某深水油氣田單腿導管架施工分析

曹文冉，劉振紋

（1.中國石油集團工程技術(shù)研究院，天津 300451；2.中國石油天然氣集團公司 海洋工程重點實驗室，天津 300451）

0 引言

某油氣田位于水深1030m～1300m海域，已探明的天然氣儲量較高，如何以有限的投資對其進行開發(fā)日益受到重視和研究?？紤]到海洋平臺的造價占投資很大比例，因此采取各種技術(shù)手段減少建造成本和安裝費用成為關(guān)鍵[1-3]。

鋼質(zhì)導管架平臺是油氣田開發(fā)中最主要的一種海洋平臺形式，而單腿導管架因平臺結(jié)構(gòu)簡單、建造周期短、安裝費用低等特點，在墨西哥灣、西非、北海等海域油氣田開發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用[4,5]。如果能將其應(yīng)用于該地深水油氣田開發(fā)，將大大降低前期的資金投入和工程風險，其意義將十分重大。

鑒于此，針對某海域海洋環(huán)境特點，借鑒國內(nèi)外油氣田開發(fā)的成功經(jīng)驗，提出了適用于目標油氣田的依托開發(fā)模式，依據(jù)美國石油學會和鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會標準，采用國際通用的海洋工程有限元軟件SACS，對選定的單腿導管架平臺進行了整體吊裝和海上拖航分析，并給出了可行的海上施工船舶，旨在為我國類似平臺的建造安裝提供技術(shù)參考。

1 海洋平臺選型

1.1 開發(fā)模式

目標油田靠近的島礁位于西沙群島西南端，結(jié)合該地水文環(huán)境特點和國內(nèi)成熟的LNG技術(shù)條件，并借鑒國內(nèi)外開發(fā)油氣田的成功經(jīng)驗，初步提出了兩種適用于目標油氣田的依托開發(fā)模式：1）水下生產(chǎn)系統(tǒng)+淺水固定平臺+陸上LNG終端；2）水下生產(chǎn)系統(tǒng)+深水平臺+陸上LNG終端。其想象圖如圖1所示。

圖1 依托開發(fā)模式想象圖

目前，國際上已經(jīng)成功應(yīng)用的深水平臺包括半潛式平臺、張力腿平臺（TLP）和柱筒式平臺（SPAR）。考慮到國內(nèi)半潛式平臺技術(shù)尚不成熟，而TLP和SPAR的設(shè)計又為歐美發(fā)達國家所壟斷[4]，因此建議選用淺水固定平臺壓縮天然氣，然后經(jīng)海底管線輸送至該島，最后利用該島進行油氣處理、儲運和回接。

1.2 平臺選型

淺水固定平臺是指固定于海底為油氣開采服務(wù)的長久性結(jié)構(gòu)物，適用于60m以內(nèi)水深，多以鋼結(jié)構(gòu)為主，主要包括導管架平臺、自升式平臺、重力式平臺和順應(yīng)式平臺等，其中前兩類平臺應(yīng)用最廣泛，而導管架平臺又可分為簡易平臺和常規(guī)平臺。

簡易平臺是指支撐少數(shù)井口（1～6口）并滿足油氣田必要開發(fā)需求和一定安全要求的簡單鋼結(jié)構(gòu)平臺。這種平臺首先出現(xiàn)在墨西哥灣，而后在世界各海域得到不斷推廣，目前已超過1500座。在國內(nèi)，中海油潿洲11-4C油田采用的“兩腿三樁平臺”最為矚目，使工程投資由原方案的2.70億降至1.33億，每桶油成本由當時的11美元降至3.1美元[3,5]。

考慮到目標油田位于臺風影響海域，風大浪急，環(huán)境惡劣，所依托島礁四周海底多珊瑚巖礁盤和碎石，而且對周圍海域的環(huán)境保護也不容忽視。鑒于此環(huán)境條件，表1給出了常用淺水平臺的優(yōu)缺點和適應(yīng)性分析。

表1 常用淺水平臺特點及其適應(yīng)性

由表1可知，單腿導管架平臺和四腿導管架平臺均可滿足目標海域作業(yè)要求，但前者結(jié)構(gòu)簡單且質(zhì)量輕便，可采用整體建造、整體運輸和整體安裝的方式，對建造施工機械和海上安裝船舶要求不高，將明顯縮短建造工期、節(jié)省安裝費用并降低操作費用，具有顯著的經(jīng)濟效益，非常值得在目標油田開發(fā)中推廣應(yīng)用。

2 單腿導管架平臺施工分析

2.1 設(shè)計依據(jù)

單腿導管架平臺與常規(guī)導管架平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法基本相同[5]，以美國API RP 2A和AISC S360標準為基礎(chǔ)，同時參考國內(nèi)規(guī)范和設(shè)計指南[6,7]，依據(jù)的標準和規(guī)范如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)標準和規(guī)范

2.2 計算模型

采用國際通用的海洋工程有限元分析軟件SACS，將單腿導管架結(jié)構(gòu)模擬為三維空間框架，如圖2所示。計算模型主要包括2個部分：

1）導管架：含筒柱、樁靴、水平支撐和斜撐。

2）附屬結(jié)構(gòu)：登船平臺、護船弦、防沉板等。

吊裝時必須保證吊點位于導管架重心的正上方，吊繩與水平面的夾角一般不宜小于60°。由于重心計算的不精確，需要考慮重心偏移的影響。分析時用一定剛度的彈簧約束導管架的橫向位移，當彈簧力接近0時，就可以證明吊點位置正好在重心上方。

拖航時選用的駁船尺寸為長300ft（91.44m）、寬90ft（27.432m）、高20ft（6.096m）。一般考慮靜力和動力兩種情況，前者是導管架剛剛吊裝上船尚處于自由站立狀態(tài)，且駁船正在調(diào)節(jié)壓載；后者是已經(jīng)完成導管架的裝船固定，且駁船處于拖航運輸狀態(tài)。

圖2 導管架整體結(jié)構(gòu)模型

單腿導管架施工布置圖如圖3所示。

圖3 導管架吊裝示意圖及裝船布置圖

2.3 基本荷載

單腿導管架在吊裝和拖航期間，會受到各種荷載的作用，主要包括恒荷載、活荷載、風荷載和動力荷載[6-8]。

1）恒荷載

恒荷載是指平臺結(jié)構(gòu)的重量和在某個作業(yè)形式下不變化的任何永久設(shè)備和附屬結(jié)構(gòu)的重量。結(jié)構(gòu)自重一般由程序自動計算，設(shè)備荷載和模擬時簡化掉的附屬結(jié)構(gòu)必須將其重量人工計算后通過點、線或面荷載的形式輸入模型中。

2）活荷載

活荷載是指平臺使用期間隨著作業(yè)形式可能發(fā)生變化的荷載，如貨物、儲料、液體等?；詈奢d在施工分析中一般不考慮。

3）風荷載

一般情況下，拖航運輸選定的風速為100km/h，根據(jù)API RP 2A的推薦公式計算風荷載，計算公式為：

式中：F為風荷載；Cs為形狀系數(shù)，通常迎風平面取1.5，圓形構(gòu)件取0.5，總投影面積取1.0；VH為計算高度處的風速；A為迎風面總投影面積；VR為海平面以上10m高度處的參考風速；H為計算高度；HR為參考高度，通常取海平面以上10m。

4）動力荷載

動力荷載是指拖航運輸時船舶的運動響應(yīng)，主要包括橫搖、縱搖和升沉，可根據(jù)Noble Denton標準選用表3中的設(shè)計參數(shù)，進而確定結(jié)構(gòu)的加速度和角加速度。

表3 拖航運輸船體運動

2.4 荷載組合

荷載組合是將細化的基本荷載分別組合，按照對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最不利影響進行設(shè)計[5,6]。單腿導管架吊裝分析和拖航分析分別考慮了3種組合工況，如表4所示。

表4 導管架施工分析荷載組合

2.5 分析結(jié)果

單腿導管架施工分析按照API RP 2A的要求，對主結(jié)構(gòu)桿件進行名義應(yīng)力校核，并對主要節(jié)點進行沖剪應(yīng)力校核。

1）吊繩力及支反力

通過確定吊繩力可以選用合適的吊繩、卸扣并設(shè)計吊耳，通過確定支反力可以實現(xiàn)裝船固定設(shè)計。表5給出了吊裝時最大吊繩力和拖航時最大支反力。

表5 吊繩力/支反力

2）桿件名義應(yīng)力

桿件名義應(yīng)力校核通過應(yīng)力比（即UC）實現(xiàn)，即名義應(yīng)力與許用應(yīng)力的比值。表6給出了吊裝和拖航分析時主結(jié)構(gòu)桿件的最大UC值。由表6可見，主結(jié)構(gòu)桿件UC均小于1.0，且有一定的安全余度，完全滿足強度要求。

表6 主結(jié)構(gòu)桿件UC

3）節(jié)點沖剪應(yīng)力

節(jié)點沖剪應(yīng)力用于評估管節(jié)點的強度，表7給出了吊裝分析和拖航分析時主要管節(jié)點的最大UC值。由表7可見，所有主要管節(jié)點的沖剪應(yīng)力UC均小于1.0，完全滿足規(guī)范要求。

表7 主要節(jié)點沖剪應(yīng)力UC

3 施工機具選擇

通過第2節(jié)的計算得知，單腿導管架的吊裝重量為1012T，建議采用立式建造和整體吊裝的方式以減少陸地建造周期和海上安裝費用。結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)有船舶條件，目前可用于上述單腿導管架海上施工的起重船和運輸駁船如表8和表9所示[5]。

表8 海上起重船

表9 海上運輸駁船

4 結(jié)束語

基于海洋環(huán)境條件，針對目標油氣田依托開發(fā)模式，探討了導管架平臺選型問題，采用有限元軟件SACS建立了單腿導管架三維計算模型，并根據(jù)API RP 2A規(guī)范進行了整體吊裝和海上運輸分析。通過模型計算和對比分析，得到了以下結(jié)論：

1）對于目標油氣田，“水下生產(chǎn)系統(tǒng)+淺水固定平臺+陸上LNG終端”的依托開發(fā)模式更為合理，加之單腿導管架平臺結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕便，更有利于陸地建造和海上安裝。

2）結(jié)合國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀，單腿導管架完全滿足整體吊裝和長距離拖航要求，海上起重船和運輸駁船選擇空間較大，從而避免了對大型施工船舶的依賴，具有顯著的經(jīng)濟效益。

3）目前，簡易導管架平臺在墨西哥灣、北海等海域的作業(yè)水深已接近200m，而在國內(nèi)尚處于40m以內(nèi)海域，如果將其推廣應(yīng)用于深水油氣田開發(fā)將具有重要意義。

[1]李茂.南海西部海域邊際油田開發(fā)淺談[J].石油鉆采工藝, 2007, 29(6): 61-64.

[2]謝彬, 張愛霞, 段夢蘭.中國南海深水油氣田開發(fā)工程模式及平臺選型[J].石油學報, 2007, 28(1):115-118.

[3]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.

[4]《海洋石油工程設(shè)計指南》編委會.海洋石油工程深水油氣田開發(fā)技術(shù)[M].北京: 石油工業(yè)出版社,2011.

[5]《海洋石油工程設(shè)計指南》編委會.海洋石油工程邊際油氣田開發(fā)技術(shù)[M].北京: 石油工業(yè)出版社,2010.

[6]《海洋石油工程設(shè)計指南》編委會.海洋石油工程平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京: 石油工業(yè)出版社, 2007.

[7]李潤培, 王志農(nóng).海洋平臺強度分析[M].上海: 上海交通大學出版社, 1992.

[8]API RP 2A-WSD, Recommended Practice for Planning,Designing and Constructing Fixed Offshore Platform-Working Stress Desig [S].21st ed.2000.

[9]ANSI/AISC 360-05, Specification for Structural Steel Building [S].2005.