東海邊際油氣田開發(fā)三腿導(dǎo)管架方案研究

孫友義,王朝陽,張暉,付殿福, 梁文洲

（中海油研究總院有限責(zé)任公司北京 100028）

1 引言

在我國東海海域存在大量邊際油氣田有待開發(fā)。這類邊際油氣田儲量規(guī)模小，通過常規(guī)開發(fā)模式無法開發(fā)。東海油氣田所處水深范圍為80m～110m，在該水深范圍，國內(nèi)油氣田開發(fā)使用的導(dǎo)管架均為四腿或四腿以上的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)[1]。導(dǎo)管架的工程投資在邊際油氣田開發(fā)中占有較大比例，降低導(dǎo)管架的投資費用對于邊際油氣田開發(fā)非常重要[2]。本文以東海某邊際油氣田為目標(biāo)，開展了三腿導(dǎo)管架方案研究，為東海邊際油氣田開發(fā)提供了一種經(jīng)濟有效的三腿導(dǎo)管架方案。

2 三腿導(dǎo)管架規(guī)劃設(shè)計

某典型邊際油氣田水深為87m，平臺采用無人化設(shè)計。上部組塊設(shè)置兩層甲板，上層甲板作為直升機甲板，設(shè)置有油氣計量設(shè)施、化學(xué)藥劑系統(tǒng)、開閉排系統(tǒng)以及電氣房間等少量設(shè)施，組塊操作重約1500噸。平臺設(shè)有6個井槽，使用鉆井船進行鉆修井作業(yè)。平臺工作點間距為15m×15m。

三腿導(dǎo)管架的規(guī)劃設(shè)計采用如下原則：

1）導(dǎo)管架上部采用直腿框架，以減少波浪作用區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)體型，進而減少波浪力。

2）導(dǎo)管架底部采用直腿框架，以便于裙樁套筒與主腿的焊接[3]。

3）導(dǎo)管架在鉆井船靠平臺一側(cè)（平臺西側(cè)）單斜，一方面增加鉆井船就位打井時樁靴與導(dǎo)管架裙樁之間的間距，另一方面便于依托該立面進行臥式建造、裝船、拖航設(shè)計。

4）導(dǎo)管架底盤取等邊三角形，以便導(dǎo)管架荷載能夠較為均勻的傳遞至各裙樁。

三腿導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)模型見圖1。導(dǎo)管架設(shè)置6個水平層和6根水下裙樁，在泥面處，導(dǎo)管架3根主腿之間間距為30m。

圖1 三腿導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)模型示意圖

3 三腿導(dǎo)管架在位性能研究

使用海工結(jié)構(gòu)分析軟件SACS進行導(dǎo)管架的建模與計算分析，建立了包含組塊、導(dǎo)管架與樁基在內(nèi)的平臺結(jié)構(gòu)模型。依據(jù)APIRP 2A[4]規(guī)范進行導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)分析。導(dǎo)管架在位分析考慮操作環(huán)境條件與極端環(huán)境條件。對于極端環(huán)境條件，基本容許應(yīng)力放大為1.33倍。

導(dǎo)管架在位性能關(guān)鍵參數(shù)分析結(jié)果見表1。

表1 導(dǎo)管架在位性能關(guān)鍵參數(shù)分析結(jié)果

如表1所示，導(dǎo)管架桿件最大UC值為0.95，滿足規(guī)范設(shè)計要求。導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)強度可以承受上部組塊荷載與環(huán)境荷載作用。

平臺總高度為113m，操作工況下，最大水平位移為22.5cm，小于平臺高度的1/200；極端工況下，最大水平位移為59.5cm，小于平臺高度的1/150。平臺最大水平位移滿足設(shè)計要求。

平臺1階自振周期，操作工況下為2.39s，極端工況下為2.44s。平臺自振周期處于合理范圍。

綜上分析，三腿導(dǎo)管架方案具有良好的在位性能。

4 三腿導(dǎo)管架樁基性能研究

考慮三腿導(dǎo)管架方案設(shè)置6根水下裙樁，基于在位分析結(jié)果，導(dǎo)管架最大樁頭力為30.02MN。根據(jù)該油氣田平臺場址樁基承載力曲線，選擇裙樁樁徑為2134mm，選擇裙樁入泥深度為78m，樁基承載力為60MN。泥面以下單樁重量約3MN?？紤]裙樁效應(yīng)系數(shù)為0.94，樁基承載力安全系數(shù)為1.708＞1.5，滿足規(guī)范設(shè)計要求。

東海海域的環(huán)境條件差異不大，但不同位置處的土壤承載力差異顯著。為研究三腿導(dǎo)管架方案在東海全海域的樁基適應(yīng)性，除目標(biāo)平臺場址外，補充選擇了其它9個平臺場址土壤進行樁基適應(yīng)性研究。

對于2134mm樁徑、承載力60MN，包括目標(biāo)平臺場址在內(nèi)的10個平臺場址的樁基入泥深度分析結(jié)果見表2。從表2可以看出，最大樁基入泥深度為93.5m，最小樁基入泥深度為72.6m，對于導(dǎo)管架樁基設(shè)計而言，均處于合理的入泥深度范圍。分析表明，三腿六裙樁導(dǎo)管架的樁基性能可以適應(yīng)東海海域土壤條件。

表2 對應(yīng)不同平臺場址的樁基入泥深度

5 三腿導(dǎo)管架安裝方案研究

三腿導(dǎo)管架的海上安裝相比四腿導(dǎo)管架存在設(shè)計難度。小型的四腿導(dǎo)管架通常采用四點平吊入水的方式，導(dǎo)管架入水后姿態(tài)比較平穩(wěn)。而三腿導(dǎo)管架平吊入水后將發(fā)生翻轉(zhuǎn)，直至某一側(cè)面朝上達到穩(wěn)態(tài)為止。導(dǎo)管架入水后的姿態(tài)控制是需要關(guān)注的焦點。

為解決上述問題，提出兩點平吊的海上吊裝方案。導(dǎo)管架臥式建造、裝船，導(dǎo)管架單斜的一側(cè)臥在建造場地或駁船上。在臥式狀態(tài)下，兩根單斜的主腿位于下部，另一根主腿位于上部，兩個吊點設(shè)置在位于上部的主腿上；在導(dǎo)管架小頭端，沿上部主腿和下部一根主腿設(shè)置兩個浮筒。通過浮吊將導(dǎo)管架自駁船上吊起并下放至海水中，導(dǎo)管架吊裝入水后，吊裝鎖具處于松弛狀態(tài)，導(dǎo)管架在浮力作用下發(fā)生翻轉(zhuǎn)，在浮筒的作用下，導(dǎo)管架最終翻轉(zhuǎn)至設(shè)有兩個浮筒的一側(cè)向上；同時，在導(dǎo)管架翻轉(zhuǎn)過程中，兩根鎖具位于導(dǎo)管架一側(cè)，不會發(fā)生纏繞導(dǎo)管架的情況從而影響卸扣脫扣。此后的扶正坐底過程與四腿導(dǎo)管架相似，解除吊裝鎖具，在導(dǎo)管架小頭端掛扶正鎖具，對導(dǎo)管架注水扶正，導(dǎo)管架坐底后打入裙樁。

6 與四腿導(dǎo)管架方案對比分析

四腿導(dǎo)管架設(shè)置8根裙樁，工作點尺寸為12m×11m，底盤尺寸為30m×31m。極端工況下，最大環(huán)境力為31.31MN，最大樁頭力為23.32MN。

極端工況下，四腿導(dǎo)管架最大環(huán)境力比三腿導(dǎo)管架增大約了32.4%；但因裙樁數(shù)量增加，且矩形裙樁布置相比三角形裙樁布置抵抗各個方向的環(huán)境力更有效，四腿導(dǎo)管架最大樁頭力比三腿導(dǎo)管架減小了約22.3%。對于四腿導(dǎo)管架方案，基于最大樁頭力分析結(jié)果，裙樁樁徑選取為1829mm，入泥深度取75m，樁基承載力安全系數(shù)約為1.7。

三腿導(dǎo)管架與四腿導(dǎo)管架方案的工程量對比見表3。相比四腿導(dǎo)管架，三腿導(dǎo)管架鋼材重量減少了600噸，約減少了23.1%；樁基鋼材重量減少200噸；從施工方案看，可節(jié)省2根樁的打入時間。三腿導(dǎo)管架方案相比四腿導(dǎo)管架方案可顯著降低工程投資。

表3 三腿導(dǎo)管架與四腿導(dǎo)管架工程量對比

7 結(jié)論

本文以東海某邊際油氣田開發(fā)為目標(biāo)，開展了三腿導(dǎo)管架方案研究，完成了三腿導(dǎo)管架方案的規(guī)劃設(shè)計，通過在位性能、樁基性能與施工方案研究，論證了三腿導(dǎo)管架方案的技術(shù)可行性。從工程量對比結(jié)果看，三腿導(dǎo)管架方案相比常規(guī)四腿導(dǎo)管架具有明顯優(yōu)勢，可以顯著降低工程投資，對于推動?xùn)|海邊際油氣田開發(fā)具有重要意義。