海上无人井口平台设计方案研究
2021-11-22谭红莹司红涛高建梅
谭红莹，刘 健，司红涛，陈 亮，高建梅
(海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451)
1 前言
边际油田是指采用常规开发技术但无法满足经济效益，进而通过优化开发方案以达到预订最低经济收益的油田。采用无人平台设计方案，能够大幅降低边际油田开发成本，提高投资效益比。我国海上已有多个无人平台投入生产，文章以渤海某无人井口平台开发方案为例，探讨无人井口平台的设计新理念。
2 平台总体设计方案
2.1 工艺流程方案
该边际油田开发依托周边已建老平台，简化无人平台工艺流程，精简平台设备，减小平台甲板面积和组块重量，从而降低工程开发投资成本。无人井口平台上不设处理设施，平台所产物流利用电潜泵压力，通过混输海管输送至周边平台进行处理。平台仅设有化学注入橇、多相流量计和多路阀，实现单井计量，通过多路阀汇总各井口物流后进入海管外输。无人平台注水井水源全部来自于周边已建平台上处理合格的生产水，通过注水海管输送至本平台，经由注水管汇分配进入各个注水井中。同时在停产期间，利用注水海管水源实现混输海管置换。如图1、图2。
图1 生产工艺流程Fig.1 Production process flow
图2 注水工艺流程Fig.2 Water injection process flow
2.2 总体布置方案
采用4腿导管架无人井口平台设计方案，平台不设置任何钻修井设备，后期可采用钢丝投捞检泵+修井船动管柱进行修井作业。平台井槽排列为3×3，为减少开发费用，其中2口油井采用单筒双井开采模式。
平台只有两层甲板，上层甲板西侧为井口区，东侧为修井设备预留区。化学药剂注入橇布置在甲板北侧，南侧为电仪讯设备区域，平台不设置任何房间。下层甲板东侧集中布置井口控制盘、多相流量计、多路阀以及发球筒，南侧为闭排设备。
通过对总图的紧凑优化设计，减少甲板面积，降低平台整体重量，提高边际油田开发效益。
2.3 电气供电方案
无人井口平台电源引自周边平台，通过海底电缆为平台上的设备供电。
(1)传统常规供电。传统常规供电需在平台上设置一台10.5/0.4 kV，2 000 kVA变压器为400 V低压设备与电潜泵供电，井口开采所需的电潜泵变压器、电潜泵变频器等都需要放置在本平台上。平台设置多个房间，包括主开关间/电潜泵控制间、主变压器间/电潜泵变压器间、中控间、FM200间、电池间等，房间配套有暖通设备。如图3。
图3 常规海缆输电方案Fig.3 Conventional submarine cable transmission scheme
(2)集束海缆供电。与常规海缆供电形式不同，集束海缆为含有多根三芯的电缆，每一根电缆分别给每口井的电潜泵、生产设备等供电。采用集束海缆输电技术，平台无需设置房间，电潜泵变频器和变压器设备放置在为之供电的周边平台上，取消无人平台上大量用电设备，平台上仅剩照明与伴热等少量设备，极大减少无人井口平台的甲板面积与组块重量。如图4。
图4 集束海缆输电方案Fig.4 Cluster submarine cable transmission scheme
通过比选传统常规与集束海缆两种供电方案，如表1，集束海缆供电方案经济性显著，最终采用该供电方案，既实现工程建设降本增效，又减少后期作业维护费用。
表1 不同供电方案对比Tab.1 Comparison of different power supply schemes
2.4 平台结构方案
4腿无人井口平台甲板组块结构采用由梁柱板和斜支撑构成的空间桁架，由两层主甲板构成，下层甲板与钻井小平台标高取齐，取消额外设计钻井平台结构。平台结构设计时对强度和刚度有较大影响的各构件都进行了模拟，节点为刚性连接。基本荷载包括结构自重、设备荷载、活荷载和环境荷载。风、波浪和海流荷载按API RP 2A规定的方法计算，冰荷载按《中国海海冰条件及应用规定》规定的方法计算。与环境荷载有关的系数均按API RP 2A和《中国海海冰条件及应用规定》的规定取值。
荷载组合按操作环境条件、极端风暴条件、操作冰条件和极端冰条件。静力分析包括：操作环境条件、极端风暴条件、操作冰条件和极端冰条件进行荷载组合；地震分析与地震加速度组合；装船分析按照上船步骤组合；拖航分析与船运动组合。
2.5 海底管道方案
无人井口平台外输与注水海底管道采用挠性管设计方案，相较于传统钢制管道，具有以下优势：
(1)挠性管可在陆地预制成型并缠绕到立盘上。海上安装可连续铺设，无须焊接与检验等工作，节省工期与船舶资源成本。
(2)挠性管刚度小、更灵活，与水下管线连接时，无须提前水下测量和定位，无需单独安装膨胀弯，安装连接要求精度低，安装方便快捷。
(3)挠性管抗腐蚀性强，长期输送介质时腐蚀小、结垢少，因此其维护次数少，使用寿命更长。
(4)对于低寿命或边际油田开发，钢制海管在油田寿命结束时将被弃置处理，无法重复利用。但挠性管海管可在平台停产后将其回收至陆地，清理和维护后可重新用于其他相似油田，极大节省后期项目工期成本。
(5)混输挠性海管在国内有大量应用案例，实测总传热系数小于理论计算值，保温效果更好。
3 结论
文章主要介绍了边际油田开发无人井口平台设计方案，通过对工艺流程、总图布置，电气供电、平台结构、海底管道等设计分析，总结出无人平台设计要点，为后续海上无人平台设计提供了指导。
1)工艺流程应简化，减少机械设备。
2)设备紧凑布置，减小甲板面积，降低船舶资源费用。
3)优化供电方案，尽量取消房间及配套通风设备，以降低平台重量。
4)平台甲板应与钻井小平台标高取齐，减少额外结构设计。
5)设计在满足安全前提下，相关结构的设计系数可按规范要求临界选取。
6)尽可能采用挠性管海底管道设计方案。
