海洋平臺上部組塊結(jié)構(gòu)重量與甲板面積定量關(guān)系的分析研究

李 虎，黃冬云，韓亞沖

(中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028)

0 引 言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和國家大力倡導(dǎo)清潔能源消費(fèi)，石油和天然氣的消費(fèi)量急劇攀升，尤其是在冬季供暖季，多地出現(xiàn)了“氣荒”現(xiàn)象。盡管我國是當(dāng)前世界上主要油氣生產(chǎn)國之一，油氣產(chǎn)量增長居世界前列，但產(chǎn)量增速落后于經(jīng)濟(jì)增速，對外依存度越來越高，2015年石油變現(xiàn)消費(fèi)量估計為5.43億噸，對外依存度達(dá)到60.6%，天然氣消費(fèi)量為1 910億方，天然氣對外依存度達(dá)到32.2%[1]。油氣資源對外依存度的持續(xù)走高嚴(yán)重威脅著我國的能源安全。

我國油氣資源豐富，尤其是海洋油氣資源豐富且尚未充分勘探開發(fā)。從世界范圍來看，海洋石油資源量約占全球石油資源總量的34%，探明率約為30%，而我國平均探明率為38.9%，海洋石油僅為12.3%，整體上處于海洋石油資源勘探開發(fā)的早中期階段[2]。加快開發(fā)國內(nèi)油田資源，降低油氣資源的對外依存度，努力保障國家能源安全是當(dāng)前國內(nèi)油氣資源開發(fā)的重中之重。

海洋石油平臺是海上油氣田開發(fā)最主要的設(shè)施，根據(jù)建造材質(zhì)的不同可分為鋼制平臺、混凝土平臺、混合平臺等，其中以鋼結(jié)構(gòu)為支撐、摩擦樁為基礎(chǔ)、再搭載上部功能設(shè)施，即鋼樁式導(dǎo)管架平臺，這種模式的海洋石油平臺支撐了中國海油石油產(chǎn)量的90%以上[3]。

導(dǎo)管架式固定平臺由上部組塊和導(dǎo)管架組成。上部組塊主要擔(dān)負(fù)著油氣的生產(chǎn)和生活支持等功能，主要布置有油氣處理系統(tǒng)、生產(chǎn)支持系統(tǒng)、公用系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、外輸系統(tǒng)、消防安全系統(tǒng)等[4]。導(dǎo)管架是承載上部組塊的主要部件，通常由導(dǎo)管架腿、斜撐、立片等結(jié)構(gòu)件組成，上部組塊的尺寸和重量直接決定了導(dǎo)管架的規(guī)模。

1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

海洋石油平臺的設(shè)計極為復(fù)雜，一般上部組塊主要由平臺結(jié)構(gòu)、設(shè)備和管線等部分組成。常規(guī)而言，油氣日產(chǎn)規(guī)模越大，平臺油氣處理設(shè)施數(shù)量越多，配套的電儀訊設(shè)備也越多，平臺上部組塊甲板面積就越大，上部組塊的支撐結(jié)構(gòu)就越重。圖1和圖2所示為海洋石油固定式導(dǎo)管架平臺的三維模型和結(jié)構(gòu)模型，從圖中可以直觀地看出甲板面積與結(jié)構(gòu)重量的相關(guān)性，設(shè)備占用的上部組塊的甲板面積越大，就需要越多的結(jié)構(gòu)梁支撐，結(jié)構(gòu)重量就越大。

圖1 海洋平臺三維設(shè)計模型Fig.1 3D design model of ocean platform

圖2 海洋平臺三維結(jié)構(gòu)模型Fig.2 3D structural model of ocean platform

如果能夠定量地分析結(jié)構(gòu)重量與甲板面積的關(guān)系，就可以在前期研究的方案比選階段、結(jié)構(gòu)不具備建模條件的情況下，為平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計提供設(shè)計依據(jù)，使鋼材量的估算更加快速、準(zhǔn)確，施工資源的選擇也更加合理，大大提高了工作效率。

本文查閱了渤海、東海、南海三個海域在生產(chǎn)海洋石油平臺的大量設(shè)計文件，統(tǒng)計得到了多個海洋石油平臺上部組塊結(jié)構(gòu)重量和甲板面積等數(shù)據(jù)，經(jīng)整理有45個導(dǎo)管架式固定平臺的上部組塊結(jié)構(gòu)重量和甲板面積數(shù)據(jù)齊全，其中26個井口平臺、19個中心平臺，部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)重量與甲板面積數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

2 數(shù)據(jù)分析

海洋平臺根據(jù)其功能主要分為井口平臺和中心平臺[3]。井口平臺設(shè)有生產(chǎn)井，井液經(jīng)采油樹采出后，一般不進(jìn)行油氣處理或僅進(jìn)行簡單的油水分離后，通過計量系統(tǒng)外輸至中心平臺或其他生產(chǎn)處理設(shè)施上進(jìn)行處理。井口平臺上僅有簡單的工藝設(shè)備及支持系統(tǒng)和公用系統(tǒng)以及鉆修井設(shè)施。中心平臺是能夠處理各井口平臺來液的生產(chǎn)平臺，一般配套有原油或天然氣生產(chǎn)處理系統(tǒng)、工藝輔助系統(tǒng)、公用系統(tǒng)、外輸系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、生活樓和直升機(jī)甲板。

2.1 數(shù)據(jù)分類及整理

由于中心平臺和井口平臺配備的設(shè)施功能及數(shù)量不同，將所有數(shù)據(jù)集中分析的同時，也將數(shù)據(jù)分為中心平臺和井口平臺兩組單獨(dú)分析，獲得上部組塊結(jié)構(gòu)重量與甲板面積的比值，該數(shù)值的實(shí)際意義是單位數(shù)量甲板面積的結(jié)構(gòu)重量。表2為結(jié)構(gòu)重量與甲板面積比值的分類表格。

表2 結(jié)構(gòu)重量與甲板面積比值

2.2 正態(tài)性檢驗(yàn)

在數(shù)據(jù)分析過程中，經(jīng)常會有不同分布形態(tài)的數(shù)據(jù)，我們整理獲得的數(shù)據(jù)是否也有一定的規(guī)律可循，需要進(jìn)一步分析驗(yàn)證。常見的數(shù)據(jù)分布形態(tài)有正態(tài)分布、均勻分布、泊松分布、指數(shù)分布等，但在數(shù)據(jù)分析中，最重要的分布形態(tài)是正態(tài)分布。

常見的正態(tài)分布驗(yàn)證方法主要分為圖示法和計算法。圖示法主要有P-P圖、Q-Q圖和直方圖等，計算法通常有偏度、峰度計算、Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)和Shapiro-Wilk檢驗(yàn)等，最常用的工具是SPSS軟件，該軟件在數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析方面應(yīng)用得非常廣泛。圖3為結(jié)構(gòu)重量與甲板面積比值以及分井口平臺和中心平臺結(jié)構(gòu)重量與甲板面積比值的在置信區(qū)間為95%下的標(biāo)準(zhǔn)Q-Q圖，表3為Kolmogorov-Smirnov和Shapiro-Wilk正態(tài)性檢驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(a)

(b)

(c)

表3 正態(tài)性檢驗(yàn)表Tab.3 Normality test

從圖3可以直觀地發(fā)現(xiàn)所有樣本數(shù)據(jù)的Q-Q圖呈現(xiàn)一條直線分布，說明樣本數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。對于該單樣本數(shù)據(jù)，分析表3計算法獲得的數(shù)據(jù)，以K-S結(jié)果為準(zhǔn)，sig.=0.2為樣本數(shù)據(jù)真實(shí)顯著水平下限，說明該樣本數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。

2.3 分析與總結(jié)

經(jīng)過正態(tài)性檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)重量(不分平臺類型)與甲板面積比值、井口平臺結(jié)構(gòu)重量與甲板面積比值、中心平臺結(jié)構(gòu)重量與甲板面積比值均滿足正態(tài)分布，通過SPSS軟件我們可以獲得正態(tài)分布曲線如圖4所示。

圖4 正態(tài)分布曲線Fig.4 Normal distribution curve

通過繪制正態(tài)分布曲線，我們可以獲取各組數(shù)據(jù)的均值，作為每組數(shù)據(jù)的正態(tài)分布的期望值，井口平臺結(jié)構(gòu)重量與甲板面積的比值為0.47，中心平臺結(jié)構(gòu)重量與甲板面積的比值為0.53，結(jié)構(gòu)重量(不分平臺類型)與甲板面積的比值為0.49，該數(shù)值的實(shí)際意義為每平方米的井口平臺的甲板重量為0.47 t，每平方米的中心平臺的甲板重量為0.53 t。同時，通過SPSS軟件，可以獲得置信區(qū)間在95%的期望數(shù)值的范圍，即樣本數(shù)據(jù)在該范圍內(nèi)的概率為95%，井口平臺范圍為0.44～0.50，中心平臺范圍為0.47～0.58，不分平臺類型范圍為0.46～0.52。

對于導(dǎo)管架式固定平臺開發(fā)模式的海洋油氣平臺項(xiàng)目的前期研究階段，根據(jù)油藏陪產(chǎn)數(shù)據(jù)，配備相應(yīng)的油氣處理設(shè)施，即可得到海洋平臺甲板面積，用甲板面積乘以相應(yīng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)就可以快速得到海洋平臺上部組塊的結(jié)構(gòu)重量，同時可以根據(jù)不同項(xiàng)目特點(diǎn)和不同研究階段，應(yīng)用95%的置信區(qū)間范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，就可以節(jié)省大量人工時。在預(yù)可研和可研等前期研究的方案比選階段，主要評估各方案技術(shù)可行性以及評估各方案投資和經(jīng)濟(jì)效益，沒有必要花大量的時間搭建模型計算結(jié)構(gòu)鋼材量，通過文中對統(tǒng)計數(shù)據(jù)的定量分析，可以較為準(zhǔn)確地獲得結(jié)構(gòu)鋼材用量，從而快速地開展各方案的經(jīng)濟(jì)評價，從而縮短工程設(shè)計周期，節(jié)省大量人工時成本，提升經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié) 語

通過對中國海域在生產(chǎn)的海洋石油平臺甲板面積及上部組塊結(jié)構(gòu)重量的統(tǒng)計、分析和驗(yàn)證，認(rèn)為上部組塊結(jié)構(gòu)重量與甲板面積的比值服從正態(tài)分布曲線。根據(jù)正態(tài)分布特點(diǎn)，得到了甲板面積與上部組塊結(jié)構(gòu)重量的定量關(guān)系，其中井口平臺為0.47，中心平臺為0.53，分別代表每平米甲板面積結(jié)構(gòu)重量為0.47 t和0.53 t。該結(jié)論廣泛適用于以導(dǎo)管架式固定平臺為開發(fā)模式的海洋油氣平臺項(xiàng)目，對于半潛浮式平臺、FPSO、混凝土平臺等是否適用尚需進(jìn)一步論證。

通過本文分析得出的結(jié)論在實(shí)際生產(chǎn)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，以南海東部恩平區(qū)域開發(fā)項(xiàng)目為例，在預(yù)可研階段共有7個開發(fā)方案，可研階段有5個開發(fā)方案，每個方案最少有1個導(dǎo)管架式固定中心平臺和2個導(dǎo)管架式固定井口平臺，上部組塊結(jié)構(gòu)鋼材用量完全是按照文中結(jié)論進(jìn)行計算的，用時不超過一天，如果全部通過SACS建結(jié)構(gòu)模型計算鋼材重量，至少要花費(fèi)2個月的時間，完全沒有必要在預(yù)可研和可研等前期研究的方案比選階段浪費(fèi)如此多的時間。以近期即將開工建設(shè)的陸豐14-4平臺為例進(jìn)行驗(yàn)證，該平臺為中心平臺，甲板面積約為9 036 m2，根據(jù)文中結(jié)論計算得到結(jié)構(gòu)重量為4 789MT，實(shí)際的三維模型中結(jié)構(gòu)重量考慮10%系數(shù)后為5 634MT，有15%的誤差，比通常前期研究項(xiàng)目中料單估算考慮的20%～30%的安全系數(shù)要小，可以接受。

因此，通過文中結(jié)論就可以較為準(zhǔn)確地獲得結(jié)構(gòu)鋼材用量，從而快速地開展各方案的經(jīng)濟(jì)評價，縮短工程設(shè)計周期，加快油氣田開發(fā)進(jìn)程，響應(yīng)國家加快國內(nèi)油氣資源開發(fā)的號召。