簡易平臺新型安裝方式

譚 越

(中海油研究總院,北京 100027）

簡易平臺新型安裝方式

譚 越

(中海油研究總院,北京 100027）

控制平臺工程投資對提高海上邊際油田開發的經濟效益起著舉足輕重的作用,其中安裝費約占平臺工程投資的50%。因此,就要求盡可能節省安裝費用和工期,從而促使采用不同的平臺安裝方案。結合國際上不同結構型式的簡易平臺,分別對采用小型起重船安裝、采用鉆井平臺安裝和自主安裝三種方式的技術特點進行分析和比較,并簡要介紹了一種結合這三種安裝方式優點的新型平臺(SSF）。

海上邊際油田;簡易平臺;安裝方式

開發海上邊際油田,節省工程投資是很重要的一環,基于過去項目的統計數據,一個典型油田,在其開發基礎設施投資中平臺部分的投資約占30%,這就使得平臺結構型式對于提高油田開發的經濟效益占據著舉足輕重的地位。平臺的投資包含其設計、采購、制造、運輸和安裝費用。盡管隨著海況等環境條件的不同,平臺投資額會有很大的不同,但可以肯定的是,安裝費用都是占有極大比重的,這一投資可能會占到平臺工程總投資的50%[1]。通常,巨大的安裝費用主要是由于安裝過程中需要動用那些稀少而又價格昂貴的大型起重船等施工裝備造成的,因此,為了經濟有效地開發邊際油田,尋找更適宜的簡易平臺安裝方式具有非常重要的意義。

1 采用小型起重船的安裝方式

1.1 安裝 KUP型平臺

Kvaerner工程公司總結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化平臺。KUP(Kvaerner UnmannedPlatform）[2]平臺在60～160 m適用水深內可擁有6～12口井,是一種快速、低成本、通用和簡易的概念,其設計與制造效率高、維護工作量低。該平臺的導管架為模塊化設計,這是設計上的一項新突破。在水深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,模塊重量有所不同,重量最大可達300 t。隨著水深增大,平臺需要更高的穩定性。提高穩定性的方法是在前述的這些模塊下面增設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有助于降低打樁要求。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°。

整個工程可在一年內完成,其中包括平臺的現場安裝和油田投產。KUP導管架模塊在建造、運輸和安裝過程中始終保持豎立狀態,其中全部臨時負荷均是由樁腿支撐。這樣做的優點是既減輕了導管架重量又可提高制造過程的效率。根據所選用的起重船吊裝能力,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,按模塊組進行安裝;然后,再安裝甲板。若采用混凝土重力式下部結構則先在干船塢內預制;然后與上部結構一起拖運至現場,按常規方式安裝、拼接。

1.2 安裝TRANSERVE平臺

與 KUP型平臺的設計思路相似,TRANSERVE平臺的最大應用水深可達到90 m,甲板40 m×40 m,可承受2 500 t的荷載,采用常規固定平臺的設計方式,分段建造安裝。常規導管架平臺的水平層為四邊形,而 TRANSERVE平臺采用了五邊形的基座(圖1）,這也就擴大了基礎面積且與常規固定式平臺相比重量要輕很多。

圖1 Transerve平臺模型Fig.1 Transerve Platform

安裝船的起重能力與其租用費是成正比的,因此采用小型的起重船相應地自然會使得安裝費降低,但是同時也限制著導管架的結構重量不能太大。從這樣的前提出發,將導管架進行分段將是很自然的想法。因此,當單體重量過大時,無論是對 KUP還是TRANSEVER平臺,都是采取了這樣的做法。這也就催生了模塊化的理念,將下部基座及平臺其他部分模塊化能夠更好地簡化設計過程、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[3]。利用小型起重船安裝的方式,僅從日租金上就具有低廉的優勢并且回避了對大型起重船的依賴,但由于需要增加海上對接等作業工序,往往會導致安裝時間的增加,總的安裝費用是否如愿地得到了降低,需要仔細地核算。而且在很多情況下,相對于節省工程投資,縮短平臺安裝工期令油田提前投產能夠具有更好的收益,這樣一來,這種安裝方式也就失去了優勢。

2 采用鉆井平臺的安裝方式

采用鉆井平臺船來安裝生產平臺,相比采用起重船來安裝可大大降低平臺安裝費用。該技術已在世界各地得到應用,尤其適用于油田位置偏遠、起重船動復員費用昂貴的海域。自升式鉆井平臺一般都具有500 t的起升能力,這能夠滿足小平臺的安裝要求。例如,在墨西哥灣使用最多的簡易平臺Sea Horse系列平臺,都是采用自升式鉆井平臺安裝的(圖 2）[4]。

相對于采用起重船來安裝生產平臺,采用自升式鉆井平臺似乎是一個更加合理的選擇。因為,大部分簡易平臺都是作為井口平臺或是小型生產平臺,鉆井平臺完成鉆井作業之后若發現具有開采價值的油田而立即轉入開發,則避免了暫時棄井、鉆井施工裝備撤離、重新返回原位等工序,可以節省作業成本。另外,此種安裝方式還可以從兩方面節省投資:(1）鉆井平臺本來就已就位進行鉆井,因而安裝平臺時就不再需要任何動員和復員費用;(2）相對起重船,鉆井平臺的日租金更低。由于簡易平臺的尺寸和重量都不是很大,要使在邊際油田中的簡易平臺進行空中翻轉一般是不成問題的。但需要注意的是,自升式鉆井平臺并非專門為平臺安裝設計的,因此在平臺設計時需要認真考慮它的一些局限性:

(1）起重能力:自升式鉆井平臺起重能力相對較小;

(2）起重高度:由于其樁腿長度的限制(固定）,若要求提高垂直起重高度,則自升式鉆井平臺可適應的作業水深就要減小;

(3）起吊工作界面:自升式鉆井平臺沒有數百噸提升能力的旋轉式懸臂起重機,它的起吊作業是通過鉆機的提升系統完成的,而鉆機的提升系統伸出鉆井平臺的范圍是有限的。

(4）打樁施工:采用鉆井平臺打樁的技術難度和所受限制將較大一些,樁徑和重量不是大問題,而樁長和可及打樁范圍是主要限制,從而可能增加接樁的工作量,造成鉆井平臺打樁效率不高。

圖2 采用自升式鉆井平臺安裝簡易平臺Fig.2 Minimal platform installed by jack up rig

3 自主安裝方式

當前在我國,對于開發邊際油田來說,以往使用的固定式簡易平臺的成本依然相對較高。20世紀90年代出現的桶形基礎平臺,挪威專家稱其是“導管架基礎工程技術新時代的曙光”[5],這種平臺的應用,可能會有助于改變以上現狀。桶形基礎平臺(圖3）由甲板、支撐結構和水下基礎三部分組成。水下基礎為大直徑的桶形鋼結構,替代了固定平臺長期使用的、用鋼量很大的鋼樁,從而可以大大減少海上施工量和降低平臺造價,減少現有固定平臺海上施工所用的大型機具,依靠負壓使桶形基礎沉入海底。其經濟效益主要體現在海上安裝費用低、重復利用率高和節省搬遷費三個方面。因此,開采周期短的邊際油田特別適合選用此種型式平臺。此外,并不局限于小型簡易平臺,桶形基礎的平臺型式也可以被我國淺海水域的各類采油生產平臺廣泛地采用[6]。

自主安裝是近年來的一個技術趨勢。如果要實現自主安裝,則需要增設一些重要的附屬結構,譬如浮筒、壓載系統等。然而,這些附件僅在安裝時使用,其后將被閑置,此外,還要花費大量額外的資金來維持簡易平臺的適航性、可安裝性以及破損狀態下充分的冗余性,這也就使得簡易平臺自主安裝的特點不再像最初所期望的那么具有吸引力。

圖3 桶形基礎平臺Fig.3 Bucket foundations platform

根據國際公約和國內相關法規的規定,在油氣田生產終止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,并且受經濟、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[7]。通常的平臺經拆除后即視為將其廢棄,要重復利用是非常困難的。盡管從經濟角度上考慮還存在一些問題,但自主安裝平臺通常都是可遷移并重復使用的,因此也就為它帶來良好的應用前景。

4 SSF平臺

一座簡易平臺的建造工程包括陸上制造與海上安裝施工作業,陸上制造一般采用常規的海洋工程加工制作方法,海上安裝,為了降低費用,上述的三種方式可供采用,即:利用小型起重船安裝、利用鉆井平臺安裝和自主安裝。

除了只是單獨采用一種安裝方式的平臺以外,還有將以上三種安裝方式聯合加以應用的,這就是SSF平臺。SSF(Suction-piled Stacked Frame）平臺的安裝(圖4）,結合了上述三種方式的優點。其結構集成了 Shell公司的 TRICAN吸力桶(TRICAN suction cans）和DWE堆疊式結構(Develop While Exploring stacked platform）的設計思路[1]。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兼作導管架腿,因而大大地降低了平臺的重量。

圖4 SSF平臺安裝過程示意Fig.4 Installation sequence of SSF platform

該類平臺的結構形式由三根隔水套管和其支撐的甲板組成。吸力桶和隔水套管組成了框架結構,隔水套管同時作為導管架腿,通過不同高度處的堆疊式框架結構使之相互連接在一起,以提供足夠的強度。框架結構通過灌漿與隔水套管固定,除了具有鉆井和導管架腿的功能,隔水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,上部的堆疊式結構既保證了平臺的穩定性和剛度,同時可作為上部甲板的支撐。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化特點,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,也就使它比三樁腿導管架平臺更經濟。

由于堆疊式結構可以分段分別安裝,因此對于鉆井平臺的舉升高度和舉升能力也就大多不成為問題了。平臺的安裝可以使用普通的而不必是大型的自升式鉆井平臺。只是,為了減少安裝時間,應該優先考慮的做法是用一次起重作業將其整體安裝。然而,在一定的水深和環境條件下,平臺組塊的總重可能會超過自升式鉆井平臺的起重能力,這時就必然要分為兩次(或者多次）起吊、安裝。安裝順序是,首先安裝吸力桶和底部的基座,然后是包括甲板在內的兩個上部結構。安裝的大致過程是,首先由裝載平臺的駁船靠著自升式鉆井平臺停泊;通過鉆井絞車提起底部基座,然后將駁船拖開;將其放置到海底就位。底部基座裝好后,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部底座的上方,利用已預先裝好的導向管,將兩部分對接。此外,利用鉆井平臺將井口安裝在甲板上。下一步是將隔水套管穿過結構套筒插入海底,提升上部結構至適當的位置,采用夾具臨時固定,接下來通過灌漿將結構和套管連接在一起。至此,整個安裝作業時間需要12天左右。

綜上所述,SSF平臺的優越之處主要有以下幾點:

(1）隔水套管兼備多種功能,既可用作鉆井套管,同時還是基礎和導管架腿;

(2）既可以利用自升式鉆井平臺安裝,也可用起重駁船安裝;

(3）采用吸力桶基礎,并且與隔水套管構成了混合型基礎;

(4）堆疊式結構易于實現小而輕及標準化設計,也便于制造和安裝;

(5）可以靈活地適應不同的水深。

5 分析和建議

目前,我國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,對超過這一水深范圍的作業,還沒有進行相應的技術研究和應用。國內針對新型簡易平臺的研究,盡管也進行了大量的工作,但仍限定在這一水深范圍。而應用于這一水深范圍的簡易平臺,無論其結構型式,還是其所采用的吊裝施工方式——與常規導管架平臺一樣目前在國內幾乎是一成不變的。文中所介紹的國際上幾種先進的平臺及其安裝方法,在國內并未進行深入的研究,要達到工程實際應用的程度還需要付出不少努力,借鑒國外的先進經驗,研究其對于我國邊際油田開發的適用性,是一個非常值得繼續深入探討的問題。

通常意義上的簡易平臺,其特點和優點也就主要在于節省用鋼量,而其建造和安裝方式,與常規的固定式平臺則完全一樣,并未有所突破。隨著水深的增加,要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,是很難做到大量節省簡易平臺的鋼材用量,也就是說,寄希望于減輕平臺重量來控制其投資的空間極其有限。要進一步控制平臺的投資,只有在海上安裝方式等方面下功夫。因此,如前所述,無論 KUP平臺、TRANSEVER平臺,還是SSF平臺,都采用分段模塊化的做法,將下部基座及其他部分模塊化能夠更好地簡化設計過程、提高制造效率。此類型平臺的另一個特點是,分段模塊化的設計可以使平臺全部或者部分得以再利用,這在墨西哥灣的兩個油田已經有了成功的先例。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,是簡易平臺未來的發展方向之一,我們對此應該予以足夠的重視。

[1]Meek H J,Sliggers P G F.Alternative low-cost wellhead platform concept for marginal offshore field developments[C].Proceedings of the Eleventh(2001）International Offshore&Polar Engineering Conference:142-148.

[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]Self-installing platform on course for Trent[J].Offshore,2005,65(8）:128.

[4]Robert Rosenblum.Evolution of minimal platform concepts for marginal developments[J].Offshore,1999,59(4）.

[6]方華燦.我國海上邊際油田采油平臺選型淺談[J].石油礦場機械,2005,34(1）:24-26.

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

Innovative installation concepts for minimal platform

Tan Yue
(CNOOC Research Institute,Beijing100027）

Platform cost control is significant for economic profit of marginal oil field development.While platform installation is identified as a major cost driver,the minimal platform concept should fit well with development philosophy by decreasing capital expenditures and reducing the time required to bring new production.The assessment of three new installation schemes:small crane barge,jackup rig and self installing were given,and the technical and economical feasibility of such concepts were analyzed.Finally,a new so-called SSF(Suction-piled Stacked Frame）platform which combined with this 3 installation schemes are described.

marginal offshore field;minimal platform;installation concept

TE54;P752

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2011.01.095

1008-2336(2011）01-0095-05

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”。

2010-10-09;改回日期:2010-11-15

譚越,男,1978年生,工程師,博士,船舶及海洋結構物設計制造專業,現從事邊際油田開發、船舶及海洋結構物設計。E-mail:tanyue2@cnooc.com.cn。