300米級深水導(dǎo)管架在南海陸坡區(qū)應(yīng)用的挑戰(zhàn)與關(guān)鍵技術(shù)研究

尹漢軍 付殿福

(中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028)

南海陸坡區(qū)是目前中國南海油氣富集區(qū)，也是中國海油海上油氣開發(fā)的主力區(qū)之一，水深200～1 000 m。流花11-1油田位于中國南海珠江口盆地，距香港東南約220 km，油田場址位置水深312～330 m。油田老區(qū)于1996 年3月投產(chǎn)，采用一座半潛式生產(chǎn)平臺(南海挑戰(zhàn)號FPS)、一座浮式儲卸油裝置(南海勝利號FSO)和水下生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，代表了當(dāng)時(shí)中國海洋石油開發(fā)的最高水平[1]。20世紀(jì)90年代，受當(dāng)時(shí)技術(shù)、資源因素限制，水深300 m級別的深水導(dǎo)管架(以下簡稱300 m級深水導(dǎo)管架)因其數(shù)倍于半潛式平臺和水下井口的投資，被視為并不適合流花11-1油田開發(fā)。經(jīng)過25年的開發(fā)，流花11-1油田一次開發(fā)采收率12.6%，依然具有巨大的二次開發(fā)潛力，因此決定對其開展二次開發(fā)方案研究。

由于干式井口采油樹位于平臺上部組塊上，與濕式井口相比具有初始投資低、操作簡便、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，便于滿足修井等生產(chǎn)作業(yè)及未來打調(diào)整井的要求。為進(jìn)一步提升油田開發(fā)經(jīng)濟(jì)性，研究的重點(diǎn)放在了可支撐干式井口及模塊鉆機(jī)的導(dǎo)管架平臺、順應(yīng)塔平臺、張力腿平臺等3類平臺上。通過對比3類平臺的方案設(shè)計(jì)結(jié)果及綜合研究認(rèn)為，330 m水深級別的順應(yīng)塔平臺因工作水深較淺，整體剛度與固有周期匹配度上無法充分發(fā)揮其順應(yīng)性能；張力腿平臺在南海具有一定適應(yīng)性，但其張力鍵所用材料及建造要求非常高，存在較大技術(shù)挑戰(zhàn)；深水導(dǎo)管架平臺各項(xiàng)綜合技術(shù)指標(biāo)占優(yōu)，安全性與技術(shù)成熟度在3類典型干式井口平臺中最高[2]。因此，流花11-1油田二次開發(fā)方案最終選擇了300 m級深水導(dǎo)管架方案。與之同期的陸豐15-1油田(水深284 m)、陸豐12-3油田(水深240 m)，同樣也選擇了深水導(dǎo)管架作為油田的開發(fā)裝備。

固定式平臺是近海油氣田開發(fā)的重要平臺形式，導(dǎo)管架平臺作為固定式平臺的一種，在200 m水深以內(nèi)海域被大量應(yīng)用并取得了極大的成功[3]。在200～400 m水深范圍，導(dǎo)管架平臺因其良好的經(jīng)濟(jì)性、優(yōu)越的結(jié)構(gòu)安全性及豐富的功能適應(yīng)性仍是具有競爭力的平臺形式。

從全球深水導(dǎo)管架工程信息來看，工作水深超過300 m的導(dǎo)管架共8例，絕大多數(shù)均安裝于20世紀(jì)。水深最深的導(dǎo)管架服役于殼牌的Bullwinkle油田，工作水深412 m，安裝于1988年，導(dǎo)管架質(zhì)量為49 000 t[4]。僅有3個(gè)案例安裝于2000年后，最近的安裝案例為墨西哥灣Coelacanth油田的導(dǎo)管架，工作水深361 m，安裝于2015年。分析認(rèn)為，國際上深水導(dǎo)管架技術(shù)發(fā)展較早但后期應(yīng)用案例較少的主要原因，是受美國近海油氣開發(fā)政策等因素影響，近20年在墨西哥灣發(fā)現(xiàn)的油藏多半是在水深超過500 m的海域，而導(dǎo)管架在超450 m水深的油氣田開發(fā)中，技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面不再合適。

隨著中國海洋石油開發(fā)不斷向深水領(lǐng)域邁進(jìn)，深水導(dǎo)管架平臺得到了越來越廣泛的應(yīng)用。中國在200 m內(nèi)水深的導(dǎo)管架平臺設(shè)計(jì)、建造和安裝方面具有豐富經(jīng)驗(yàn)[5]，但在超過300 m水深的海域，則尚未涉及。中國目前已建造投產(chǎn)的最深水導(dǎo)管架為番禺30-1導(dǎo)管架，其水深僅198 m。導(dǎo)管架平臺想要應(yīng)用于水深超300 m的南海海域，面臨著諸多尚未解決的技術(shù)挑戰(zhàn)。

本文以流花11-1油田二次開發(fā)項(xiàng)目以及陸豐15-1、陸豐12-3油田開發(fā)項(xiàng)目中應(yīng)用的3座深水導(dǎo)管架為例，論述了300 m級深水導(dǎo)管架應(yīng)用于南海陸坡區(qū)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，研究了其在設(shè)計(jì)、建造及安裝等方面的關(guān)鍵技術(shù)問題，為中國深水導(dǎo)管架應(yīng)用水深從200 m向300 m跨越提供了技術(shù)支持。

1 300 m級深水導(dǎo)管架面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

導(dǎo)管架工作水深由200 m跨越至300 m，以流花11-1DPP(鉆采平臺)導(dǎo)管架為例，其所受極端環(huán)境導(dǎo)致的基底剪力可達(dá)133 122 kN，所產(chǎn)生的基底彎矩是同規(guī)模200 m級水深導(dǎo)管架的2～3倍。這對導(dǎo)管架用鋼量、鋼材等級、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生了巨大影響，由此導(dǎo)致的導(dǎo)管架的尺度和重量增大對建造和安裝也帶來了重大挑戰(zhàn)。深水導(dǎo)管架集中體現(xiàn)了深水工程的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)質(zhì)量及固有周期較大、波浪動力響應(yīng)和結(jié)構(gòu)疲勞問題突出[6]。300 m級深水導(dǎo)管架在中國南海應(yīng)用面臨惡劣的海洋環(huán)境、復(fù)雜的工程地質(zhì)條件、大型上部模塊功能需求、高等級結(jié)構(gòu)材料要求及受限的建造安裝資源等重大技術(shù)挑戰(zhàn)。

1.1 惡劣的海洋環(huán)境

中國南海與挪威北海、美國墨西哥灣是公認(rèn)的三大海況惡劣海域，惡劣環(huán)境條件對深水工程設(shè)施可能會產(chǎn)生破壞性影響。南海夏季臺風(fēng)和內(nèi)波頻發(fā)，對設(shè)施的極限生存能力帶來了極大挑戰(zhàn)[7]。南海流花和陸豐油田區(qū)塊正位于臺風(fēng)發(fā)展路徑上，以流花海域?yàn)槔?，其百年重現(xiàn)期最大波高達(dá)23.6 m，表層海流最大流速達(dá)2.25 m/s，1分鐘平均風(fēng)速達(dá)57.2 m/s(表1)，此外，流花海域還存在嚴(yán)重的內(nèi)波流。極其嚴(yán)苛的環(huán)境條件對深水導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝和插打鋼樁均提出了更高要求。

表1 流花海域主要環(huán)境參數(shù)

1.2 復(fù)雜的工程地質(zhì)條件

中國南海北部陸坡陸豐等油田區(qū)域存在大量的海底沙波沙脊，部分海域存在滑坡、斷層等不良地質(zhì)條件。經(jīng)勘查發(fā)現(xiàn)，陸豐15-1油田海域水深279.2～292.0 m，地形較為起伏，存在大型沙波，波長50～150 m，波高2.3～5.1 m，表層沙土厚度1～5 m。陸豐15-1DPP導(dǎo)管架的底盤尺寸為95 m×95 m，恰好跨過一個(gè)完整沙波，巨大的海底高度差與表層沙土對導(dǎo)管架的場址位置選擇、安裝就位以及長期在位運(yùn)行狀態(tài)下的樁基礎(chǔ)安全性能提出了更大挑戰(zhàn)。

1.3 大型的上部模塊功能需求

近年來，隨著部分海上老油田開展綜合調(diào)整或二次開發(fā)導(dǎo)致對上部模塊功能設(shè)施規(guī)模要求越來越高。如老油田的調(diào)整水量顯著增加，生產(chǎn)水處理和注水負(fù)荷增加，以及老油田對于補(bǔ)充油水處理和發(fā)電能力的需求等[8]。此外，為了充分發(fā)揮深水導(dǎo)管架平臺可支持干式井口的優(yōu)勢，要求其盡可能多預(yù)留井槽。最新設(shè)計(jì)的南海3座深水導(dǎo)管架上部組塊均為典型的南海DPP平臺模塊，設(shè)置有模塊鉆機(jī)、生活樓、油氣處理設(shè)施等。流花11-1DPP平臺是流花海域唯一的固定式平臺，其上部模塊液處理能力達(dá)96 500 m3/d，是中國南海最大的單體液處理平臺。相比國際上井口數(shù)量較少、上部設(shè)施功能要求與重量較低的情況，中國深水導(dǎo)管架平臺面臨更加嚴(yán)苛的上部功能需求(表2)。

表2 南海3座新設(shè)計(jì)深水導(dǎo)管架上部功能信息

1.4 高等級結(jié)構(gòu)材料要求

由于海洋油氣生產(chǎn)平臺處于深水、波浪、低溫等多重復(fù)雜而苛刻的服役環(huán)境，平臺建造所采用的鋼板需要具有高強(qiáng)度、抗沖擊、抗疲勞、抗層狀撕裂以及良好可焊性和可加工性等綜合性能[9]。目前中國海洋工程用EH36鋼及以下級別的鋼材已全部實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。在保證導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)剛度的前提下，采用更高強(qiáng)度的材料，有助于進(jìn)一步降低其結(jié)構(gòu)重量以適應(yīng)國內(nèi)建造安裝資源能力，因此需要研究更高強(qiáng)度的鋼材應(yīng)用于導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性與可行性。

1.5 受限的建造安裝資源

回顧近幾十年全球大型海洋油氣開發(fā)裝備的發(fā)展，長期受大型海洋工程建造、安裝裝備發(fā)展的制約。深水導(dǎo)管架技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用除了受環(huán)境、上部功能、材料及自身結(jié)構(gòu)性能影響外，最重要的制約因素即為建造、安裝資源能力。

20世紀(jì)70年代埃克森和殼牌兩家石油公司在加州西海岸和墨西哥灣分別安裝了Hondo和Cognac深水導(dǎo)管架，這兩座最早出現(xiàn)的深水導(dǎo)管架受制于沒有大型下水駁船，分別分成了2段和3段進(jìn)行安裝。隨著深水導(dǎo)管架的需求日益旺盛，運(yùn)輸下水能力超強(qiáng)的駁船H851應(yīng)運(yùn)而生，此后20余座超300 m水深的導(dǎo)管架均采用整體安裝方式進(jìn)行安裝，從而大幅降低了海上施工作業(yè)的難度與風(fēng)險(xiǎn)。

中國深水工程發(fā)展較晚，下水能力最強(qiáng)的“HYSY 229”船為34 000 t 級導(dǎo)管架下水駁船，運(yùn)輸陸豐15-1導(dǎo)管架已達(dá)到船舶性能的極限[10]，對于水深更深的流花11-1DPP導(dǎo)管架就顯得更加吃力。此外，國內(nèi)建造場地能力、浮吊船能力、特種施工設(shè)備能力等方面，均不同程度地限制了中國深水導(dǎo)管架的發(fā)展。

2 南海陸坡區(qū)深水導(dǎo)管架關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 南海陸坡區(qū)環(huán)境條件與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)分析

為進(jìn)一步掌握流花海域內(nèi)波發(fā)生規(guī)律與特點(diǎn)，流花和陸豐開發(fā)項(xiàng)目開展了全剖面潛標(biāo)觀測，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)反演分析發(fā)現(xiàn)，流花海域存在每天數(shù)次的內(nèi)波流。通過監(jiān)測與綜合研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)波發(fā)生頻率具有一定規(guī)律，夏、秋季發(fā)生頻率最高，振幅也較大；冬季發(fā)生頻率較少，振幅較弱；表現(xiàn)形式為水面以下120～140 m區(qū)域分層的剪切流，且常伴隨超過1 m/s較強(qiáng)底流。結(jié)合實(shí)際觀測結(jié)果，為保障海上施工作業(yè)安全，在設(shè)計(jì)階段提高了導(dǎo)管架鋼樁施工的流速標(biāo)準(zhǔn)，將底層和中層設(shè)計(jì)流速由0.3 m/s調(diào)整為0.6 m/s。

由于陸豐區(qū)域和流花區(qū)域處于南海臺風(fēng)主路徑上，臺風(fēng)引起的極端波浪對平臺甲板高程確定有較大影響，主要影響因素包括波峰高度、潮位、風(fēng)暴增水等。根據(jù)最新設(shè)計(jì)規(guī)范要求，底層甲板標(biāo)高確定原則為：百年一遇海況條件考慮甲板1.5 m氣隙，千年一遇海況條件甲板不上浪，兩者得到的底層甲板標(biāo)高取大值。水位的疊加原則為：考慮最大波峰高度與風(fēng)暴增水同時(shí)發(fā)生，不與最高天文潮同時(shí)疊加。為保證平臺服役期間底層甲板結(jié)構(gòu)安全，在設(shè)計(jì)階段根據(jù)最新設(shè)計(jì)規(guī)范要求，將流花11-1DPP平臺底層甲板標(biāo)高確定為21.5 m。

2.2 沙波監(jiān)測與平臺位置優(yōu)選

陸豐15-1平臺場址面臨世界罕見的大規(guī)模沙波存在，海床泥面處高差甚至超過5m。如此大規(guī)模沙波如何形成、有何特性、如何運(yùn)移是深水導(dǎo)管架安裝前必須明確的3個(gè)問題。

通過海洋巖土取樣發(fā)現(xiàn)，沙波表層為松散到中密實(shí)的砂性土，粒徑為0.5～1.0 mm，結(jié)合內(nèi)波監(jiān)測結(jié)果認(rèn)為海流為東南流向，海床處最高流速達(dá)1.0 m/s。假設(shè)泥沙啟動剪切力為0.2～0.4 N/m2，研究認(rèn)為極端風(fēng)暴海況不足以驅(qū)動深水區(qū)的沙波移動，僅內(nèi)波發(fā)生時(shí)海底泥沙才進(jìn)入運(yùn)動狀態(tài)。假設(shè)推移質(zhì)沿海底移動或者滾動，懸移質(zhì)浮于水中而隨水移動，推移質(zhì)輸沙計(jì)算采用BIJKER公式，推移質(zhì)輸沙率考慮床面剪切力，沙粒大小等因素影響。據(jù)此，通過陸豐15-1平臺場址沙波相關(guān)參數(shù)(表3)，可預(yù)測平臺場址沙波的移動速率為1～3 m/a。

表3 陸豐15-1DPP平臺場址沙波在不同環(huán)境下的運(yùn)移速率

為明確沙波成因及運(yùn)移情況，陸豐項(xiàng)目開展了沙波表層取樣與沙波移動數(shù)值模擬，并設(shè)計(jì)了為期2年的沙波運(yùn)移監(jiān)測。在靠近陸豐15-1平臺場址附近設(shè)置了3個(gè)水泥墩作為參照物，定期采用AUV(自主式水下航行器)對海床參照物進(jìn)行測掃。通過為期1年半的3次觀測發(fā)現(xiàn)：①水泥樁傾角發(fā)生明顯變化，說明底流較強(qiáng)，預(yù)計(jì)平臺、海管在位后，后期迎流面會存在較強(qiáng)的沖刷現(xiàn)象；②局部小型沙波的位置存在一定的變化，其平面位移為30～50 cm；局部小型沙波的形態(tài)有一定變化，縱向上會有10～20 cm的深度差異；③2次調(diào)查期間巨型水下沙丘未發(fā)生明顯位移；④該區(qū)域沙波移動應(yīng)是強(qiáng)流誘發(fā)的小型、微型沙波上沙粒的運(yùn)動，最終累積為大型、巨型沙波的位置偏移，沙波整體運(yùn)動過程較為緩慢。

通過精細(xì)化場址調(diào)查、數(shù)值模擬及沙波監(jiān)測，考慮到導(dǎo)管架平臺因采用模塊鉆機(jī)鉆井，平臺場址對鉆完井投資具有較大影響，最終建議將陸豐15-1平臺場址向東南方向移動約140 m。從陸豐15-1DPP平臺移位前后海床剖面三維示意圖(圖1)，可見移動后的新平臺場址符合以下幾個(gè)特征：①總移動距離最短，減少了鉆完井投資和鉆井難度增加幅度；②新場址海床地貌由四角不平無規(guī)律地貌變?yōu)殡A梯狀相對規(guī)則地貌；③考慮沙波運(yùn)移后形狀發(fā)生改變概率最低；④海床不平整可通過創(chuàng)新防沉板設(shè)計(jì)適應(yīng)。

注：線條為導(dǎo)管架最底層水平層結(jié)構(gòu)投影。

2.3 基于功能與環(huán)境需求的總體設(shè)計(jì)

對于深水導(dǎo)管架平臺，其上部模塊的功能需求與淺水導(dǎo)管架基本一致，主要由油田油品性質(zhì)等因素決定，但深水導(dǎo)管架對上部重量控制要求更高，且深水導(dǎo)管架可經(jīng)濟(jì)容納井槽數(shù)量與淺水導(dǎo)管架有著較大區(qū)別。

針對流花11-1DPP深水導(dǎo)管架做了上部模塊質(zhì)量變化敏感性分析(表4)，可以看出，上部模塊自重增減對導(dǎo)管架上部結(jié)構(gòu)UC值有較大影響，但對深水導(dǎo)管架的動力特性、環(huán)境力、樁頭力等關(guān)鍵指標(biāo)影響較小。主要原因是導(dǎo)管架在位工況下考慮桿件內(nèi)充水質(zhì)量及其考慮動力特性后的附連水質(zhì)量后，總在位質(zhì)量超100 000 t，因此上部質(zhì)量的變化對于整體動力特性影響較小。但上部模塊質(zhì)量對導(dǎo)管架上部20%高度處結(jié)構(gòu)的UC值貢獻(xiàn)可達(dá)50%～65%。

表4 流花11-1DPP導(dǎo)管架不同上部質(zhì)量下的結(jié)構(gòu)指標(biāo)

通過陸豐15-1DPP、流花11-1 DPP、陸豐12-3 DPP等深水導(dǎo)管架的設(shè)計(jì)，目前基本形成了不同海域不同水深條件下相對標(biāo)準(zhǔn)化的深水導(dǎo)管架上部模塊方案與井槽數(shù)量配置方案(表5)。對于深水導(dǎo)管架平臺，基本原則為上部模塊設(shè)置生活樓、鉆機(jī)、油氣水處理設(shè)施等，分東西兩塊吊裝，工作點(diǎn)尺度東西方向42 m，南北方向18～20 m，井槽數(shù)量16～24個(gè)。由于水深導(dǎo)致的隔水導(dǎo)管內(nèi)油管穩(wěn)定性問題，暫無法采用單筒雙井。

表5 不同水深油田井槽數(shù)量配置

深水導(dǎo)管架的設(shè)計(jì)應(yīng)在系統(tǒng)分析并確定上部模塊功能、尺度、質(zhì)量等信息后，綜合環(huán)境條件、工程場址等環(huán)境信息開展總體設(shè)計(jì)，同時(shí)最重要的是要結(jié)合國內(nèi)建造和安裝資源施工能力。主要總體設(shè)計(jì)內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)框架與主尺度規(guī)劃、構(gòu)件尺度規(guī)劃、結(jié)構(gòu)材料選擇、設(shè)計(jì)原則確定、結(jié)構(gòu)在位設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)施工設(shè)計(jì)、樁基礎(chǔ)方案設(shè)計(jì)等。

通過流花11-1DPP導(dǎo)管架在極端工況下的受力情況(表6)，可以看出，最終優(yōu)化設(shè)計(jì)后的極端工況下的水平方向基底剪力可達(dá)133 122 kN，彎矩可達(dá)35 000 MN·m。流花11-1DPP導(dǎo)管架基底剪力約為南海常規(guī)百米水深導(dǎo)管架的2倍。因南海惡劣環(huán)境條件所導(dǎo)致的如此巨大的受力，對總體方案規(guī)劃與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了巨大挑戰(zhàn)。

表6 流花11-1DPP導(dǎo)管架極端工況下所受到的基底剪力和彎矩

對于深水導(dǎo)管架框架與主尺度規(guī)劃首要解決的問題是確定采取4腿方案還是8腿方案。以荔灣3-1CEP(中心平臺)導(dǎo)管架用鋼量分析，超200 m水深的8腿導(dǎo)管架的重量將快速突破“HYSY229”船的下水能力。因此，經(jīng)系統(tǒng)研究確定的流花11-1DPP導(dǎo)管架4腿方案是國內(nèi)資源可施工的綜合最優(yōu)之選。確定結(jié)構(gòu)框架模式后，需開展尺度規(guī)劃、斜率規(guī)劃、下水桁架等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)形式規(guī)劃、隔水導(dǎo)管支撐形式規(guī)劃等。最后選擇合適的材料等級，開展有限元建模計(jì)算分析，完成靜力設(shè)計(jì)、波浪動力設(shè)計(jì)、疲勞設(shè)計(jì)、安裝設(shè)計(jì)、附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

深水導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)選材重點(diǎn)考察材料的強(qiáng)度與剛度匹配，以及良好的可焊性與斷裂韌性要求?；诖嗽瓌t，3座深水導(dǎo)管架中陸豐15-1DPP導(dǎo)管架與陸豐12-3DPP導(dǎo)管架選擇使用常規(guī)DH36級別高強(qiáng)鋼。水深最深的流花11-1DPP導(dǎo)管架，基于結(jié)構(gòu)規(guī)劃、受力分析與國內(nèi)資源能力等綜合因素，選用強(qiáng)度等級更高的屈服強(qiáng)度超過420 MPa的高強(qiáng)度海洋工程用鋼，以解決施工資源能力臨界問題并應(yīng)對更為惡劣的環(huán)境條件。通過廣泛的國內(nèi)鋼廠能力調(diào)研、系統(tǒng)的材料標(biāo)準(zhǔn)分析、各鋼廠樣板試驗(yàn)驗(yàn)證等手段，最終使用了超20 000 t國產(chǎn)化420 MPa高強(qiáng)度海洋工程用鋼。通過合理的結(jié)構(gòu)規(guī)劃與設(shè)計(jì)及420 MPa高強(qiáng)鋼的應(yīng)用，使得流花11-1DPP導(dǎo)管架的材料利用率大幅提升，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，大幅降低導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)用鋼量和安裝重量。最終下水總質(zhì)量控制在37 000 t，滿足改造后“HYSY229”船的施工能力。

2.4 基于國內(nèi)資源的量體裁衣施工設(shè)計(jì)

深水導(dǎo)管架各項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)主要取決于油田開發(fā)功能需求與國內(nèi)已有資源能力，超出國內(nèi)資源能力的設(shè)計(jì)方案勢必須鎖定國際唯一資源，將大幅提升整個(gè)油田開發(fā)項(xiàng)目的工程投資，并存在工期無法鎖定的風(fēng)險(xiǎn)。因此，深入摸底國內(nèi)資源能力，開展量體裁衣的設(shè)計(jì)，是中國油氣資源開發(fā)的必由之路。

導(dǎo)管架平臺上部組塊安裝分為吊裝和浮托2種方式。相比吊裝安裝方案，浮托安裝方案因上部組塊可以在陸地開展預(yù)調(diào)試，具有效率高、調(diào)試時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，有助于油田的提前投產(chǎn)。但浮托方案需設(shè)置42～48 m進(jìn)船槽口，導(dǎo)致組塊和導(dǎo)管架水面處的尺度大幅增加，進(jìn)而增加結(jié)構(gòu)用鋼量。對于淺水導(dǎo)管架，使用浮托方案相對吊裝方案施工效率的提升，可以覆蓋用鋼量的增加帶來的投資上漲。但對于工作水深超300 m的深水導(dǎo)管架，使用浮托方案相比吊裝方案將帶來用鋼量、投資、資源能力需求的大幅提高?；谀壳皣鴥?nèi)資源情況，對于工作水深超過250 m的導(dǎo)管架，采用組塊吊裝安裝方案的技術(shù)難度和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于浮托安裝方案。因此，3座深水導(dǎo)管架上部組塊全部采用吊裝安裝。

導(dǎo)管架本體安裝，以流花11-1DPP導(dǎo)管架為例，導(dǎo)管架設(shè)計(jì)工作水深為324.4 m，為適應(yīng)南海的惡劣環(huán)境條件并支撐19 200 t的上部生產(chǎn)設(shè)施，結(jié)構(gòu)用鋼量超過34 000 t，施工質(zhì)量約為37 000 t，接近中國各類自有資源的能力極限(表7)。

表7 流花11-1DPP導(dǎo)管架相關(guān)信息與資源限制條件

流花11-1DPP導(dǎo)管架本體幾乎是目前國內(nèi)建造并移動過的最大型固定式結(jié)構(gòu)。導(dǎo)管架本體總高度約340 m，必須采用臥式建造方法，遠(yuǎn)大于“HYSY229”船總長的215 m，導(dǎo)致建造工況下，導(dǎo)管架懸出滑道；拖航工況下導(dǎo)管架兩端均懸出駁船以外。需合理設(shè)計(jì)兩端懸挑長度，改善其對場地滑道與拖航駁船的承載力要求。導(dǎo)管架頂端懸出船尾搖臂銷軸處約90 m，搖臂銷軸以外的懸挑部分受導(dǎo)管架壓力作用，對船尾銷軸下的船體造成應(yīng)力集中，駁船該部位強(qiáng)度嚴(yán)重不足且難以通過改造滿足強(qiáng)度需求。結(jié)合建造與裝船需求，通過在導(dǎo)管架-65 m水平層對應(yīng)下水腿處增加臨時(shí)支撐的方案，即通過連續(xù)下水滑撐+臨時(shí)支撐的方案，解決了建造場地滑道承載能力、裝船導(dǎo)管架強(qiáng)度與拖航船體強(qiáng)度的多重因素制約，達(dá)到了既改善建造場地滑道受力又改善裝船導(dǎo)管架受力的目的。

2.5 導(dǎo)管架安全保障設(shè)計(jì)

通過對比300 m水深級別導(dǎo)管架與 200 m水深級別導(dǎo)管架的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)隨著導(dǎo)管架工作水深的增大，通過設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷革新，結(jié)構(gòu)利用率在不斷提升，平臺的固有周期、最大位移也在增大，導(dǎo)管架將表現(xiàn)出更強(qiáng)的疲勞敏感性。

對于流花11-1DPP導(dǎo)管架、陸豐15-1DPP導(dǎo)管架及陸豐12-3導(dǎo)管架這3座單座投資超20億元人民幣的重要油氣生產(chǎn)裝備，除了開展針對性的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)提升疲勞安全系數(shù)等設(shè)計(jì)措施外，有必要開展極限承載能力分析。使用百年一遇環(huán)境條件逐步放大對導(dǎo)管架進(jìn)行倒塌分析，考慮鋼樁情況儲備安全系數(shù)可達(dá)1.98，不考慮鋼樁情況下儲備安全系數(shù)可達(dá)2.21，即近2倍于百年一遇極端環(huán)境條件所產(chǎn)生的環(huán)境力才可能導(dǎo)致平臺倒塌，倒塌所需的傾覆力大于245 000 kN，大于千年一遇環(huán)境條件。因此，深水導(dǎo)管架平臺作為一種經(jīng)濟(jì)高效的油氣開發(fā)裝備是安全可靠的。

除了縝密的設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的材料要求外，300 m級深水導(dǎo)管架對于建造、安裝、生產(chǎn)作業(yè)階段也提出了全新挑戰(zhàn)。為此，流花11-1DPP導(dǎo)管架增設(shè)了導(dǎo)管架外加電流保護(hù)(ICCP)系統(tǒng)，對導(dǎo)管架腐蝕保護(hù)由“被動”變“主動”。流花11-1DPP與陸豐15-1DPP導(dǎo)管架均設(shè)有環(huán)境及結(jié)構(gòu)綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)服役期間的安全監(jiān)測。

3 結(jié)論及建議

3座300 m級深水導(dǎo)管架的成功設(shè)計(jì)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了中國深水導(dǎo)管架由水深從200 m向300 m的跨越。基于此建立的深水導(dǎo)管架技術(shù)對中國海油深水油氣開發(fā)具有重要戰(zhàn)略意義，改變了以往單純水下開發(fā)的高投入模式，可以通過延長導(dǎo)管架壽命和更多地調(diào)整井預(yù)留空間，提高油田采收率，延長油田開采壽命。為進(jìn)一步提升深水導(dǎo)管架的工程技術(shù)能力，建議如下：

1) 深水導(dǎo)管架設(shè)計(jì)。要不斷提升環(huán)境條件、巖土工程、結(jié)構(gòu)工程一體化設(shè)計(jì)技術(shù)能力，強(qiáng)化超固結(jié)土承載力、大尺度結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、大型復(fù)雜節(jié)點(diǎn)承載能力等基礎(chǔ)理論研究，逐步提高國內(nèi)深水導(dǎo)管架平臺設(shè)計(jì)技術(shù)能力。

2) 國產(chǎn)420 MPa海洋工程高強(qiáng)鋼應(yīng)用。應(yīng)總結(jié)國產(chǎn)高強(qiáng)鋼在流花11-1DPP導(dǎo)管架設(shè)計(jì)和建造應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，建立420 MPa級海洋工程用高強(qiáng)鋼厚板工程應(yīng)用自主可控技術(shù)體系，制定符合國情、科學(xué)合理的技術(shù)指標(biāo)要求，進(jìn)一步帶動中國鋼鐵產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

3) 標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)。海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)長期以來以API標(biāo)準(zhǔn)體系開展設(shè)計(jì)，隨著中國導(dǎo)管架平臺應(yīng)用水深的不斷拓展，有必要開展獨(dú)立自主的基礎(chǔ)理論研究與標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)。在總結(jié)3座300 m級深水導(dǎo)管架設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡早建立適用于中國海域的深水導(dǎo)管架設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系，為深水導(dǎo)管架設(shè)計(jì)提供依據(jù)和技術(shù)保障。

4) 工程技術(shù)體系建設(shè)與推廣。盡快建立健全中國深水導(dǎo)管架工程技術(shù)體系，補(bǔ)齊材料、建造、安裝資源短板。健全體系后，結(jié)合南海勘探開發(fā)形勢，將300 m級深水導(dǎo)管架這一經(jīng)濟(jì)高效開發(fā)裝備在中國南海陸坡其他油田區(qū)塊推廣應(yīng)用，將對中國海洋油氣資源開發(fā)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。