海洋平台上部组块结构重量与甲板面积定量关系的分析研究

李 虎，黄冬云，韩亚冲

(中海油研究总院有限责任公司，北京 100028)

0 引 言

随着中国经济的飞速发展和国家大力倡导清洁能源消费，石油和天然气的消费量急剧攀升，尤其是在冬季供暖季，多地出现了“气荒”现象。尽管我国是当前世界上主要油气生产国之一，油气产量增长居世界前列，但产量增速落后于经济增速，对外依存度越来越高，2015年石油变现消费量估计为5.43亿吨，对外依存度达到60.6%，天然气消费量为1 910亿方，天然气对外依存度达到32.2%[1]。油气资源对外依存度的持续走高严重威胁着我国的能源安全。

我国油气资源丰富，尤其是海洋油气资源丰富且尚未充分勘探开发。从世界范围来看，海洋石油资源量约占全球石油资源总量的34%，探明率约为30%，而我国平均探明率为38.9%，海洋石油仅为12.3%，整体上处于海洋石油资源勘探开发的早中期阶段[2]。加快开发国内油田资源，降低油气资源的对外依存度，努力保障国家能源安全是当前国内油气资源开发的重中之重。

海洋石油平台是海上油气田开发最主要的设施，根据建造材质的不同可分为钢制平台、混凝土平台、混合平台等，其中以钢结构为支撑、摩擦桩为基础、再搭载上部功能设施，即钢桩式导管架平台，这种模式的海洋石油平台支撑了中国海油石油产量的90%以上[3]。

导管架式固定平台由上部组块和导管架组成。上部组块主要担负着油气的生产和生活支持等功能，主要布置有油气处理系统、生产支持系统、公用系统、供电系统、外输系统、消防安全系统等[4]。导管架是承载上部组块的主要部件，通常由导管架腿、斜撑、立片等结构件组成，上部组块的尺寸和重量直接决定了导管架的规模。

1 数据统计

海洋石油平台的设计极为复杂，一般上部组块主要由平台结构、设备和管线等部分组成。常规而言，油气日产规模越大，平台油气处理设施数量越多，配套的电仪讯设备也越多，平台上部组块甲板面积就越大，上部组块的支撑结构就越重。图1和图2所示为海洋石油固定式导管架平台的三维模型和结构模型，从图中可以直观地看出甲板面积与结构重量的相关性，设备占用的上部组块的甲板面积越大，就需要越多的结构梁支撑，结构重量就越大。

图1 海洋平台三维设计模型Fig.1 3D design model of ocean platform

图2 海洋平台三维结构模型Fig.2 3D structural model of ocean platform

如果能够定量地分析结构重量与甲板面积的关系，就可以在前期研究的方案比选阶段、结构不具备建模条件的情况下，为平台结构设计提供设计依据，使钢材量的估算更加快速、准确，施工资源的选择也更加合理，大大提高了工作效率。

本文查阅了渤海、东海、南海三个海域在生产海洋石油平台的大量设计文件，统计得到了多个海洋石油平台上部组块结构重量和甲板面积等数据，经整理有45个导管架式固定平台的上部组块结构重量和甲板面积数据齐全，其中26个井口平台、19个中心平台，部分数据如表1所示。

表1 结构重量与甲板面积数据统计表

2 数据分析

海洋平台根据其功能主要分为井口平台和中心平台[3]。井口平台设有生产井，井液经采油树采出后，一般不进行油气处理或仅进行简单的油水分离后，通过计量系统外输至中心平台或其他生产处理设施上进行处理。井口平台上仅有简单的工艺设备及支持系统和公用系统以及钻修井设施。中心平台是能够处理各井口平台来液的生产平台，一般配套有原油或天然气生产处理系统、工艺辅助系统、公用系统、外输系统、动力系统、生活楼和直升机甲板。

2.1 数据分类及整理

由于中心平台和井口平台配备的设施功能及数量不同，将所有数据集中分析的同时，也将数据分为中心平台和井口平台两组单独分析，获得上部组块结构重量与甲板面积的比值，该数值的实际意义是单位数量甲板面积的结构重量。表2为结构重量与甲板面积比值的分类表格。

表2 结构重量与甲板面积比值

2.2 正态性检验

在数据分析过程中，经常会有不同分布形态的数据，我们整理获得的数据是否也有一定的规律可循，需要进一步分析验证。常见的数据分布形态有正态分布、均匀分布、泊松分布、指数分布等，但在数据分析中，最重要的分布形态是正态分布。

常见的正态分布验证方法主要分为图示法和计算法。图示法主要有P-P图、Q-Q图和直方图等，计算法通常有偏度、峰度计算、Kolmogorov-Smirnov检验和Shapiro-Wilk检验等，最常用的工具是SPSS软件，该软件在数据统计与分析方面应用得非常广泛。图3为结构重量与甲板面积比值以及分井口平台和中心平台结构重量与甲板面积比值的在置信区间为95%下的标准Q-Q图，表3为Kolmogorov-Smirnov和Shapiro-Wilk正态性检验数据。

(a)

(b)

(c)

表3 正态性检验表Tab.3 Normality test

从图3可以直观地发现所有样本数据的Q-Q图呈现一条直线分布，说明样本数据服从正态分布。对于该单样本数据，分析表3计算法获得的数据，以K-S结果为准，sig.=0.2为样本数据真实显著水平下限，说明该样本数据服从正态分布。

2.3 分析与总结

经过正态性检验，发现结构重量(不分平台类型)与甲板面积比值、井口平台结构重量与甲板面积比值、中心平台结构重量与甲板面积比值均满足正态分布，通过SPSS软件我们可以获得正态分布曲线如图4所示。

图4 正态分布曲线Fig.4 Normal distribution curve

通过绘制正态分布曲线，我们可以获取各组数据的均值，作为每组数据的正态分布的期望值，井口平台结构重量与甲板面积的比值为0.47，中心平台结构重量与甲板面积的比值为0.53，结构重量(不分平台类型)与甲板面积的比值为0.49，该数值的实际意义为每平方米的井口平台的甲板重量为0.47 t，每平方米的中心平台的甲板重量为0.53 t。同时，通过SPSS软件，可以获得置信区间在95%的期望数值的范围，即样本数据在该范围内的概率为95%，井口平台范围为0.44～0.50，中心平台范围为0.47～0.58，不分平台类型范围为0.46～0.52。

对于导管架式固定平台开发模式的海洋油气平台项目的前期研究阶段，根据油藏陪产数据，配备相应的油气处理设施，即可得到海洋平台甲板面积，用甲板面积乘以相应统计数据就可以快速得到海洋平台上部组块的结构重量，同时可以根据不同项目特点和不同研究阶段，应用95%的置信区间范围内的数据，就可以节省大量人工时。在预可研和可研等前期研究的方案比选阶段，主要评估各方案技术可行性以及评估各方案投资和经济效益，没有必要花大量的时间搭建模型计算结构钢材量，通过文中对统计数据的定量分析，可以较为准确地获得结构钢材用量，从而快速地开展各方案的经济评价，从而缩短工程设计周期，节省大量人工时成本，提升经济效益。

3 结 语

通过对中国海域在生产的海洋石油平台甲板面积及上部组块结构重量的统计、分析和验证，认为上部组块结构重量与甲板面积的比值服从正态分布曲线。根据正态分布特点，得到了甲板面积与上部组块结构重量的定量关系，其中井口平台为0.47，中心平台为0.53，分别代表每平米甲板面积结构重量为0.47 t和0.53 t。该结论广泛适用于以导管架式固定平台为开发模式的海洋油气平台项目，对于半潜浮式平台、FPSO、混凝土平台等是否适用尚需进一步论证。

通过本文分析得出的结论在实际生产中已经得到广泛应用，以南海东部恩平区域开发项目为例，在预可研阶段共有7个开发方案，可研阶段有5个开发方案，每个方案最少有1个导管架式固定中心平台和2个导管架式固定井口平台，上部组块结构钢材用量完全是按照文中结论进行计算的，用时不超过一天，如果全部通过SACS建结构模型计算钢材重量，至少要花费2个月的时间，完全没有必要在预可研和可研等前期研究的方案比选阶段浪费如此多的时间。以近期即将开工建设的陆丰14-4平台为例进行验证，该平台为中心平台，甲板面积约为9 036 m2，根据文中结论计算得到结构重量为4 789MT，实际的三维模型中结构重量考虑10%系数后为5 634MT，有15%的误差，比通常前期研究项目中料单估算考虑的20%～30%的安全系数要小，可以接受。

因此，通过文中结论就可以较为准确地获得结构钢材用量，从而快速地开展各方案的经济评价，缩短工程设计周期，加快油气田开发进程，响应国家加快国内油气资源开发的号召。