(jì)敏感性高，綜合考慮選擇租用鋼絞線升降系統(tǒng)，在每次安裝移位時安裝鋼絞線系統(tǒng)進(jìn)行升降。

根據(jù)平臺重量情況，可配備8臺SJ850鋼絞線千斤頂和4臺液壓泵站，備用1個千斤頂和液壓泵站。采用8根鋼絞線+緩沖裝置進(jìn)行提升，每根鋼絞線能力約700 t，鋼絞線布置在樁腿4個角，每個角布置2個。

4 平臺結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)本平臺作業(yè)海域的環(huán)境條件：平臺主體的結(jié)構(gòu)型式(包括平臺主體甲板、主體底板、舷側(cè)、縱艙壁)采用縱骨架式；橫艙壁及兩端封板采用橫骨架式；平臺樁腿采用桁架式結(jié)構(gòu)，共設(shè)置5個水平層，頂部2個水平層與平臺主體上下表面對齊，桁架樁腿設(shè)置相應(yīng)的X撐以增加強(qiáng)度。

平臺桁架式樁腿結(jié)構(gòu)模擬為三維空間剛架。節(jié)點為剛性連接。在分析時對附屬構(gòu)件如立管、電纜護(hù)管、陽極塊、隔水導(dǎo)管等的環(huán)境條件考慮一定的系數(shù)。

采用基礎(chǔ)四周鉸接的方式模擬邊界條件?；据d荷包括結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備載荷、活載荷和環(huán)境載荷。上述載荷按API RP 2D[5]和API RP 2A-WSD[4]的定義選取。結(jié)構(gòu)自重和浮力由SACS程序計算。附屬構(gòu)件的重量采用系數(shù)修正的方法考慮。風(fēng)、波浪和海流載荷按API RP 2A-WSD[4]規(guī)定的方法，由手工或程序計算。

環(huán)境載荷考慮8個作用方向, 即0°、45.0°、90.0°、135.0°、180.0°、225.0°、270.0°、315.0°。

結(jié)構(gòu)的計算分析表明，主結(jié)構(gòu)構(gòu)件、樁腿結(jié)構(gòu)以及節(jié)點的名義應(yīng)力和沖剪應(yīng)力校核結(jié)果全部滿足要求，最大UC值為0.79。

5 拖航穩(wěn)性與阻力

平臺采用濕拖方式運輸，穩(wěn)性校核標(biāo)準(zhǔn)采用Marine Operations and Marine Warranty(DNV GL ST-N001)[6]規(guī)范進(jìn)行校核。要求如下：完整穩(wěn)心高≥1 m；風(fēng)傾力矩與抗傾力矩曲線面積比>1.4；正穩(wěn)性范圍>36°。破艙穩(wěn)性要求如下：面積比大于1.4；破艙后穩(wěn)性范圍大于10°。利用MOSES軟件建立水動力模型并進(jìn)行穩(wěn)性分析校核。

根據(jù)穩(wěn)性要求得到本平臺的許用重心高如圖8所示。由圖8可知，當(dāng)吃水在3.0 m以上時許用重心高顯著降低，因此應(yīng)保證吃水小于3.0 m。根據(jù)拖航路線和船廠碼頭水深，設(shè)計吃水初步設(shè)計為2.5 m，此時得到的穩(wěn)性曲線如圖9所示。經(jīng)校核各角度完整穩(wěn)性符合規(guī)范要求。

圖8 許用重心高隨吃水變化曲線

圖9 吃水2.5 m風(fēng)向135°條件下穩(wěn)性曲線

根據(jù)規(guī)范對所有需要校核的艙室進(jìn)行破艙穩(wěn)性校核，結(jié)果表明所有破艙穩(wěn)性滿足規(guī)范要求。限于篇幅，表4列出其中部分結(jié)果。

表4 破艙穩(wěn)性分析結(jié)果

拖航阻力根據(jù)中國船級社《海上拖航指南(2011)》[7]進(jìn)行校核, 部分內(nèi)容參考DNV GL-ST-N001[6]。由所得結(jié)果可知：在拖航航速為4 kn的情況下，船舶功率需大于1 305 kW。本項目選擇3 730 kW級別拖船為主拖船，滿足要求。

6 平臺基礎(chǔ)設(shè)計

6.1 平臺抗壓承載力

抗壓承載力為吸力樁外側(cè)摩擦力與端部承載力之和，即

Q=Qout+Qp

(1)

式中：Q為抗壓承載力；Qout為外側(cè)摩擦力；Qp為端部承載力。

基礎(chǔ)入泥深度為4 m，為黏土層，淺基礎(chǔ)端部承載力為

Qp=NccA′

(2)

式中：Nc為承載力因數(shù)；c為貫入土層的平均不排水抗剪強(qiáng)度；A′為基礎(chǔ)有效面積。

對于本課題，除考慮偏心作用外，基礎(chǔ)有效面積還需要減去中間槽口面積(14 m×14 m)。

只考慮端部承載力，計算結(jié)果如表5所示。

表5 吸力樁抗壓承載力計算結(jié)果

由表5可知，平臺抗壓承載力安全因數(shù)滿足規(guī)范對淺基礎(chǔ)的要求(安全因數(shù)>2.0)[8]。根據(jù)Bentley等國外已知項目情況，這類平臺可適應(yīng)的土質(zhì)較軟，入泥深度大多為4～7 m。

6.2 在位抗滑移穩(wěn)性

抗滑移能力分為側(cè)面抗滑移穩(wěn)性和底面抗滑移穩(wěn)性。保守起見，只考慮淺基礎(chǔ)的底面抗滑移穩(wěn)性。

基礎(chǔ)入泥深度為4 m，為黏土層，淺基礎(chǔ)抗滑移穩(wěn)性H為

H=cA

(3)

式中：A為基礎(chǔ)面積。計算結(jié)果如表6所示。

表6 吸力樁在位抗滑移穩(wěn)性計算結(jié)果

由表6可知，平臺在位抗滑移穩(wěn)性安全因數(shù)滿足規(guī)范對淺基礎(chǔ)的要求(安全因數(shù)>1.5)[7]。

7 結(jié) 論

以南海北部灣某油田為目標(biāo)油田，針對一種國外已有應(yīng)用實例但國內(nèi)尚未應(yīng)用的沉墊式可移動井口平臺進(jìn)行概念設(shè)計和分析，結(jié)論表明該平臺結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、樁腿強(qiáng)度、拖航穩(wěn)性、基礎(chǔ)承載力、抗滑移穩(wěn)性等內(nèi)容符合規(guī)范與設(shè)計要求，該平臺在該區(qū)域具備技術(shù)可行性，可作為工程開發(fā)備選方案進(jìn)行研究。

對于該平臺在南海北部灣的應(yīng)用，建議如下：

(1) 沉墊基礎(chǔ)的土壤參數(shù)和土壤平整程度是限制該基礎(chǔ)形式能否使用的關(guān)鍵因素之一，需進(jìn)行工程場地詳細(xì)勘察和分析。對于沖刷、土壤承載力等因素也應(yīng)采用試驗、數(shù)值模擬等方法進(jìn)一步驗證。

(2) 無人化作業(yè)需要機(jī)械、電氣、儀控設(shè)備進(jìn)行無人化改造，并增加相應(yīng)冗余邏輯，對于可能出現(xiàn)危險的工況需要研究自動停產(chǎn)滅火的可行性。

(3) 目前對于可移動生產(chǎn)平臺的規(guī)范還不完善，特別是關(guān)于其長時間工作下的設(shè)計分析依然按短期生產(chǎn)與鉆井平臺進(jìn)行考慮，同時塢修時間要求較短也限制了該平臺的入級。

(4) 限制該平臺應(yīng)用的另一個因素是是否有可經(jīng)濟(jì)應(yīng)用的油田。