简易平台新型安装方式

谭 越

(中海油研究总院,北京 100027）

简易平台新型安装方式

谭 越

(中海油研究总院,北京 100027）

控制平台工程投资对提高海上边际油田开发的经济效益起着举足轻重的作用,其中安装费约占平台工程投资的50%。因此,就要求尽可能节省安装费用和工期,从而促使采用不同的平台安装方案。结合国际上不同结构型式的简易平台,分别对采用小型起重船安装、采用钻井平台安装和自主安装三种方式的技术特点进行分析和比较,并简要介绍了一种结合这三种安装方式优点的新型平台(SSF）。

海上边际油田;简易平台;安装方式

开发海上边际油田,节省工程投资是很重要的一环,基于过去项目的统计数据,一个典型油田,在其开发基础设施投资中平台部分的投资约占30%,这就使得平台结构型式对于提高油田开发的经济效益占据着举足轻重的地位。平台的投资包含其设计、采购、制造、运输和安装费用。尽管随着海况等环境条件的不同,平台投资额会有很大的不同,但可以肯定的是,安装费用都是占有极大比重的,这一投资可能会占到平台工程总投资的50%[1]。通常,巨大的安装费用主要是由于安装过程中需要动用那些稀少而又价格昂贵的大型起重船等施工装备造成的,因此,为了经济有效地开发边际油田,寻找更适宜的简易平台安装方式具有非常重要的意义。

1 采用小型起重船的安装方式

1.1 安装 KUP型平台

Kvaerner工程公司总结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化平台。KUP(Kvaerner UnmannedPlatform）[2]平台在60～160 m适用水深内可拥有6～12口井,是一种快速、低成本、通用和简易的概念,其设计与制造效率高、维护工作量低。该平台的导管架为模块化设计,这是设计上的一项新突破。在水深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,模块重量有所不同,重量最大可达300 t。随着水深增大,平台需要更高的稳定性。提高稳定性的方法是在前述的这些模块下面增设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有助于降低打桩要求。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°。

整个工程可在一年内完成,其中包括平台的现场安装和油田投产。KUP导管架模块在建造、运输和安装过程中始终保持竖立状态,其中全部临时负荷均是由桩腿支撑。这样做的优点是既减轻了导管架重量又可提高制造过程的效率。根据所选用的起重船吊装能力,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,按模块组进行安装;然后,再安装甲板。若采用混凝土重力式下部结构则先在干船坞内预制;然后与上部结构一起拖运至现场,按常规方式安装、拼接。

1.2 安装TRANSERVE平台

与 KUP型平台的设计思路相似,TRANSERVE平台的最大应用水深可达到90 m,甲板40 m×40 m,可承受2 500 t的荷载,采用常规固定平台的设计方式,分段建造安装。常规导管架平台的水平层为四边形,而 TRANSERVE平台采用了五边形的基座(图1）,这也就扩大了基础面积且与常规固定式平台相比重量要轻很多。

图1 Transerve平台模型Fig.1 Transerve Platform

安装船的起重能力与其租用费是成正比的,因此采用小型的起重船相应地自然会使得安装费降低,但是同时也限制着导管架的结构重量不能太大。从这样的前提出发,将导管架进行分段将是很自然的想法。因此,当单体重量过大时,无论是对 KUP还是TRANSEVER平台,都是采取了这样的做法。这也就催生了模块化的理念,将下部基座及平台其他部分模块化能够更好地简化设计过程、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[3]。利用小型起重船安装的方式,仅从日租金上就具有低廉的优势并且回避了对大型起重船的依赖,但由于需要增加海上对接等作业工序,往往会导致安装时间的增加,总的安装费用是否如愿地得到了降低,需要仔细地核算。而且在很多情况下,相对于节省工程投资,缩短平台安装工期令油田提前投产能够具有更好的收益,这样一来,这种安装方式也就失去了优势。

2 采用钻井平台的安装方式

采用钻井平台船来安装生产平台,相比采用起重船来安装可大大降低平台安装费用。该技术已在世界各地得到应用,尤其适用于油田位置偏远、起重船动复员费用昂贵的海域。自升式钻井平台一般都具有500 t的起升能力,这能够满足小平台的安装要求。例如,在墨西哥湾使用最多的简易平台Sea Horse系列平台,都是采用自升式钻井平台安装的(图 2）[4]。

相对于采用起重船来安装生产平台,采用自升式钻井平台似乎是一个更加合理的选择。因为,大部分简易平台都是作为井口平台或是小型生产平台,钻井平台完成钻井作业之后若发现具有开采价值的油田而立即转入开发,则避免了暂时弃井、钻井施工装备撤离、重新返回原位等工序,可以节省作业成本。另外,此种安装方式还可以从两方面节省投资:(1）钻井平台本来就已就位进行钻井,因而安装平台时就不再需要任何动员和复员费用;(2）相对起重船,钻井平台的日租金更低。由于简易平台的尺寸和重量都不是很大,要使在边际油田中的简易平台进行空中翻转一般是不成问题的。但需要注意的是,自升式钻井平台并非专门为平台安装设计的,因此在平台设计时需要认真考虑它的一些局限性:

(1）起重能力:自升式钻井平台起重能力相对较小;

(2）起重高度:由于其桩腿长度的限制(固定）,若要求提高垂直起重高度,则自升式钻井平台可适应的作业水深就要减小;

(3）起吊工作界面:自升式钻井平台没有数百吨提升能力的旋转式悬臂起重机,它的起吊作业是通过钻机的提升系统完成的,而钻机的提升系统伸出钻井平台的范围是有限的。

(4）打桩施工:采用钻井平台打桩的技术难度和所受限制将较大一些,桩径和重量不是大问题,而桩长和可及打桩范围是主要限制,从而可能增加接桩的工作量,造成钻井平台打桩效率不高。

图2 采用自升式钻井平台安装简易平台Fig.2 Minimal platform installed by jack up rig

3 自主安装方式

当前在我国,对于开发边际油田来说,以往使用的固定式简易平台的成本依然相对较高。20世纪90年代出现的桶形基础平台,挪威专家称其是“导管架基础工程技术新时代的曙光”[5],这种平台的应用,可能会有助于改变以上现状。桶形基础平台(图3）由甲板、支撑结构和水下基础三部分组成。水下基础为大直径的桶形钢结构,替代了固定平台长期使用的、用钢量很大的钢桩,从而可以大大减少海上施工量和降低平台造价,减少现有固定平台海上施工所用的大型机具,依靠负压使桶形基础沉入海底。其经济效益主要体现在海上安装费用低、重复利用率高和节省搬迁费三个方面。因此,开采周期短的边际油田特别适合选用此种型式平台。此外,并不局限于小型简易平台,桶形基础的平台型式也可以被我国浅海水域的各类采油生产平台广泛地采用[6]。

自主安装是近年来的一个技术趋势。如果要实现自主安装,则需要增设一些重要的附属结构,譬如浮筒、压载系统等。然而,这些附件仅在安装时使用,其后将被闲置,此外,还要花费大量额外的资金来维持简易平台的适航性、可安装性以及破损状态下充分的冗余性,这也就使得简易平台自主安装的特点不再像最初所期望的那么具有吸引力。

图3 桶形基础平台Fig.3 Bucket foundations platform

根据国际公约和国内相关法规的规定,在油气田生产终止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,并且受经济、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[7]。通常的平台经拆除后即视为将其废弃,要重复利用是非常困难的。尽管从经济角度上考虑还存在一些问题,但自主安装平台通常都是可迁移并重复使用的,因此也就为它带来良好的应用前景。

4 SSF平台

一座简易平台的建造工程包括陆上制造与海上安装施工作业,陆上制造一般采用常规的海洋工程加工制作方法,海上安装,为了降低费用,上述的三种方式可供采用,即:利用小型起重船安装、利用钻井平台安装和自主安装。

除了只是单独采用一种安装方式的平台以外,还有将以上三种安装方式联合加以应用的,这就是SSF平台。SSF(Suction-piled Stacked Frame）平台的安装(图4）,结合了上述三种方式的优点。其结构集成了 Shell公司的 TRICAN吸力桶(TRICAN suction cans）和DWE堆叠式结构(Develop While Exploring stacked platform）的设计思路[1]。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兼作导管架腿,因而大大地降低了平台的重量。

图4 SSF平台安装过程示意Fig.4 Installation sequence of SSF platform

该类平台的结构形式由三根隔水套管和其支撑的甲板组成。吸力桶和隔水套管组成了框架结构,隔水套管同时作为导管架腿,通过不同高度处的堆叠式框架结构使之相互连接在一起,以提供足够的强度。框架结构通过灌浆与隔水套管固定,除了具有钻井和导管架腿的功能,隔水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,上部的堆叠式结构既保证了平台的稳定性和刚度,同时可作为上部甲板的支撑。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化特点,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,也就使它比三桩腿导管架平台更经济。

由于堆叠式结构可以分段分别安装,因此对于钻井平台的举升高度和举升能力也就大多不成为问题了。平台的安装可以使用普通的而不必是大型的自升式钻井平台。只是,为了减少安装时间,应该优先考虑的做法是用一次起重作业将其整体安装。然而,在一定的水深和环境条件下,平台组块的总重可能会超过自升式钻井平台的起重能力,这时就必然要分为两次(或者多次）起吊、安装。安装顺序是,首先安装吸力桶和底部的基座,然后是包括甲板在内的两个上部结构。安装的大致过程是,首先由装载平台的驳船靠着自升式钻井平台停泊;通过钻井绞车提起底部基座,然后将驳船拖开;将其放置到海底就位。底部基座装好后,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部底座的上方,利用已预先装好的导向管,将两部分对接。此外,利用钻井平台将井口安装在甲板上。下一步是将隔水套管穿过结构套筒插入海底,提升上部结构至适当的位置,采用夹具临时固定,接下来通过灌浆将结构和套管连接在一起。至此,整个安装作业时间需要12天左右。

综上所述,SSF平台的优越之处主要有以下几点:

(1）隔水套管兼备多种功能,既可用作钻井套管,同时还是基础和导管架腿;

(2）既可以利用自升式钻井平台安装,也可用起重驳船安装;

(3）采用吸力桶基础,并且与隔水套管构成了混合型基础;

(4）堆叠式结构易于实现小而轻及标准化设计,也便于制造和安装;

(5）可以灵活地适应不同的水深。

5 分析和建议

目前,我国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,对超过这一水深范围的作业,还没有进行相应的技术研究和应用。国内针对新型简易平台的研究,尽管也进行了大量的工作,但仍限定在这一水深范围。而应用于这一水深范围的简易平台,无论其结构型式,还是其所采用的吊装施工方式——与常规导管架平台一样目前在国内几乎是一成不变的。文中所介绍的国际上几种先进的平台及其安装方法,在国内并未进行深入的研究,要达到工程实际应用的程度还需要付出不少努力,借鉴国外的先进经验,研究其对于我国边际油田开发的适用性,是一个非常值得继续深入探讨的问题。

通常意义上的简易平台,其特点和优点也就主要在于节省用钢量,而其建造和安装方式,与常规的固定式平台则完全一样,并未有所突破。随着水深的增加,要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,是很难做到大量节省简易平台的钢材用量,也就是说,寄希望于减轻平台重量来控制其投资的空间极其有限。要进一步控制平台的投资,只有在海上安装方式等方面下功夫。因此,如前所述,无论 KUP平台、TRANSEVER平台,还是SSF平台,都采用分段模块化的做法,将下部基座及其他部分模块化能够更好地简化设计过程、提高制造效率。此类型平台的另一个特点是,分段模块化的设计可以使平台全部或者部分得以再利用,这在墨西哥湾的两个油田已经有了成功的先例。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,是简易平台未来的发展方向之一,我们对此应该予以足够的重视。

[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.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]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.

[7]李新仲,徐本和.海上油气田的废弃处置口[J].中国海上油气(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

中海石油有限公司综合科研项目“南海东部中小型油田开发工程模式研究”。

2010-10-09;改回日期:2010-11-15

谭越,男,1978年生,工程师,博士,船舶及海洋结构物设计制造专业,现从事边际油田开发、船舶及海洋结构物设计。E-mail:tanyue2@cnooc.com.cn。