百米水深簡易平臺

譚 越

（中海石油研究中心，北京 100027）

百米水深簡易平臺

譚 越

（中海石油研究中心，北京 100027）

簡易平臺對海上邊際油田開發的經濟效益舉足輕重，目前國內簡易平臺的應用和研究仍局限在40 m水深的范圍，100 m左右水深簡易平臺的研究較少。文章從設計思路、結構型式和安裝方式等角度介紹了國際上適用于百米水深的幾種不同類型的簡易平臺。對是否可以照搬墨西哥灣和北海的簡易平臺結構用于我國的邊際油田開發進行了探討，對我國研發此類簡易平臺的方向提出了建議。

邊際油田；開發；簡易平臺

0 引言

海上邊際油田開發，節省工程投資是很重要的環節，基于過去項目的統計，在一個油田開發典型基礎設施的投資中平臺約占30%，這表明平臺結構型式對經濟效益舉足輕重。在過去的30年中，簡易平臺技術得到快速發展，已經在墨西哥灣、北海這種條件惡劣的海域中取得了成功的應用。世界上一些大的石油公司和工程公司都在研制簡易平臺。

近年來，中海油通過使用海上簡易平臺技術，降低工程投資，提高經濟效益，相繼有效地開發了一些邊際油田，取得了良好的經濟效益。但由表1可以看出，目前國內簡易平臺主要應用于渤海和潿洲海域，作業水深局限在40 m，超過這一水深范圍還沒有相應的技術和應用。

表1 國內簡易平臺情況

我國南海油田中，有相當部分的邊際油田分布在70～120 m水深范圍內，這些油田的總儲量非?？捎^。國家對油氣產量增長的迫切要求，使得開發這些邊際油田的戰略顯得非常重要。要想有效地開發這些邊際油田，必須從技術上有所突破，降低開發成本。

1 常規設計簡易平臺

1.1 SEA HORSE平臺

類似于標準平臺的 “海馬”號小型平臺[1]，是墨西哥灣使用最多的簡易平臺，由美國Atlanti工程公司設計、建造。最初設計水深小于30.5 m（100 ft）， 目前主要用于水深45.7 m （150 ft） 的淺水區。隨著 “海馬”系列平臺的發展，工作水深逐漸加大，可達91.4～121.9 m （300～400 ft）。它不僅在墨西哥灣強颶風的海況條件下，而且在英國北海較惡劣的淺水區，均經受住考驗。經勞氏船級社鑒定，承認其適用性。其最大的特點是采用金字塔形的水下構架和寬大的底座。前者保證了它在水面對風力和波浪載荷的高穿透性，從而大大減少了受力，而后者又使其抗傾覆能力顯著提高。底部導管架是金字塔式的三角形或矩形的構件組合件，上部可安裝1～3層甲板，這樣既可作為沉箱式平臺或標準平臺的一部分，也可使油氣井隔水導管作為結構的一部分，使油田在保持正常生產的情況下，同時又可在平臺外側打其他生產井，這對于分批投產的油田盡快投產從而加速油田采收速度是非常有利的?？啥啻尾鹧b，重復使用，有 “海上拼裝玩具”之稱。鋼架支撐與井箍、角樁連接起來，使井筒所承受的負荷轉移到各角樁上，能夠承受巨大的側向負荷，增強抗拒橫向位移的能力；三角形或矩形的樁腿基礎系統，使平臺在泥線上有一個相對大的慣性力矩，能有效抗拒旋轉力矩、使井筒保持穩定。斜腿支撐柱結構使受力支點上移，大大減小了垂直井筒的彎曲力臂長度，從而使井承受的彎曲力矩減小到允許的范圍之內。

1.2 Chameleon IIITM平臺

Chameleon IIITM平臺是OPE公司的專利產品。結構部分吸取了Tripod平臺的優點而仍采用傳統的四腿形式，見圖1。其設計可隨水深和操作要求的變化而改變，因此 “變色龍”的名字恰如其分地顯示了這一設計的優越之處。Chameleon IIITM平臺適宜超過91.4 m（300 ft）水深的海域，與標準Tripod平臺比較，它可提供更大的甲板荷載和運動阻力。Chameleon IIITM平臺設計的獨特之處在于，為生產設備提供了充分的空間。眾多的優良設計，使得Chameleon IIITM平臺的造價大大降低，尤其是以惡劣的環境條件作為衡量標準，更具優勢。利用裙樁，平臺縱向構件的尺度設計依據的是許用應力水平而不是樁直徑。在許多較軟土質的情況下，這一特點使得用鋼量顯著降低。與Tripod平臺和獨柱平臺相比，由于基礎更大，因此穩定性也得到加強。

2 分段模塊化設計思路

2.1 KUP平臺

Kvaerner工程公司吸取了英國和挪威邊際油氣田的開發經驗，開發出一種適合淺海小型油氣田的標準平臺。KUP（KvaernerUnmannedPlatform）[2]平臺在60～160 m水深內可管理6～12口生產井，是一種快速、低成本、通用和簡易的平臺，其設計制造效率高、維護工作量低。

導管架為模塊化設計，這是設計上的一項新突破。水深60 m時，導管架由3～4個等同的模塊組成，根據鋼材的厚度和導管直徑的不同，其質量也不同，有的質量達300 t。但隨著水深增大，平臺需要更大的穩定性。解決穩定性的方法是，在已有的模塊下面增設600 t的大型標準模塊；同時，各模塊與相應的上層模塊相互 “扭錯”。這樣設計的好處是可以進一步增大基礎面積并限制了打樁要求。若按水深120 m設計，兩模塊為雙 “扭”45°；按水深160 m設計，則為三 “扭”45°。

工程可在一年內完成，其中包括現場安裝和生產出油。KUP導管架模塊在建造、運輸和安裝過程中始終保持豎直狀態，其中全部臨時負荷均由樁腿支承。這樣做的優點是既減小了導管架質量又提高了制造過程的效率。根據所選的起重船吊裝能力，導管架的安裝可在海上一個模塊一個模塊地進行，或在船塢內先將兩個模塊組裝好后，按模塊組進行；然后，再安裝甲板。若采用混凝土重力結構，則先在干船塢內預制。然后，與上部結構一起拖至現場，按常規方式安裝。

2.2 TRANSERVE平臺

與KUP型平臺的設計思路相似，TRANSERVE平臺最大應用水深可達到90 m，甲板40 m×40 m，可承受25 MN的荷載，采用固定平臺的設計方式，分段建造安裝，可遷移并可在不同水深的油田重復使用。與常規導管架平臺的水平層為四邊形不同，TRANSERVE平臺采用了五邊形的基座 （見圖2）擴大了基礎面積，與常規固定式平臺相比重量輕很多。

2.3 四面體框架積木式簡易平臺

四面體框架積木式簡易平臺[3]的結構形式與常規三樁腿平臺類似。其特點主要是將隔水套管作為主立柱，將若干個四面體框架套接在隔水套管上，再加兩根樁腿，構成三樁腿式平臺，四面體框架可在預制廠預制，由于其尺度相對傳統導管架小得多，結構搬遷相當方便，吊裝也不困難，給現場作業帶來極大的便利。

這種平臺可適應不同的水深，如用于水深40 m的平臺，一般可由三個四面體框架疊壘而成；當搬遷到27 m水深處時，只疊壘兩個四面體框架便可。由于平臺的荷載主要支承在以隔水套管為主、兩條樁腿為輔的導管架上，結構受力狀態得到了極大的改善，穩定性增強了，動力響應減小了，具有較好的抗疲勞性，甲板承載能力也有了更大的裕度。因此，這種平臺既具有常規導管架平臺的穩定安全性能和三樁腿平臺的簡易特點，又充分利用了隔水套管，具有裝拆方便、重復利用率高等特點，且比三樁腿導管架平臺更經濟。四面體框架可在導管架廠預制，然后用駁船運送到現場。安裝作業考慮利用自升式鉆井船。當井口平臺需要搬遷時，可讓鉆井船重新就位，拆除甲板及其上面的設施后，松解四面體框架與樁腿的嵌固，用吊機分別吊出四面體框架，放下切割刀，收回樁腿和隔水套管等。這樣，所有回收的結構都可以搬遷到新的井位處使用。

3 桶基平臺

3.1 桶型基礎平臺

同傳統的樁基平臺或重力式平臺相比，桶型基礎平臺既不像導管架式平臺那樣主要依賴樁和深層土的承載能力，也不像重力式平臺那樣對表層土的強度提出很高的要求。依靠吸力向土中沉放作業（Penetration）成為在平臺安裝過程中非常關鍵和極具挑戰性的一個環節。為了保證精確沉放到位并盡量減少對土層的擾動，對沉放過程監測控制和操作技術提出了十分嚴格甚至苛刻的要求，采取了一些特殊措施，從而造成了平臺建設投資相應的增加。對于較淺水海區，例如渤海的桶型基礎平臺，在已有工程經驗的基礎上，解決這一問題的難度相對較低。盡管桶基平臺的工作水深已在挪威Sleipner Vest海域達到82 m[4]，但將其推廣應用于更深的水域，在技術上和經濟上仍存在較大的難度。

3.2 SSF平臺

集成了Shell公司的TRICAN吸力桶 （TRICAN suction cans）和 DWE疊式結構 （Develop While Exploring stacked platform）的設計思路[5]的 SSF（Suction-piled Stacked Frame）平臺，既具有常規導管架平臺的穩定安全性能和三樁腿平臺的簡易特點，又充分利用了隔水套管作為導管架腿，大大降低了平臺的重量。

平臺的結構形式由三根套管和其支撐的甲板組成。吸力桶和套管組成了框架結構。套管同時作為導管架腿，又通過不同高度處的疊式框架結構相互連接在一起，以提供足夠的強度。框架結構通過灌漿與套管固定。除了具有鉆井和導管架腿的功能，套管還是基礎的一部分。吸力桶的主要功能是承受基底剪力，同時還要承受由傾覆力矩引起的垂向力。上部的疊式結構保證了平臺的穩定性和剛度，同時還作為上部甲板的支撐。因此，這種平臺具有裝拆方便、重復利用率高等特點，且比三樁腿導管架平臺更經濟。

由于疊式結構可以分別安裝，對于鉆井平臺的舉升高度和舉升能力也不是問題，所以平臺的安裝可以使用一般的而不必是大型的自升式鉆井平臺。為了減少安裝時間，理想的做法是用一次起重作業整體安裝。然而，在一定的水深和環境條件下，平臺的總重會超過自升式鉆井平臺的起重能力，此時可分兩次起吊。首先安裝吸力桶和底部的基座，然后安裝包括甲板在內的兩個上部結構。裝載平臺的駁船首先順著自升式鉆井平臺停泊。底部基座通過絞車提起，然后將駁船拖開，將其放置海底就位?；b好后，利用吸力泵將吸力桶貫入海底。此時再將駁船回位，吊起平臺的其他部分至底座的上方，利用預先裝好的導向管，將兩部分對接。此外，鉆井作業完成后，可利用鉆井平臺將井口安裝在甲板上。下一步將套管穿過結構套筒插入海底，提升上部結構至適當的位置，臨時采用夾具固定，接下來通過灌漿將結構套筒和套管連接在一起。整個安裝作業時間大約需要12 d左右。

綜上所述，SSF平臺的優越之處主要有以下幾點：

（1）套管具有多種功能，既可用作鉆井套管，還可作為基礎和導管架腿。

（2）可以利用自升式鉆井船安裝，也可用起重駁船安裝。

（3）采用吸力桶基礎，與套管構成混合型基礎。

（4）疊式結構小而輕，標準化設計便于制造和安裝。

（5）靈活地適應不同的水深。

4 分析和建議

國內目前對于簡易平臺的研究，盡管也進行了大量的工作，但主要集中在40 m水深范圍。而應用于這一水深范圍的簡易平臺，無論結構型式，還是所采用的與常規導管架平臺相同的安裝方式，目前在國內都已經是成熟的技術。常規設計的簡易平臺，其特點和優點主要在于節省用鋼量，而其建造和安裝方式，與傳統導管架平臺相同。隨著水深的增加，為滿足所在海域的環境荷載以及規范對平臺結構強度和剛度的要求，簡易平臺很難做到大量節省鋼材用量。是否可以照搬墨西哥灣和北海的簡易平臺結構用于我國的邊際油田開發，是一個值得探討的問題[6-7]。

平臺的投資按階段不同又分為設計、采購、制造、運輸和安裝。盡管隨著海況的不同，平臺投資會有很大的不同，但可以肯定的是，安裝費用是平臺的關鍵因素，這一投資可能會占到平臺工程總投資的一半[5]。主要原因是安裝需要動用那些稀少而又價格昂貴的大型起重船。

根據國際公約和國內相關法規的規定，油氣田停產后一年之內必須將平臺拆除。平臺拆除是涉及許多技術領域的綜合性的系統工程，且受到經濟、技術、安全、環境保護等多種因素的制約，是一項極具危險性的工程[8]。通常平臺拆除即視為將其廢棄，若要再次利用非常困難。而邊際油田的開發通常是衰竭式開采，生產周期較短，若簡易平臺是可遷移并重復使用的，必將具有良好的應用前景。

為經濟有效地開發邊際油田，尋找更適宜的簡易平臺及便宜的安裝方式具有非常重要的意義。安裝船的起重能力與費用是成正比的，因此采用小型起重船則安裝費相應會降低，同時也要求導管架的結構重量不能太大。從這樣的前提出發，將導管架進行分段是很自然的想法。無論KUP平臺、TRANSEVER平臺、四面體框架積木式平臺及SSF平臺，都是這樣的做法：將下部基座及其他部分分段模塊化，這樣更能夠簡化設計過程、提高制造效率。此類型平臺的另一個特點是：模塊化分段的設計可以使平臺全部或者部分得以再利用，墨西哥灣的兩個油田已經有了成功的先例。利用小型起重船安裝的方式，盡管日租金低廉且回避了對大型起重船的依賴，但由于需要海上進行的作業增多，可能會導致安裝時間的增加，總的安裝費用是否會大大降低，需要仔細核算。

整體而言，這種結構具有制造容易、安裝方便、拆遷簡單、重復利用率高、經濟性好的優點，是未來簡易平臺的發展方向之一。

[1]張武輦.墨西哥灣使用最多的簡易平臺——“海馬”小型平臺[J].國外石油機械，1994，（3）:22-25.

[2]王勇.適于邊際油田開發的無人平臺[J].中國海洋平臺，1995，（5）:200-201.

[3]李遠林.四面體框架積木式簡易平臺的研究[J].中國海洋平臺，1998，13(1):22-26.

[4]Tjelta T I.Geotechnical aspects of bucket foundations replacing piles for the Europipe 16/11E jacket[A].Offshore Technology Conference[C].Huston:Richardson，TX，1994.73-82.

[5]Meek H J，Sliggers P G F.Alternative Low-Cost Wellhead Platform Concept for Marginal Offshore Field Developments[A].Proceedings of the Eleventh International Offshore&Polar Engineering Conference[C].Stavanger,Norway：Cupertino,Calif，2001.142-148.

[6]趙德廷．南海大氣區簡易平臺專題研究[R]．北京：中海石油工程設計公司，1994.

[7]張艷芳．渤海海域簡易平臺結構研究[R]．天津：海洋石油工程股份有限公司，2006.

[8]李新仲,徐本和．海上油氣田的廢棄處置[J]．中國海上油氣 （工程），2003，15（1）:46-49.

Minimum Platforms for Hectometer Water Depth

TAN Yue（CNOOC Research Institute， Beijing 100027， China）

Minimum platforms are significant for economic profit of marginal oil field development.Up to now,the study and application of minimum platforms in China are mainly limited at the water depth up to 40 m and seldom at the water depth about 100 m.This paper covers a summary of several types of foreign minimum platforms for hectometer water depth in aspects of design characteristics,structural behavior and installation.Finally,the paper discusses the technical and economic feasibility of applying the minimum platforms， which are prevalent in the Gulf of Mexico and North Sea， to the marginal offshore oilfield development in China and offers proposals of research and development direction of minimum platform technology in China.

marginal offshore oilfield;development;minimum platform

TE54

A

1001－2206（2011）05－0006－04

中海石油有限公司綜合科研項目 “南海東部中小型油田開發工程模式研究”

譚 越 （1978-），男，遼寧建平人，工程師，2007年畢業于上海交通大學，工學博士，現從事邊際油田開發、船舶及海洋結構物設計工作。

2010-10-15