渤海油田無人平臺(tái)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

吳景健

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津，300452）

我國(guó)是海洋大國(guó)，海洋油氣開發(fā)在我國(guó)能源戰(zhàn)略中具有極其重要的地位。渤海海域經(jīng)過50多年的開發(fā)建設(shè)，已經(jīng)形成了比較成熟的區(qū)域管網(wǎng)設(shè)施，開發(fā)了很多大中型油田，但仍有很多中小型油田，由于其儲(chǔ)量小、原油物性差、井位比較分散、環(huán)境條件惡劣等特點(diǎn)，成為邊際油田[1]。邊際油田儲(chǔ)量豐富[2]，如果能夠有效開發(fā)，能夠?yàn)椴澈Ｓ吞锓€(wěn)產(chǎn)3000萬噸、上產(chǎn)4000萬噸貢獻(xiàn)產(chǎn)能。

無人平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)立足于渤海邊際油田開發(fā)，本文在渤海海域眾多無人平臺(tái)研究成果的基礎(chǔ)上，梳理渤海無人平臺(tái)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)成果和良好實(shí)踐，整理分析渤海無人平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)和一般規(guī)律，為今后邊際油田開發(fā)提供可應(yīng)用成果，以加快渤海油田工程建設(shè)速度和提高油田開發(fā)效率，縮短設(shè)計(jì)、采辦及建造周期，降低開發(fā)成本[3]。

1研究思路

以渤海已建無人平臺(tái)為基礎(chǔ)，以盡可能滿足整個(gè)渤海邊際油田的開發(fā)需求為總的研究思路，結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，確定無人平臺(tái)結(jié)構(gòu)型式，選取環(huán)境條件、水深、樁徑、總體布置、井槽配置等關(guān)鍵參數(shù)，研究渤海無人平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行無人平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定無人平臺(tái)的使用條件，在滿足國(guó)家法律、法規(guī)要求和渤海海域現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)體系的前提下，確保設(shè)計(jì)成果具有廣泛的適用性，可重復(fù)使用。渤海油田無人平臺(tái)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的技術(shù)路線如下圖所示。

圖 1渤海無人平臺(tái)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化研究技術(shù)路線

2 無人平臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

統(tǒng)計(jì)分析渤?，F(xiàn)有無人平臺(tái)結(jié)構(gòu)型式，可以將渤海小型無人平臺(tái)分為三類，包括小型四腿平臺(tái)、一體化安裝平臺(tái)和筒形基礎(chǔ)平臺(tái)[4]，一體化安裝平臺(tái)又分為單柱三樁和三柱三樁簡(jiǎn)易井口平臺(tái)。

渤海使用筒形基礎(chǔ)型式的平臺(tái)結(jié)構(gòu)型式較為特殊，如JZ9-3WHPB平臺(tái)采用箱形梁結(jié)構(gòu)，CFD18-1WHP平臺(tái)采用三腿導(dǎo)管架+筒型基礎(chǔ)型式。筒形基礎(chǔ)對(duì)于水平向的承載能力需要格外關(guān)注[5]，尤其是對(duì)于渤海油田存在冰區(qū)和地震活動(dòng)帶的特殊情況，土壤存在液化風(fēng)險(xiǎn)，筒形基礎(chǔ)的使用更應(yīng)謹(jǐn)慎。因此在標(biāo)準(zhǔn)化研究中筒形基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)型式不作重點(diǎn)考慮。

2.1 適應(yīng)水深分析

根據(jù)渤海油田平臺(tái)處的水深統(tǒng)計(jì)情況，如下圖所示，水深范圍為6-32m不等，最小為歧口17-2東平臺(tái)位置處水深6.2m，水深范圍主要集中在15-33m之間，占比87.5%。通過以上統(tǒng)計(jì)分析，重點(diǎn)研究15-33米水深范圍內(nèi)的無人平臺(tái)。

標(biāo)準(zhǔn)化導(dǎo)管架適應(yīng)水深的范圍應(yīng)盡可能大，以減少標(biāo)準(zhǔn)化導(dǎo)管架的類別，同時(shí)第一水平層不能太低，以減小波浪拍擊并滿足登船和靠船的需求，水面以下第一水平層設(shè)置不能太高，避免進(jìn)入飛濺區(qū)。因此標(biāo)準(zhǔn)化導(dǎo)管架適應(yīng)水深的變化設(shè)計(jì)為通過上下移動(dòng)底水平層實(shí)現(xiàn)，其他水平層標(biāo)高保持不變。這種方案可以將水面以上導(dǎo)管架主結(jié)構(gòu)尺寸固化，且適應(yīng)水深的調(diào)節(jié)范圍大，大部分主結(jié)構(gòu)可以提前預(yù)制完成，更利于導(dǎo)管架標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)現(xiàn)。

圖2 渤海無人平臺(tái)水深范圍及適應(yīng)水深方案

2.2 水平層數(shù)分析

通過統(tǒng)計(jì)四腿無人平臺(tái)水平層數(shù)和水深的關(guān)系，可以看出，導(dǎo)管架的水平層數(shù)與水深大小有直接聯(lián)系，水深越大，水平層數(shù)越多，目前渤海導(dǎo)管架水平層數(shù)分為3層和4層。通過統(tǒng)計(jì)分析，本次設(shè)計(jì)以25m水深為分界，25m水深以下導(dǎo)管架設(shè)置3層水平層，25m水深以上導(dǎo)管架設(shè)置4層水平層。

圖3 渤海無人平臺(tái)水平層數(shù)與水深的關(guān)系

2.3 樁徑分析

對(duì)無人平臺(tái)樁徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以看出，對(duì)于小型無人井口平臺(tái)，樁基礎(chǔ)有36”，42”，48”三種，其中42”和48”樁徑平臺(tái)在以往項(xiàng)目中占比最大，且根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化組塊重控設(shè)計(jì)，小型四腿平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化組塊操作重量在900-1400t之間，與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中這兩種樁徑平臺(tái)最大操作重相當(dāng)。因此，小型無人平臺(tái)樁徑采用42”和48”進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖4 渤海無人平臺(tái)樁徑統(tǒng)計(jì)及樁徑與組塊操作重的關(guān)系

2.4 組塊分析

渤海無人平臺(tái)均為依托開發(fā)模式，工藝流程以全液外輸為主，上部組塊設(shè)備較少，不配置鉆/修井機(jī)，采用鋼絲/電纜投撈檢泵檢修或鉆井船完成修井工作，不配置生活樓。甲板面積跨度較大，從100-1400m2不等，可覆蓋井槽數(shù)為3-12個(gè)，如下圖所示。因此，根據(jù)開發(fā)方式和供電方式的不同，可將無人平臺(tái)組塊進(jìn)行分類，四腿無人平臺(tái)可配置6-12個(gè)井槽，工作點(diǎn)間距設(shè)為10X10m，單柱方案可配置3個(gè)井槽，三柱方案可配置4個(gè)井槽。

圖5 渤海無人平臺(tái)組塊甲板面積及井槽數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.5 一體化平臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

一體化平臺(tái)為簡(jiǎn)易井口平臺(tái)結(jié)構(gòu)型式，結(jié)構(gòu)示意圖如下所示。單柱和三柱的簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可節(jié)省鋼材用量，平臺(tái)均采用水下樁作為基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)鋼管樁一次性打入，省去海上接樁的環(huán)節(jié)，同時(shí)平臺(tái)可整體建造和安裝，因此可以極大縮短海上安裝時(shí)間。單柱方案的大直徑立柱具有良好的抗冰性能，可以起到保護(hù)隔水導(dǎo)管增加平臺(tái)安全的作用，適用于渤海冬季冰情較重的區(qū)域，另外可以通過加裝抗冰錐進(jìn)一步強(qiáng)化抗冰效果。三柱方案的極簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)可以極大降低結(jié)構(gòu)用鋼量，提高邊際油田開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性。

3 無人平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

3.1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

3.1.1 環(huán)境條件

圖6 一體化平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

無人平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需環(huán)境條件主要包括風(fēng)、波浪、海流、海冰、地震等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的輸入?yún)?shù)，結(jié)合《中國(guó)海海冰條件及應(yīng)用規(guī)定》[6]、《渤海海上油氣田水文氣象設(shè)計(jì)參數(shù)區(qū)劃及邊際油氣田環(huán)境條件參數(shù)選取推薦做法》[7]等相關(guān)規(guī)范和以往項(xiàng)目的環(huán)境參數(shù)，初步確定標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)設(shè)計(jì)所需的環(huán)境條件，如下表所示。

表1 渤海無人平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)風(fēng)、波、流參數(shù)

將100年重現(xiàn)期的冰厚大于等于65cm的區(qū)域定義為重冰區(qū)，將200年重現(xiàn)期的泥面處水平地震加速度大于等于0.1g的區(qū)域定義為強(qiáng)震區(qū)，對(duì)于重冰和強(qiáng)震區(qū)域，冰和地震往往是導(dǎo)管架的環(huán)境控制荷載[8]?？紤]到小型無人平臺(tái)的結(jié)構(gòu)剛度較低，因此不考慮平臺(tái)應(yīng)用于重冰區(qū)，一體化平臺(tái)為簡(jiǎn)易平臺(tái)設(shè)計(jì)，不考慮應(yīng)用于強(qiáng)震區(qū)，因此標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)海冰和地震參數(shù)如下表所示。通過一系列計(jì)算分析，最終確定小型無人平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)可使用的環(huán)境邊界條件。

表2 渤海無人平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)海冰參數(shù)

表3 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)地震參數(shù)

3.1.2 組塊重量重心

結(jié)合組塊分類和重控?cái)?shù)據(jù)，選擇組塊類別中操作重最大的組塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，最終確定的三種類型無人平臺(tái)的組塊重量重心數(shù)據(jù)如下表所示。

表4 渤海無人平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)組塊參數(shù)

3.2 設(shè)計(jì)原則

無人平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)要遵循結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范和準(zhǔn)則，并且與常規(guī)項(xiàng)目要求保持一致，同時(shí)還要考慮到標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)的適用性，主要的設(shè)計(jì)原則包括[9]：

1) 控制桿件規(guī)格，盡可能少，且飛濺區(qū)以上采用E36鋼材；

2) 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)單節(jié)點(diǎn)；

3) 每種平臺(tái)設(shè)計(jì)按各自適應(yīng)的水深范圍取最深、最淺水深進(jìn)行計(jì)算分析；

4) 平臺(tái)自重、環(huán)境荷載和設(shè)備設(shè)施荷載均考慮1.1的安全系數(shù)；

5) 四腿平臺(tái)導(dǎo)管架和組塊按照沿A/B軸上船，2軸先上船計(jì)算；單柱方案和三柱方案采用一體化吊裝裝船；

6) 需確保一體化平臺(tái)整體安裝的可實(shí)施性；7) 在方案可行的基礎(chǔ)上盡量增加使用效果明確的邊界條件。

3.3 設(shè)計(jì)工況

無人平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)工況包括在位和安裝兩類工況[10]，在位工況包括靜力工況、地震工況和疲勞工況，安裝工況包括裝船工況、拖航工況和吊裝工況。

靜力工況包括操作工況和極端工況，分別按照1年重現(xiàn)期和100年重現(xiàn)期環(huán)境條件進(jìn)行校核。地震工況包括強(qiáng)度水平和韌性水平地震計(jì)算，強(qiáng)度水平按照200年地震參數(shù)校核，韌性水平按照1000年地震參數(shù)校核。疲勞分析按照簡(jiǎn)化疲勞計(jì)算，設(shè)計(jì)疲勞壽命為52年。裝船工況包含拖拉力工況、±25mm強(qiáng)制位移工況和支點(diǎn)失效工況。拖航工況采用10°/20°法則計(jì)算慣性力。吊裝工況考慮起吊過程中動(dòng)力放大的影響，與吊點(diǎn)相連桿件動(dòng)力放大系數(shù)為2.0，其他桿件動(dòng)力放大系數(shù)為1.35。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)方案

4.1 四腿無人平臺(tái)方案

導(dǎo)管架2軸單斜（斜度10：1），1軸雙斜（斜度7.07：1），工作點(diǎn)間距為10X10m，工作點(diǎn)標(biāo)高為EL.(+)8.5m，導(dǎo)管架頂標(biāo)高為EL.(+)7.5m，根據(jù)不同水深設(shè)置不同的水平層?？稍O(shè)置6-12根隔水導(dǎo)管，配置1根電纜護(hù)管，3根立管（其中1根預(yù)留），2個(gè)靠船件、1個(gè)登船臺(tái)、以及走道、吊點(diǎn)、防沉板等附屬構(gòu)件。鋼樁直徑為1067mm/1219mm，其中1219mm樁徑主要用于強(qiáng)震區(qū)，

導(dǎo)管架可適應(yīng)水深15-33m，主結(jié)構(gòu)用鋼量介于230-470t之間，安裝重量介于524-858t之間，海上使用1700噸級(jí)浮吊安裝就位。

組塊共分為3個(gè)系列，井口區(qū)位于平臺(tái)東側(cè)，不配置鉆/修井機(jī)，不配置生活樓。實(shí)際甲板面積介于650-1045m2之間，主結(jié)構(gòu)用鋼量介于210-320t之間，安裝重量介于625-966t之間，海上使用1700噸級(jí)浮吊安裝就位。

4.2 單柱方案

單柱三樁為直腿結(jié)構(gòu)，有1根主腿，3根輔樁，主腿立柱直徑4m，三輔樁間距為20m，樁直徑為1067mm。平臺(tái)共配置3個(gè)井槽，隔水套管置于主腿之內(nèi)。平臺(tái)使用鉆井船完成鉆完井工作，無修井機(jī)，無生活樓。

單柱方案可適應(yīng)的水深范圍為13-17m，主結(jié)構(gòu)用鋼量介于610-631t之間，安裝重量介于1150-1173t之間，海上采用1700噸級(jí)浮吊整體安裝。

4.3 三柱方案

三柱方案主腿軸間距為3.5m，三輔樁間距約9m，鋼樁直徑為1067mm，可配置3-4個(gè)井槽，隔水套管置于主腿立柱之內(nèi)。平臺(tái)使用鉆井船完成鉆完井工作，無修井機(jī)，組塊無生活樓。

三柱方案可適應(yīng)的水深范圍為13.8-22.8m，主結(jié)構(gòu)用鋼量介于208-246t之間，安裝重量介于368-405t之間，海上采用1700噸級(jí)浮吊整體安裝。

4.4 校核計(jì)算結(jié)果

針對(duì)各個(gè)方案適應(yīng)水深范圍分別對(duì)最大和最小水深進(jìn)行建模計(jì)算，組塊按照系列中最大組塊操作重加載，隔水導(dǎo)管按照可覆蓋最大井槽數(shù)建模，計(jì)算模型如下圖所示。

圖7 渤海無人平臺(tái)計(jì)算模型圖

對(duì)無人平臺(tái)在位和安裝工況進(jìn)行校核，計(jì)算結(jié)果如下表所示，其中四腿平臺(tái)為25m水深計(jì)算結(jié)果，單柱方案為17m水深計(jì)算結(jié)果，三柱方案為22.8m水深計(jì)算結(jié)果。

表5 渤海無人平臺(tái)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果可以看出，四腿無人平臺(tái)方案控制工況為在位工況，所有桿件強(qiáng)度可滿足規(guī)范要求，所有節(jié)點(diǎn)可滿足規(guī)范要求，可適用環(huán)境邊界條件為上述環(huán)境條件。單柱方案和三柱方案無人平臺(tái)控制工況為安裝工況，桿件強(qiáng)度可以滿足規(guī)范要求，部分節(jié)點(diǎn)UC大于1，需進(jìn)行加強(qiáng)環(huán)處理，處理后可滿足規(guī)范要求，可適用環(huán)境邊界條件為上述非強(qiáng)震區(qū)的環(huán)境條件。

5 結(jié)論及應(yīng)用

在對(duì)渤?，F(xiàn)有無人平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的總結(jié)和分析的基礎(chǔ)上，歸納特點(diǎn)研究趨勢(shì)，結(jié)合不同的環(huán)境數(shù)據(jù)和井槽數(shù)量，進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化系列化分類，并對(duì)渤海典型無人平臺(tái)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，確定了能夠適應(yīng)渤海油田開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化無人平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，主要結(jié)論包括：

1）渤海無人平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化分為三種類型，分別為小型四腿井口平臺(tái)、單柱三樁和三柱三樁井口平臺(tái)。

2）四腿無人平臺(tái)可適用水深15-33m，根據(jù)不同水深設(shè)置3層或4層水平層，樁徑可采用1067mm或1219mm，適用于非重冰區(qū)，可適用于強(qiáng)震區(qū)，導(dǎo)管架主結(jié)構(gòu)用鋼量介于230-470t之間，組塊主結(jié)構(gòu)用鋼量介于210-320t之間。

3）一體化安裝平臺(tái)適用于非重冰區(qū)和非強(qiáng)震區(qū)，單柱方案適用水深范圍13-17m，主結(jié)構(gòu)用鋼量介于610-631t之間，三柱方案適用水深13.8-22.8m，主結(jié)構(gòu)用鋼量介于208-246t之間，海上施工可實(shí)現(xiàn)一體化安裝，節(jié)省海上工期；

4）實(shí)際應(yīng)用過程中，需對(duì)比實(shí)際項(xiàng)目基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)化無人平臺(tái)的可適用范圍，根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目的環(huán)境數(shù)據(jù)、水深、組塊重量重心等，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化成果應(yīng)用的匹配性分析。由于渤海地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，不同區(qū)域差異大，實(shí)際項(xiàng)目確定后，還需根據(jù)給定的地質(zhì)條件，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化無人平臺(tái)樁基進(jìn)行復(fù)核。無人平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)為未來新建項(xiàng)目提供了可應(yīng)用成果，可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)快速選型，簡(jiǎn)化方案設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，具有廣泛的應(yīng)用前景。