自升式無鉆機(jī)棄井專用平臺(tái)設(shè)計(jì)

張 亮

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452

隨著海洋油氣開采時(shí)間的推移，一些海上油田產(chǎn)能過低，達(dá)到地質(zhì)報(bào)廢、油氣田終止開采條件。越來越多的海洋油氣設(shè)施逐步達(dá)到設(shè)計(jì)壽命，日益老化，對(duì)海洋環(huán)境、國(guó)防、海上交通以及漁業(yè)資源等造成較大的潛在危害，需要對(duì)海洋油氣設(shè)施拆解遷移。世界各國(guó)先后制定了相關(guān)法律法規(guī)[1-5]，并對(duì)廢棄平臺(tái)、井筒、海管及電纜等海洋油氣設(shè)施進(jìn)行棄置[6-7]。

目前國(guó)內(nèi)外即將退役的老齡平臺(tái)越來越多，常規(guī)的棄井方式大部分使用鉆井平臺(tái)進(jìn)行作業(yè)。使用鉆井平臺(tái)棄井的優(yōu)勢(shì)在于具備完整的提升、循環(huán)旋轉(zhuǎn)及井控等系統(tǒng)，在完成常規(guī)棄井作業(yè)的同時(shí)，可處理復(fù)雜的井下情況[8]；但也存在費(fèi)用較高折的問題，尤其是不產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的棄井作業(yè)會(huì)使企業(yè)付出高昂的成本。追求低成本策略的國(guó)外油氣公司傾向于使用各類無鉆機(jī)的作業(yè)模式，專業(yè)棄置公司也開發(fā)出各具特色的無鉆機(jī)棄井技術(shù)與裝備[9-11]。

目前國(guó)外無鉆機(jī)棄井技術(shù)已越來越成熟，國(guó)內(nèi)也引入了磨料水射流切割套管技術(shù)及液壓舉升拔樁技術(shù)并取得了較好的應(yīng)用效果[12-14]，但仍處于探索階段。尤其是東南亞海域有大量的小型無修井機(jī)平臺(tái)棄井作業(yè)，由于固定平臺(tái)甲板面積和住宿能力受限，需要移動(dòng)平臺(tái)攜帶相關(guān)設(shè)備進(jìn)行作業(yè)。然而現(xiàn)有的移動(dòng)平臺(tái)與無鉆機(jī)棄井設(shè)備之間的匹配度較小，進(jìn)而直接影響到作業(yè)的時(shí)效性和經(jīng)濟(jì)性。開發(fā)設(shè)計(jì)無鉆機(jī)棄井專用平臺(tái)可為低成本棄井提供專業(yè)化的載體，在后續(xù)大規(guī)模棄置開始后，無鉆機(jī)棄置的優(yōu)勢(shì)將更加明顯。

1 自升式無鉆機(jī)棄井專用平臺(tái)概況

本文研究的自升式無鉆機(jī)棄井專用平臺(tái)主體為箱形結(jié)構(gòu)，平面形狀接近三角形。平臺(tái)有3條桁架式樁腿，艉二艏一，樁腿下端設(shè)有樁靴，每個(gè)樁腿設(shè)有一套電動(dòng)齒輪齒條升降系統(tǒng)，樁腿通過升降系統(tǒng)與船體連接和固定，并可將船體支撐于一定高度。最大作業(yè)水深122 m，可覆蓋渤海、南海部分海域、馬來西亞海域及泰國(guó)灣。

平臺(tái)主要作業(yè)形式是拖航至預(yù)定地點(diǎn)，然后對(duì)平臺(tái)進(jìn)行預(yù)壓載，當(dāng)平臺(tái)預(yù)壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值后，啟動(dòng)升降裝置，將平臺(tái)升高到距離海面一定的高度之后開始作業(yè)。當(dāng)完成某項(xiàng)生產(chǎn)任務(wù)后，將平臺(tái)降至水面，進(jìn)行拔樁-升樁作業(yè)，再拖航至另外的作業(yè)地點(diǎn)開展新的生產(chǎn)任務(wù)。

為降低平臺(tái)成本，居住能力滿足棄井作業(yè)最低需求。平臺(tái)艏部設(shè)有可居住80人的生活區(qū)，生活區(qū)位于主甲板以上，共2層，中控室及辦公室位于上層建筑最頂部的第3層。平臺(tái)上層建筑前部設(shè)有直升機(jī)甲板，在平臺(tái)站立狀態(tài)下可供直升機(jī)起降，適停機(jī)型為S92A/S61N。

船體艏部設(shè)有拖力眼板，用于平臺(tái)拖航使用。平臺(tái)艏、艉兩舷共設(shè)置4臺(tái)就位錨機(jī)，用于平臺(tái)就位。

1.1 主要參數(shù)

平臺(tái)主要參數(shù)見表1。

表1 平臺(tái)主要參數(shù)

該平臺(tái)按照中國(guó)船級(jí)社和中國(guó)海事局的有關(guān)規(guī)范、要求進(jìn)行設(shè)計(jì)[14-16]，入級(jí)中國(guó)船級(jí)社。平臺(tái)總布置如圖1所示。

圖1 平臺(tái)總布置示意

1.2 主要功能

該平臺(tái)的主要功能如下：

（1）按照中國(guó)船級(jí)社相關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)，屬于自升式平臺(tái)，拖航條件滿足CCS的要求。

（2） 配置直升機(jī)平臺(tái)，并具有直升機(jī)加油裝置。

（3）生活區(qū)舒適度具有較高水平，滿足國(guó)際勞工大會(huì)發(fā)布并已生效的《2006年海事勞工公約》的要求。

（4）可滿足80人住宿、餐飲，考慮到平臺(tái)作業(yè)過程中臨時(shí)人員的需求，救生能力按照100人進(jìn)行配備。

（5）共配備3臺(tái)基座式起重機(jī)，左右兩舷吊機(jī)最大吊重能力為343 kN，船尾吊機(jī)最大吊重能力為147 kN。

（6）甲板面積1 200 m2，棄井作業(yè)狀態(tài)下平臺(tái)最大可變載荷為30 723 kN。

（7）配備小型懸臂梁，與套管舉升裝置底座相匹配，甲板上放置磨料水射流切割裝置，棄井作業(yè)前將懸臂梁推出至井口位置。

2 平臺(tái)優(yōu)點(diǎn)

多個(gè)部件的設(shè)計(jì)特點(diǎn)與設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的改善使得該平臺(tái)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，詳述如下。

2.1 平臺(tái)配置合理

與作業(yè)水深100 m以上主流自升式平臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，見表2。

表2 與主流平臺(tái)參數(shù)對(duì)比

該平臺(tái)充分優(yōu)化了艙室空間，合理布局設(shè)備，型深僅有7 m。主要設(shè)備按照冗余度最小的原則進(jìn)行配置，這樣可大大節(jié)約設(shè)備采購成本。其中主發(fā)電機(jī)功率取值依據(jù)為平臺(tái)升降作業(yè)工況下的最大用電負(fù)荷，吊機(jī)能力取值依據(jù)為棄井作業(yè)所需的最大吊裝要求。由于無需配置鉆井相關(guān)設(shè)備，初步估算平臺(tái)可用甲板面積達(dá)到1 200 m2，在保障棄井作業(yè)的同時(shí)還可拓展液壓舉升修井、連續(xù)油管、移動(dòng)注熱等功能。

2.2 懸臂梁結(jié)構(gòu)小巧

為實(shí)現(xiàn)最大程度與棄井作業(yè)裝備進(jìn)行匹配，該平臺(tái)懸臂梁的設(shè)計(jì)主要依據(jù)套管舉升裝置的底座尺寸,通過減小懸臂梁尺寸及結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，盡可能增加甲板可用面積及平臺(tái)可變載荷。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，小型懸臂梁寬度11 m，最大外伸距離為17 m，與表2中的其他平臺(tái)懸臂梁相比，尺寸及結(jié)構(gòu)小巧，見圖2。其承載能力為425 t，可滿足修、棄井作業(yè)最大負(fù)荷，造價(jià)約為常規(guī)鉆井平臺(tái)懸臂梁的1/2。

圖2 小型懸臂梁與套管舉升裝置匹配

2.3 性能高于規(guī)范要求

2.3.1 完整穩(wěn)性

根據(jù)《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》規(guī)定對(duì)平臺(tái)許用重心完整穩(wěn)性進(jìn)行校核[15]，計(jì)算結(jié)果見表3。校核分析表明，平臺(tái)在拖航狀態(tài)許用重心高度下，完整穩(wěn)性滿足規(guī)范要求。

表3 平臺(tái)許用重心完整穩(wěn)性

2.3.2 破艙穩(wěn)性

根據(jù)《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》規(guī)定對(duì)平臺(tái)許用重心破艙穩(wěn)性進(jìn)行校核[17]，計(jì)算結(jié)果見表4。校核分析表明，在各破損狀態(tài)下，不同風(fēng)向條件、風(fēng)速為25.8 m/s的風(fēng)傾力矩作用時(shí)，破損水線低于可能發(fā)生繼續(xù)進(jìn)水的任何開口下緣，滿足規(guī)范要求。

表4 平臺(tái)許用重心破艙穩(wěn)性

2.3.3 抗傾穩(wěn)性

平臺(tái)抗傾穩(wěn)性校核參照《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》要求。傾覆力矩包括環(huán)境載荷力矩、平臺(tái)附加彎矩和動(dòng)力載荷彎矩。若平臺(tái)發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，樁周邊土、樁靴上表面土、樁靴底部吸附力都會(huì)產(chǎn)生抵抗力，增加平臺(tái)抗傾能力。本計(jì)算中僅考慮平臺(tái)重力抗傾，土壤作用作為抗傾能力儲(chǔ)備，計(jì)算結(jié)果見表5。校核分析表明，平臺(tái)抗傾穩(wěn)性滿足規(guī)范要求。

表5 不同工況下的平臺(tái)抗傾衡準(zhǔn)數(shù)K

2.3.4 抗滑移性

平臺(tái)抗滑力主要包括樁底部摩擦力、側(cè)摩阻力、土壤被動(dòng)土壓力等。本次計(jì)算中僅考慮樁靴底部摩擦力，其他作為儲(chǔ)備抗滑移能力[18]。校核安全系數(shù)按照API RP 2A《海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦作法》的要求：作業(yè)工況時(shí)，平臺(tái)抗滑移安全系數(shù)Kh應(yīng)不小于2.0；自存工況時(shí)，Kh應(yīng)不小于1.5；根據(jù)不同地質(zhì)條件下的抗滑能力進(jìn)行校核，計(jì)算結(jié)果見表6。校核分析表明，在上述計(jì)算井位，平臺(tái)抗滑穩(wěn)性滿足規(guī)范要求。

表6 不同工況下的平臺(tái)抗滑移安全系數(shù)Kh

3 結(jié)束語

研發(fā)的新型平臺(tái)與無鉆機(jī)棄井裝備匹配較好，具有較強(qiáng)的專業(yè)性能。平臺(tái)可變載荷大、結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)潔、整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度好、總體性能高、甲板面積大，除用于棄井作業(yè)外還可進(jìn)行其他功能的拓展。與常規(guī)的作業(yè)水深超過100 m的鉆井平臺(tái)相比，型深小、布局合理、建造成本和建造難度低，可大大降低棄井作業(yè)成本，具有重要的工業(yè)化應(yīng)用價(jià)值。