簡(jiǎn)易平臺(tái)新型安裝方式

譚 越

(中海油研究總院,北京 100027）

簡(jiǎn)易平臺(tái)新型安裝方式

譚 越

(中海油研究總院,北京 100027）

控制平臺(tái)工程投資對(duì)提高海上邊際油田開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益起著舉足輕重的作用,其中安裝費(fèi)約占平臺(tái)工程投資的50%。因此,就要求盡可能節(jié)省安裝費(fèi)用和工期,從而促使采用不同的平臺(tái)安裝方案。結(jié)合國(guó)際上不同結(jié)構(gòu)型式的簡(jiǎn)易平臺(tái),分別對(duì)采用小型起重船安裝、采用鉆井平臺(tái)安裝和自主安裝三種方式的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析和比較,并簡(jiǎn)要介紹了一種結(jié)合這三種安裝方式優(yōu)點(diǎn)的新型平臺(tái)(SSF）。

海上邊際油田;簡(jiǎn)易平臺(tái);安裝方式

開(kāi)發(fā)海上邊際油田,節(jié)省工程投資是很重要的一環(huán),基于過(guò)去項(xiàng)目的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),一個(gè)典型油田,在其開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施投資中平臺(tái)部分的投資約占30%,這就使得平臺(tái)結(jié)構(gòu)型式對(duì)于提高油田開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益占據(jù)著舉足輕重的地位。平臺(tái)的投資包含其設(shè)計(jì)、采購(gòu)、制造、運(yùn)輸和安裝費(fèi)用。盡管隨著海況等環(huán)境條件的不同,平臺(tái)投資額會(huì)有很大的不同,但可以肯定的是,安裝費(fèi)用都是占有極大比重的,這一投資可能會(huì)占到平臺(tái)工程總投資的50%[1]。通常,巨大的安裝費(fèi)用主要是由于安裝過(guò)程中需要?jiǎng)佑媚切┫∩俣謨r(jià)格昂貴的大型起重船等施工裝備造成的,因此,為了經(jīng)濟(jì)有效地開(kāi)發(fā)邊際油田,尋找更適宜的簡(jiǎn)易平臺(tái)安裝方式具有非常重要的意義。

1 采用小型起重船的安裝方式

1.1 安裝 KUP型平臺(tái)

Kvaerner工程公司總結(jié)了英國(guó)和挪威邊際油氣田的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn),開(kāi)發(fā)出一種適合淺海小型油氣田的標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)。KUP(Kvaerner UnmannedPlatform）[2]平臺(tái)在60～160 m適用水深內(nèi)可擁有6～12口井,是一種快速、低成本、通用和簡(jiǎn)易的概念,其設(shè)計(jì)與制造效率高、維護(hù)工作量低。該平臺(tái)的導(dǎo)管架為模塊化設(shè)計(jì),這是設(shè)計(jì)上的一項(xiàng)新突破。在水深60 m時(shí),導(dǎo)管架由3～4個(gè)等同的模塊組成。根據(jù)鋼材的厚度和導(dǎo)管直徑的不同,模塊重量有所不同,重量最大可達(dá)300 t。隨著水深增大,平臺(tái)需要更高的穩(wěn)定性。提高穩(wěn)定性的方法是在前述的這些模塊下面增設(shè)600 t的大型標(biāo)準(zhǔn)模塊;同時(shí),各模塊與相應(yīng)的上層模塊相互“扭錯(cuò)”。這樣設(shè)計(jì)的好處是可以進(jìn)一步增大基礎(chǔ)面積并有助于降低打樁要求。若按水深120 m設(shè)計(jì),兩模塊為雙“扭”45°;按水深 160 m 設(shè)計(jì) ,則為三“扭”45°。

整個(gè)工程可在一年內(nèi)完成,其中包括平臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)安裝和油田投產(chǎn)。KUP導(dǎo)管架模塊在建造、運(yùn)輸和安裝過(guò)程中始終保持豎立狀態(tài),其中全部臨時(shí)負(fù)荷均是由樁腿支撐。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是既減輕了導(dǎo)管架重量又可提高制造過(guò)程的效率。根據(jù)所選用的起重船吊裝能力,導(dǎo)管架的安裝可在海上一個(gè)模塊一個(gè)模塊地進(jìn)行,或在船塢內(nèi)先將兩個(gè)模塊組裝好后,按模塊組進(jìn)行安裝;然后,再安裝甲板。若采用混凝土重力式下部結(jié)構(gòu)則先在干船塢內(nèi)預(yù)制;然后與上部結(jié)構(gòu)一起拖運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng),按常規(guī)方式安裝、拼接。

1.2 安裝TRANSERVE平臺(tái)

與 KUP型平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路相似,TRANSERVE平臺(tái)的最大應(yīng)用水深可達(dá)到90 m,甲板40 m×40 m,可承受2 500 t的荷載,采用常規(guī)固定平臺(tái)的設(shè)計(jì)方式,分段建造安裝。常規(guī)導(dǎo)管架平臺(tái)的水平層為四邊形,而 TRANSERVE平臺(tái)采用了五邊形的基座(圖1）,這也就擴(kuò)大了基礎(chǔ)面積且與常規(guī)固定式平臺(tái)相比重量要輕很多。

圖1 Transerve平臺(tái)模型Fig.1 Transerve Platform

安裝船的起重能力與其租用費(fèi)是成正比的,因此采用小型的起重船相應(yīng)地自然會(huì)使得安裝費(fèi)降低,但是同時(shí)也限制著導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)重量不能太大。從這樣的前提出發(fā),將導(dǎo)管架進(jìn)行分段將是很自然的想法。因此,當(dāng)單體重量過(guò)大時(shí),無(wú)論是對(duì) KUP還是TRANSEVER平臺(tái),都是采取了這樣的做法。這也就催生了模塊化的理念,將下部基座及平臺(tái)其他部分模塊化能夠更好地簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程、提高制造效率。此類(lèi)型平臺(tái)的另一個(gè)特點(diǎn)是,模塊化分段的設(shè)計(jì)可以使平臺(tái)全部或者部分得以再利用,墨西哥灣的兩個(gè)油田已經(jīng)有了成功的先例[3]。利用小型起重船安裝的方式,僅從日租金上就具有低廉的優(yōu)勢(shì)并且回避了對(duì)大型起重船的依賴,但由于需要增加海上對(duì)接等作業(yè)工序,往往會(huì)導(dǎo)致安裝時(shí)間的增加,總的安裝費(fèi)用是否如愿地得到了降低,需要仔細(xì)地核算。而且在很多情況下,相對(duì)于節(jié)省工程投資,縮短平臺(tái)安裝工期令油田提前投產(chǎn)能夠具有更好的收益,這樣一來(lái),這種安裝方式也就失去了優(yōu)勢(shì)。

2 采用鉆井平臺(tái)的安裝方式

采用鉆井平臺(tái)船來(lái)安裝生產(chǎn)平臺(tái),相比采用起重船來(lái)安裝可大大降低平臺(tái)安裝費(fèi)用。該技術(shù)已在世界各地得到應(yīng)用,尤其適用于油田位置偏遠(yuǎn)、起重船動(dòng)復(fù)員費(fèi)用昂貴的海域。自升式鉆井平臺(tái)一般都具有500 t的起升能力,這能夠滿足小平臺(tái)的安裝要求。例如,在墨西哥灣使用最多的簡(jiǎn)易平臺(tái)Sea Horse系列平臺(tái),都是采用自升式鉆井平臺(tái)安裝的(圖 2）[4]。

相對(duì)于采用起重船來(lái)安裝生產(chǎn)平臺(tái),采用自升式鉆井平臺(tái)似乎是一個(gè)更加合理的選擇。因?yàn)?大部分簡(jiǎn)易平臺(tái)都是作為井口平臺(tái)或是小型生產(chǎn)平臺(tái),鉆井平臺(tái)完成鉆井作業(yè)之后若發(fā)現(xiàn)具有開(kāi)采價(jià)值的油田而立即轉(zhuǎn)入開(kāi)發(fā),則避免了暫時(shí)棄井、鉆井施工裝備撤離、重新返回原位等工序,可以節(jié)省作業(yè)成本。另外,此種安裝方式還可以從兩方面節(jié)省投資:(1）鉆井平臺(tái)本來(lái)就已就位進(jìn)行鉆井,因而安裝平臺(tái)時(shí)就不再需要任何動(dòng)員和復(fù)員費(fèi)用;(2）相對(duì)起重船,鉆井平臺(tái)的日租金更低。由于簡(jiǎn)易平臺(tái)的尺寸和重量都不是很大,要使在邊際油田中的簡(jiǎn)易平臺(tái)進(jìn)行空中翻轉(zhuǎn)一般是不成問(wèn)題的。但需要注意的是,自升式鉆井平臺(tái)并非專(zhuān)門(mén)為平臺(tái)安裝設(shè)計(jì)的,因此在平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)需要認(rèn)真考慮它的一些局限性:

(1）起重能力:自升式鉆井平臺(tái)起重能力相對(duì)較小;

(2）起重高度:由于其樁腿長(zhǎng)度的限制(固定）,若要求提高垂直起重高度,則自升式鉆井平臺(tái)可適應(yīng)的作業(yè)水深就要減小;

(3）起吊工作界面:自升式鉆井平臺(tái)沒(méi)有數(shù)百噸提升能力的旋轉(zhuǎn)式懸臂起重機(jī),它的起吊作業(yè)是通過(guò)鉆機(jī)的提升系統(tǒng)完成的,而鉆機(jī)的提升系統(tǒng)伸出鉆井平臺(tái)的范圍是有限的。

(4）打樁施工:采用鉆井平臺(tái)打樁的技術(shù)難度和所受限制將較大一些,樁徑和重量不是大問(wèn)題,而樁長(zhǎng)和可及打樁范圍是主要限制,從而可能增加接樁的工作量,造成鉆井平臺(tái)打樁效率不高。

圖2 采用自升式鉆井平臺(tái)安裝簡(jiǎn)易平臺(tái)Fig.2 Minimal platform installed by jack up rig

3 自主安裝方式

當(dāng)前在我國(guó),對(duì)于開(kāi)發(fā)邊際油田來(lái)說(shuō),以往使用的固定式簡(jiǎn)易平臺(tái)的成本依然相對(duì)較高。20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的桶形基礎(chǔ)平臺(tái),挪威專(zhuān)家稱(chēng)其是“導(dǎo)管架基礎(chǔ)工程技術(shù)新時(shí)代的曙光”[5],這種平臺(tái)的應(yīng)用,可能會(huì)有助于改變以上現(xiàn)狀。桶形基礎(chǔ)平臺(tái)(圖3）由甲板、支撐結(jié)構(gòu)和水下基礎(chǔ)三部分組成。水下基礎(chǔ)為大直徑的桶形鋼結(jié)構(gòu),替代了固定平臺(tái)長(zhǎng)期使用的、用鋼量很大的鋼樁,從而可以大大減少海上施工量和降低平臺(tái)造價(jià),減少現(xiàn)有固定平臺(tái)海上施工所用的大型機(jī)具,依靠負(fù)壓使桶形基礎(chǔ)沉入海底。其經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在海上安裝費(fèi)用低、重復(fù)利用率高和節(jié)省搬遷費(fèi)三個(gè)方面。因此,開(kāi)采周期短的邊際油田特別適合選用此種型式平臺(tái)。此外,并不局限于小型簡(jiǎn)易平臺(tái),桶形基礎(chǔ)的平臺(tái)型式也可以被我國(guó)淺海水域的各類(lèi)采油生產(chǎn)平臺(tái)廣泛地采用[6]。

自主安裝是近年來(lái)的一個(gè)技術(shù)趨勢(shì)。如果要實(shí)現(xiàn)自主安裝,則需要增設(shè)一些重要的附屬結(jié)構(gòu),譬如浮筒、壓載系統(tǒng)等。然而,這些附件僅在安裝時(shí)使用,其后將被閑置,此外,還要花費(fèi)大量額外的資金來(lái)維持簡(jiǎn)易平臺(tái)的適航性、可安裝性以及破損狀態(tài)下充分的冗余性,這也就使得簡(jiǎn)易平臺(tái)自主安裝的特點(diǎn)不再像最初所期望的那么具有吸引力。

圖3 桶形基礎(chǔ)平臺(tái)Fig.3 Bucket foundations platform

根據(jù)國(guó)際公約和國(guó)內(nèi)相關(guān)法規(guī)的規(guī)定,在油氣田生產(chǎn)終止后一年之內(nèi)必須將平臺(tái)拆除。平臺(tái)拆除是涉及許多技術(shù)領(lǐng)域的綜合性的系統(tǒng)工程,并且受經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、安全、環(huán)境保護(hù)等多種因素的制約,是一項(xiàng)極具危險(xiǎn)性的工程[7]。通常的平臺(tái)經(jīng)拆除后即視為將其廢棄,要重復(fù)利用是非常困難的。盡管從經(jīng)濟(jì)角度上考慮還存在一些問(wèn)題,但自主安裝平臺(tái)通常都是可遷移并重復(fù)使用的,因此也就為它帶來(lái)良好的應(yīng)用前景。

4 SSF平臺(tái)

一座簡(jiǎn)易平臺(tái)的建造工程包括陸上制造與海上安裝施工作業(yè),陸上制造一般采用常規(guī)的海洋工程加工制作方法,海上安裝,為了降低費(fèi)用,上述的三種方式可供采用,即:利用小型起重船安裝、利用鉆井平臺(tái)安裝和自主安裝。

除了只是單獨(dú)采用一種安裝方式的平臺(tái)以外,還有將以上三種安裝方式聯(lián)合加以應(yīng)用的,這就是SSF平臺(tái)。SSF(Suction-piled Stacked Frame）平臺(tái)的安裝(圖4）,結(jié)合了上述三種方式的優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)集成了 Shell公司的 TRICAN吸力桶(TRICAN suction cans）和DWE堆疊式結(jié)構(gòu)(Develop While Exploring stacked platform）的設(shè)計(jì)思路[1]。這種平臺(tái)既具有常規(guī)導(dǎo)管架平臺(tái)的穩(wěn)定安全性能和三樁腿平臺(tái)的簡(jiǎn)易特點(diǎn),又充分利用了隔水套管兼作導(dǎo)管架腿,因而大大地降低了平臺(tái)的重量。

圖4 SSF平臺(tái)安裝過(guò)程示意Fig.4 Installation sequence of SSF platform

該類(lèi)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式由三根隔水套管和其支撐的甲板組成。吸力桶和隔水套管組成了框架結(jié)構(gòu),隔水套管同時(shí)作為導(dǎo)管架腿,通過(guò)不同高度處的堆疊式框架結(jié)構(gòu)使之相互連接在一起,以提供足夠的強(qiáng)度?？蚣芙Y(jié)構(gòu)通過(guò)灌漿與隔水套管固定,除了具有鉆井和導(dǎo)管架腿的功能,隔水套管還是基礎(chǔ)的一部分。吸力桶的主要功能是承受基底剪力,同時(shí)還要承受由傾覆力矩引起的垂向力,上部的堆疊式結(jié)構(gòu)既保證了平臺(tái)的穩(wěn)定性和剛度,同時(shí)可作為上部甲板的支撐。因此,這種平臺(tái)既具有常規(guī)導(dǎo)管架平臺(tái)的穩(wěn)定安全性能和三樁腿平臺(tái)的簡(jiǎn)易化特點(diǎn),又充分利用了隔水套管,具有裝拆方便、重復(fù)利用率高等特點(diǎn),也就使它比三樁腿導(dǎo)管架平臺(tái)更經(jīng)濟(jì)。

由于堆疊式結(jié)構(gòu)可以分段分別安裝,因此對(duì)于鉆井平臺(tái)的舉升高度和舉升能力也就大多不成為問(wèn)題了。平臺(tái)的安裝可以使用普通的而不必是大型的自升式鉆井平臺(tái)。只是,為了減少安裝時(shí)間,應(yīng)該優(yōu)先考慮的做法是用一次起重作業(yè)將其整體安裝。然而,在一定的水深和環(huán)境條件下,平臺(tái)組塊的總重可能會(huì)超過(guò)自升式鉆井平臺(tái)的起重能力,這時(shí)就必然要分為兩次(或者多次）起吊、安裝。安裝順序是,首先安裝吸力桶和底部的基座,然后是包括甲板在內(nèi)的兩個(gè)上部結(jié)構(gòu)。安裝的大致過(guò)程是,首先由裝載平臺(tái)的駁船靠著自升式鉆井平臺(tái)停泊;通過(guò)鉆井絞車(chē)提起底部基座,然后將駁船拖開(kāi);將其放置到海底就位。底部基座裝好后,利用吸力泵將吸力桶貫入海底。此時(shí)再將駁船回位,吊起平臺(tái)的其他部分至底部底座的上方,利用已預(yù)先裝好的導(dǎo)向管,將兩部分對(duì)接。此外,利用鉆井平臺(tái)將井口安裝在甲板上。下一步是將隔水套管穿過(guò)結(jié)構(gòu)套筒插入海底,提升上部結(jié)構(gòu)至適當(dāng)?shù)奈恢?采用夾具臨時(shí)固定,接下來(lái)通過(guò)灌漿將結(jié)構(gòu)和套管連接在一起。至此,整個(gè)安裝作業(yè)時(shí)間需要12天左右。

綜上所述,SSF平臺(tái)的優(yōu)越之處主要有以下幾點(diǎn):

(1）隔水套管兼?zhèn)涠喾N功能,既可用作鉆井套管,同時(shí)還是基礎(chǔ)和導(dǎo)管架腿;

(2）既可以利用自升式鉆井平臺(tái)安裝,也可用起重駁船安裝;

(3）采用吸力桶基礎(chǔ),并且與隔水套管構(gòu)成了混合型基礎(chǔ);

(4）堆疊式結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)小而輕及標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),也便于制造和安裝;

(5）可以靈活地適應(yīng)不同的水深。

5 分析和建議

目前,我國(guó)簡(jiǎn)易平臺(tái)主要應(yīng)用于渤海和潿洲海域,作業(yè)水深局限在40 m,對(duì)超過(guò)這一水深范圍的作業(yè),還沒(méi)有進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)研究和應(yīng)用。國(guó)內(nèi)針對(duì)新型簡(jiǎn)易平臺(tái)的研究,盡管也進(jìn)行了大量的工作,但仍限定在這一水深范圍。而應(yīng)用于這一水深范圍的簡(jiǎn)易平臺(tái),無(wú)論其結(jié)構(gòu)型式,還是其所采用的吊裝施工方式——與常規(guī)導(dǎo)管架平臺(tái)一樣目前在國(guó)內(nèi)幾乎是一成不變的。文中所介紹的國(guó)際上幾種先進(jìn)的平臺(tái)及其安裝方法,在國(guó)內(nèi)并未進(jìn)行深入的研究,要達(dá)到工程實(shí)際應(yīng)用的程度還需要付出不少努力,借鑒國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),研究其對(duì)于我國(guó)邊際油田開(kāi)發(fā)的適用性,是一個(gè)非常值得繼續(xù)深入探討的問(wèn)題。

通常意義上的簡(jiǎn)易平臺(tái),其特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)也就主要在于節(jié)省用鋼量,而其建造和安裝方式,與常規(guī)的固定式平臺(tái)則完全一樣,并未有所突破。隨著水深的增加,要滿足所在海域的環(huán)境荷載以及規(guī)范對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的要求,是很難做到大量節(jié)省簡(jiǎn)易平臺(tái)的鋼材用量,也就是說(shuō),寄希望于減輕平臺(tái)重量來(lái)控制其投資的空間極其有限。要進(jìn)一步控制平臺(tái)的投資,只有在海上安裝方式等方面下功夫。因此,如前所述,無(wú)論 KUP平臺(tái)、TRANSEVER平臺(tái),還是SSF平臺(tái),都采用分段模塊化的做法,將下部基座及其他部分模塊化能夠更好地簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程、提高制造效率。此類(lèi)型平臺(tái)的另一個(gè)特點(diǎn)是,分段模塊化的設(shè)計(jì)可以使平臺(tái)全部或者部分得以再利用,這在墨西哥灣的兩個(gè)油田已經(jīng)有了成功的先例。這種結(jié)構(gòu)具有制造容易、安裝方便、拆遷簡(jiǎn)單、重復(fù)利用率高、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn),是簡(jiǎn)易平臺(tái)未來(lái)的發(fā)展方向之一,我們對(duì)此應(yīng)該予以足夠的重視。

[1]Meek H J,Sliggers P G F.Alternative low-cost wellhead platform concept for marginal offshore field developments[C].Proceedings of the Eleventh(2001）International Offshore&Polar Engineering Conference:142-148.

[2]王勇.適于邊際油田開(kāi)發(fā)的無(wú)人平臺(tái)[J].中國(guó)海洋平臺(tái),1995(5）:200-201.

[3]Self-installing platform on course for Trent[J].Offshore,2005,65(8）:128.

[4]Robert Rosenblum.Evolution of minimal platform concepts for marginal developments[J].Offshore,1999,59(4）.

[6]方華燦.我國(guó)海上邊際油田采油平臺(tái)選型淺談[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2005,34(1）:24-26.

[7]李新仲,徐本和.海上油氣田的廢棄處置口[J].中國(guó)海上油氣(工程）,2003,15(1）:46-49.

Innovative installation concepts for minimal platform

Tan Yue
(CNOOC Research Institute,Beijing100027）

Platform cost control is significant for economic profit of marginal oil field development.While platform installation is identified as a major cost driver,the minimal platform concept should fit well with development philosophy by decreasing capital expenditures and reducing the time required to bring new production.The assessment of three new installation schemes:small crane barge,jackup rig and self installing were given,and the technical and economical feasibility of such concepts were analyzed.Finally,a new so-called SSF(Suction-piled Stacked Frame）platform which combined with this 3 installation schemes are described.

marginal offshore field;minimal platform;installation concept

TE54;P752

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2011.01.095

1008-2336(2011）01-0095-05

中海石油有限公司綜合科研項(xiàng)目“南海東部中小型油田開(kāi)發(fā)工程模式研究”。

2010-10-09;改回日期:2010-11-15

譚越,男,1978年生,工程師,博士,船舶及海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造專(zhuān)業(yè),現(xiàn)從事邊際油田開(kāi)發(fā)、船舶及海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)。E-mail:tanyue2@cnooc.com.cn。