锦州9-3油田极浅水分体式导管架安装方案分析

肖 辉,薄 昭

[中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300452]

0 引 言

随着我国海洋石油事业的不断发展，海上油田数量日益增多，海上油田开发所面临的条件也在日趋多样化和复杂化[1-2]。现阶段，渤海油田作为我国海洋石油开发生产的主阵地，在实现对其高效开发的同时，更应积极从中积累经验，为我国海洋石油事业可持续发展增加技术储备。

导管架常用的海上就位方式有立式吊装下水安装方法、平吊下水-漂浮-扶正安装方法、滑移下水安装方法和漂浮法安装方法[3-6]。其中立式吊装下水安装方法有导管架体积小、适用水深浅和结构紧凑等优点，是渤海地区常用的导管架海上就位方式。

甲板组块常用的海上就位方式有浮托法和吊装。浮托法因具有海上调试时间短、整装重量大和不依赖起重船资源的优点而被广泛应用于渤海油田中心平台的组块安装作业[7]。但是浮托法组块安装方式的出现对导管架的设计提出了新的要求,即导管架的设计必须考虑浮托船舶进退船对导管架槽口宽度和深度的要求。

本文以锦州9-3油田CEPD平台导管架海上安装为工程实例，介绍了极浅水分体式导管架立式吊装方案的比选及优化过程。由于该平台导管架属于极浅水分体式，故海上安装方案设计难度较大，其成功投产是我国海洋石油开发技术不断提高的写照，更是我国海洋石油开发的重要技术储备。

1 项目简介

锦州9-3油田CEPD平台为8腿8桩导管架中心井口平台，水深8.9 m，属于极浅水范畴，组块操作重量约20 000 t，安装重量约10 500 t，采用浮托法安装。出于对浮托法在技术上和风险控制方面的考虑，导管架需具备40 m轴距槽口宽度和至少8.6 m水下空间。所以锦州9-3油田CEPD平台结构形式由两个独立4腿导管架组成(如图1所示)，工作点尺度为(14+40+14)×20 m，2轴和3轴中心间距40 m，其间无连接结构。

由于该平台两个独立4腿导管架相距40 m，桩腿竖直而且无过渡段设置，因此导管架的定位精度高低定了桩的相对位置是否准确，也就决定了导管架能否与组块顺利完成对接。亦即，两组桩的相对定位精度是选择该导管架海上就位方式时必须考虑的因素。若偏差过大，将会对后续组块设计、建造及安装带来诸多不便，严重影响工程进度、施工质量和平台安全[8]。这也是该项目与常规导管架的最大不同之处。因此，为锦州9-3油田CEPD极浅水分体式导管架选择合适的结构形式和安装方法对于保证项目顺利进行和平台结构安全意义重大[4，9]。

图1 锦州9-3油田CEPD分体式导管架Fig.1 Split-jacket of JZ 9-3 CEPD

2 极浅水分体式导管架安装方案比选

锦州9-3油田CEPD平台导管架安装设计难度在于它是极浅水分体式导管架。为更高效完成该导管架的安装设计，本项目首先根据众多已有的平台安装方案初步确定参考方案，再通过参考方案间的对比与优势互补确定导管架安装方案。

表1 极浅水分体式导管架安装参考方案汇总

通过筛选、排查和分析已有平台导管架安装方案，结合锦州9-3油田CEPD平台为极浅水分体式导管架的实际情况，本项目最终确定了五个参考方案进行下一步分析研究。锦州9-3油田CEPD平台中极浅水分体式导管架安装参考方案描述及示意图见表1。

分析研究导管架安装参考方案是初步确定极浅水分体式导管架安装方案的基础。依据本项目实际情况，确定导管架安装方案需要考虑的主要分析因素包括：定位精度、技术成熟度、操作难度、结构稳定性、海上施工时间和经济性。锦州9-3油田CEPD极浅水分体式导管架5个安装参考方案的主要因素分析见表2。

表2 参考方案分析因素对照表

通过对比优选表2中5个导管架安装参考方案，可初步确定锦州9-3油田CEPD平台中极浅水分体式导管架的安装方案。考虑到定位桩相距约70 m，定位桩自身的定位精度难于保障，导管架就位后的精度不高；顶底双层桁架方案中底部的桁架处于泥面位置，切除难度过大，不具备可操作性；顶部桁架方案需要使用双船联合作业，在吊点布局、桁架拆除、位移控制、导管架腿顶部切割处理方面存在较大难度，工期可控性差；湿托方案未有先例，技术成熟度低，需要通过实验验证结合数值模拟后才能进行实际项目操作，不满足项目的工期限制。由于上述原因排除了方案一、方案三、方案四和方案五。

方案二(双侧独立框架方案)有定位精度高、技术成熟度高、操作难度低以及经济性适中的优点并伴有结构稳定性较低和海上施工时间较长的缺点。综合分析方案二的优势和劣势，结合当前技术发展，本项目研究认为方案二从经济上和技术上都较为可行，且在后续设计过程中可以对其不足之处进行优化和改良，故锦州9-3油田CEPD平台极浅水分体式导管架安装方案将以方案二作为基础。

分析造成方案二结构稳定性低的原因是A轴和B轴外侧的独立框架的抗扭刚度过多地依靠主连接杆件的刚度和与主结构连接节点的剪切强度。通过各方案间的对比和优势互补，可将方案一和方案五的整体框架引入方案二，使得两个独立的单片通过桁架连接成为空间框架(如图2所示)，使其结构稳定性得到加强。锦州9-3油田CEPD极浅水分体式导管架的初步安装方案为：在两个独立导管架中间设置空间桁架结构，亦即在安装阶段导管架由三个各自独立的结构组合而成。分析造成方案二海上施工时间长的原因是工作量较大，并非技术难度大。故本文将从产生海上施工工作量的每一个环节进行分析，从而减少海上施工时间，实现极浅水分体式导管架安装方案的优化。

图2 锦州9-3油田CEPD导管架安装(吊装)结构示意图Fig.2 Mounted structure (lifting) schematic for JZ 9-3 CEPD jacket

3 极浅水分体式导管架安装方案优化

锦州9-3油田CEPD平台极浅水分体式导管初步安装方案确定后，方案的优化工作将围绕如何有效减少海上施工时间即海上安装工作量展开。

分析该项目中产生海上施工工作量较大且可优化的内容主要包括：拆除吊点，拆除水下临时框架与主结构连接节点，拆除水上临时框架斜撑与主结构的连接节点和二次起吊临时框架。本项目对以上内容进行了逐一分析，有效缩短了海上施工时间，优化了极浅水分体式导管架安装设计方案[10]。

3.1 拆除吊点

拆除吊点的工作量根据吊点位置的不同而不同。若吊点置于水面以上则需要进行切除，原因在于其影响其他附属结构安装。若吊点置于水面以下则可以免于拆除，从而节省大量时间。当吊点置于水面以下时也衍生出挂锁困难和脱扣困难的问题。经过对工作量和费用的综合考虑，最终决定将吊点置于水下并引入锁具平台和液压卡环以发挥其节约时间的优势。

3.2 拆除水下临时框架与主结构连接节点

拆除水下临时框架与主结构连接节点形成的工作量会因节点形式不同而不同。当临时框架对导管架的连接采用刚性连接时，其限位作用达到6个自由度约束，连接节点处需要进行水下切割，工作量大且工序复杂；当临时框架对导管架的连接采用铰接时，其限位作用只形成2个自由度约束，导管架就位后只需要进行水下拔除即可，工作量会大幅减少。考虑到临时框架对导管架的限位作用使用2个自由度约束即可满足要求，因此该项目引入与裙装套筒类似的结构实现对导管架的限位约束。此方案既达到了面内约束的功能，又实现了快速解脱，在减少海上施工时间的同时也降低了施工难度。考虑到泥沙进入套筒有可能阻碍插尖端部的拔除作业，故在套筒内灌注固态润滑脂，以降低拔除作业难度。

3.3 拆除水上临时框架与主结构的连接节点

拆除水上临时框架斜撑与主结构连接节点形成的工作量与连接节点的形式有直接的关系。若连接节点用圆管连接则每个节点需要进行两个环形切割且需要后续的防腐作业；若引入与船体舱壁甲板加强结构类似的肘板结构连接每个节点只需要一道直线切割以及少量防腐作业。经过数值模拟分析，肘板连接释放的面外弯矩不对结构整体性能产生影响，于是本项目用与船体舱壁加强结构类似的肘板结构连接每个节点以减少切割和防腐工作时间。

3.4 二次起吊临时框架

临时框架起吊时可能会与主结构发生碰撞，破坏防腐涂装，从而衍生出附加工作量。因此，本项目在临时框架与主结构对应的一侧增加了橡胶垫以规避风险，提高其可靠性，有效地规避了可能的海上额外施工量。

图3 锦州9-3油田CEPD平台Fig.3 JZ 9-3 CEPD platform

至此，本项目通过分析海上施工各环节，成功实现了对锦州9-3油田CEPD平台极浅水分体式导管架安装设计方案的优化。锦州9-3油田CEPD平台(如图3所示)的成功安装和油田的顺利投产有效证明了该方案的合理性及可行性。

4 结 语

导管架就位是海上平台施工中非常重要的环节和步骤。本文以锦州9-3油田CEPD平台为工程实例，对极浅水分体式导管架的安装方案进行了比选分析，并进一步围绕如何有效减少海上施工时间(海上安装工作量)展开了方案优化分析，最终确定了该项目极浅水分体式导管架采用双侧独立框架方案进行海上安装。该平台的成功投产为我国海洋石油开发中导管架的海上就位方式提供了一种新模式，对我国海洋石油技术发展起到了积极的促进作用。

[1] 王飞琼，赵春明，程明佳，等. 渤海油田开发过程控制及效果 [J]. 中国海上油气，2012(6)：34.

[2] 章海亮,董科. 波浪非线性对导管架平台疲劳寿命评估的影响[J]. 船舶工程，2015 (11)：34.

[3] 王文科. 深水导管架的海上安装设计分析[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2006.

[4] 朱高伟. 导管架的设计安装与安全管理探讨[J]. 化工管理，2015 (16)：106.

[5] 俞锐. 导管架下水技术[D].大连：大连理工大学，2006

[6] 叶永彪,高峰,张行,等. 大直径超长桩海上吊装技术与应用[J]. 海洋工程装备与技术，2015，2(1)：60.

[7] 范模,易丛,白雪平,等.大型组块浮托安装关键技术研究及在我国的应用进展 [J]. 中国海上油气，2013(6)：98.

[8] 王丽勤，李达，王忠畅，等.一种适用于极浅水域大型组块浮托安装的新型导管架型式——以锦州9-3油田为例[J].中国海上油气，2015(2):108.

[9] 李达，易丛，白雪平.超大型平台安装试验研究——以荔湾3-1气田中心平台为例[J]. 中国海上油气，2012(1):85.

[10] 韩士强，魏佳广，李文博，等.文昌19-1N油田导管架安装技术[J]. 海洋工程，2014 (5)：85.