固定平臺方位設(shè)計探討

劉　飛

(中海油研究總院, 北京100027)

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固定平臺方位設(shè)計探討

劉飛

(中海油研究總院, 北京100027)

摘要：基于影響海洋石油固定平臺方位設(shè)計的關(guān)鍵因素分析，分別對新建單個平臺、新平臺與已建平臺棧橋連接及浮托法安裝三種工況展開深入探討，分析了主導(dǎo)環(huán)境因素、靠船方式及安裝等因素對平臺方位設(shè)計的影響，并給出了各工況下平臺方位設(shè)計的推薦做法和設(shè)計建議。

關(guān)鍵詞：固定平臺；平臺方位；影響因素；船舶靠離

0引言

圖1　某平臺方位示意圖

廣義的平臺方位是指平臺的朝向和坐標(biāo)位置。井口平臺和非井口平臺坐標(biāo)位置的確定方法不同，井口平臺的坐標(biāo)位置通常由鉆井工程師根據(jù)油藏靶點坐標(biāo)及鉆井軌跡設(shè)計來確定。而不含井口的生產(chǎn)處理平臺、綜合平臺及生活支持平臺的坐標(biāo)位置與鉆井無關(guān)，通常選擇工程投資最為經(jīng)濟、工程作業(yè)最為便捷的位置。該文所討論的平臺方位為狹義的平臺方位，就是指平臺的朝向，即平臺向北朝向(平臺北)與平臺所在海域真北(大地北)的相對關(guān)系，與平臺的長邊垂直的方向表示平臺北[1]。圖1為某平臺方位的示意圖，其平臺北與真北的夾角為45°。

平臺方位的確定關(guān)系到平臺直升機甲板、靠船設(shè)施與平臺吊機、火炬和安全泄壓系統(tǒng)、逃生系統(tǒng)、海管、電纜及立管布置的設(shè)計。平臺方位的設(shè)計失誤將直接影響平臺整個生命周期內(nèi)的生產(chǎn)安全性和操作可靠性。平臺方位確定須綜合考慮平臺所在海域常年主導(dǎo)風(fēng)向、主導(dǎo)表層海流(海浪)方向、海域已建設(shè)施的方位和安裝等因素。在油氣田開發(fā)工程前期研究階段，應(yīng)做好平臺方位研究工作，特別是對于已建平臺、管道、電纜等設(shè)施錯綜復(fù)雜的老油田調(diào)整項目，應(yīng)妥善處理好新建平臺與依托設(shè)施之間的方位關(guān)系。此外，對采用浮托法安裝的平臺方位，設(shè)計時也需要進行特別考慮。

1新建單個平臺的工況

1.1主導(dǎo)環(huán)境條件

平臺所在海域常年主導(dǎo)風(fēng)向、主導(dǎo)表層海流(海浪)方向是平臺方位設(shè)計的重要依據(jù)，主流向和主浪向直接影響了平臺的供應(yīng)船靠船。主風(fēng)向影響平臺的組塊上部設(shè)施總體設(shè)計，如：平臺生活區(qū)應(yīng)布置在平臺的上風(fēng)向、 直升機需要迎風(fēng)或側(cè)頂風(fēng)起降、井口區(qū)火炬和安全泄壓系統(tǒng)及逃生系統(tǒng)應(yīng)布置在下風(fēng)向等[2]。平臺方位設(shè)計需要綜合考慮供應(yīng)船靠船和主風(fēng)向的影響。圖2為風(fēng)(流)玫瑰圖，通過風(fēng)(流)玫瑰圖可以清晰地看出該海域全年或某一時段內(nèi)的主風(fēng)(流)向。

圖2　風(fēng)(流)玫瑰圖

在不同的海域，影響平臺方位的主導(dǎo)環(huán)境因素不同，在設(shè)計過程中需要區(qū)別對待。在渤海海域，表層海流呈現(xiàn)明顯的往復(fù)流特征，海流對供應(yīng)船靠平臺的影響比較直接，因此在平臺方位設(shè)計時，海流是主導(dǎo)環(huán)境因素，在設(shè)計平臺方位時應(yīng)主要考慮海流對供應(yīng)船靠船的影響，同時兼顧考慮主風(fēng)向?qū)ζ脚_組塊總體布置的影響。而在開闊的外海，如東海海域和南海東部海域，海流的作用相對較弱，由季風(fēng)引起的海浪對供應(yīng)船的靠船影響更為明顯。在這種情況下，主風(fēng)向成為影響平臺方位的主導(dǎo)環(huán)境因素，而海流的影響可以忽略。對于渤海海域來說，其地形條件復(fù)雜，遼東灣和渤海海峽口的海流方向差別較大，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)油田所在的具體位置，選取準(zhǔn)確的環(huán)境條件數(shù)據(jù)。表1為我國主要近海海域環(huán)境條件及典型平臺方位。

表1　我國主要近海海域環(huán)境條件及典型平臺方位

1.2靠船方式分析

供應(yīng)船靠離平臺的方式選擇旁靠還是艉靠也是影響平臺方位的重要因素。因為無論選擇旁靠還是艉靠，供應(yīng)船靠離平臺時均需與風(fēng)浪方向一致，即頂風(fēng)或順風(fēng)。因此，以旁靠為主的平臺方位布置和以尾靠為主的平臺方位布置將差別很大。這兩種靠船方式各有特點，根據(jù)已建平臺作業(yè)習(xí)慣的不同，渤海海域以尾靠為主，南海海域這兩種靠船方式均有采用。新平臺設(shè)計之前，需與作業(yè)區(qū)了解該平臺所在海域慣用的靠船方式。

表2　幾種靠船方式的比較

根據(jù)主導(dǎo)表層海流方向和季風(fēng)確定平臺的主要靠船設(shè)施布置位置，使靠船免受主要逼近海流和海浪的影響，并有助于避免停泊船只撞擊平臺。實際運用中，重要的生產(chǎn)平臺均采用對稱布置靠船設(shè)施。

2與已建平臺棧橋相連的工況

2.1主要影響因素分析

對于新建平臺與已建平臺棧橋連接的情況，比在新海域新建單個井口平臺更為復(fù)雜。除了上述提到的主導(dǎo)環(huán)境因素之外，通常已建設(shè)施(包括已建平臺和海底管纜)的方位會成為新建平臺方位的直接影響因素。因此，新建平臺時需考慮以下幾個方面：

(1) 新建平臺的導(dǎo)管架下水作業(yè)時不能與已建的海底管線和海底電纜干涉，即新建平臺必須離已有的海底管線和海底電纜有足夠的安全距離。

(2) 需考慮供應(yīng)船靠離新建平臺時的船舶操縱要求和拋錨點的位置，通常拋錨點距離海底管道的最小距離要求不小于100 m[3]。

(3) 應(yīng)盡可能使新、老平臺靠船作業(yè)角度最大化。從靠船角度分析，理想的平臺方位應(yīng)當(dāng)是平臺艏艉相連，呈“一”字形連接，此時兩平臺的靠船作業(yè)互不影響。

(4) 應(yīng)滿足直升機起降的安全要求。新建平臺方位應(yīng)當(dāng)避開已建平臺的直升機起降方向，即不在已建平臺直升機甲板210°扇形區(qū)域內(nèi)。同時，新建平臺的直升機起降方向應(yīng)避開已建平臺高聳的井架、透平排煙管等障礙物。有時，對于棧橋相連的多座平臺的直升機甲板，難以同時滿足直升機起降的障礙物限制條件，此時需要對不滿足起降要求的直升機甲板飛行進行限制，只要有一個直升機甲板滿足起降條件即可。此外，已建平臺直升機甲板仍可滿足起降要求時，新建平臺上可以不設(shè)直升機甲板。

(5) 對于采用自升式鉆井船修井和后期打調(diào)整井的井口平臺，后期在其旁邊新建棧橋連接的平臺時，要避開自升式鉆井船就位的空間。

(6) 應(yīng)考慮鉆井船或安裝船的錨泊要求。在靠平臺作業(yè)時通常需要拋錨，對于棧橋相連接的平臺，鉆井船或安裝船靠近其中一個平臺作業(yè)時，有時因為拋錨角度不理想，需要為其中一個平臺的導(dǎo)管樁腿帶纜，而另一個平臺的方位會對帶纜角度產(chǎn)生直接影響。

2.2案例分析

以渤海某項目新建平臺方位設(shè)計進行說明。在已建井口平臺WHPA(以下簡稱“A”)旁邊新建一座井口平臺WHPB(以下簡稱“B”)并與其通過棧橋連接，兩座井口平臺功能類似，均為渤海常規(guī)井口平臺，其上設(shè)有修井機、30人生活樓及直升機甲板，后期打調(diào)整井作業(yè)均使用自升式鉆井船完成。圖3和圖4為新建B平臺的兩種方位布置方案，方案1中新建B平臺位于A平臺東北側(cè)，方案2中B平臺位于A平臺的西南側(cè)，棧橋長度約40 m，表3為兩個布置方案的比較。

圖3　WHPB布置方位(方案1)　　　　　　　　　　　　圖4　WHPB布置方位(方案2)

表3　兩布置方案的比較

通過兩個方案的比較可以看出：方案1中A平臺鉆井船后期就位時錨泊存在問題，不滿足要求；而方案2中B平臺建成后，A 平臺的直升機甲板不能滿足起飛和降落的障礙物限制條件。但因為兩座平臺通過棧橋連接，直升飛機可以起降B平臺，A平臺可以利用新建B平臺直升機甲板進行正常倒休及緊急工況下的人員輸送。因此，推薦采用方案2開展下一步設(shè)計工作。

3浮托法安裝的工況

浮托法安裝具有對浮吊能力要求低、海上連接調(diào)試時間短等優(yōu)勢，近年來在渤海已得到廣泛應(yīng)用，南海也有平臺開始采用浮托法進行安裝。對于采用浮托法安裝的平臺方位設(shè)計，除了需要考慮風(fēng)浪對于平臺上部組塊總體設(shè)計、平臺供應(yīng)船靠船及直升機起降等生產(chǎn)、操作因素以外，還需要考慮安裝因素，即浮托進船方向。

浮托法安裝期間，對于風(fēng)浪環(huán)境有嚴(yán)格的要求，浮托船舶對于橫向(垂直于船長方向)浪尤為敏感。橫浪會造成浮托船舶的垂向擺動，垂向擺動幅度過大會造成甲板支撐單元(DSU)上受力過大而失效。上部模塊的樁腿對接單元(LMU)結(jié)構(gòu)與導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)之間會留有一定間隙，但垂向擺動過大也同樣會產(chǎn)生碰撞[4]。因此，選擇合適的進船方向會大大降低浮托安裝風(fēng)險。

對于采用浮托法安裝的平臺，在設(shè)計平臺方位時，要充分了解浮托安裝窗口期內(nèi)的海況條件，依據(jù)浮托安裝對于海況的要求，對事先依據(jù)生產(chǎn)、操作等因素確定好的平臺方位加以修正?？傮w的原則是在生產(chǎn)操作方便和安裝風(fēng)險可控兩個方面做到一個較好的平衡。在浮托安裝風(fēng)險可控的情況下，通過適當(dāng)增加浮托安裝的待機時間，選擇滿足生產(chǎn)、操作方面最優(yōu)的平臺方位是比較可取的。而對于海況條件比較好的海域或海上安裝時間窗內(nèi)海況條件比較好的情況，平臺方位設(shè)計時可以不考慮浮托進船方向。

4結(jié)論

該文主要針對三種不同工況下的固定平臺方位設(shè)計展開研究，主要研究結(jié)論如下：

(1)平臺方位設(shè)計影響到平臺的生產(chǎn)、操作和安裝等多個方面，在做前期研究階段要認(rèn)真分析平臺所在海域的環(huán)境條件，對平臺上部組塊設(shè)備設(shè)施的平面布置、供應(yīng)船靠船和直升機甲板起降做好方案研究。根據(jù)平臺所在海域的風(fēng)、浪、流等環(huán)境條件，使用要求及安全要求, 平衡好各影響因素之間的利弊關(guān)系，確定合理的平臺方位。

(2)對于新建平臺與已建平臺棧橋連接的情況，要及時跟蹤獲取準(zhǔn)確的已建設(shè)施及其周邊的管纜布置情況，并綜合處理好兩個平臺之間直升機甲板起降和供應(yīng)船靠船的需求。

(3)對于采用浮托法安裝的情況，平臺方位設(shè)計需要在生產(chǎn)操作方便和安裝風(fēng)險可控上做到一個較好的平衡，推薦在浮托安裝風(fēng)險可控的前提下，適當(dāng)增加浮托安裝的待機時間，選擇滿足生產(chǎn)、操作方面最優(yōu)的平臺方位。

參考文獻

[1]《海洋石油工程設(shè)計指南》編委會.海洋石油工程設(shè)計概論與工藝設(shè)計[M].北京：石油工業(yè)出版社,2007.

[2]能源部.《海上固定平臺安全規(guī)則》(試行)[S].1992.

[3]任憲峰,蔣六甲.船舶靠離海上石油平臺的安全操縱[J].航海技術(shù)，2005,29(3)：11-13.

[4]許鑫,楊建民,李欣.浮托法安裝的發(fā)展及其關(guān)鍵技術(shù)[J].中國海洋平臺，2012,27(1)：44-49.

收稿日期：2015-04-27

作者簡介：劉飛(1984-)，男，工程師。

文章編號：1001-4500(2016)03-0019-05

中圖分類號:P75

文獻標(biāo)識碼：A

Discussion on the Orientation of the Fixed Platform

LIU Fei

(CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China)

Abstract：Three conditions of fixed platform orientation design, including one single platform, one new platform connecting to built platform by bridge and using float-over installation method condition were all discussed in this article. In every condition, the fixed platform orientation influence factors were researched, including the environmental factors, styles of supplying boat berthing the platform, and the installation factors. Several design recommendations were proposed in every condition.

Keywords：fixed platform; platform orientation; float-over; boat berthing