海洋平臺上部組塊結構重量與甲板面積定量關系的分析研究

李 虎，黃冬云，韓亞沖

(中海油研究總院有限責任公司，北京 100028)

0 引 言

隨著中國經濟的飛速發展和國家大力倡導清潔能源消費，石油和天然氣的消費量急劇攀升，尤其是在冬季供暖季，多地出現了“氣荒”現象。盡管我國是當前世界上主要油氣生產國之一，油氣產量增長居世界前列，但產量增速落后于經濟增速，對外依存度越來越高，2015年石油變現消費量估計為5.43億噸，對外依存度達到60.6%，天然氣消費量為1 910億方，天然氣對外依存度達到32.2%[1]。油氣資源對外依存度的持續走高嚴重威脅著我國的能源安全。

我國油氣資源豐富，尤其是海洋油氣資源豐富且尚未充分勘探開發。從世界范圍來看，海洋石油資源量約占全球石油資源總量的34%，探明率約為30%，而我國平均探明率為38.9%，海洋石油僅為12.3%，整體上處于海洋石油資源勘探開發的早中期階段[2]。加快開發國內油田資源，降低油氣資源的對外依存度，努力保障國家能源安全是當前國內油氣資源開發的重中之重。

海洋石油平臺是海上油氣田開發最主要的設施，根據建造材質的不同可分為鋼制平臺、混凝土平臺、混合平臺等，其中以鋼結構為支撐、摩擦樁為基礎、再搭載上部功能設施，即鋼樁式導管架平臺，這種模式的海洋石油平臺支撐了中國海油石油產量的90%以上[3]。

導管架式固定平臺由上部組塊和導管架組成。上部組塊主要擔負著油氣的生產和生活支持等功能，主要布置有油氣處理系統、生產支持系統、公用系統、供電系統、外輸系統、消防安全系統等[4]。導管架是承載上部組塊的主要部件，通常由導管架腿、斜撐、立片等結構件組成，上部組塊的尺寸和重量直接決定了導管架的規模。

1 數據統計

海洋石油平臺的設計極為復雜，一般上部組塊主要由平臺結構、設備和管線等部分組成。常規而言，油氣日產規模越大，平臺油氣處理設施數量越多，配套的電儀訊設備也越多，平臺上部組塊甲板面積就越大，上部組塊的支撐結構就越重。圖1和圖2所示為海洋石油固定式導管架平臺的三維模型和結構模型，從圖中可以直觀地看出甲板面積與結構重量的相關性，設備占用的上部組塊的甲板面積越大，就需要越多的結構梁支撐，結構重量就越大。

圖1 海洋平臺三維設計模型Fig.1 3D design model of ocean platform

圖2 海洋平臺三維結構模型Fig.2 3D structural model of ocean platform

如果能夠定量地分析結構重量與甲板面積的關系，就可以在前期研究的方案比選階段、結構不具備建模條件的情況下，為平臺結構設計提供設計依據，使鋼材量的估算更加快速、準確，施工資源的選擇也更加合理，大大提高了工作效率。

本文查閱了渤海、東海、南海三個海域在生產海洋石油平臺的大量設計文件，統計得到了多個海洋石油平臺上部組塊結構重量和甲板面積等數據，經整理有45個導管架式固定平臺的上部組塊結構重量和甲板面積數據齊全，其中26個井口平臺、19個中心平臺，部分數據如表1所示。

表1 結構重量與甲板面積數據統計表

2 數據分析

海洋平臺根據其功能主要分為井口平臺和中心平臺[3]。井口平臺設有生產井，井液經采油樹采出后，一般不進行油氣處理或僅進行簡單的油水分離后，通過計量系統外輸至中心平臺或其他生產處理設施上進行處理。井口平臺上僅有簡單的工藝設備及支持系統和公用系統以及鉆修井設施。中心平臺是能夠處理各井口平臺來液的生產平臺，一般配套有原油或天然氣生產處理系統、工藝輔助系統、公用系統、外輸系統、動力系統、生活樓和直升機甲板。

2.1 數據分類及整理

由于中心平臺和井口平臺配備的設施功能及數量不同，將所有數據集中分析的同時，也將數據分為中心平臺和井口平臺兩組單獨分析，獲得上部組塊結構重量與甲板面積的比值，該數值的實際意義是單位數量甲板面積的結構重量。表2為結構重量與甲板面積比值的分類表格。

表2 結構重量與甲板面積比值

2.2 正態性檢驗

在數據分析過程中，經常會有不同分布形態的數據，我們整理獲得的數據是否也有一定的規律可循，需要進一步分析驗證。常見的數據分布形態有正態分布、均勻分布、泊松分布、指數分布等，但在數據分析中，最重要的分布形態是正態分布。

常見的正態分布驗證方法主要分為圖示法和計算法。圖示法主要有P-P圖、Q-Q圖和直方圖等，計算法通常有偏度、峰度計算、Kolmogorov-Smirnov檢驗和Shapiro-Wilk檢驗等，最常用的工具是SPSS軟件，該軟件在數據統計與分析方面應用得非常廣泛。圖3為結構重量與甲板面積比值以及分井口平臺和中心平臺結構重量與甲板面積比值的在置信區間為95%下的標準Q-Q圖，表3為Kolmogorov-Smirnov和Shapiro-Wilk正態性檢驗數據。

(a)

(b)

(c)

表3 正態性檢驗表Tab.3 Normality test

從圖3可以直觀地發現所有樣本數據的Q-Q圖呈現一條直線分布，說明樣本數據服從正態分布。對于該單樣本數據，分析表3計算法獲得的數據，以K-S結果為準，sig.=0.2為樣本數據真實顯著水平下限，說明該樣本數據服從正態分布。

2.3 分析與總結

經過正態性檢驗，發現結構重量(不分平臺類型)與甲板面積比值、井口平臺結構重量與甲板面積比值、中心平臺結構重量與甲板面積比值均滿足正態分布，通過SPSS軟件我們可以獲得正態分布曲線如圖4所示。

圖4 正態分布曲線Fig.4 Normal distribution curve

通過繪制正態分布曲線，我們可以獲取各組數據的均值，作為每組數據的正態分布的期望值，井口平臺結構重量與甲板面積的比值為0.47，中心平臺結構重量與甲板面積的比值為0.53，結構重量(不分平臺類型)與甲板面積的比值為0.49，該數值的實際意義為每平方米的井口平臺的甲板重量為0.47 t，每平方米的中心平臺的甲板重量為0.53 t。同時，通過SPSS軟件，可以獲得置信區間在95%的期望數值的范圍，即樣本數據在該范圍內的概率為95%，井口平臺范圍為0.44～0.50，中心平臺范圍為0.47～0.58，不分平臺類型范圍為0.46～0.52。

對于導管架式固定平臺開發模式的海洋油氣平臺項目的前期研究階段，根據油藏陪產數據，配備相應的油氣處理設施，即可得到海洋平臺甲板面積，用甲板面積乘以相應統計數據就可以快速得到海洋平臺上部組塊的結構重量，同時可以根據不同項目特點和不同研究階段，應用95%的置信區間范圍內的數據，就可以節省大量人工時。在預可研和可研等前期研究的方案比選階段，主要評估各方案技術可行性以及評估各方案投資和經濟效益，沒有必要花大量的時間搭建模型計算結構鋼材量，通過文中對統計數據的定量分析，可以較為準確地獲得結構鋼材用量，從而快速地開展各方案的經濟評價，從而縮短工程設計周期，節省大量人工時成本，提升經濟效益。

3 結 語

通過對中國海域在生產的海洋石油平臺甲板面積及上部組塊結構重量的統計、分析和驗證，認為上部組塊結構重量與甲板面積的比值服從正態分布曲線。根據正態分布特點，得到了甲板面積與上部組塊結構重量的定量關系，其中井口平臺為0.47，中心平臺為0.53，分別代表每平米甲板面積結構重量為0.47 t和0.53 t。該結論廣泛適用于以導管架式固定平臺為開發模式的海洋油氣平臺項目，對于半潛浮式平臺、FPSO、混凝土平臺等是否適用尚需進一步論證。

通過本文分析得出的結論在實際生產中已經得到廣泛應用，以南海東部恩平區域開發項目為例，在預可研階段共有7個開發方案，可研階段有5個開發方案，每個方案最少有1個導管架式固定中心平臺和2個導管架式固定井口平臺，上部組塊結構鋼材用量完全是按照文中結論進行計算的，用時不超過一天，如果全部通過SACS建結構模型計算鋼材重量，至少要花費2個月的時間，完全沒有必要在預可研和可研等前期研究的方案比選階段浪費如此多的時間。以近期即將開工建設的陸豐14-4平臺為例進行驗證，該平臺為中心平臺，甲板面積約為9 036 m2，根據文中結論計算得到結構重量為4 789MT，實際的三維模型中結構重量考慮10%系數后為5 634MT，有15%的誤差，比通常前期研究項目中料單估算考慮的20%～30%的安全系數要小，可以接受。

因此，通過文中結論就可以較為準確地獲得結構鋼材用量，從而快速地開展各方案的經濟評價，縮短工程設計周期，加快油氣田開發進程，響應國家加快國內油氣資源開發的號召。