淺水超多井槽導(dǎo)管架井口平臺設(shè)計探討

劉明，侯金林，譚越

中海油研究總院，北京100027

淺水超多井槽導(dǎo)管架井口平臺設(shè)計探討

劉明，侯金林，譚越

中海油研究總院，北京100027

對于鉆井密度不斷加大的海洋油氣田開發(fā)，采用超多井槽平臺可能成為經(jīng)濟性更優(yōu)的方案。文章探究了超多井槽平臺的主要配置，對比了井槽集中式布置與分離式布置的優(yōu)缺點，進行了平臺總體布置的選型。結(jié)合總體形式和平臺尺度，從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度研究了該類平臺的構(gòu)造特點與設(shè)計要求，并就其對鉆井、海上施工等的影響及解決措施進行了分析。結(jié)合設(shè)計實例進行了在位和施工的計算分析，得到了該類平臺的結(jié)構(gòu)受力特點，并針對樁基支反力差異、吊裝重心偏移等特點提供了解決方案。最后，從平臺整體規(guī)劃、專業(yè)統(tǒng)籌布置、結(jié)構(gòu)差異化設(shè)計等方面提出了應(yīng)用超多井槽平臺的建議，并總結(jié)了該類平臺的應(yīng)用范圍和注意事項。

井口平臺；超多井槽；扁平結(jié)構(gòu)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)現(xiàn)有單個固定式平臺中井槽數(shù)量最多為50口。其中，井槽數(shù)量較多的平臺主要集中在相對較淺的海域，比如渤海灣、潿洲灣，這主要是基于地質(zhì)構(gòu)造、油藏特征及單井成本較低等原因。近年來，隨著油氣田開發(fā)井密度的加大，增加單個平臺井槽數(shù)量逐漸成為油氣田開發(fā)的一種趨勢。目前正在建造的渤海某井口平臺，井槽數(shù)量大幅超過已建平臺，達到了88口，水深卻僅為16.1m。該平臺的形式與結(jié)構(gòu)設(shè)計呈現(xiàn)了典型的區(qū)別于以往常規(guī)井?dāng)?shù)井口平臺的特點，是超多井槽井口平臺設(shè)計的新探索。

1 平臺選型和配置

在海洋工程領(lǐng)域，對井口平臺的井槽數(shù)量并沒有統(tǒng)一的要求，通常是根據(jù)油氣田開發(fā)、鉆采、回注以及預(yù)留的規(guī)劃方案以及工程設(shè)施，綜合技術(shù)可行性、安全生產(chǎn)和投資經(jīng)濟性等多方面的要求，確定油氣田開發(fā)的平臺數(shù)量、平臺位置及單個平臺所需配置的井槽數(shù)量。經(jīng)過多方面的研究比選，渤海某油田的開發(fā)最終選擇了新建88井槽井口平臺的方案。

1.1 主要配置

基于選定的88井槽井口平臺方案，進一步確定了以下主要配置：

（1）模塊鉆機。由于井槽數(shù)量很多，平臺鉆井、修井與后期調(diào)整的工作量大，配備一次性投資較高而后期運行費用大幅低于鉆井船的模塊鉆機，綜合經(jīng)濟效益非常顯著，模塊鉆機的主要模塊位于井槽區(qū)及其臨近區(qū)。

（2）工作房間。由于井槽數(shù)量眾多，與生產(chǎn)配套的開關(guān)柜、電潛泵控制、電潛泵變壓器的數(shù)量比常規(guī)井口平臺更多，開關(guān)間、電潛泵控制間及電潛泵變壓器間的面積也比常規(guī)平臺更大，分別為224、301、350 m2。

（3）生活樓。由于該平臺毗鄰中心平臺且有棧橋連接，可與中心平臺共用生活樓，故而未單獨設(shè)置生活樓。但對于不具備共用條件的超多井槽數(shù)量的井口平臺，為滿足模塊鉆機作業(yè)人員和平臺工作人員的居住需求，至少需要配置一座能容納90人的生活樓。

（4）導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)形式。盡管未配備生活樓，但由于井槽數(shù)量多，井槽區(qū)面積大，平臺配套工作房間面積大，并基于危險區(qū)與安全區(qū)分列平臺兩側(cè)的安全原則，確定導(dǎo)管架采用8條主腿。

1.2 井槽區(qū)布置

出于安全和逃生的考慮，導(dǎo)管架平臺井槽區(qū)布置于平臺的危險區(qū)一側(cè)，并與安全區(qū)之間通過防火墻分隔開。在井槽的具體布置上，常見方式有兩種：集中式布置和分離式布置（見圖1、圖2），二者在形式上的主要區(qū)別在于所有的井槽是否位于平臺結(jié)構(gòu)的一個主框架內(nèi)。

圖1 井槽集中式布置示意

分離式布置需增加外側(cè)樁腿以形成對主框架外置井槽的保護，造成結(jié)構(gòu)鋼材、建造和海上安裝工作量的增加，且其外伸部分增加了船舶停靠的風(fēng)險，在惡劣天氣風(fēng)險更大；而集中式井槽布置的平臺可提供平整的靠船面，便于船舶安全?？俊；诤Ｉ嫌吞镒鳂I(yè)人員對于非平面靠泊的反饋意見和對于作業(yè)安全的重視，能夠提供平整的靠船面越來越成為平臺型式的優(yōu)先選擇要素，因而井槽分布選擇集中式布置。

圖2 井槽分離式布置示意

2 主尺度和結(jié)構(gòu)形式

由于平臺井槽數(shù)目眾多且集中分布，加之檢修空間、走道空間等，導(dǎo)致井槽區(qū)主框架尺度巨大。該渤海平臺的主框架南北向跨度遠超常規(guī)，主框架水平尺度達到了20 m×32 m。

導(dǎo)管架框架及內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖3，由于水深較淺（該渤海平臺工作水深僅為16.1m），導(dǎo)管架的高度與井槽區(qū)水平跨度之比（h導(dǎo)/b）遠小于常規(guī)平臺。對于上部組塊（見圖4），由于井口平臺處理設(shè)備一般較少，在井槽區(qū)外對于甲板面積的需求不多，由此導(dǎo)致了甲板層數(shù)較少（該渤海平臺主甲板為2層），甲板的高度與井槽區(qū)水平跨度之比（h甲/b）也遠小于常規(guī)平臺。

圖3 導(dǎo)管架大扁平框架及內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖4 組塊大扁平框架及內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計

綜合以上因素，此類淺水超多井槽井口平臺呈現(xiàn)了有別于常規(guī)井口平臺的結(jié)構(gòu)形式特點：

（1）井槽區(qū)占據(jù)平臺較大部分，而平臺處理功能區(qū)相對較小，造成了平臺結(jié)構(gòu)形式的不對稱（見圖5），因此造成對應(yīng)立面框架形式的差異。

圖5 平臺結(jié)構(gòu)形式的不對稱（L1＞L3）

（2）導(dǎo)管架井槽區(qū)立面框架及與之對齊的立面框架均呈現(xiàn)典型扁平的結(jié)構(gòu)形式。如此大的框架寬度（32 m）在較深水導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)形式上并不少見。在較淺的水域（如渤海、潿洲灣），由于分層高度受到限制，整體和局部就呈現(xiàn)出典型的扁平結(jié)構(gòu)。為實現(xiàn)結(jié)構(gòu)形式的合理性，需要劃分更多的封閉框架（見圖3）。

（3）平臺組塊的井槽區(qū)立面框架和與之對齊的立面框架均呈現(xiàn)典型的扁平結(jié)構(gòu)形式。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上：一方面為實現(xiàn)結(jié)構(gòu)形式的合理性，需要劃分成更小的非扁平的封閉框架；另一方面為了保障豎向位移不能過大，尤其是對位移要求嚴格的鉆機滑軌的支撐部分，需要加強立面剛度，加密、加強扁平框架的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部的支撐（見圖4）。

（4）由于導(dǎo)管架與組塊建造周期的差異，導(dǎo)管架往往先于組塊很長時間就完成了海上安裝。為了充分利用這一時間差實現(xiàn)油田的早日投產(chǎn)，經(jīng)常選擇在此期間由鉆井船進行導(dǎo)管架鉆井。由于鉆井船懸臂長度的限制，在井槽區(qū)水平跨度已經(jīng)很大的情況下，懸臂甲板通常就被縮短，小于常規(guī)平臺的懸臂甲板長度（見圖4，懸臂甲板長度僅為3.5 m）。

（5）由于導(dǎo)管架和組塊主腿跨度變得很大，如果采用拖拉進行裝船作業(yè)，需要核實建造場地和運輸駁船滑道間距能否滿足要求。如不能滿足要求，需要增設(shè)立柱專門用作拖拉腿（見圖3）。

3 平臺結(jié)構(gòu)在位分析

平臺結(jié)構(gòu)在位分析指的是平臺在服役期間，針對所承受作業(yè)、環(huán)境載荷等所進行的結(jié)構(gòu)校核。主要工況為操作風(fēng)暴（一年一遇環(huán)境條件）、極端風(fēng)暴（百年一遇環(huán)境條件）和地震工況。經(jīng)過對該渤海平臺進行三種在位工況的分析，可以得出：控制工況仍為操作風(fēng)暴工況。這一點與相近水深條件下常規(guī)井槽數(shù)量的井口平臺的在位分析的規(guī)律是一致的，并沒有因為井槽數(shù)量的增加而改變。對整體載荷進行等效對比分析（見表1），并綜合考慮水深因素，也可以得到同樣的結(jié)論。

表1 渤海88井槽井口平臺在位工況等效最大載荷

表2為該渤海88井槽井口平臺鋼樁最大支反力（泥面位置）。由表中數(shù)據(jù)可知，井槽區(qū)鋼樁（A1、A2、B1、B2，鋼樁編號見圖1）支反力明顯大于非井槽區(qū)鋼樁（A3、A4、B3、B4）的支反力。其中，井槽區(qū)鋼樁最大支反力為32 816 kN，非井槽區(qū)鋼樁最小支反力為17 864 kN，僅為前者的54%。

表2 渤海88井槽井口平臺操作風(fēng)暴工況鋼樁最大支反力

這樣的支反力結(jié)果是由淺水超多井槽平臺的結(jié)構(gòu)形式特性和上部載荷特性所決定的。模塊鉆機移動的集中載荷使平臺的直接受力位于支撐點位置，大跨度扁平結(jié)構(gòu)又造成支撐點所承擔(dān)的鉆機載荷難以向遠處樁腿有效傳遞。在二者共同作用下，當(dāng)模塊鉆機移動到主腿附近時，加強了對應(yīng)鋼樁的受力，并因此加大了與非井槽區(qū)鋼樁的支反力差異。

4 平臺結(jié)構(gòu)施工分析

平臺結(jié)構(gòu)施工分析是指針對平臺拖拉裝船、運輸、海上安裝的狀態(tài)所進行的結(jié)構(gòu)校核。經(jīng)過匯總并與常規(guī)平臺進行對比分析，發(fā)現(xiàn)：

（1）拖拉裝船與運輸分析與常規(guī)平臺類似，并沒有因為井口數(shù)量的增加而增加難度。兩種工況對整個結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制作用仍然較弱，這主要是因為拖拉裝船和運輸工況下的導(dǎo)管架和組塊處于輕載狀態(tài)，整體高度較低。并可以通過增加臨時框架、支撐、構(gòu)件等有針對性地改善局部設(shè)計。

（2）導(dǎo)管架和組塊整體吊裝的重心偏移較大。按照施工的規(guī)范要求，平臺吊裝重心相對吊點形心的偏離不應(yīng)超過吊點間跨度的1/6。由于井槽數(shù)量的增加，井槽區(qū)尺度的相對龐大，造成整體上的不對稱性，因而造成更大的重心偏移，甚至難以滿足控制范圍的要求。針對這一情況，可以采取以下措施：

a.調(diào)整導(dǎo)管架、組塊的吊點位置，甚至調(diào)整吊點到主腿、主立柱之外（見圖6），并對連接結(jié)構(gòu)進行必要的加強。

b.對組塊分塊吊裝，將井槽區(qū)與非井槽區(qū)分割吊裝。

c.在導(dǎo)管架、組塊上增加臨時外部重量，如水泥壓塊等，調(diào)整吊裝重心位置。

d.調(diào)整組塊的設(shè)備位置，調(diào)換輕、重設(shè)備位置。

e.使用吊裝框架等。

圖6 導(dǎo)管架吊裝吊點示意

5 結(jié)論和建議

基于對該渤海88井槽井口平臺的規(guī)劃、設(shè)計和研究，可以得到以下結(jié)論和建議：

（1）在預(yù)采用超多井槽井口平臺的方案選擇階段，加強平臺的整體規(guī)劃，綜合考慮建造、安裝、生產(chǎn)各階段的特殊問題，確保方案的可行性。

（2）綜合鉆井、工藝、總圖、電氣、安全等平臺各系統(tǒng)，專業(yè)統(tǒng)籌布置平臺設(shè)備，加強重量控制，減少由于井槽區(qū)域過大而導(dǎo)致的平臺載荷的分布差異。

（3）在平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計上突破對稱設(shè)計，采用差異設(shè)置。針對不同的應(yīng)力情況，采用不同的桿件、鋼樁，提高鋼材的使用效率。如能進一步減少鋼材用量，不僅可以節(jié)省建造費用，減小平臺重量，也可以降低在海上安裝作業(yè)中對稀缺大型浮吊資源的依賴性，并節(jié)省安裝費用。

盡管在渤海某油田開發(fā)項目中，采用超多井槽平臺相比采用兩個井槽數(shù)量較少的平臺節(jié)省了近10億元工程投資，但并非在所有的油田開發(fā)中平臺數(shù)量越少越好，也并非井槽數(shù)量可以無限增加。

（1）相比少數(shù)超多井槽平臺，平臺數(shù)量的增加增強了工程和生產(chǎn)調(diào)整的靈活性。更多的小型建造場地、駁船、浮吊可供選擇進行建造、安裝，生產(chǎn)中也可以使用更多鉆井船對各平臺進行分別的鉆井調(diào)整，分散布置的多個平臺可以覆蓋更大的區(qū)域，為后期再開發(fā)預(yù)留潛力。

（2）隨著井槽數(shù)量的大幅增加，鉆井避讓難度隨之增加，在選擇方案前需進行細致的鉆井方案的研究，確認規(guī)避鉆井風(fēng)險是保障超多井槽方案得以順利實施的前提。

（3）對于超多井槽數(shù)量井口平臺，目前仍處于工程建設(shè)階段，尚缺乏足夠的生產(chǎn)經(jīng)驗。對井槽數(shù)量大幅增加可能導(dǎo)致的系統(tǒng)風(fēng)險和生產(chǎn)風(fēng)險尚認識不夠，將來仍然需要足夠的風(fēng)險研究和生產(chǎn)經(jīng)驗以完善超多井槽平臺的設(shè)計與應(yīng)用。

[1]臧全齋.大型固定式平臺整體化建造技術(shù)[J].石油工程建設(shè)，2003，29（2）:8-16．

[2]郭洪升.70 m水深主樁式導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計及其技術(shù)特點[J].石油工程建設(shè)，2013，39（1）:17-21．

[3]陳衛(wèi)江.海洋平臺加掛井槽研究[J].石油工程建設(shè)，2011，37（4）: 22-23．

[4]許濱，申仲翰.海洋導(dǎo)管架平臺的極限強度分析[J].海洋工程，1994，12（3）:8-16.

StudyofJacket Wellhead Platform with Massive WellSlots in Shallow Water

Liu Ming，Hou Jinlin，Tan Yue
CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China

For the offshore oil and gas development with more wells，it could be more economical by using platform with massive well slots.The configuration for the platform with massive well slots is studied.The differences between centralized and distributed well slot zone arrangements are compared.The general arrangement of the platform is gained.Combined with the generaloutline and main dimensions of the platform，the structural character and design requirement of such platforms are studied in the view of design.The effects on and solutions to drilling and offshore installation are analyzed.Furthermore，the in-place and pre-service calculations are executed.The stress characteristics are concluded and some improvement approaches such as pile foundation bearing capacity discrepancy and hoisting gravity center shift are given.In the end，suggestions are provided on planning，general arrangement and structuraldifferentiated design.The application scope and notices are summarized.

wellhead platform；massive wellslots；flat structure

圖片報道：渤海超多井槽（88井槽）井口平臺導(dǎo)管架

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.04.008

劉明（1977-），男，河北保定人，工程師，1999年畢業(yè)于天津大學(xué)海船專業(yè)，碩士，從事海洋工程研究與設(shè)計工作。

2013-11-27；

2014-06-19