艙室儲油自升式采油平臺設(shè)計與應(yīng)用

樊敦秋

（1.中國海洋大學(xué)； 2.勝利油田鉆井工藝研究院）

艙室儲油自升式采油平臺設(shè)計與應(yīng)用

樊敦秋1，2

（1.中國海洋大學(xué)； 2.勝利油田鉆井工藝研究院）

設(shè)計了艙室儲油自升式采油平臺，利用平臺主體艙室儲油，克服了傳統(tǒng)油罐儲油方式的缺點(diǎn)，增大了平臺儲油能力，可有效提高采油效率，適用于年產(chǎn)量20萬～30萬m3海上邊際油氣田的開發(fā)。艙室儲油自升式采油平臺已在渤海BZ3－2油田成功應(yīng)用。

艙室儲油 自升式采油平臺 邊際油田開發(fā)

自升式平臺以其適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)、操作簡單、造價較低等特點(diǎn)在我國邊際油田的勘探開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用，如自升式鉆井平臺、自升式修井平臺以及自升式采油平臺等，其中以自升式鉆井平臺數(shù)量最多，而自升式采油平臺數(shù)量較少。勝利油田先后建造了2座自升式采油平臺：“埕島中心一號”平臺（1994年投產(chǎn)）和“勝利開發(fā)三號”平臺（2001年投產(chǎn)），這2座平臺均設(shè)有四樁圓柱形樁腿，采用液壓升降裝置，利用油罐儲油，穿梭油輪拉油。受平臺結(jié)構(gòu)及布置限制，油罐儲油量較少，“埕島中心一號”油罐儲量為2000 m3，“勝利開發(fā)三號”油罐儲量為1000 m3，因而需要穿梭油輪頻繁拉油，一旦天氣惡劣，油輪不能及時拉油，油罐很快裝滿原油而被迫關(guān)井，降低了采油效率，極大限制了自升式采油平臺在邊際油田開發(fā)中的應(yīng)用。此外，油罐裝滿原油后會產(chǎn)生相對集中的大載荷，對平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了較高的要求。因此，研究新的儲油方式替代油罐儲油，增大平臺儲油量，對自升式平臺在邊際油田開發(fā)中的應(yīng)用具有重要意義。為此設(shè)計了一種新型的艙室儲油自升式采油平臺，可以大幅增加儲油量，并在渤海灣得到了成功應(yīng)用。

1 艙室儲油自升式采油平臺總體方案設(shè)計

1.1 總體方案

自升式采油平臺主體部分一般具有較大空間，相對于油罐儲油，采用平臺主體艙室儲油可以大幅增加儲油量，從而減少穿梭油輪拉油頻次，提高平臺采油效率，因此利用平臺主體艙室儲油是一種較好的方式，同時原油在艙室分布均勻，平臺主體結(jié)構(gòu)可以采用常規(guī)設(shè)計。艙室儲油自升式采油平臺為四樁腿自升式平臺，鋼質(zhì)非自航，具有原油處理、儲存和外輸?shù)裙δ?，主要由平臺主體、機(jī)械甲板、液壓升降系統(tǒng)、樁腿、生活樓等組成，適用于年產(chǎn)量為20萬～30萬m3的小型邊際油田開發(fā)，平臺結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 艙室儲油自升式采油平臺結(jié)構(gòu)示意圖

艙室儲油自升式采油平臺主體為箱形結(jié)構(gòu)，其平面呈長方形，主體艙室主要分為原油艙、生產(chǎn)水艙、壓載水艙、海水艙、淡水艙、柴油艙及公用機(jī)械艙室等，平臺主體艙室的劃分見圖2。平臺采用圓柱形樁腿，艉二艏二，樁腿下端設(shè)有樁靴，拖航時樁靴可收回平臺體內(nèi)，每個樁腿設(shè)有一套液壓升降裝置；平臺主甲板設(shè)有拖力設(shè)備、系泊設(shè)備、管線棧橋以及工程房等；主甲板上方4 m處設(shè)有一層機(jī)械甲板，通過立柱與主甲板相連接，機(jī)械甲板尾部為油氣生產(chǎn)處理區(qū)，中部為動力設(shè)備區(qū)、監(jiān)控區(qū)和鍋爐區(qū)，首部為生活區(qū)，機(jī)械甲板左舷設(shè)有原油外輸裝置，右舷設(shè)有火炬臂；在生活樓頂層前方設(shè)有直升飛機(jī)甲板。艙室儲油自升式采油平臺設(shè)計參數(shù)見表1。

圖2 艙室儲油自升式采油平臺主體艙室劃分

表1 艙室儲油自升式采油平臺設(shè)計參數(shù)

1.2 平臺主要系統(tǒng)配置

1.2.1 電站

早期的自升式采油平臺受技術(shù)和設(shè)備的限制采用的是柴油發(fā)電機(jī)組，柴油及柴油的運(yùn)輸費(fèi)較高使得電站的運(yùn)行成本提高。艙室儲油自升式采油平臺生產(chǎn)的天然氣和原油是主機(jī)燃料最方便的來源。因此平臺電站首選燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組和原油發(fā)電機(jī)組，在油田含氣量高的情況下，采用燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，若氣量不夠則采用原油發(fā)電機(jī)組，這樣可以充分利用平臺自身的資源，做到節(jié)能、環(huán)保、費(fèi)用低。應(yīng)急電站采用柴油發(fā)電機(jī)組（兼做停泊發(fā)電機(jī)組）以確保應(yīng)急安全。主電站由2臺原油發(fā)電機(jī)組和2臺天然氣發(fā)電機(jī)組組成，應(yīng)急電站采用1臺柴油應(yīng)急發(fā)電機(jī)。

1.2.2 生產(chǎn)工藝系統(tǒng)

艙室儲油自升式采油平臺采用油、氣、水三相分離，分離后的原油達(dá)到商品油標(biāo)準(zhǔn)，可以直接在海上銷售或利用油輪運(yùn)輸至較近的油碼頭，這對于離岸較遠(yuǎn)而又孤立的邊際油田的開發(fā)是有利的，能夠節(jié)省油輪運(yùn)輸費(fèi)或海底輸油管道費(fèi)用，從而降低油田的整體開發(fā)費(fèi)用。生產(chǎn)工藝系統(tǒng)主要包括：原油處理系統(tǒng)、生產(chǎn)污水處理系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、燃料氣系統(tǒng)、化學(xué)藥劑注入系統(tǒng)、開閉排放系統(tǒng)等。井口原油通過棧橋上原油管線到達(dá)采油平臺進(jìn)行處理，合格原油進(jìn)入平臺的油艙儲存，利用穿梭油輪提油，分離出的氣體進(jìn)一步處理后作為采油平臺熱站和電站的燃料，多余氣體燃燒放空，分離出的生產(chǎn)水通過水處理裝置進(jìn)行處理，處理合格后的水可以作為注水水源回注地層。

1.2.3 原油外輸系統(tǒng)

“埕島中心一號”、“勝利開發(fā)三號”等平臺由于儲油量小、輸油時間短（1～2 h內(nèi)），在設(shè)計時采用了簡易的旋轉(zhuǎn)輸油臂的方式外輸原油。艙室儲油自升式采油平臺儲油量大、輸油時間長（4～5 h），考慮到油輪受油過程的安全性，原油外輸采用“外輸滾筒＋漂浮軟管”方式，使油輪和平臺之間能夠保持一定的安全距離和方位角。原油外輸時，漂浮軟管被放出連接穿梭油輪的原油接收裝置，原油外輸完畢，通過滾筒回收軟管。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 原油儲存艙保護(hù)

艙室儲油自升式采油平臺主體艙室大部分為原油艙，會產(chǎn)生大范圍的危險區(qū)，因此對原油艙實施有效的保護(hù)是確保平臺安全的首要因素。平臺從特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計、危險區(qū)劃分和設(shè)惰氣系統(tǒng)三方面對原油艙進(jìn)行保護(hù)。平臺油艙區(qū)采用雙殼、雙底結(jié)構(gòu)，提高了油艙的防碰撞能力，可以避免意外碰撞造成漏油事故；油艙上方設(shè)有機(jī)械甲板，能防止高空墜落物對油艙的損傷，這樣對油艙形成了上方、兩側(cè)和底部的三維結(jié)構(gòu)保護(hù)；油艙和公用艙室之間設(shè)置隔離空艙，避免公用艙室與油艙之間的相互影響；機(jī)械甲板距離主甲板高度4 m，大于油艙危險區(qū)（依據(jù)CCS規(guī)范，油艙在主甲板上方產(chǎn)生的危險區(qū)范圍為3 m[1]），同時油艙區(qū)主甲板不設(shè)電氣設(shè)備，從根本上消除了電氣設(shè)備對油艙安全的影響；平臺設(shè)有惰氣系統(tǒng)對油艙實施保護(hù)，保持油艙內(nèi)的氣體始終低于爆炸下限。

2.2 插樁和拔樁設(shè)計

艙室儲油自升式采油平臺一次就位后作業(yè)時間較長，一般會有幾年的時間，這與自升式鉆井平臺有很大的不同。考慮到本平臺在同一地點(diǎn)作業(yè)周期相對較長，地基可能發(fā)生液化、淘空等現(xiàn)象造成平臺不均勻沉降的風(fēng)險較大，因此采用“小樁靴、大插深”的設(shè)計思路，增加樁靴對地比壓，在插樁作業(yè)時刺穿海床表層硬殼，達(dá)到較深的地基承載層，從而提高平臺的抗滑移能力和地基極限承載力，減小地基液化、淘空等現(xiàn)象對平臺座底穩(wěn)性的影響。本平臺樁靴為正方形結(jié)構(gòu)，尺寸為6.8 m×6.8 m，在作業(yè)井位的設(shè)計入泥深度為9.8 m，地基極限承載力為4566 t，大于平臺最大對地壓力2796 t，安全系數(shù)約為1.63。

“小樁靴、大插深”的設(shè)計思路雖然有利于平臺的座底穩(wěn)性，但增加了平臺拔樁難度，一方面平臺在同一地點(diǎn)長期作業(yè)，樁靴會“固結(jié)”在海底土壤中，另一方面樁靴入泥較深會增加樁靴上部覆土重量和土壤的剪切力。但是由于艙室儲油自升式采油平臺主體艙室大部分為原油儲存艙，在拔樁作業(yè)時這些原油儲存艙可以提供足夠的拔樁浮力，此外平臺還設(shè)有噴沖系統(tǒng)，在拔樁前對樁靴底部、上部進(jìn)行噴沖，以克服泥土吸附力，同時小樁靴也有利于減小拔樁阻力。本平臺在保留1 m干舷時能夠提供4138 t的拔樁力，計算拔樁阻力為3612 t，滿足平臺拔樁要求。

2.3 預(yù)壓方式

自升式采油平臺預(yù)壓一般采用海水作為預(yù)壓荷載，即將平臺主體的部分艙室用作壓載艙，平臺預(yù)壓時將海水泵至壓載艙，增加平臺自身重量，從而壓實基礎(chǔ)，預(yù)壓結(jié)束后再將壓載海水排放掉。對艙室儲油自升式采油平臺來說，由于艙室儲油的原因，無法設(shè)置具有足夠容量的壓載艙進(jìn)行預(yù)壓。本平臺采用了對角預(yù)壓方式，即在平臺重量保持不變的情況下，將平臺對角樁腿承受的重量轉(zhuǎn)移到另外對角樁腿上。如圖3所示，在進(jìn)行對角預(yù)壓時，先將目標(biāo)預(yù)壓對角樁腿（1、4樁腿）鎖住，保持該樁腿與平臺主體處于相對固定狀態(tài)，之后利用另外對角樁腿（2、3樁腿）的升降系統(tǒng)將平臺主體下放，此時2、3樁腿承受的平臺重量轉(zhuǎn)移至1、4樁腿；反之，可對2、3樁腿進(jìn)行預(yù)壓。

對角預(yù)壓主要利用平臺空船重量實施預(yù)壓，從而減少對壓載艙容積的要求。由于對角預(yù)壓利用升降系統(tǒng)進(jìn)行重量轉(zhuǎn)移，而此時平臺的重量基本上由2根樁腿承擔(dān)，因此要確保升降系統(tǒng)具有足夠的支撐能力。

圖3 艙室儲油自升式采油平臺對角預(yù)壓示意圖

3 艙室儲油自升式采油平臺的應(yīng)用

以艙室儲油自升式采油平臺為中心，配合其他設(shè)施便可形成一種小型邊際油田開發(fā)模式，開發(fā)模式見圖4。BZ3－2邊際油田的開發(fā)采用了此模式，取得了成功。該開發(fā)模式主要設(shè)備包括艙室儲油自升式采油平臺、井口平臺、系泊系統(tǒng)、穿梭油輪。井口平臺通過管線棧橋與采油平臺連接，其動力、控制和消防均來自采油平臺。在采油平臺一側(cè)設(shè)置兩點(diǎn)系泊裝置，用于穿梭油輪系泊作業(yè)[2]。當(dāng)采油平臺的原油需要外輸時，將采油平臺的輸油軟管外放并與油輪連接，油輪開始受油，在油輪裝滿原油后解開油輪系泊，完成一次輸油作業(yè)。

圖4 以艙室儲油自升式采油平臺為中心的開發(fā)模式

目前BZ3－2邊際油田日產(chǎn)原油1000多方，相對于傳統(tǒng)的油罐儲油自升式采油平臺，艙室儲油自升式采油平臺儲油量較大，提高了采油效率，減少了穿梭油輪的拉油頻次，降低了開發(fā)成本，相對于FPSO、固定中心平臺投資少，見效快，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益，為海上小型邊際油田的開發(fā)創(chuàng)造了一種新的模式。

4 結(jié)束語

艙室儲油自升式采油平臺是一種新型的海洋石油開發(fā)裝備，適應(yīng)于年產(chǎn)量為20萬～30萬方的小型邊際油氣田開發(fā)，由于渤海灣具有數(shù)量較多的小型油田，因此該類型平臺對于加快淺水小型油氣田開發(fā)具有重要意義；艙室儲油自升式采油平臺可重復(fù)使用，提高了設(shè)施的利用率，降低了投資風(fēng)險；投資成本低，平臺可國內(nèi)設(shè)計與制造，設(shè)備國產(chǎn)化高，降低了投資成本；人員居住、設(shè)備動力、原油處理和外輸、井口平臺消防和照明等均來自自升式采油平臺，有利于縮小井口平臺的規(guī)模，便于設(shè)備操作和維修。

[1] 中國船級社.海上移動平臺入級與建造規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2005.

[2] 范模.兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)的研究[J].中國海上油氣（工程），2003，15（6）：13－15.

Design and application of the jack up production platform with oil storage cabins

Fan Dunqiu1，2
（1.Ocean University of China，Shandong，266100；2.Shengli Drilling Technology Research Institute，Shandong，257000）

The jack up production platform with oil storage cabins was designed to make use of hull cabins to store oil，which overcomes shortcomings of the traditional oil storage tank，enlarges storage capacity and raises production efficiency，and it is applicable for developing the marginal oilfield with 200000～300000 m3annual yield.This type of platform has been applied in BZ3－2 oilfield successfully.

oil storage cabin；jack up production platform；marginal oilfield development

樊敦秋，男，高級工程師，主要從事海洋工程的研究與設(shè)計工作。地址：山東省東營市北一路827號勝利油田鉆井工藝研究院（郵編：257000）。E－mail：fandunqiu＠126.com。

2010－07－21改回日期：2011－03－16

（編輯：葉秋敏）