邵衛(wèi)東，付殿福，慈洪生

(中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028)

隨著我國海洋石油開發(fā)水平的發(fā)展，對深水開發(fā)技術(shù)的要求越來越迫切。全球約有數(shù)千座導(dǎo)管架式生產(chǎn)平臺，其中水深超過200 m的導(dǎo)管架平臺共計27座；水深超300 m的導(dǎo)管架平臺僅有9座，全部集中在墨西哥灣或南加州外海區(qū)域。我國迫切需要一種適合南海臺風(fēng)海域作業(yè)、可裝備模塊鉆機、采用干式井口的深水導(dǎo)管架平臺。300 m水深級導(dǎo)管架平臺技術(shù)，是未來一段時間南海中等水深油氣田經(jīng)濟高效開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。在水深不超過300 m以內(nèi)油氣田開發(fā)方案中，為此，探討導(dǎo)管架平臺仍為目前最經(jīng)濟的開發(fā)方案，導(dǎo)管架平臺的設(shè)計方案中的上部模塊施工方案。

1 方案選擇基礎(chǔ)

目前上部模塊施工主要有兩種：①吊裝方案,在導(dǎo)管架安裝完成后，利用大型浮吊將上部模塊、生活樓和鉆修井機具分塊吊裝到導(dǎo)管架上，并進行相關(guān)模塊之間的連接和調(diào)試[1-2]；②浮托方案,導(dǎo)管架安裝完成后，利用浮托駁船將上部模塊(含生活樓、鉆修機具等)整體通過運輸駁船安裝到導(dǎo)管架上[3]。隨著海洋油氣的開發(fā)，海洋油氣開發(fā)平臺的組塊呈現(xiàn)大型化、綜合化發(fā)展，上部組塊的重量和尺寸不斷加大，造成上部組塊安裝難度越來越大。與傳統(tǒng)的吊裝法相比，在20世紀(jì)80年代提出的浮托安裝法可以實現(xiàn)上部模塊的整體安裝，避免大型浮吊吊裝能力對安裝的限制，并且有利于減少平臺的聯(lián)接調(diào)試工作量，降低施工難度，節(jié)省施工成本[4-5]。與傳統(tǒng)的吊裝方案相比，浮托安裝受到作業(yè)氣候窗影響較大，在某些海域只有幾個月份可以實施，如錯過該氣候窗，將需要推遲1年進行安裝，影響油田的投產(chǎn)時間[6]，吊裝方案對作業(yè)氣候窗的要求相對寬松。對于上部模塊采用浮托法施工，因模塊運輸駁船需要穿過導(dǎo)管架，因此導(dǎo)管架需要有一個較大的槽口以滿足浮托進退船要求[7-9]；對于上部模塊采用吊裝方案施工，浮吊船在導(dǎo)管架一側(cè)進行施工，導(dǎo)管架不需要進行開口。

兩種施工方案對于導(dǎo)管架設(shè)計具有較大影響。目前針對淺水水域，上部模塊施工方案對導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工的影響認識相對較為成熟[10-11]，但對于水深超過250 m的導(dǎo)管架，針對不同的施工方案，需要從技術(shù)和經(jīng)濟兩方面統(tǒng)籌考慮，選擇適用于深水導(dǎo)管架的上部模塊施工方案。

2 分析案例

南海某深水平臺為例，對上部模塊采用吊裝施工和浮托施工兩種方案，開展導(dǎo)管架設(shè)計的影響對比分析。該平臺水深達到286 m設(shè)置有模塊鉆機，100人生活樓，平臺設(shè)置一級油氣水處理系統(tǒng)，設(shè)置有公用系統(tǒng)、注水系統(tǒng)等，上部組塊干重達到12 000 t(含生活樓和模塊鉆機)，若采用吊裝方案，則組塊需要分為東、西2塊，模塊鉆機和生活樓需要單獨吊裝，共計需要5塊吊裝施工；若采用浮托方案，整體浮拖重量達到13 800 t(含生活樓、模塊鉆機和DSF)，采用HYSY278施工，導(dǎo)管架槽口寬度為48 m。兩種施工方案的組塊總圖布置見圖1。

圖1 總圖布置

3 施工方案對導(dǎo)管架設(shè)計影響分析

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1.1 吊裝方案

對于上部模塊采用吊裝方案，導(dǎo)管架工作點主尺度為(14 m+14 m+14 m)×18 m，底盤尺寸為95 m×95 m。該水深的導(dǎo)管架需要通過滑移下水進行安裝，為優(yōu)化結(jié)構(gòu)鋼材用量，導(dǎo)管架采用四腿方案，需要設(shè)置滑移下水桁架，以滿足施工要求。針對組塊采用吊裝施工方案，開展導(dǎo)管架方案設(shè)計規(guī)劃，導(dǎo)管架共設(shè)計9個水平層下，水桁架從-55 m開始，寬度24 m。斜撐的最大直徑為1 800 mm；壁厚50 mm.主腿最大直徑4 000 mm，壁厚80 mm。吊裝方案導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)總體布置規(guī)劃見圖2a)，靜力計算結(jié)果見圖2b)。對組塊吊裝方案導(dǎo)管架進行靜力計算并進行工程量統(tǒng)計，上部模塊采用吊裝方案，導(dǎo)管架主結(jié)構(gòu)用鋼量為23 630 t，導(dǎo)管架下水重量為29 300 t，導(dǎo)管架重心位置為(-7.26 m，0.03 m，-174.40 m)，該布置方案下極端環(huán)境荷載為8 000 t。

圖2 吊裝施工導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1.2 浮托方案

上部模塊采用浮托方案，為適應(yīng)HYSY278運輸駁船的進退船要求，在導(dǎo)管架2、3軸之間需要預(yù)留48 m的槽口寬度，因此導(dǎo)管架工作點主尺度為(12 m+48 m+12 m)×18 m，底盤尺寸為95 m×95 m。該水深的導(dǎo)管架需要通過滑移下水進行安裝，需要設(shè)置滑移下水桁架，以滿足施工要求。組塊浮托重量為13 800 t，采用浮托施工方案，開展導(dǎo)管架方案設(shè)計規(guī)劃。為保證浮托安裝需求，導(dǎo)管架槽口區(qū)域剛度較弱，需要在槽口區(qū)增加一個水平層，浮托方案導(dǎo)管架共設(shè)計10個水平層，導(dǎo)管架共計10個水平層，下水桁架從-43 m開始，寬度24 m。斜撐最大直徑2 200 mm；壁厚60 mm。主腿最大直徑4 200 mm，壁厚95 mm。導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)規(guī)劃方案布置見圖3a)，導(dǎo)管架靜力計算結(jié)果見圖3b)。分析結(jié)果，上部模塊采用浮托方案，導(dǎo)管架主結(jié)構(gòu)用鋼量為32 402 t，導(dǎo)管架下水重量為38 860 t，導(dǎo)管架重心位置為(-0.23，-5.6，-176.84 m)，極端環(huán)境荷載為10 500 t。

圖3 浮托施工導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2 動力

案例所處海域為南海東部，水深為286 m，該海域波浪能量集中在12 s左右。對于水深超過200 m的導(dǎo)管架平臺，其固有周期在4.0 s以上，平臺具有明顯的動力響應(yīng)，水深越大，結(jié)構(gòu)固有周期逐步增加。深水導(dǎo)管架前5階模態(tài)變形見圖4。

圖4 深水導(dǎo)管架前5階模態(tài)

分別針對上部模塊吊裝和浮托方案進行導(dǎo)管架動力分析，開展操作和極端工況下的平臺固有周期分析和動力放大系數(shù)分析。

3.2.1 吊裝方案

1st動力模式為導(dǎo)管架繞X軸彎曲，操作工況一階固有周期為4.6 s；極端工況一階固有周期為4.7s。

操作和極端工況下動力放大系數(shù)(DAF)最大為1.20。

3.2.2 浮托方案

1st動力模式為導(dǎo)管架繞X軸彎曲，操作工況一階固有周期為5.0 s；極端工況一階固有周期為5.1 s。

操作和極端工況下動力放大系數(shù)(DAF)最大為1.36。

對比可知，對于上部模塊浮托施工方案導(dǎo)管架，其固有周期相比吊裝施工方案導(dǎo)管架增加約8%，動力放大系數(shù)增大約13%，由此造成浮托施工方案導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)動力特性更為敏感，造成導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)計疲勞問題更為顯著，會對結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來更多不利影響。

3.3 安裝

3.3.1 吊裝方案

對于吊裝方案，導(dǎo)管架下水重量為29 300 t，計劃采用HYSY229進行運輸和下水，因該重量接近HYSY229船的下水能力，需要對駁船下水能力開展分析。導(dǎo)管架拖航布置見圖5。

圖5 吊裝方案導(dǎo)管架拖航布置

3.3.2 浮托方案

對于浮托方案，導(dǎo)管架下水重量為38 860 t，計劃采用HYSY229進行運輸和下水，該重量超過HYSY229船的下水能力，駁船下水能力分析表明，拖航運輸穩(wěn)性不滿足規(guī)范要求。下水初始狀態(tài)和翻轉(zhuǎn)狀態(tài)駁船穩(wěn)性均不滿足規(guī)范要求，現(xiàn)有HYSY229船舶需進行改造，需在左右舷側(cè)增加2個浮箱，浮箱尺寸為50 m×11.5 m×14.25 m，改造方案見圖6。

圖6 HYSY229駁船改造

3.4 影響分析對比

從結(jié)構(gòu)安全性，結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性和施工能力與風(fēng)險三方面，綜合對比吊裝方案和浮托方案對組塊和導(dǎo)管架的影響，見表1。

表1 吊裝方案與浮托方案對深水導(dǎo)管架設(shè)計影響分析表

4 結(jié)論

1)通過對比分析，對于水深超過250 m的固定式導(dǎo)管架平臺，上部模塊采用浮托方案導(dǎo)管架相比模塊采用吊裝方案導(dǎo)管架，對比結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)劃和用鋼量，主結(jié)構(gòu)用鋼量增大37%，附屬結(jié)構(gòu)用鋼量增大11%。相比組塊吊裝施工方案，浮托施工方案導(dǎo)管架固有周期更大，且動力放大系數(shù)增大接近13%，對導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)計和平臺操作帶來更大的困難。

2)浮托方案用鋼量增大原因：①工作點增大導(dǎo)管架體積增大22%，重量增加約4 800 t(占主結(jié)構(gòu)20%)；②尺度增大導(dǎo)致波浪力增大31%，需調(diào)整構(gòu)件尺寸，結(jié)構(gòu)加強，重量增加約3 000 t(占主結(jié)構(gòu)12%)；③因?qū)Ч芗茉鲋?，?dǎo)致下水桁架、水平層等施工工況加強，重量增加約1 400 t(其中5%的主結(jié)構(gòu)增大，11%的附屬結(jié)構(gòu)增大)。

3)采用組塊浮托施工方案，現(xiàn)有HYSY229駁船不滿足導(dǎo)管架下水安裝施工需求，為確保導(dǎo)管架下水過程的穩(wěn)性需要對駁船進行改造，經(jīng)過分析需要在駁船左右舷測增加50 m浮箱以滿足38 500 t導(dǎo)管架下水。

4)綜合考慮兩個方案材料用鋼量增加，船舶改造費及節(jié)省的安裝調(diào)試費用等，浮托方案較吊裝方案增加投資超過1億元。

5)綜合考慮導(dǎo)管架設(shè)計和施工方案，對于水深超過250 m的深水導(dǎo)管架，上部模塊優(yōu)先推薦采用吊裝方案。