半潛式生產(chǎn)平臺上部模塊總體布置研究

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(中國船舶工業(yè)集團公司 第708研究所，上海 200011)①

傳統(tǒng)的導管架平臺和自升式平臺由于其自重和工程造價隨水深大幅度地增加，已不能適應深水油氣田開發(fā)的需要。半潛式生產(chǎn)平臺集井口平臺、油氣處理等功能于一身，與海底油氣輸送管線或浮式儲卸裝置組成海上油氣開采和生產(chǎn)系統(tǒng)，尤其適用于深海油氣田和邊際油田的開發(fā)。經(jīng)可行性研究，半潛式生產(chǎn)平臺可以應用于南海深水油氣田開發(fā)[1]。中國船舶工業(yè)集團公司第708研究所組建了項目組，以南海深水油氣田開發(fā)為目標，研究了半潛式生產(chǎn)平臺總體設計關鍵技術。本文針對半潛式生產(chǎn)平臺上部模塊的總體布置進行總結和分析。

1 半潛式生產(chǎn)平臺概述

1.1 半潛式生產(chǎn)平臺發(fā)展歷程

1975年，美國Hamilton公司在英國北海的阿蓋爾(Argyll)油田首次使用了半潛式生產(chǎn)平臺“Deep Sea Pioneer”號，是由半潛式鉆井平臺改造而來[2]。早期的半潛式生產(chǎn)平臺大都由半潛式鉆井平臺改造，采用雙下浮體、四立柱、箱形上平臺，如圖1a所示。

1986年，第1座專門設計的半潛式生產(chǎn)平臺GVA5000型投入北海貝爾莫爾(Balmoral)油田使用，平臺型式采用4根圓形立柱、雙浮箱、箱形甲板結構設計，船型與半潛式鉆井平臺無太大差別。

自1986年半潛式生產(chǎn)平臺進入快速發(fā)展時期，為改善鉆井平臺雙下浮體運動性能差，箱形甲板結構質(zhì)量大，不利于油氣設備布置等不足，出現(xiàn)了如圖1b所示的半潛式生產(chǎn)平臺，其結構特點為環(huán)形下浮體、四立柱、桁架式上平臺。為進一步改善平臺運動性能，隨后又出現(xiàn)了深吃水型半潛式生產(chǎn)平臺，其作業(yè)吃水一般大于27 m，如圖1c所示。

近年來，國外一些設計公司開展了采用干式采油樹的半潛式生產(chǎn)平臺研究，提出了一系列新型的半潛式生產(chǎn)平臺概念。較成熟的有美國FloaTEC公司提出的桁架式半潛式平臺(Truss Semi)和可伸展吃水半潛式平臺(Extendable Draft Semi)[3-4]，如圖1d所示。但是，該類深吃水型半潛式生產(chǎn)平臺目前還停留在概念設計階段，尚未投入工程應用。

a 巴西P-19型半潛式平臺

b 巴西P-55型半潛式平臺

c Thunder Hawk半潛式平臺

d 桁架式半潛式平臺

1.2 半潛式生產(chǎn)平臺船型特點與組成

半潛式生產(chǎn)平臺由上部模塊、立柱和下浮體組成，如圖2所示。上部模塊設置工藝處理、電站動力、生活樓、工作間等功能模塊，通常為桁架式結構，可以有效地降低上部模塊結構的質(zhì)量，提高上部模塊有效載荷，并且利于工藝處理設備通風，保障平臺作業(yè)安全。下浮體提供主要浮力，沉沒于水面以下，以減小波浪的繞動力。上部模塊與下浮體之間由立柱連接，通常為4根、6根或8根[5]，具有小水線面的特性，以實現(xiàn)優(yōu)良的耐波性，立柱間間隔適當距離，以保證平臺穩(wěn)定性。

圖2 半潛式生產(chǎn)平臺主要結構組成

2 上部模塊總體布置的關鍵影響因素

2.1 水下集輸方式

目前，半潛式生產(chǎn)平臺適用于濕式采油方式，即將采油樹置于海底，所有的井口作業(yè)均需在水下進行。水下集輸方式主要有4種[6]：

1) 衛(wèi)星井形式。單個衛(wèi)星井直接回接到水面依托設施。

2) 叢式井+管匯。多個井分別通過跨接管回接到海底管匯。海底管匯再通過1根或多根立管回接到水面依托設施。

3) 集中式基盤/管匯[7]。多口井共用1個基盤和管匯。管匯再通過1根或多根立管回接到水面依托設施。

4) 綜合開發(fā)形式。以上幾種形式混合使用。

水下集輸方式由油氣田的地質(zhì)油藏特點和開發(fā)策略確定，并直接影響立管系統(tǒng)的配置數(shù)量，同時對平臺上部模塊的布置有較大影響，如表1所示。

2.2 人工舉升方式

適用于海上油氣開采的人工舉升方式主要有電潛泵、氣舉、射流泵、螺桿泵和水力活塞泵采油等。不同的人工舉升方式需用到不同的地面設施，不同的設施所需的布置空間不同。海上油氣開采需在滿足油田開發(fā)要求的基礎上，盡量選用設備體積小、質(zhì)量輕、免修期長、適用范圍寬的方式[8]。深海油氣田開采應用較廣泛的有電潛泵和氣舉采油，其對平臺上部模塊布置的影響如表2所示。

表1 水下集輸方式對平臺上部模塊布置的影響

表2 人工舉升方式對平臺上部模塊布置的影響

2.3 外輸方式

海上油田原油的儲存和外輸方式主要有3種：

1) 在平臺上設置儲油艙，用穿梭油輪輸送上岸。

2) 用海底管道將原油輸送上岸。

3) 將原油存儲到浮式儲油裝置(FSO)上，再用穿梭油輪輸送上岸。

海上原油的儲存和外輸方案應根據(jù)油田的特點、環(huán)境條件、油田開發(fā)規(guī)劃進行全面分析和研究。平臺上是否設置儲油艙，會影響平臺主尺度、平臺性能、總體布置。對于原油處理規(guī)模較大的生產(chǎn)平臺，通常不在平臺上設儲油艙；而對于原油處理規(guī)模較小或用于凝析氣田開發(fā)的生產(chǎn)平臺，可以在平臺上設置儲油艙，例如中海油研究總院提出的帶凝析油儲存和外輸功能的半潛式儲油生產(chǎn)平臺形式，成功解決了海上凝析氣田少量凝析油的儲存和外輸問題。

2.4 修井作業(yè)模式

對于海上油氣田開發(fā)，修井作業(yè)模式主要有2種：

1) 在平臺上設置專門的鉆/修井模塊[9]。

2) 采用修井船或修井平臺修井。

修井作業(yè)模式的選擇需充分考慮修井作業(yè)要求、采油方式、修井費用等的影響。若考慮在平臺上設置修井模塊，需注意模塊質(zhì)量、模塊布置所需空間、月池開口等對平臺上部模塊總體布置的影響。

3 半潛式生產(chǎn)平臺上部模塊總體布置

3.1 總體布置原則

半潛式生產(chǎn)平臺相當于一座海上油氣處理廠，上部模塊不僅安裝有油氣工藝設備、機械轉(zhuǎn)動設備，還居住有作業(yè)人員。因此，總體布置需考慮諸多因素，既要滿足油氣生產(chǎn)工藝的需要，又要滿足平臺總體性能的需要，應遵循如下基本原則：

1) 滿足油氣處理工藝要求，確保工藝流程合理順暢。

2) 滿足安全、健康、環(huán)保要求，按各生產(chǎn)設備設施的功能分區(qū)布置，合理劃分危險區(qū)與非危險區(qū)。

3) 滿足設備維護要求，設備間留有足夠的操作、維修空間。

4) 滿足平臺的結構強度和穩(wěn)性要求，載荷大的設備盡量靠近主支撐結構對稱布置，大型設備盡量布置在下層甲板，以降低上部模塊重心[10]。

5) 滿足平臺功能擴展要求，上層甲板預留空間，以滿足油田后期開發(fā)需要。

6) 滿足上部模塊安裝要求，各生產(chǎn)設施按設備功能和工藝流程集中布置于若干結構模塊內(nèi)。

7) 滿足平臺的經(jīng)濟性、合理性要求，盡可能緊湊布置，簡化管系。

3.2 開發(fā)模式及平臺功能確定

目標半潛式生產(chǎn)平臺瞄準我國南海未來大規(guī)模油田開發(fā)，擬定所服務油田的開發(fā)模式為：濕式井口+半潛式生產(chǎn)平臺+FSO+穿梭油輪，如圖3所示。水下集輸采用衛(wèi)星井形式，所有生產(chǎn)井通過立管系統(tǒng)直接回接到平臺上進行油氣處理，處理合格后的原油經(jīng)外輸立管輸送到浮式儲油裝置(FSO)上儲存，再由穿梭油輪輸送上岸。

圖3 濕式井口+半潛式生產(chǎn)平臺+FSO+穿梭油輪聯(lián)合開發(fā)模式

目標半潛式生產(chǎn)平臺主要功能定位為水下井口控制，油氣開采，油氣水處理，油氣計量及外輸，不考慮儲油功能，平臺上不設置修井模塊，鉆/修井通過鉆井船/修井船完成。

3.3 總體布置方案

平臺上部模塊主框架結構設置3層甲板，分別為主甲板、下沉甲板和局部設置的中間甲板，下沉甲板與主甲板間距8 m。部分油氣生產(chǎn)設備、電站動力設備和生活樓作為獨立的模塊結構坐落于主甲板之上。下沉甲板之下懸掛一層甲板，用以布置立管接口和管匯。

主甲板東側布置200人生活樓，兩艘救生艇懸掛于生活樓東側，直升機甲板位于生活樓頂部，西南側布置火炬系統(tǒng)。主甲板西側及以上結構模塊布置天然氣壓縮設備、生產(chǎn)水處理設備和燃氣處理設備。主甲板中間及以上結構模塊布置原油處理設備。生活樓西側布置電站和熱站，包括燃氣透平發(fā)電機和熱介質(zhì)鍋爐等設備。為隔離生活樓、電站動力等安全區(qū)域與油氣生產(chǎn)危險區(qū)域，在原油處理模塊和電站模塊間設置A60防火墻。平臺南北側各設置一臺吊機。

在生活樓西側設置局部中間甲板，主要布置電氣工作間，電氣工作間分兩層布置，下層位于下沉甲板上。下沉甲板南北兩側各設置兩艘救生艇。下沉甲板中間布置公用氣儀表氣設備、冷卻水設備等公用設備，西側布置注水系統(tǒng)、高低壓火炬系統(tǒng)等輔助工藝設備。

懸掛甲板中間主要布置生產(chǎn)管匯、注水管匯等大型集中管匯，南北兩側清管球收發(fā)裝置，西側布置原油外輸設備、開式排放和閉式排放設備，東側布置飽和潛水設備和立管系統(tǒng)輔助設備。甲板布置如圖4～6所示。

圖4 主甲板布置

圖5 下沉甲板布置

圖6 懸掛甲板布置

4 結語

我國南海蘊藏著豐富的油氣資源，但我國在深海油氣資源開發(fā)方面的技術相對薄弱，半潛式生產(chǎn)平臺作為深海油氣開采的重要依托，開發(fā)研究半潛式生產(chǎn)平臺技術具有非常重要的意義。本文對深海半潛式生產(chǎn)平臺上部模塊的總體布置方案進行探討，希望通過研究找出半潛式生產(chǎn)平臺上部模塊布置的特點和方法，為平臺總體設計技術研究提供必要的支持，為同領域技術人員提供參考。

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