三立柱大型半潛式生產(chǎn)儲卸油平臺設(shè)計

李 強(qiáng)， 王 晉， 朱為全， 謝 毅， 何艷飛， 許 鑫

(北京高泰深海技術(shù)有限公司， 北京 102209)

0 引 言

深水浮式生產(chǎn)平臺是深水油氣田開發(fā)的主體設(shè)施，作為典型的浮式平臺之一，半潛式平臺已有50多年的發(fā)展歷程，在海洋油氣開發(fā)中有著廣泛的應(yīng)用，目前全球已有40余座半潛式生產(chǎn)平臺在深水開發(fā)中服役[1]。半潛式生產(chǎn)平臺的技術(shù)發(fā)展趨勢已從傳統(tǒng)的單一功能向多功能集成，如“鉆井+生產(chǎn)”“生產(chǎn)+儲油”“鉆井+生產(chǎn)+儲油”，從而降低深水油氣田的開發(fā)成本。

三立柱半潛式平臺具有良好的運(yùn)動性能，提供多功能深水生產(chǎn)作業(yè)能力，其經(jīng)濟(jì)性是半潛式平臺中最為優(yōu)化的。目前，三立柱半潛式船型在國際上被公認(rèn)為經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)的半潛式平臺型式，其優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性已在排水量小于10 000 t的半潛式風(fēng)電平臺、排水量為20 000 t的三立柱可移動鉆井平臺和排水量為30 000 t的輕型半潛式生產(chǎn)平臺研究中得到驗(yàn)證。本文內(nèi)容基于北京高泰深海技術(shù)有限公司具有自主知識產(chǎn)權(quán)的500 m中深水三立柱輕型半潛式生產(chǎn)平臺船型[2]，以設(shè)計水深為1 500 m、排水量大于70 000 t、上部設(shè)施質(zhì)量為20 000 t、儲油能力為20 000 m3的大型深水半潛式生產(chǎn)平臺為目標(biāo)，進(jìn)行平臺的總體性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計分析以及關(guān)鍵技術(shù)研究，提出基于油水置換原理的半潛式生產(chǎn)平臺高效儲油技術(shù)方案，設(shè)計一種較之傳統(tǒng)四立柱大型半潛式生產(chǎn)平臺具有總體性能更優(yōu)越、用鋼量少、成本較低、易于建造、便于海上安裝、建造周期短的新型半潛式生產(chǎn)平臺結(jié)構(gòu)型式，對中國南海深水油氣田高效低成本開發(fā)提供新技術(shù)，新型半潛式生產(chǎn)儲卸油平臺將具有更廣闊的市場前景。

1 平臺概況

三立柱大型半潛式生產(chǎn)儲卸油平臺針對我國南海典型深水油氣田，以潛在深水邊際油氣田開發(fā)項(xiàng)目為依托，結(jié)合陵水17-2深水油氣田開發(fā)工程項(xiàng)目，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化研究，并應(yīng)用基于油水置換原理的高效儲油技術(shù)方案。該平臺主要包括3個立柱、3個浮箱、1套平臺定位系泊系統(tǒng)和平臺上部設(shè)施，總體布置如圖1所示。

圖1 三立柱大型半潛式生產(chǎn)儲卸油平臺三維模型

三立柱大型半潛式生產(chǎn)儲卸油平臺主要參數(shù)如表1所示。

表1 三立柱大型半潛式生產(chǎn)儲卸油平臺主要參數(shù)

2 設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)

2.1 總體設(shè)計及性能優(yōu)化

對三立柱大型半潛式生產(chǎn)儲卸油平臺總體設(shè)計方案進(jìn)行研究，推出適合于中國南海環(huán)境條件的三立柱半潛式生產(chǎn)平臺船型，使其穩(wěn)性更優(yōu)越、運(yùn)動性能更優(yōu)化。對浮箱、立柱及平臺尺度與組合形式展開優(yōu)化研究，使作用于浮箱、立柱的波浪力相互抵消，從而實(shí)現(xiàn)垂蕩運(yùn)動最小化。對平臺總體運(yùn)動性能進(jìn)行優(yōu)化，使其更適合南海深水油氣田的開發(fā)模式，對鋼懸鏈線立管(Steel Catenary Riser，SCR)更友好[3]。

在進(jìn)行總體運(yùn)動性能分析時，應(yīng)用先進(jìn)的水動力理論對平臺的水動力性能和運(yùn)動性能進(jìn)行系統(tǒng)研究(見圖2)，包括隨機(jī)波浪下的總體運(yùn)動響應(yīng)數(shù)值模擬計算、波浪氣隙分析、渦激運(yùn)動分析等[4]。確定其關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，結(jié)合水池模型試驗(yàn)(見圖3)對平臺選型和主尺度設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

圖2 水動力分析

圖3 水池試驗(yàn)

2.2 系泊定位系統(tǒng)設(shè)計分析

半潛式生產(chǎn)平臺一旦安裝就位，需要在位生產(chǎn)20～30 a，為了保證長期安全生產(chǎn)，其系泊系統(tǒng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及要求比半潛式鉆井平臺更高。同時，三立柱半潛式生產(chǎn)儲卸油平臺具有獨(dú)特的運(yùn)動性能，需要對平臺的系泊定位系統(tǒng)進(jìn)行分析研究(見圖4)，并選取最優(yōu)材料及方案概念，對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，最終掌握設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)，確定設(shè)計方案[5]。

圖4 系泊分析

2.3 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計及分析

應(yīng)用先進(jìn)的浮式平臺結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，結(jié)合經(jīng)典的板殼結(jié)構(gòu)力學(xué)理論對三立柱半潛式生產(chǎn)平臺進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)和局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析(見圖5)、并對結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)平臺柱殼、浮箱、總體尺寸結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計和平臺用鋼量的節(jié)省[6]。

圖5 總體強(qiáng)度分析

2.4 局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及疲勞分析

針對浮式平臺的板梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用局部模型有限元分析技術(shù)(見圖6)，掌握三立柱半潛式平臺總體強(qiáng)度分析至局部強(qiáng)度分析的平滑過渡方法，并借鑒國際知名海洋工程設(shè)計公司的經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用3級(整體、局部、細(xì)部)結(jié)構(gòu)模型分析方法進(jìn)行分析。

圖6 局部強(qiáng)度分析

浮式結(jié)構(gòu)主要為空間板梁結(jié)構(gòu)，連接節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)疲勞強(qiáng)度問題是無法避免的問題。不同結(jié)構(gòu)形式的平臺在波浪載荷的作用下發(fā)生疲勞損傷的位置及應(yīng)力幅值也各不相同。因此，在計算疲勞強(qiáng)度時需進(jìn)行大量分析工作。針對浮式平臺的板梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在完成整體結(jié)構(gòu)疲勞分析的基礎(chǔ)上，利用局部模型有限元技術(shù)，對關(guān)鍵局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行譜疲勞分析較好的單元網(wǎng)格進(jìn)行有限元分析，從而得到較準(zhǔn)確的關(guān)鍵區(qū)域結(jié)構(gòu)疲勞壽命[7]。通過疲勞分析實(shí)現(xiàn)三立柱半潛式生產(chǎn)儲卸油平臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2.5 運(yùn)輸安裝分析

海上運(yùn)輸和安裝是平臺設(shè)計階段需要考慮的幾個重要工程階段之一，針對國內(nèi)現(xiàn)有的深水浮式平臺運(yùn)輸安裝裝備，對三立柱大型半潛式生產(chǎn)儲卸油平臺運(yùn)輸安裝方案進(jìn)行可行性分析研究。在本項(xiàng)目中，該平臺計劃從青島建造場地運(yùn)輸至南海深水油氣田，分別考慮以干拖和濕拖方式運(yùn)輸平臺。

同時為保證浮式平臺在特殊工況階段的強(qiáng)度要求，對安裝的各個階段進(jìn)行浮體穩(wěn)性計算和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核。利用海洋工程通用軟件進(jìn)行建模、靜水力計算、水動力計算、結(jié)構(gòu)計算等。運(yùn)輸安裝分析如圖7所示。

圖7 運(yùn)輸安裝分析

3 創(chuàng)新性關(guān)鍵技術(shù)

3.1 簡潔獨(dú)特的三立柱平臺浮體型式

采用簡潔獨(dú)特的三立柱平臺浮體型式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的四立柱浮體，在結(jié)構(gòu)的總縱強(qiáng)度方面具有顯著的優(yōu)勢；由于結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)少，因此經(jīng)濟(jì)性顯著優(yōu)于傳統(tǒng)半潛式生產(chǎn)平臺；3組高效率的系泊定位系統(tǒng)布置，在同等條件下，使平臺的有效載荷比明顯提高；總的成本降低，明顯增強(qiáng)半潛式生產(chǎn)平臺的經(jīng)濟(jì)性：上述優(yōu)勢都可為南海深水油氣田的開發(fā)節(jié)省大量成本。在上部組塊質(zhì)量同為20 000 t的情況下，三立柱與作為參照的陵水四立柱平臺的排水量和質(zhì)量對比如表2所示，EPCI(Engineering工程，Procurement采辦，Construction建造，Installation安裝)成本節(jié)省情況如表3所示。

表2 三立柱與陵水四立柱平臺的排水量和質(zhì)量對比

表3 三立柱與陵水四立柱平臺EPCI成本節(jié)省情況

該半潛式平臺具有良好的穩(wěn)定性和運(yùn)動性能(見表4)，作為生產(chǎn)平臺，平臺采用柔性立管與海底水下井口、生產(chǎn)系統(tǒng)連接,適用于深水海域,可以在中國南海等惡劣的海洋環(huán)境條件下進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)。

表4 三立柱與陵水四立柱平臺總體運(yùn)動分析對比

3.2 大跨度三角形雙層輕型桁架式甲板結(jié)構(gòu)

采用雙層輕型桁架式結(jié)構(gòu)可以有效地提高甲板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，與傳統(tǒng)箱型結(jié)構(gòu)相比，三立柱浮式平臺能夠在滿足整體強(qiáng)度要求的前提下，最大程度地減輕甲板結(jié)構(gòu)重量，并具備很好的空間優(yōu)勢[8]。

上部甲板采用大跨度的結(jié)構(gòu)形式(見圖8)，充分利用浮體立柱自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較大的優(yōu)勢，把主要設(shè)備布置在立柱上方，以及立柱與立柱撐桿形成的強(qiáng)框架之間(見圖9)，形式新穎，設(shè)計合理，從而提高甲板的利用率，并兼顧上部設(shè)備的布置，可顯著提高甲板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。在滿足生產(chǎn)需要的前提下，有效地解決三立柱平臺由立柱間距大造成的甲板設(shè)計困難的問題，把大跨度中間結(jié)構(gòu)部分的重量降至最低，從而降低三立柱平臺的材料與建造成本，與傳統(tǒng)四立柱平臺相比具有明顯的經(jīng)濟(jì)性[9]。

圖8 上部組塊桁架結(jié)構(gòu)

圖9 上部組塊布置

所提到的三立柱半潛式生產(chǎn)儲卸油平臺與傳統(tǒng)矩形或方形甲板上部組塊相比，結(jié)構(gòu)合理，充分利用三角形的穩(wěn)定性，可有效抵抗波浪對浮式平臺造成的扭轉(zhuǎn)、拉壓和彎曲變形，從而在甲板的用鋼量和建造成本上具有優(yōu)勢。

3.3 油水置換儲卸油技術(shù)

在半潛式儲卸油平臺上采用油水置換技術(shù)是本項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)，這會顯著減小平臺的尺度，降低平臺結(jié)構(gòu)重量，從而大幅節(jié)省平臺的總成本。目前，油水置換技術(shù)己廣泛應(yīng)用于國外近30座海洋結(jié)構(gòu)物。該技術(shù)已有約50 a的成功應(yīng)用，不僅可降低開發(fā)總成本，而且不會對環(huán)境造成負(fù)面影響。

油水置換儲油是基于油水互不相容且密度不同的原理。當(dāng)進(jìn)行儲油時，原油從儲油艙的頂部注入儲油艙，原油會擠出相同體積的海水，并漂浮在水上；當(dāng)從儲油艙卸油時，原油從儲油艙的艙頂抽出，海水又再次填補(bǔ)原油的空間，在儲卸油的過程中儲油艙都充滿液體。油水置換儲卸油技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括：儲油艙內(nèi)部與外部海水連通從而結(jié)構(gòu)承受載荷較小；儲油艙始終充滿液體從而僅需較小的壓載量；儲油艙位于海平面以下從而受風(fēng)、浪、流和冰等外部環(huán)境的影響較小；儲油成本低；儲油艙內(nèi)無氣體，安全性高[10]。圖10為儲油艙布置示例。圖11為儲油艙裝載狀態(tài)。

圖10 儲油艙布置示例

圖11 儲油艙裝載狀態(tài)

4 結(jié) 論

南海深水油氣田開發(fā)需要新型浮式生產(chǎn)平臺，三立柱大型半潛式生產(chǎn)儲卸油平臺是一種較為領(lǐng)先的新船型。開發(fā)該平臺已形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，可滿足市場和技術(shù)要求，并能夠顯著降低深水油氣田開發(fā)成本。

采用自主研發(fā)的三立柱半潛式生產(chǎn)儲卸油平臺新船型和油水置換高效儲油技術(shù)，比現(xiàn)有四立柱半潛式生產(chǎn)平臺船型采用傳統(tǒng)儲油技術(shù)，具有幾何形狀簡單、建造方便、便于安裝、成本低等優(yōu)點(diǎn)，十分適合國產(chǎn)化。對新型半潛式生產(chǎn)平臺的開發(fā)有助于提高中國深水浮式平臺自主設(shè)計、建造、安裝技術(shù)能力和國際市場競爭力，研究成果對今后我國南海深水及超深水油氣田開發(fā)具有重要意義。