深水導管架平臺技術研究

譚 越， 李新仲， 王春升

(中海油研究總院，北京 100028)

?

深水導管架平臺技術研究

譚 越， 李新仲， 王春升

(中海油研究總院，北京 100028)

導管架平臺是一種適用于300 m～500 m水深海域油氣田的干式井口開發(fā)模式的平臺。該文對可用于此水深范圍的幾種干樹平臺及對最終選擇何種平臺的原因進行了初步的分析，總結了國內外深水導管架的現(xiàn)狀。以墨西哥灣海域的五座深水導管架平臺為例，介紹了深水導管架平臺的結構特點、建造、安裝、投資和應用情況。討論了深水導管架平臺的重量控制、建造和安裝關鍵技術，特別舉例說明了分段安裝技術。最后論述了導管架平臺在南海的應用受特定水深的限制，主要是由于缺乏建造、運輸和安裝的經(jīng)驗，且由于自重過大使其失去了經(jīng)濟性。

導管架；中深水；油田開發(fā)

0 引言

中等水深的海上油氣田，主要開發(fā)方式有六種[1]。如采用干式井口的方案，導管架平臺、順應塔平臺(Compliant Tower)、張力腿平臺(Tension Leg Platform，TLP)以及深吃水單柱式平臺(Spar)等型式，在以往國外類似水深油田開發(fā)過程中，都進行過對比分析，也都有應用的實例[2,3]。選用何種開發(fā)方式，除了與油田自身的特點和經(jīng)濟評價的結果直接相關外，還需要認識到當時的技術水平，以及油公司對某項技術的掌握程度。深水導管架一般應用于300 m水深以內，但國際上已經(jīng)有水深超過400 m的導管架工程實例；順應塔平臺工作水深在300 m～600 m，最經(jīng)濟的工作水深在240 m～480 m；關于張力腿平臺的應用水深范圍，有些文獻認為在500 m～2 000 m[1-6]。

中國南海是世界上最有前景而又未大規(guī)模開采的油氣資源區(qū)[1，6]，而其特有的海域環(huán)境，在300 m～500 m水深范圍內，有很多未開發(fā)的油氣田。同樣環(huán)境條件較為惡劣的墨西哥灣海域，與南海具有類似特點。因此，僅就技術上初步判斷，導管架平臺是一種可行的干樹方案。

1 深水導管架發(fā)展現(xiàn)狀

導管架平臺是目前最為成熟的平臺，在世界上得到了廣泛的應用[1,2]。導管架平臺主要有兩大部分組成：一部分是甲板及設備，統(tǒng)稱為上部組塊；一部分是導管架和樁基礎，通常稱為支撐結構。

深水導管架平臺在國外可以認為是相對成熟的技術。1976年Exxon公司的Hondo平臺已經(jīng)成功安裝于259 m水深，1978年Shell公司位于墨西哥灣313 m水深的Cognac平臺則是世界上第一座超過300 m水深的導管架平臺[7]，圖1列出了作業(yè)水深大于300 m的導管架平臺的實例，基本上都位于墨西哥灣海域。

圖1 超深水導管架平臺實例

隨著我國海洋石油開發(fā)不斷向深水領域邁進，深水導管架平臺得到了越來越廣泛的應用，在我國已有200 m左右深水導管架平臺的設計、建造和安裝經(jīng)驗。組塊有分段吊裝和整體浮托兩種方案，而導管架均采用滑移下水,表1列出了國內外的典型深水導管架平臺。

表1 深水導管架統(tǒng)計表

2 國外工程實例

2.1 Hondo平臺

圖2 Hondo平臺示意圖

Hondo平臺于1976年安裝在259 m水深的海域，是一座8腿導管架平臺，設有28個井槽[8]，Hondo平臺如圖2所示。

導管架平臺由上下兩部分組成，采用了分段建造，拖拉裝船，分段干拖至水深足夠的海域滑移下水。水面漂浮對接后，作為一個整體的導管架平臺濕托一段30海里的距離至油田現(xiàn)場扶正，再打入主樁和裙樁。其中主樁除在導管架頂部樁與導管架焊接外，泥面以上61 m的主樁通過灌漿與導管架連接在一起。導管架重12 200 t，樁重5 250 t，組塊重8 450 t，甲板結構重1 600 t。

其上部分段的下水重量約為5 000 t，下部分段的下水重量約為7 000 t，其中有大約200 t的結構在連接后切除。Kaiser Steel公司在加利福尼亞州的工廠完成了整個導管架12 700 t鋼材的制造，其中一家工廠負責約5 200 tAPI 5LX Gr. X52管的制造，其它的約7 500 t的A-572和A-573級鋼板則由另一家工廠完成。在前期的一些準備工作之后，導管架平臺采用Roll-up方式完成安裝[9]。

Hondo平臺基礎型式較為復雜，由8根主樁和12根裙樁組成，安裝時攜帶了3種不同型號的5個打樁錘，先安裝主樁，再安裝裙樁。由于海底坡度的影響，各主樁的長度從370 m～382.5 m，裙樁長度從108 m～114 m，此外8根主樁的入泥深度在103.6 m～114.3 m，12根輔樁的入泥深度保持在80 m左右。主樁有13個分段，裙樁則分為4個部分。主樁樁徑設計為1.21 m，輔樁為1.47 m[10]。

圖3 Cognac平臺示意圖

2.2 Cognac平臺

Cognac平臺在1978年安裝于313 m水深的墨西哥灣中部Mississippi Canyon Area區(qū)塊，是第一個水深超過300 m的導管架平臺。平臺具有鉆井和生產(chǎn)功能，支持62口井，11根立管[11]。上部組塊為兩層甲板，面積約6 875 m2，重8 278 t，Cognac平臺如圖3所示。

Cognac平臺為12腿24裙樁結構，導管架結構鋼材重33 500 t，樁重16 000 t。導管架分為三部分建造，采用了復雜的安裝技術。其底部分段采用立式建造和裝船，而其它兩個分段則采用臥式建造和拖航[12]。

Cognac平臺經(jīng)歷3 m的海底沉降以及墨西哥灣颶風波浪對甲板的沖擊，組塊結構受到破壞，并且在評估后不滿足API Bulletin 2INT-EX 和API RP 2A的要求，但在其設計壽命的范圍內，結構未出現(xiàn)大的問題，證明了這種分段式結構的可靠性[13]。

2.3 Bullwinkle平臺

Hondo平臺和Cognac平臺受建造、安裝資源的限制，是僅有的采用分段建造、分段安裝的平臺。在此之后，SHELL公司于1988年安裝的世界上最大也是最深的Bullwinkle導管架平臺，如圖4所示，均采用整體建造和安裝的模式[12]。

圖4 Bullwinkle平臺在位及結構示意圖

Bullwinkle平臺設有60個井槽，導管架腿直徑達3.048 m。整座平臺的用鋼量達到68 000 t，其中導管架44 500 t，隔水套管11 800 t，樁10 000 t。整座平臺投資5億美元，組塊和導管架各占一半。平臺日產(chǎn)59 000桶油和2 831 m3天然氣[14]。

2.4 Amberjack平臺

Amberjack平臺位于墨西哥灣的Mississippi Canyon的109區(qū)塊，水深332 m，安裝于1991年。平臺有38井，日產(chǎn)油10 500桶，產(chǎn)氣4.25×107m3。導管架重26 300 t，組塊重22 700 t。

2.5 Pompano平臺

Pompano平臺位于墨西哥灣Viosca Knoll的989區(qū)塊，水深393 m，安裝于1994年。平臺有40口井，日產(chǎn)油40 000桶，產(chǎn)氣1.42 ×108m3。導管架下水重量34 500 t，投資額為2.3億美元。

3 深水導管架關鍵技術

3.1 重量控制

深水導管架的主要特點為高、大、重，結構復雜，因此重量控制是最為關鍵的技術。首先要控制平臺上部設施的重量和重心，關鍵在于設計和管理，因此要求設計人員應根據(jù)油田情況，合理地應用有關規(guī)范、標準，嚴格控制上部設施的重量，此外，還需要加強設計、制造、安裝及費用方面的管理。導管架總尺度和總重量隨著水深增加而增大，重量控制更多的要關注施工條件和安裝船舶資源。

3.2 建造技術

深水導管架屬于超大型結構，建造時高空作業(yè)量非常大，傳統(tǒng)的立扣片吊裝建造方式已不能適應其要求,ROLL-UP吊裝建造方式可以減少超高空作業(yè)量, 將大量的超高空作業(yè)改為在低空完成, 增加了作業(yè)的安全系數(shù),提高了工作效率和組對焊接的質量,有助于保證導管架建造的整體尺寸精度。ROLL-UP吊裝建造形式是指將導管架整體或部分結構分成幾個較大的單片或者組合片進行預制,預制好后以導管或拉筋作為旋轉軸,進行立片的吊裝方法。

此外，由于結構的重量大、用料多，需考慮場地的面積和承載力。如Hondo平臺組裝導管架占用了約14 164 m2的空間。同時為了能夠將導管架拖拉上船，海工場地做了大量的前期準備工作,包括將碼頭水深增至15.24 m，并在碼頭前沿進行混凝土加固以抵抗拖拉上船時對碼頭的力。由于裝船時間較長，采用了兩套壓載系統(tǒng)，一套用于抵抗潮汐的影響，一套保持船舶的浮態(tài)。如采用分段的結構型式，為了確保海上安裝兩段準確對接，對建造精度控制的要求非常高。

3.3 安裝技術

對于采用整體安裝方式的深水導管架，其安裝方法為常規(guī)的滑移下水。Bullwinkle平臺導管架由Heerema Marine Contractors (HMC)公司的下水駁H-851下水安裝[14],此時的H-851尚未進行改造，名義下水能力為6萬噸?，F(xiàn)階段的深水導管架如采用整體下水的方式，則可能需要新建下水駁船，或對已有駁船進行改造以提高下水能力。

導管架分段的直接來源是將淺水中成熟的技術向深水移植,但其海上對接的安裝方式較常規(guī)整體滑移下水則復雜得多,主要有水面漂浮橫向對接和水下垂向對接兩種方式。水面漂浮對接是Hondo平臺設計和安裝的一個最重要的特點。對接作業(yè)海況波高1.2 m，周期6 s，而上部和下部的固有周期分別為10.5 s和11 s。通過絞車，導管架的上部向下部靠近，錐形探頭進入并通過彈性夾頭鎖在一起，此后通過液壓法蘭將8條腿鎖緊。連接處的艙室是不充水的，焊接和檢測人員通過側向的開口和通道進入導管架腿內部，海上漂浮對接如圖5所示。

圖5 海上漂浮對接

Congac平臺則采用了水下垂直對接的方式，安裝過程如圖6所示。首先安裝導管架的底部(Base Section)，除了兩條錨泊定位的安裝船外，還需要5條拖輪幫助進行定位，以確保底部(Base Section)可以垂直下放至預定位置。需要注意的是，導管架的各個分段，都是采用的兩條安裝船。在導管架各分段入水后，兩條安裝船相互配合，將各分段下放到設計位置進行對接[12]。這對安裝船的定位和同步作業(yè)提出了極高的要求。

圖6 Cognac平臺分段安裝示意圖

4 結語

深水導管架平臺是特定歷史條件的產(chǎn)物。在二十世紀八九十年代，中等水深的油田開發(fā)中，美國墨西哥灣導管架平臺得以廣泛應用，其中的一個原因是這一時期干樹的浮式平臺(TLP和SPAR平臺)雖然已經(jīng)出現(xiàn)，但技術尚未完全成熟。從1984年～2000年，水深500 m以內的3座張力腿平臺均應用于北海,而第一座SPAR平臺，在1996年才建成。

在過去的三十年中，浮式平臺技術得到快速發(fā)展，已經(jīng)在墨西哥灣以及北海這樣海況條件惡劣的海域中取得了成功的應用。世界上一些大的石油公司和工程公司都將精力集中于浮式平臺，而超過300 m水深的導管架平臺在1999年以后再沒有實際的工程出現(xiàn)。

隨著油氣資源的開發(fā)不斷向深海推進，固定式平臺因自重隨水深的變化而大幅度增加，尤其是受安裝資源的限制，工程費用也大幅上漲。盡管有一些不同的觀點，但一般認為導管架平臺經(jīng)濟水深在300 m以內，不適用于更深的海上油氣田開發(fā)。對于南海中等水深油氣田開發(fā)，盡管深水導管架平臺的設計不存在大的問題，但缺乏此水深范圍內導管架的建造和安裝經(jīng)驗，是制約其應用的關鍵因素。

[1] 張煜，馮永訓. 海洋油氣田開發(fā)工程概論[M].北京：中國石化出版社，2011．

[2] John J S,Joachim S. Deepwater gulf of mexico 2008:america’s offshore energy future [R].New Orleans：MMS，2004．

[3] Richardson G E，Lesley D N,Christy M B. Economic impact in the u.s.of deepwater projects:a survey of five projects [R].New Orleans：MMS，2008．

[4] 姜萌. 近海工程結構物-導管架平臺[M].大連：大連理工大學出版社，2009．

[5] 海洋石油工程設計指南編委會. 海洋石油工程深水油氣田開發(fā)技術[M].北京：石油工業(yè)出版社，2011．

[6] 余建星. 深海油氣工程[M].天津：天津大學出版社，2010．

[7] Subrata K C. Handbook of offshore engineering[M].Amsterdam, The Netherlands：ELSEVIER，2005．

[8] Delflache M L，Glasscock M S，Hayes D A. Design of the hondo platform for 850-feet water depth in the santa barbara channel[C]. 1977.

[9] Bardgette J J, Irick J T. Construction of the hondo platform in 850 feet of water in the santa barbara channel[C]. 1977.

[10] Cunningham G R， Naughton H R. Design andinstallation of the piling foundation for the hondo platform in 850 feet of water in the santa barbara channel[C].1977.

[11] Piter E S, Lowell J，Sterling G H, et al. Cox development of an alignment system for the three?mpart cognac platform jacket[C]. 1979.

[12] Sterling G H, Casbarian A O P, Dodge N L. Construction of the cognac platform, 1025 feet of water, gulf of mexico[C]. 1979.

[13] Turel G, Jae W C, Serdar S, et al. Assessment of platform cognac using instrumentation data[C]. 2009.

[14] Digre K A, Brasted L K, Marshall P W. The design of the bullwinkle platform[C].1989.

Research on Deep Water Jacket Platform

TAN Yue，LI Xin-zhong, WANG Chun-sheng

(CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China)

Jackets offer a dry-tree alternative for offshore oil field development in the mid-depth(i.e.300 meters to 500 meters)water. A simple analysis, including the platforms which can accommodate dry trees and the reason why a certain kind of platform was chosen finally, is given. The situations of the deep water jackets at home and abroad are reviewed. Introductions on structure，fabrication，installation，CAPEX and applications of five deep water jackets, which were installed in the Gulf of Mexico, are presented. This paper describes the weight control，construction and installation experiences of the deep water jacket, and the multi-piece techniques are illustrated especially. Jacket structures are limited to specific water depths in South China Sea. This is not necessarily because one cannot design a jacket for deeper water, but because the fabrication, transportation, and installation become impractical, and their weight makes them uneconomic.

jakcet; mid-depth water; oil field development

2015-11-22

譚 越(1978-)，男，高級工程師。

1001-4500(2016)01-0017-04

P751

A