可移动自安装无人井口平台南海适应性

2022-08-11周晓东窦宏波唐丕鑫

中国海洋平台 2022年3期

杨旭，周晓东，窦宏波，唐丕鑫

(1. 中海油研究总院有限责任公司工程研究设计院，北京 100029；2. 中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊 065000)

0 引言

南海北部湾存在众多边际油田。这些油田水深一般在40 m以内，合计总储量非常可观。我国对石油和天然气资源的迫切需求使得这些油田的开发十分重要。为把南海边际油田油气储量经济有效地开发起来，必须从技术上突破传统工程开发模式、降低工程投资。

针对边际油田开发，海外研究人员提出一种新型简易井口平台，具有自安装、沉淀基础、结构简单、造价低等特点，可作为无人平台使用。WATSON等[1]提到澳大利亚成功投产的一种新型平台Yolla A, 该平台采用一种无压载深裙板基础形式，入泥深度为5.4 m, 利用隔间的负压实现贯入安装。OOLEY等[2]研究印度尼西亚的Maleo可移动生产平台MOPU (Mobile Offshore Production Unit)，该平台为三腿平台下设1个长方形沉垫基础，沉垫基础中有2个长方形开口。位于北海的Bentley 9/3B区块采用MOPU依托圆筒型FSO(Floating Storage and Offloading)及水下生产系统、导管架的开发模式。MOPU所在水深约109 m，采用中间开口的桁架式桩腿，下部为中间开口的沉垫与深裙板的组合，深裙板可利用负压贯入安装，如图1[3]所示。

图1 Bentley MOPU示例

本文参考国外已有的这些工程实例，以南海北部湾某油田为目标，设计一种简易无人井口平台，该平台具有形式简单、无人化操作、可在一定范围内变化水深、无须动用大型安装资源、可重复利用等优点。对该平台进行总体布置方案研究、主尺度设计和重量估算、平台基础研究、升降系统装置选型、在位工况结构分析、拖航稳性分析和安装方案研究，研究该平台在南海北部湾的适应性，为国内边际油田工程开发方案提供备选。

1 设计基础

选择南海涠洲区域某油田作为目标油田，该油田设计井数为3口，其中2口为生产井、1口为注水井，经济年限约6 a，6 a后平台移位至船厂进行改造更新后再服役下一油田。

平台设置控制系统、计量设备、化学药剂设备、应急发电机、简易公用系统等。通过海底管道将产液输送至附近中心处理平台进行注水，电力通过电缆依托附近平台，采用钻井船进行钻修井。

平台所在位置设计水深为33.4 m(相对于海图深度基准面)，设计适应水深至40.0 m。由于该平台为无人简易平台，环境条件选择五十年一遇极值条件作为生存海况。环境极值条件如表1所示, 风玫瑰图和浪玫瑰图分别如图2和图3所示。

表1 环境极值条件

图2 风玫瑰图(年)

图3 浪玫瑰图(年)

工程土壤为非常软到硬的粉质黏土，地质条件如表2所示，参考API RP 2A-WSD[4]方法得到。

表2 工程土壤地质条件[4]

2 平台总体

根据设计基础和平台功能，结合已有的国外项目，针对该北部湾油田设计1座带有钢绞线牵拉升降系统的桁架可移动式自安装无人井口平台，平台为钢质非自航，平台效果图如图4所示。平台由平台主体、钢绞线牵拉升降系统、桁架桩腿和基础等组成。平台主体为箱形结构，箱形结构平面为长方形。箱体内设压载水舱、海水舱、淡水舱和机械舱室等。主甲板设简易处理模块、注水模块和工作间等。平台桩腿为桁架式结构，桁架式桩腿下端与基础相连，平台拖航时基础上表面与箱体下表面基本贴近。桁架式桩腿为四边形，每个角点设1套钢绞线牵拉升降系统。升降系统可将平台主体提升或降下一定高度，待升降至设计高度处，将桁架式桩腿与平台主体连接固定。

图4 平台示例

平台主体尺寸为33.0 m×32.0 m×4.5 m；中心开口尺寸为16.0 m×16.0 m×4.5 m；桁架式桩腿主尺度为14.0 m×14.0 m×61.5 m，设置5个水平层。平台桩腿和结构基本形式如图5所示。平台基础尺寸为33.0 m×32.0 m×6.0 m，基础由沉垫式箱型结构和深裙板两部分组成，其中：沉垫部分高度为2.0 m，装满压载水；深裙板高度为4.0 m。沉垫和裙板被分为4个独立部分。平台基础如图6和图7所示。污水舱、燃油舱、淡水舱、机泵舱设于平台主体内。

图5 平台桩腿和结构示例

单位：m图6 基础立面示例

单位：mm图7 基础平面分区示例

经测算，平台空船总质量约3 000 t，其中船体结构770 t、基础形式880 t、桁架结构640 t、组块上部设施及船体设施700 t。在在位工况下沉垫内可加入压载水约1 600 t。在预压工况下上船体也可完成2 800 t的压载。保证总预压工况质量达7 400 t。

3 升降系统选型

目前自升式平台常见的升降系统包括齿轮齿条升降系统、液压插销升降系统、钢绞线升降系统、浮箱浮力顶升系统，其主要区别和优缺点如表3所示。

表3 升降系统选型

考虑到所用的平台为单一桩腿结构，同时该平台生产年限(6～8 a)较长、移位较少、水深较浅、对移动速度要求不高，且对工程投资要求高、经济敏感性高，综合考虑选择租用钢绞线升降系统，在每次安装移位时安装钢绞线系统进行升降。

根据平台重量情况，可配备8台SJ850钢绞线千斤顶和4台液压泵站，备用1个千斤顶和液压泵站。采用8根钢绞线+缓冲装置进行提升，每根钢绞线能力约700 t，钢绞线布置在桩腿4个角，每个角布置2个。

4 平台结构分析

根据本平台作业海域的环境条件：平台主体的结构型式(包括平台主体甲板、主体底板、舷侧、纵舱壁)采用纵骨架式；横舱壁及两端封板采用横骨架式；平台桩腿采用桁架式结构，共设置5个水平层，顶部2个水平层与平台主体上下表面对齐，桁架桩腿设置相应的X撑以增加强度。

平台桁架式桩腿结构模拟为三维空间刚架。节点为刚性连接。在分析时对附属构件如立管、电缆护管、阳极块、隔水导管等的环境条件考虑一定的系数。

采用基础四周铰接的方式模拟边界条件。基本载荷包括结构自重、设备载荷、活载荷和环境载荷。上述载荷按API RP 2D[5]和API RP 2A-WSD[4]的定义选取。结构自重和浮力由SACS程序计算。附属构件的重量采用系数修正的方法考虑。风、波浪和海流载荷按API RP 2A-WSD[4]规定的方法，由手工或程序计算。

环境载荷考虑8个作用方向, 即0°、45.0°、90.0°、135.0°、180.0°、225.0°、270.0°、315.0°。

结构的计算分析表明，主结构构件、桩腿结构以及节点的名义应力和冲剪应力校核结果全部满足要求，最大UC值为0.79。

5 拖航稳性与阻力

平台采用湿拖方式运输，稳性校核标准采用Marine Operations and Marine Warranty(DNV GL ST-N001)[6]规范进行校核。要求如下：完整稳心高≥1 m；风倾力矩与抗倾力矩曲线面积比>1.4；正稳性范围>36°。破舱稳性要求如下：面积比大于1.4；破舱后稳性范围大于10°。利用MOSES软件建立水动力模型并进行稳性分析校核。

根据稳性要求得到本平台的许用重心高如图8所示。由图8可知，当吃水在3.0 m以上时许用重心高显著降低，因此应保证吃水小于3.0 m。根据拖航路线和船厂码头水深，设计吃水初步设计为2.5 m，此时得到的稳性曲线如图9所示。经校核各角度完整稳性符合规范要求。