自升式無鉆機棄井專用平臺設計

張 亮

中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452

隨著海洋油氣開采時間的推移，一些海上油田產能過低，達到地質報廢、油氣田終止開采條件。越來越多的海洋油氣設施逐步達到設計壽命，日益老化，對海洋環境、國防、海上交通以及漁業資源等造成較大的潛在危害，需要對海洋油氣設施拆解遷移。世界各國先后制定了相關法律法規[1-5]，并對廢棄平臺、井筒、海管及電纜等海洋油氣設施進行棄置[6-7]。

目前國內外即將退役的老齡平臺越來越多，常規的棄井方式大部分使用鉆井平臺進行作業。使用鉆井平臺棄井的優勢在于具備完整的提升、循環旋轉及井控等系統，在完成常規棄井作業的同時，可處理復雜的井下情況[8]；但也存在費用較高折的問題，尤其是不產生經濟效益的棄井作業會使企業付出高昂的成本。追求低成本策略的國外油氣公司傾向于使用各類無鉆機的作業模式，專業棄置公司也開發出各具特色的無鉆機棄井技術與裝備[9-11]。

目前國外無鉆機棄井技術已越來越成熟，國內也引入了磨料水射流切割套管技術及液壓舉升拔樁技術并取得了較好的應用效果[12-14]，但仍處于探索階段。尤其是東南亞海域有大量的小型無修井機平臺棄井作業，由于固定平臺甲板面積和住宿能力受限，需要移動平臺攜帶相關設備進行作業。然而現有的移動平臺與無鉆機棄井設備之間的匹配度較小，進而直接影響到作業的時效性和經濟性。開發設計無鉆機棄井專用平臺可為低成本棄井提供專業化的載體，在后續大規模棄置開始后，無鉆機棄置的優勢將更加明顯。

1 自升式無鉆機棄井專用平臺概況

本文研究的自升式無鉆機棄井專用平臺主體為箱形結構，平面形狀接近三角形。平臺有3條桁架式樁腿，艉二艏一，樁腿下端設有樁靴，每個樁腿設有一套電動齒輪齒條升降系統，樁腿通過升降系統與船體連接和固定，并可將船體支撐于一定高度。最大作業水深122 m，可覆蓋渤海、南海部分海域、馬來西亞海域及泰國灣。

平臺主要作業形式是拖航至預定地點，然后對平臺進行預壓載，當平臺預壓力達到設計值后，啟動升降裝置，將平臺升高到距離海面一定的高度之后開始作業。當完成某項生產任務后，將平臺降至水面，進行拔樁-升樁作業，再拖航至另外的作業地點開展新的生產任務。

為降低平臺成本，居住能力滿足棄井作業最低需求。平臺艏部設有可居住80人的生活區，生活區位于主甲板以上，共2層，中控室及辦公室位于上層建筑最頂部的第3層。平臺上層建筑前部設有直升機甲板，在平臺站立狀態下可供直升機起降，適停機型為S92A/S61N。

船體艏部設有拖力眼板，用于平臺拖航使用。平臺艏、艉兩舷共設置4臺就位錨機，用于平臺就位。

1.1 主要參數

平臺主要參數見表1。

表1 平臺主要參數

該平臺按照中國船級社和中國海事局的有關規范、要求進行設計[14-16]，入級中國船級社。平臺總布置如圖1所示。

圖1 平臺總布置示意

1.2 主要功能

該平臺的主要功能如下：

（1）按照中國船級社相關規定進行設計，屬于自升式平臺，拖航條件滿足CCS的要求。

（2） 配置直升機平臺，并具有直升機加油裝置。

（3）生活區舒適度具有較高水平，滿足國際勞工大會發布并已生效的《2006年海事勞工公約》的要求。

（4）可滿足80人住宿、餐飲，考慮到平臺作業過程中臨時人員的需求，救生能力按照100人進行配備。

（5）共配備3臺基座式起重機，左右兩舷吊機最大吊重能力為343 kN，船尾吊機最大吊重能力為147 kN。

（6）甲板面積1 200 m2，棄井作業狀態下平臺最大可變載荷為30 723 kN。

（7）配備小型懸臂梁，與套管舉升裝置底座相匹配，甲板上放置磨料水射流切割裝置，棄井作業前將懸臂梁推出至井口位置。

2 平臺優點

多個部件的設計特點與設計細節的改善使得該平臺具有諸多優點，詳述如下。

2.1 平臺配置合理

與作業水深100 m以上主流自升式平臺主要技術參數進行對比分析，見表2。

表2 與主流平臺參數對比

該平臺充分優化了艙室空間，合理布局設備，型深僅有7 m。主要設備按照冗余度最小的原則進行配置，這樣可大大節約設備采購成本。其中主發電機功率取值依據為平臺升降作業工況下的最大用電負荷，吊機能力取值依據為棄井作業所需的最大吊裝要求。由于無需配置鉆井相關設備，初步估算平臺可用甲板面積達到1 200 m2，在保障棄井作業的同時還可拓展液壓舉升修井、連續油管、移動注熱等功能。

2.2 懸臂梁結構小巧

為實現最大程度與棄井作業裝備進行匹配，該平臺懸臂梁的設計主要依據套管舉升裝置的底座尺寸,通過減小懸臂梁尺寸及結構復雜度，盡可能增加甲板可用面積及平臺可變載荷。經過優化設計，小型懸臂梁寬度11 m，最大外伸距離為17 m，與表2中的其他平臺懸臂梁相比，尺寸及結構小巧，見圖2。其承載能力為425 t，可滿足修、棄井作業最大負荷，造價約為常規鉆井平臺懸臂梁的1/2。

圖2 小型懸臂梁與套管舉升裝置匹配

2.3 性能高于規范要求

2.3.1 完整穩性

根據《海上移動平臺入級規范》規定對平臺許用重心完整穩性進行校核[15]，計算結果見表3。校核分析表明，平臺在拖航狀態許用重心高度下，完整穩性滿足規范要求。

表3 平臺許用重心完整穩性

2.3.2 破艙穩性

根據《海上移動平臺入級規范》規定對平臺許用重心破艙穩性進行校核[17]，計算結果見表4。校核分析表明，在各破損狀態下，不同風向條件、風速為25.8 m/s的風傾力矩作用時，破損水線低于可能發生繼續進水的任何開口下緣，滿足規范要求。

表4 平臺許用重心破艙穩性

2.3.3 抗傾穩性

平臺抗傾穩性校核參照《海上移動平臺入級規范》要求。傾覆力矩包括環境載荷力矩、平臺附加彎矩和動力載荷彎矩。若平臺發生旋轉時，樁周邊土、樁靴上表面土、樁靴底部吸附力都會產生抵抗力，增加平臺抗傾能力。本計算中僅考慮平臺重力抗傾，土壤作用作為抗傾能力儲備，計算結果見表5。校核分析表明，平臺抗傾穩性滿足規范要求。

表5 不同工況下的平臺抗傾衡準數K

2.3.4 抗滑移性

平臺抗滑力主要包括樁底部摩擦力、側摩阻力、土壤被動土壓力等。本次計算中僅考慮樁靴底部摩擦力，其他作為儲備抗滑移能力[18]。校核安全系數按照API RP 2A《海上固定平臺規劃、設計和建造的推薦作法》的要求：作業工況時，平臺抗滑移安全系數Kh應不小于2.0；自存工況時，Kh應不小于1.5；根據不同地質條件下的抗滑能力進行校核，計算結果見表6。校核分析表明，在上述計算井位，平臺抗滑穩性滿足規范要求。

表6 不同工況下的平臺抗滑移安全系數Kh

3 結束語

研發的新型平臺與無鉆機棄井裝備匹配較好，具有較強的專業性能。平臺可變載荷大、結構形式簡潔、整體結構強度好、總體性能高、甲板面積大，除用于棄井作業外還可進行其他功能的拓展。與常規的作業水深超過100 m的鉆井平臺相比，型深小、布局合理、建造成本和建造難度低，可大大降低棄井作業成本，具有重要的工業化應用價值。