百米水深简易平台

谭 越

（中海石油研究中心，北京 100027）

百米水深简易平台

谭 越

（中海石油研究中心，北京 100027）

简易平台对海上边际油田开发的经济效益举足轻重，目前国内简易平台的应用和研究仍局限在40 m水深的范围，100 m左右水深简易平台的研究较少。文章从设计思路、结构型式和安装方式等角度介绍了国际上适用于百米水深的几种不同类型的简易平台。对是否可以照搬墨西哥湾和北海的简易平台结构用于我国的边际油田开发进行了探讨，对我国研发此类简易平台的方向提出了建议。

边际油田；开发；简易平台

0 引言

海上边际油田开发，节省工程投资是很重要的环节，基于过去项目的统计，在一个油田开发典型基础设施的投资中平台约占30%，这表明平台结构型式对经济效益举足轻重。在过去的30年中，简易平台技术得到快速发展，已经在墨西哥湾、北海这种条件恶劣的海域中取得了成功的应用。世界上一些大的石油公司和工程公司都在研制简易平台。

近年来，中海油通过使用海上简易平台技术，降低工程投资，提高经济效益，相继有效地开发了一些边际油田，取得了良好的经济效益。但由表1可以看出，目前国内简易平台主要应用于渤海和涠洲海域，作业水深局限在40 m，超过这一水深范围还没有相应的技术和应用。

表1 国内简易平台情况

我国南海油田中，有相当部分的边际油田分布在70～120 m水深范围内，这些油田的总储量非常可观。国家对油气产量增长的迫切要求，使得开发这些边际油田的战略显得非常重要。要想有效地开发这些边际油田，必须从技术上有所突破，降低开发成本。

1 常规设计简易平台

1.1 SEA HORSE平台

类似于标准平台的 “海马”号小型平台[1]，是墨西哥湾使用最多的简易平台，由美国Atlanti工程公司设计、建造。最初设计水深小于30.5 m（100 ft）， 目前主要用于水深45.7 m （150 ft） 的浅水区。随着 “海马”系列平台的发展，工作水深逐渐加大，可达91.4～121.9 m （300～400 ft）。它不仅在墨西哥湾强飓风的海况条件下，而且在英国北海较恶劣的浅水区，均经受住考验。经劳氏船级社鉴定，承认其适用性。其最大的特点是采用金字塔形的水下构架和宽大的底座。前者保证了它在水面对风力和波浪载荷的高穿透性，从而大大减少了受力，而后者又使其抗倾覆能力显著提高。底部导管架是金字塔式的三角形或矩形的构件组合件，上部可安装1～3层甲板，这样既可作为沉箱式平台或标准平台的一部分，也可使油气井隔水导管作为结构的一部分，使油田在保持正常生产的情况下，同时又可在平台外侧打其他生产井，这对于分批投产的油田尽快投产从而加速油田采收速度是非常有利的。可多次拆装，重复使用，有 “海上拼装玩具”之称。钢架支撑与井箍、角桩连接起来，使井筒所承受的负荷转移到各角桩上，能够承受巨大的侧向负荷，增强抗拒横向位移的能力；三角形或矩形的桩腿基础系统，使平台在泥线上有一个相对大的惯性力矩，能有效抗拒旋转力矩、使井筒保持稳定。斜腿支撑柱结构使受力支点上移，大大减小了垂直井筒的弯曲力臂长度，从而使井承受的弯曲力矩减小到允许的范围之内。

1.2 Chameleon IIITM平台

Chameleon IIITM平台是OPE公司的专利产品。结构部分吸取了Tripod平台的优点而仍采用传统的四腿形式，见图1。其设计可随水深和操作要求的变化而改变，因此 “变色龙”的名字恰如其分地显示了这一设计的优越之处。Chameleon IIITM平台适宜超过91.4 m（300 ft）水深的海域，与标准Tripod平台比较，它可提供更大的甲板荷载和运动阻力。Chameleon IIITM平台设计的独特之处在于，为生产设备提供了充分的空间。众多的优良设计，使得Chameleon IIITM平台的造价大大降低，尤其是以恶劣的环境条件作为衡量标准，更具优势。利用裙桩，平台纵向构件的尺度设计依据的是许用应力水平而不是桩直径。在许多较软土质的情况下，这一特点使得用钢量显著降低。与Tripod平台和独柱平台相比，由于基础更大，因此稳定性也得到加强。

2 分段模块化设计思路

2.1 KUP平台

Kvaerner工程公司吸取了英国和挪威边际油气田的开发经验，开发出一种适合浅海小型油气田的标准平台。KUP（KvaernerUnmannedPlatform）[2]平台在60～160 m水深内可管理6～12口生产井，是一种快速、低成本、通用和简易的平台，其设计制造效率高、维护工作量低。

导管架为模块化设计，这是设计上的一项新突破。水深60 m时，导管架由3～4个等同的模块组成，根据钢材的厚度和导管直径的不同，其质量也不同，有的质量达300 t。但随着水深增大，平台需要更大的稳定性。解决稳定性的方法是，在已有的模块下面增设600 t的大型标准模块；同时，各模块与相应的上层模块相互 “扭错”。这样设计的好处是可以进一步增大基础面积并限制了打桩要求。若按水深120 m设计，两模块为双 “扭”45°；按水深160 m设计，则为三 “扭”45°。

工程可在一年内完成，其中包括现场安装和生产出油。KUP导管架模块在建造、运输和安装过程中始终保持竖直状态，其中全部临时负荷均由桩腿支承。这样做的优点是既减小了导管架质量又提高了制造过程的效率。根据所选的起重船吊装能力，导管架的安装可在海上一个模块一个模块地进行，或在船坞内先将两个模块组装好后，按模块组进行；然后，再安装甲板。若采用混凝土重力结构，则先在干船坞内预制。然后，与上部结构一起拖至现场，按常规方式安装。

2.2 TRANSERVE平台

与KUP型平台的设计思路相似，TRANSERVE平台最大应用水深可达到90 m，甲板40 m×40 m，可承受25 MN的荷载，采用固定平台的设计方式，分段建造安装，可迁移并可在不同水深的油田重复使用。与常规导管架平台的水平层为四边形不同，TRANSERVE平台采用了五边形的基座 （见图2）扩大了基础面积，与常规固定式平台相比重量轻很多。

2.3 四面体框架积木式简易平台

四面体框架积木式简易平台[3]的结构形式与常规三桩腿平台类似。其特点主要是将隔水套管作为主立柱，将若干个四面体框架套接在隔水套管上，再加两根桩腿，构成三桩腿式平台，四面体框架可在预制厂预制，由于其尺度相对传统导管架小得多，结构搬迁相当方便，吊装也不困难，给现场作业带来极大的便利。

这种平台可适应不同的水深，如用于水深40 m的平台，一般可由三个四面体框架叠垒而成；当搬迁到27 m水深处时，只叠垒两个四面体框架便可。由于平台的荷载主要支承在以隔水套管为主、两条桩腿为辅的导管架上，结构受力状态得到了极大的改善，稳定性增强了，动力响应减小了，具有较好的抗疲劳性，甲板承载能力也有了更大的裕度。因此，这种平台既具有常规导管架平台的稳定安全性能和三桩腿平台的简易特点，又充分利用了隔水套管，具有装拆方便、重复利用率高等特点，且比三桩腿导管架平台更经济。四面体框架可在导管架厂预制，然后用驳船运送到现场。安装作业考虑利用自升式钻井船。当井口平台需要搬迁时，可让钻井船重新就位，拆除甲板及其上面的设施后，松解四面体框架与桩腿的嵌固，用吊机分别吊出四面体框架，放下切割刀，收回桩腿和隔水套管等。这样，所有回收的结构都可以搬迁到新的井位处使用。

3 桶基平台

3.1 桶型基础平台

同传统的桩基平台或重力式平台相比，桶型基础平台既不像导管架式平台那样主要依赖桩和深层土的承载能力，也不像重力式平台那样对表层土的强度提出很高的要求。依靠吸力向土中沉放作业（Penetration）成为在平台安装过程中非常关键和极具挑战性的一个环节。为了保证精确沉放到位并尽量减少对土层的扰动，对沉放过程监测控制和操作技术提出了十分严格甚至苛刻的要求，采取了一些特殊措施，从而造成了平台建设投资相应的增加。对于较浅水海区，例如渤海的桶型基础平台，在已有工程经验的基础上，解决这一问题的难度相对较低。尽管桶基平台的工作水深已在挪威Sleipner Vest海域达到82 m[4]，但将其推广应用于更深的水域，在技术上和经济上仍存在较大的难度。

3.2 SSF平台

集成了Shell公司的TRICAN吸力桶 （TRICAN suction cans）和 DWE叠式结构 （Develop While Exploring stacked platform）的设计思路[5]的 SSF（Suction-piled Stacked Frame）平台，既具有常规导管架平台的稳定安全性能和三桩腿平台的简易特点，又充分利用了隔水套管作为导管架腿，大大降低了平台的重量。

平台的结构形式由三根套管和其支撑的甲板组成。吸力桶和套管组成了框架结构。套管同时作为导管架腿，又通过不同高度处的叠式框架结构相互连接在一起，以提供足够的强度。框架结构通过灌浆与套管固定。除了具有钻井和导管架腿的功能，套管还是基础的一部分。吸力桶的主要功能是承受基底剪力，同时还要承受由倾覆力矩引起的垂向力。上部的叠式结构保证了平台的稳定性和刚度，同时还作为上部甲板的支撑。因此，这种平台具有装拆方便、重复利用率高等特点，且比三桩腿导管架平台更经济。

由于叠式结构可以分别安装，对于钻井平台的举升高度和举升能力也不是问题，所以平台的安装可以使用一般的而不必是大型的自升式钻井平台。为了减少安装时间，理想的做法是用一次起重作业整体安装。然而，在一定的水深和环境条件下，平台的总重会超过自升式钻井平台的起重能力，此时可分两次起吊。首先安装吸力桶和底部的基座，然后安装包括甲板在内的两个上部结构。装载平台的驳船首先顺着自升式钻井平台停泊。底部基座通过绞车提起，然后将驳船拖开，将其放置海底就位。基座装好后，利用吸力泵将吸力桶贯入海底。此时再将驳船回位，吊起平台的其他部分至底座的上方，利用预先装好的导向管，将两部分对接。此外，钻井作业完成后，可利用钻井平台将井口安装在甲板上。下一步将套管穿过结构套筒插入海底，提升上部结构至适当的位置，临时采用夹具固定，接下来通过灌浆将结构套筒和套管连接在一起。整个安装作业时间大约需要12 d左右。

综上所述，SSF平台的优越之处主要有以下几点：

（1）套管具有多种功能，既可用作钻井套管，还可作为基础和导管架腿。

（2）可以利用自升式钻井船安装，也可用起重驳船安装。

（3）采用吸力桶基础，与套管构成混合型基础。

（4）叠式结构小而轻，标准化设计便于制造和安装。

（5）灵活地适应不同的水深。

4 分析和建议

国内目前对于简易平台的研究，尽管也进行了大量的工作，但主要集中在40 m水深范围。而应用于这一水深范围的简易平台，无论结构型式，还是所采用的与常规导管架平台相同的安装方式，目前在国内都已经是成熟的技术。常规设计的简易平台，其特点和优点主要在于节省用钢量，而其建造和安装方式，与传统导管架平台相同。随着水深的增加，为满足所在海域的环境荷载以及规范对平台结构强度和刚度的要求，简易平台很难做到大量节省钢材用量。是否可以照搬墨西哥湾和北海的简易平台结构用于我国的边际油田开发，是一个值得探讨的问题[6-7]。

平台的投资按阶段不同又分为设计、采购、制造、运输和安装。尽管随着海况的不同，平台投资会有很大的不同，但可以肯定的是，安装费用是平台的关键因素，这一投资可能会占到平台工程总投资的一半[5]。主要原因是安装需要动用那些稀少而又价格昂贵的大型起重船。

根据国际公约和国内相关法规的规定，油气田停产后一年之内必须将平台拆除。平台拆除是涉及许多技术领域的综合性的系统工程，且受到经济、技术、安全、环境保护等多种因素的制约，是一项极具危险性的工程[8]。通常平台拆除即视为将其废弃，若要再次利用非常困难。而边际油田的开发通常是衰竭式开采，生产周期较短，若简易平台是可迁移并重复使用的，必将具有良好的应用前景。

为经济有效地开发边际油田，寻找更适宜的简易平台及便宜的安装方式具有非常重要的意义。安装船的起重能力与费用是成正比的，因此采用小型起重船则安装费相应会降低，同时也要求导管架的结构重量不能太大。从这样的前提出发，将导管架进行分段是很自然的想法。无论KUP平台、TRANSEVER平台、四面体框架积木式平台及SSF平台，都是这样的做法：将下部基座及其他部分分段模块化，这样更能够简化设计过程、提高制造效率。此类型平台的另一个特点是：模块化分段的设计可以使平台全部或者部分得以再利用，墨西哥湾的两个油田已经有了成功的先例。利用小型起重船安装的方式，尽管日租金低廉且回避了对大型起重船的依赖，但由于需要海上进行的作业增多，可能会导致安装时间的增加，总的安装费用是否会大大降低，需要仔细核算。

整体而言，这种结构具有制造容易、安装方便、拆迁简单、重复利用率高、经济性好的优点，是未来简易平台的发展方向之一。

[1]张武辇.墨西哥湾使用最多的简易平台——“海马”小型平台[J].国外石油机械，1994，（3）:22-25.

[2]王勇.适于边际油田开发的无人平台[J].中国海洋平台，1995，（5）:200-201.

[3]李远林.四面体框架积木式简易平台的研究[J].中国海洋平台，1998，13(1):22-26.

[4]Tjelta T I.Geotechnical aspects of bucket foundations replacing piles for the Europipe 16/11E jacket[A].Offshore Technology Conference[C].Huston:Richardson，TX，1994.73-82.

[5]Meek H J，Sliggers P G F.Alternative Low-Cost Wellhead Platform Concept for Marginal Offshore Field Developments[A].Proceedings of the Eleventh International Offshore&Polar Engineering Conference[C].Stavanger,Norway：Cupertino,Calif，2001.142-148.

[6]赵德廷．南海大气区简易平台专题研究[R]．北京：中海石油工程设计公司，1994.

[7]张艳芳．渤海海域简易平台结构研究[R]．天津：海洋石油工程股份有限公司，2006.

[8]李新仲,徐本和．海上油气田的废弃处置[J]．中国海上油气 （工程），2003，15（1）:46-49.

Minimum Platforms for Hectometer Water Depth

TAN Yue（CNOOC Research Institute， Beijing 100027， China）

Minimum platforms are significant for economic profit of marginal oil field development.Up to now,the study and application of minimum platforms in China are mainly limited at the water depth up to 40 m and seldom at the water depth about 100 m.This paper covers a summary of several types of foreign minimum platforms for hectometer water depth in aspects of design characteristics,structural behavior and installation.Finally,the paper discusses the technical and economic feasibility of applying the minimum platforms， which are prevalent in the Gulf of Mexico and North Sea， to the marginal offshore oilfield development in China and offers proposals of research and development direction of minimum platform technology in China.

marginal offshore oilfield;development;minimum platform

TE54

A

1001－2206（2011）05－0006－04

中海石油有限公司综合科研项目 “南海东部中小型油田开发工程模式研究”

谭 越 （1978-），男，辽宁建平人，工程师，2007年毕业于上海交通大学，工学博士，现从事边际油田开发、船舶及海洋结构物设计工作。

2010-10-15