适于海上边际油田开发的平台选型与结构计算

杜尊峰，余建星，谭振东，张中华

(1.天津大学 建筑工程学院，港口与海洋工程教育部、天津市重点实验室,天津 300072；2.总后军事交通运输研究所，天津 300161；3.国家海洋技术中心，天津300112)

适于海上边际油田开发的平台选型与结构计算

杜尊峰1，余建星1，谭振东2，张中华3

(1.天津大学 建筑工程学院，港口与海洋工程教育部、天津市重点实验室,天津 300072；2.总后军事交通运输研究所，天津 300161；3.国家海洋技术中心，天津300112)

通过对边际油田特点和近海结构形式的深入研究，提出适合于海上边际油田的结构形式和开发思路。简易平台和小型浮式生产系统等结构的设计与应用，使得海上中小型孤立小油田的开发安全可行且有利可图。然而渤海油气田有其自身特点，设计一种集采油、生产、储油等多功能于一体的新型移动式平台，也为我国边际油田的高效开发提供了新的思路。在总体性能分析的基础上，对该平台展开结构计算，使其满足强度要求，为将来的实际应用提供理论支持。

边际油田；简易平台；小型浮式生产系统；移动式多功能平台

引言

海洋油气资源丰富，深海和远海孤立油气田的开发生产成为海洋工业的挑战。然而，这些油田的开发成本往往很高，使得无利可图或获利甚微，这种油气田被称为边际油田。迄今为止，中国海域探明的绝大部分油田属于边际油田的范畴。很明显，这些油田不能利用常规方式进行开发。许多工程师和科学家致力于简化生产工艺或研制新型平台形式来满足边际油田的低成本、高效率的开发[1-2]。根据国内外边际油田的开发经验，两种结构形式被广泛地应用于海上边际油田的开发：简易平台和小型浮式生产系统。然而本文在吸收国内外相关研究成果的基础上，针对渤海湾众多无依托边际油田，研发一种集采油、生产、储油等多种功能于一体的新型移动式平台，也为边际油田的高效开发提供了一种新的思路。并且对该平台形式进行了结构计算，使其满足我国船舶与海洋工程相关规范，为将来的实际应用提供了理论基础。

1 简易平台

简易平台通常用于浅海边际油田的开发，井口数一般小于10个。简易平台可支持一两层小型甲板结构，测试分离器，小型起重机，救生艇和一个小型飞机甲板。采用较少的桩基础，使得因沉入波浪区域的构件减少而降低了波浪载荷，同时也减少了平台安装时间和费用。这种平台既可以设计成具有生活和支持能力的有人值守方式，也可以作为无人平台。与传统的导管架平台相比，简易平台具有很多的优势，如造价低，结构简单，设备较少，重量轻，建造和安装时间短，多样的安装方式等等。

在国外，简易平台得到了广泛而成功的应用，尤其是墨西哥湾和北海海域。尽管每一种简易平台形式独特，但这些设计仍可划分为沉箱结构、单柱、双柱、三柱和四腿等几类。它们还可以根据具体形式进行更细致的分类，如沉箱结构包括独立式、拉线式、联结式和外壳式；单柱又有基座延伸、插桩式和联结式；传统平台分为裙桩、插桩、基座延伸或吸力桩式。沉箱指的是较大直径的圆柱壳体结构，它可以支持较小的甲板，此结构形式适于较浅水域的油田[3]。典型的双柱或三柱，由两或三条腿形成管状空间构架，并且通过斜撑结构联结。详细的平台形式如图1～图10所示：

图1 独立式沉箱平台

图2 拉线式沉箱平台

图3 联结式沉箱平台

图4 外壳式沉箱平台

图5 基座延伸式单柱平台

图6 联结式单柱平台

图7 裙桩式单柱平台

图8 吸力桩式单柱平台

图9 双柱平台

图10 三柱平台

我国在吸收国外先进经验的基础上，也开发了一些符合我国国情的简易平台，如桩基沉箱抗冰平台、多井槽的四腿平台、两腿三桩轻型平台、桶形基础移动式平台、无人驻守井口平台，等等[4]。这些简易平台的应用，明显简化了建造和安装过程，是作为卫星或井口平台的最佳选择。用于渤海湾和南中国海油田开发的新型简易平台设计模型如图11～图16所示。由于渤海湾位于我国的东北部，受中纬度和季风气候的影响，冬天可能出现冰情[5]，所以对于此海域的平台设计需考虑抗冰性能。

图11 JZ9-3平台

图12 JZ20-2NW平台

图13 JZ20-2MSW平台

图14 WZ6-1平台

图15 BZ34-3/5井口平台

图16 WZ11-4C平台

虽然简易平台有诸多优势，但是它也存在自身的缺点，如：不可移动，结构荷载余量小；无生产处理和储存能力，需依托中心平台、小型FPSO或路上终端；甲板承载能力有限，且难以扩容；平台上不设修井设备，修井作业需要采用移动式修井船完成；不具备二次采油能力（注水、注气），仅适用于自喷井；单个卫星平台井数一般不超过6口，且多为单井；需对初期和后期产能有较为准确的预测；水深一般在100 m以内。

2 小型浮式生产系统

现有的深海技术都被应用于大储量、多井口的油田，而不是针对利润较低的小型油田。传统浮式生产系统，比如TLP，SPAR，SEMI，船型FPSO等，由于高成本也不能作为边际油田开发的明智选择。为降低开发成本，具有足够负载能力的小型浮体可应用于此。

2.1 小型FPSO

FPSO（浮式生产、储存及卸载系统的简称），包括船体、上部油气处理系统、单点系泊系统及输送管道，它是一种集成的海上油气处理装置。优点颇多，诸如大储量、低成本、高效建造、大甲板面积、可移动等等。在世界各个海域，从西非到北大西洋，已经有超过100艘的FPSO。直至2006年8月，有将近193艘FPSO在建、改装或设计，表明FPSO是通用于各个海域和各种海况，尤其是远离海岸的深海海域。

经过20多年的努力，中国已经成为拥有FPSO最多的国家之一，总共有15艘应用于海上石油开发工程。依靠FPSO，已有十几个海上油气田得到成功的开采。我国70%的海上油气产能依靠FPSO支持[6]。

为了边际油田的最优化开发，工程师们正积极研究小型FPSO技术。例如，中国海洋石油总公司已经设计了八角形FPSO[7]，它与船型FPSO在船体结构、设计、建造和操作等方面都不同，在系泊和水动力性能方面有相当的优势。图17展示了八角形FPSO的布置、外输及系泊方式等。

图17 八角形FPSO开发项目示意图

图18 SSP的设计形式

此外，美国的OPE公司已经设计出卫星服务平台（SSP），由中心圆柱体或圆形船体构成（见图18），主体的升降能为平台提供压载定位。通过设计，SSP比一般的船型FPSO具有更好的运动特性，并且达到很高的负荷比。SSP被设计成为水下井口或干树装置提供遥控、生产处理和油气水分离操作。任何有丰富经验的船厂都可以新建卫星服务平台，具有很广泛的建造基础。

2.2 迷你型张力腿平台（Mini-TLP）

迷你型TLP的概念由SEA工程师Pieter Wybro博士提出。SeaStar TLP和MOSES TLP是两种典型的迷你型TLP形式。这种改进的TLP形式具有上部模块重量轻、主体设计新、系泊设计先进等优点，见图19。它的这些特性就使建造、岸上连接、海上运输和安装操作都变得简单易行，从而提高了工程的经济性，见图20。SeaStar TLP由Atlantia公司设计，不仅适于干树采油，而且将水下井口和水上完井相结合。由于筋腱的轴向刚度，SeaStar TLP的垂向固有频率远小于波浪周期，所以它具有很好的运动特性。MOSES，即小型海洋装备结构的简称。MODEC公司已经设计了一系列的MOSES TLP（见图 21～图 23）， 如 Marco Polo TLP，Prince TLP，SSIP TLP等等。MOSES TLP的最显著特征为主体由平板结构组成，这样易于模块化生产。新一代的轻负荷型TLP简单易行且具有经济性。在主体简化和安装方法方面将继续进行大幅改进。

图21 Marco Polo TLP

图19 干树型SeaStar TLP

图20 SeaStar TLP自安装过程

图22 Prince TLP

图23 SSIP TLP

2.3 小型半潜式平台

Marine公司已经开发并认证了一个小型浮体[8]，被称作“MiniFloat”（见图24），它可以发电且提供化学药品注入、无线电通讯、燃油储存、控制系统等的负荷。MiniFloat是一种三立柱的半潜式平台，在每个立柱的底部延伸出水平的水槽板。此平台通常为无人职守平台。

图24 MiniFloat-III平台

图25 MinDOC概念设计

图26 MinDOCⅢ

2.4 MinDOC

小型深水操作概念性平台，即MinDOC（见图25），类似于Spar平台的设计理念。它主体的浮力部分由三个窄小的沉箱被水平斜撑以三角布置等距连接。对于此平台，“小”指的是建造和安装的复杂化，而非负载能力或水深范围。MinDOC III是最新的概念设计形式，立柱三角形布置连接于横向浮体上（见图26）。尽管它看起来像半潜式平台，但稳性和水动力性能方面的结构行为更像Spar平台。

3 可移动式自储自安装平台

根据渤海油气田依托条件差、储量小、丰度低、产量不大、单个油田生产年限较短的实际情况，在借鉴桩基沉箱平台、桶形基础移动平台、坐底式采油平台、自升式采油平台以及新型混凝土重力式平台等结构形式的基础上，设计出一种集采油、生产、储油等多种功能于一体的新型移动式平台。它引入水下储油技术，这样便可以减少平台的负荷并减小桩腿的尺寸，且存在较高的安全性；采用自升式结构，灵活性好，适应不同的水深；如果水深条件允许的话，可以自浮拖航，且安装简便。

本研究在综合分析渤海湾小油田基础数据上，确定目标平台的结构型式为具有储油沉垫的四桩腿液压自升式生产储油平台。经过尺度筛选研究，确定平台的主尺度和分舱布置方案，在此基础上建立平台的水动力分析模型，利用MOSES软件进行平台的稳性和运动分析，总体运动性能良好，能够满足渤海地区的作业要求。然而，由于本平台集采、产、储于一体，结构形式较传统的平台都有所不同，故需针对平台的船体结构、桩腿结构、沉垫结构开展有限元结构分析，计算工况分别为作业工况和自存工况，所承受环境载荷考虑风、浪、流、冰、地震等。

利用有限元分析软件ANSYS对平台结构强度进行计算。根据平台结构特点，建模中采用了管单元、板壳单元、梁单元、质量单元的适当组合，利用PIPE16管单元来模拟桩腿结构，主船体以及沉垫结构的板采用SHELL63板单元模拟，纵骨、纵桁、横梁采用BEAM188梁单元模拟，船体上的设备用MASS21质量单元模拟。建立的有限元模型如图27所示。沉垫着底状态时，底部结构边界条件取垂向位移约束，X，Y方向侧面结构边界条件分别取X方向、Y方向位移约束。本平台桩腿与船体结构的连接是通过液压升降系统来实现的，二者之间通过液压升降系统插销来传递竖向力，故根据液压升降系统实际插销高度，将该高度处桩腿节点与对应高度处固桩架节点垂向位移约束为相同；桩腿与主体之间主要同过上导向环及船体围阱区的下导向来传递水平力，根据它们实际作用位置，将相同高度处桩腿节点与周围对应节点水平位移约束为相同。

图27 平台结构有限元模型

图28 地震载荷作用下平台整体结构应力分布

表1 地震载荷作用下的平台应力

通过对各种载荷组合分别计算并对比分析可知，地震载荷是最危险工况，下面仅对此工况进行分析说明，考虑的载荷组合：水平方向地震惯性力+动水压力+自重+设备重。表1列出了在地震载荷作用下自存工况时的Von Mises应力计算结果，图28是横向90°时的结构应力分布。从中可以看出：最大位移出现在桩腿上端，横向90°时为0.568 m；最大应力略小于许用应力，满足规范要求。

4 结论

经济问题是海上边际油田开发的关键问题，所以应该寻求能够降低成本且适应当地海况的先进方法和技术。本文提出的这些新型结构，诸如简易平台和小型浮式生产系统，已经或将能在工程应用中得到高利润的回报。移动式多功能平台的概念，为我国渤海边际油田的高效开发提供了新方法。然而，与水下储油相关的结构和工艺技术还需要进一步的研究，为其真正应用于工程实际奠定基础。

[1]赵文智,胡永乐,罗凯.边际油田开发技术现状、挑战与对策[J].石油勘探与开发,2006,33(4):393-398.

[2]张燕坤,宋玉普.适用于渤海边际油田的轻骨料混凝土平台结构选型及优化[J].中国海洋平台,2005,20(3):31-39.

[3]Subrata K.Chakrabarti.Handbook of Offshore Engineering(2-volume set)[M].Elsevier.2005.

[4]方华灿.我国海上边际油田采油平台选型浅谈[J].石油矿场机械.2005,34(1):24～26.

[5]Yang G J.Bohai sea ice condition[J].Journal of Cold Regions Engineering.2000， 14(2)： 54–67.

[6]Fan Mo.FPSO and its Application in China's Sea Area[C]//Proceedings of China Offshore Summit.Shanghai,2006.

[7]范模.八角形FPSO关键技术与应用 [J].中国造船，2007，48(增刊):214-221.

[8]Christian A Cermelli,Dominique G Roddier,Alexia Aubault.Minimal semisubmersible hits marginal deepwater development economics[J].Offshore， 2008，68(2):80-85.

Platform Selection and Structural Calculation for Offshore Marginal Oil Fields

DU Zun-feng1,YU Jian-xing1,TAN Zhen-dong2,ZHANG Zhong-hua3
（1.Key Laboratory of Harbor and Ocean Engineering,Ministry of Education and Tianjin,School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.Military Transportation Institute of the General Logistics Department,Tianjin 300161,China;3.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China）

Through the study of characteristics of marginal oil fields and offshore structures,some novel structures and oil field development systems are discussed.Design and application of minimum facility platforms and minimal floating production systems have been proven to be effective structures,which make the development of offshore marginal oil fields profitable.However,the oil fields in Bohai Bay have their own features,thus,a new kind of mobile multi-functional platform integrating exploitation,production and storage provides a new idea for efficient exploitation of marginal oil fields in our country.Based on global performance analysis,the structure strength is calculated to support its practical application in the future.

marginal oil fields;minimum platform;minimal floating production systems;mobile multi-functional platform

P75

A

1003-2029（2010）04-0076-06

2010-08-25

国家高技术研究发展计划（863）资助项目（2008AA09Z307）上海交通大学海洋工程国家重点实验室研究基金资助项目。

杜尊峰（1984-），男，讲师，主要研究方向：船舶与海洋结构物设计制造、工程安全风险分析与控制。Email：duzunfeng2001@126.com