东海边际油气田开发三腿导管架方案研究

孙友义,王朝阳,张晖,付殿福, 梁文洲

（中海油研究总院有限责任公司北京 100028）

1 引言

在我国东海海域存在大量边际油气田有待开发。这类边际油气田储量规模小，通过常规开发模式无法开发。东海油气田所处水深范围为80m～110m，在该水深范围，国内油气田开发使用的导管架均为四腿或四腿以上的导管架结构[1]。导管架的工程投资在边际油气田开发中占有较大比例，降低导管架的投资费用对于边际油气田开发非常重要[2]。本文以东海某边际油气田为目标，开展了三腿导管架方案研究，为东海边际油气田开发提供了一种经济有效的三腿导管架方案。

2 三腿导管架规划设计

某典型边际油气田水深为87m，平台采用无人化设计。上部组块设置两层甲板，上层甲板作为直升机甲板，设置有油气计量设施、化学药剂系统、开闭排系统以及电气房间等少量设施，组块操作重约1500吨。平台设有6个井槽，使用钻井船进行钻修井作业。平台工作点间距为15m×15m。

三腿导管架的规划设计采用如下原则：

1）导管架上部采用直腿框架，以减少波浪作用区域内结构体型，进而减少波浪力。

2）导管架底部采用直腿框架，以便于裙桩套筒与主腿的焊接[3]。

3）导管架在钻井船靠平台一侧（平台西侧）单斜，一方面增加钻井船就位打井时桩靴与导管架裙桩之间的间距，另一方面便于依托该立面进行卧式建造、装船、拖航设计。

4）导管架底盘取等边三角形，以便导管架荷载能够较为均匀的传递至各裙桩。

三腿导管架的结构模型见图1。导管架设置6个水平层和6根水下裙桩，在泥面处，导管架3根主腿之间间距为30m。

图1 三腿导管架结构模型示意图

3 三腿导管架在位性能研究

使用海工结构分析软件SACS进行导管架的建模与计算分析，建立了包含组块、导管架与桩基在内的平台结构模型。依据APIRP 2A[4]规范进行导管架结构分析。导管架在位分析考虑操作环境条件与极端环境条件。对于极端环境条件，基本容许应力放大为1.33倍。

导管架在位性能关键参数分析结果见表1。

表1 导管架在位性能关键参数分析结果

如表1所示，导管架杆件最大UC值为0.95，满足规范设计要求。导管架结构强度可以承受上部组块荷载与环境荷载作用。

平台总高度为113m，操作工况下，最大水平位移为22.5cm，小于平台高度的1/200；极端工况下，最大水平位移为59.5cm，小于平台高度的1/150。平台最大水平位移满足设计要求。

平台1阶自振周期，操作工况下为2.39s，极端工况下为2.44s。平台自振周期处于合理范围。

综上分析，三腿导管架方案具有良好的在位性能。

4 三腿导管架桩基性能研究

考虑三腿导管架方案设置6根水下裙桩，基于在位分析结果，导管架最大桩头力为30.02MN。根据该油气田平台场址桩基承载力曲线，选择裙桩桩径为2134mm，选择裙桩入泥深度为78m，桩基承载力为60MN。泥面以下单桩重量约3MN。考虑裙桩效应系数为0.94，桩基承载力安全系数为1.708＞1.5，满足规范设计要求。

东海海域的环境条件差异不大，但不同位置处的土壤承载力差异显著。为研究三腿导管架方案在东海全海域的桩基适应性，除目标平台场址外，补充选择了其它9个平台场址土壤进行桩基适应性研究。

对于2134mm桩径、承载力60MN，包括目标平台场址在内的10个平台场址的桩基入泥深度分析结果见表2。从表2可以看出，最大桩基入泥深度为93.5m，最小桩基入泥深度为72.6m，对于导管架桩基设计而言，均处于合理的入泥深度范围。分析表明，三腿六裙桩导管架的桩基性能可以适应东海海域土壤条件。

表2 对应不同平台场址的桩基入泥深度

5 三腿导管架安装方案研究

三腿导管架的海上安装相比四腿导管架存在设计难度。小型的四腿导管架通常采用四点平吊入水的方式，导管架入水后姿态比较平稳。而三腿导管架平吊入水后将发生翻转，直至某一侧面朝上达到稳态为止。导管架入水后的姿态控制是需要关注的焦点。

为解决上述问题，提出两点平吊的海上吊装方案。导管架卧式建造、装船，导管架单斜的一侧卧在建造场地或驳船上。在卧式状态下，两根单斜的主腿位于下部，另一根主腿位于上部，两个吊点设置在位于上部的主腿上；在导管架小头端，沿上部主腿和下部一根主腿设置两个浮筒。通过浮吊将导管架自驳船上吊起并下放至海水中，导管架吊装入水后，吊装锁具处于松弛状态，导管架在浮力作用下发生翻转，在浮筒的作用下，导管架最终翻转至设有两个浮筒的一侧向上；同时，在导管架翻转过程中，两根锁具位于导管架一侧，不会发生缠绕导管架的情况从而影响卸扣脱扣。此后的扶正坐底过程与四腿导管架相似，解除吊装锁具，在导管架小头端挂扶正锁具，对导管架注水扶正，导管架坐底后打入裙桩。

6 与四腿导管架方案对比分析

四腿导管架设置8根裙桩，工作点尺寸为12m×11m，底盘尺寸为30m×31m。极端工况下，最大环境力为31.31MN，最大桩头力为23.32MN。

极端工况下，四腿导管架最大环境力比三腿导管架增大约了32.4%；但因裙桩数量增加，且矩形裙桩布置相比三角形裙桩布置抵抗各个方向的环境力更有效，四腿导管架最大桩头力比三腿导管架减小了约22.3%。对于四腿导管架方案，基于最大桩头力分析结果，裙桩桩径选取为1829mm，入泥深度取75m，桩基承载力安全系数约为1.7。

三腿导管架与四腿导管架方案的工程量对比见表3。相比四腿导管架，三腿导管架钢材重量减少了600吨，约减少了23.1%；桩基钢材重量减少200吨；从施工方案看，可节省2根桩的打入时间。三腿导管架方案相比四腿导管架方案可显著降低工程投资。

表3 三腿导管架与四腿导管架工程量对比

7 结论

本文以东海某边际油气田开发为目标，开展了三腿导管架方案研究，完成了三腿导管架方案的规划设计，通过在位性能、桩基性能与施工方案研究，论证了三腿导管架方案的技术可行性。从工程量对比结果看，三腿导管架方案相比常规四腿导管架具有明显优势，可以显著降低工程投资，对于推动东海边际油气田开发具有重要意义。