楊 旭, 周曉東, 竇宏波, 唐丕鑫
(1. 中海油研究總院有限責任公司 工程研究設計院, 北京 100029;2. 中國石油天然氣管道工程有限公司, 河北 廊坊 065000)
南海北部灣存在眾多邊際油田。這些油田水深一般在40 m以內,合計總儲量非??捎^。我國對石油和天然氣資源的迫切需求使得這些油田的開發(fā)十分重要。為把南海邊際油田油氣儲量經(jīng)濟有效地開發(fā)起來,必須從技術上突破傳統(tǒng)工程開發(fā)模式、降低工程投資。
針對邊際油田開發(fā),海外研究人員提出一種新型簡易井口平臺,具有自安裝、沉淀基礎、結構簡單、造價低等特點,可作為無人平臺使用。WATSON等[1]提到澳大利亞成功投產(chǎn)的一種新型平臺Yolla A, 該平臺采用一種無壓載深裙板基礎形式,入泥深度為5.4 m, 利用隔間的負壓實現(xiàn)貫入安裝。OOLEY等[2]研究印度尼西亞的Maleo可移動生產(chǎn)平臺MOPU (Mobile Offshore Production Unit),該平臺為三腿平臺下設1個長方形沉墊基礎,沉墊基礎中有2個長方形開口。位于北海的Bentley 9/3B區(qū)塊采用MOPU依托圓筒型FSO(Floating Storage and Offloading)及水下生產(chǎn)系統(tǒng)、導管架的開發(fā)模式。MOPU所在水深約109 m,采用中間開口的桁架式樁腿,下部為中間開口的沉墊與深裙板的組合,深裙板可利用負壓貫入安裝,如圖1[3]所示。
圖1 Bentley MOPU示例
本文參考國外已有的這些工程實例,以南海北部灣某油田為目標,設計一種簡易無人井口平臺,該平臺具有形式簡單、無人化操作、可在一定范圍內變化水深、無須動用大型安裝資源、可重復利用等優(yōu)點。對該平臺進行總體布置方案研究、主尺度設計和重量估算、平臺基礎研究、升降系統(tǒng)裝置選型、在位工況結構分析、拖航穩(wěn)性分析和安裝方案研究,研究該平臺在南海北部灣的適應性,為國內邊際油田工程開發(fā)方案提供備選。
選擇南海潿洲區(qū)域某油田作為目標油田,該油田設計井數(shù)為3口,其中2口為生產(chǎn)井、1口為注水井,經(jīng)濟年限約6 a,6 a后平臺移位至船廠進行改造更新后再服役下一油田。
平臺設置控制系統(tǒng)、計量設備、化學藥劑設備、應急發(fā)電機、簡易公用系統(tǒng)等。通過海底管道將產(chǎn)液輸送至附近中心處理平臺進行注水,電力通過電纜依托附近平臺,采用鉆井船進行鉆修井。
平臺所在位置設計水深為33.4 m(相對于海圖深度基準面),設計適應水深至40.0 m。由于該平臺為無人簡易平臺,環(huán)境條件選擇五十年一遇極值條件作為生存海況。環(huán)境極值條件如表1所示, 風玫瑰圖和浪玫瑰圖分別如圖2和圖3所示。
表1 環(huán)境極值條件
圖2 風玫瑰圖(年)
圖3 浪玫瑰圖(年)
工程土壤為非常軟到硬的粉質黏土,地質條件如表2所示,參考API RP 2A-WSD[4]方法得到。
表2 工程土壤地質條件[4]
根據(jù)設計基礎和平臺功能,結合已有的國外項目,針對該北部灣油田設計1座帶有鋼絞線牽拉升降系統(tǒng)的桁架可移動式自安裝無人井口平臺,平臺為鋼質非自航,平臺效果圖如圖4所示。平臺由平臺主體、鋼絞線牽拉升降系統(tǒng)、桁架樁腿和基礎等組成。平臺主體為箱形結構,箱形結構平面為長方形。箱體內設壓載水艙、海水艙、淡水艙和機械艙室等。主甲板設簡易處理模塊、注水模塊和工作間等。平臺樁腿為桁架式結構,桁架式樁腿下端與基礎相連,平臺拖航時基礎上表面與箱體下表面基本貼近。桁架式樁腿為四邊形,每個角點設1套鋼絞線牽拉升降系統(tǒng)。升降系統(tǒng)可將平臺主體提升或降下一定高度,待升降至設計高度處,將桁架式樁腿與平臺主體連接固定。
圖4 平臺示例
平臺主體尺寸為33.0 m×32.0 m×4.5 m;中心開口尺寸為16.0 m×16.0 m×4.5 m;桁架式樁腿主尺度為14.0 m×14.0 m×61.5 m,設置5個水平層。平臺樁腿和結構基本形式如圖5所示。平臺基礎尺寸為33.0 m×32.0 m×6.0 m,基礎由沉墊式箱型結構和深裙板兩部分組成,其中:沉墊部分高度為2.0 m,裝滿壓載水;深裙板高度為4.0 m。沉墊和裙板被分為4個獨立部分。平臺基礎如圖6和圖7所示。污水艙、燃油艙、淡水艙、機泵艙設于平臺主體內。
圖5 平臺樁腿和結構示例
單位:m圖6 基礎立面示例
單位:mm圖7 基礎平面分區(qū)示例
經(jīng)測算,平臺空船總質量約3 000 t,其中船體結構770 t、基礎形式880 t、桁架結構640 t、組塊上部設施及船體設施700 t。在在位工況下沉墊內可加入壓載水約1 600 t。在預壓工況下上船體也可完成2 800 t的壓載。保證總預壓工況質量達7 400 t。
目前自升式平臺常見的升降系統(tǒng)包括齒輪齒條升降系統(tǒng)、液壓插銷升降系統(tǒng)、鋼絞線升降系統(tǒng)、浮箱浮力頂升系統(tǒng),其主要區(qū)別和優(yōu)缺點如表3所示。
表3 升降系統(tǒng)選型
考慮到所用的平臺為單一樁腿結構,同時該平臺生產(chǎn)年限(6~8 a)較長、移位較少、水深較淺、對移動速度要求不高,且對工程投資要求高、經(jīng)濟敏感性高,綜合考慮選擇租用鋼絞線升降系統(tǒng),在每次安裝移位時安裝鋼絞線系統(tǒng)進行升降。
根據(jù)平臺重量情況,可配備8臺SJ850鋼絞線千斤頂和4臺液壓泵站,備用1個千斤頂和液壓泵站。采用8根鋼絞線+緩沖裝置進行提升,每根鋼絞線能力約700 t,鋼絞線布置在樁腿4個角,每個角布置2個。
根據(jù)本平臺作業(yè)海域的環(huán)境條件:平臺主體的結構型式(包括平臺主體甲板、主體底板、舷側、縱艙壁)采用縱骨架式;橫艙壁及兩端封板采用橫骨架式;平臺樁腿采用桁架式結構,共設置5個水平層,頂部2個水平層與平臺主體上下表面對齊,桁架樁腿設置相應的X撐以增加強度。
平臺桁架式樁腿結構模擬為三維空間剛架。節(jié)點為剛性連接。在分析時對附屬構件如立管、電纜護管、陽極塊、隔水導管等的環(huán)境條件考慮一定的系數(shù)。
采用基礎四周鉸接的方式模擬邊界條件?;据d荷包括結構自重、設備載荷、活載荷和環(huán)境載荷。上述載荷按API RP 2D[5]和API RP 2A-WSD[4]的定義選取。結構自重和浮力由SACS程序計算。附屬構件的重量采用系數(shù)修正的方法考慮。風、波浪和海流載荷按API RP 2A-WSD[4]規(guī)定的方法,由手工或程序計算。
環(huán)境載荷考慮8個作用方向, 即0°、45.0°、90.0°、135.0°、180.0°、225.0°、270.0°、315.0°。
結構的計算分析表明,主結構構件、樁腿結構以及節(jié)點的名義應力和沖剪應力校核結果全部滿足要求,最大UC值為0.79。
平臺采用濕拖方式運輸,穩(wěn)性校核標準采用Marine Operations and Marine Warranty(DNV GL ST-N001)[6]規(guī)范進行校核。要求如下:完整穩(wěn)心高≥1 m;風傾力矩與抗傾力矩曲線面積比>1.4;正穩(wěn)性范圍>36°。破艙穩(wěn)性要求如下:面積比大于1.4;破艙后穩(wěn)性范圍大于10°。利用MOSES軟件建立水動力模型并進行穩(wěn)性分析校核。
根據(jù)穩(wěn)性要求得到本平臺的許用重心高如圖8所示。由圖8可知,當吃水在3.0 m以上時許用重心高顯著降低,因此應保證吃水小于3.0 m。根據(jù)拖航路線和船廠碼頭水深,設計吃水初步設計為2.5 m,此時得到的穩(wěn)性曲線如圖9所示。經(jīng)校核各角度完整穩(wěn)性符合規(guī)范要求。
圖8 許用重心高隨吃水變化曲線
圖9 吃水2.5 m風向135°條件下穩(wěn)性曲線
根據(jù)規(guī)范對所有需要校核的艙室進行破艙穩(wěn)性校核,結果表明所有破艙穩(wěn)性滿足規(guī)范要求。限于篇幅,表4列出其中部分結果。
表4 破艙穩(wěn)性分析結果
拖航阻力根據(jù)中國船級社《海上拖航指南(2011)》[7]進行校核, 部分內容參考DNV GL-ST-N001[6]。由所得結果可知:在拖航航速為4 kn的情況下,船舶功率需大于1 305 kW。本項目選擇3 730 kW級別拖船為主拖船,滿足要求。
抗壓承載力為吸力樁外側摩擦力與端部承載力之和,即
Q=Qout+Qp
(1)
式中:Q為抗壓承載力;Qout為外側摩擦力;Qp為端部承載力。
基礎入泥深度為4 m,為黏土層,淺基礎端部承載力為
Qp=NccA′
(2)
式中:Nc為承載力因數(shù);c為貫入土層的平均不排水抗剪強度;A′為基礎有效面積。
對于本課題,除考慮偏心作用外,基礎有效面積還需要減去中間槽口面積(14 m×14 m)。
只考慮端部承載力,計算結果如表5所示。
表5 吸力樁抗壓承載力計算結果
由表5可知,平臺抗壓承載力安全因數(shù)滿足規(guī)范對淺基礎的要求(安全因數(shù)>2.0)[8]。根據(jù)Bentley等國外已知項目情況,這類平臺可適應的土質較軟,入泥深度大多為4~7 m。
抗滑移能力分為側面抗滑移穩(wěn)性和底面抗滑移穩(wěn)性。保守起見,只考慮淺基礎的底面抗滑移穩(wěn)性。
基礎入泥深度為4 m,為黏土層,淺基礎抗滑移穩(wěn)性H為
H=cA
(3)
式中:A為基礎面積。計算結果如表6所示。
表6 吸力樁在位抗滑移穩(wěn)性計算結果
由表6可知,平臺在位抗滑移穩(wěn)性安全因數(shù)滿足規(guī)范對淺基礎的要求(安全因數(shù)>1.5)[7]。
以南海北部灣某油田為目標油田,針對一種國外已有應用實例但國內尚未應用的沉墊式可移動井口平臺進行概念設計和分析,結論表明該平臺結構強度、樁腿強度、拖航穩(wěn)性、基礎承載力、抗滑移穩(wěn)性等內容符合規(guī)范與設計要求,該平臺在該區(qū)域具備技術可行性,可作為工程開發(fā)備選方案進行研究。
對于該平臺在南海北部灣的應用,建議如下:
(1) 沉墊基礎的土壤參數(shù)和土壤平整程度是限制該基礎形式能否使用的關鍵因素之一,需進行工程場地詳細勘察和分析。對于沖刷、土壤承載力等因素也應采用試驗、數(shù)值模擬等方法進一步驗證。
(2) 無人化作業(yè)需要機械、電氣、儀控設備進行無人化改造,并增加相應冗余邏輯,對于可能出現(xiàn)危險的工況需要研究自動停產(chǎn)滅火的可行性。
(3) 目前對于可移動生產(chǎn)平臺的規(guī)范還不完善,特別是關于其長時間工作下的設計分析依然按短期生產(chǎn)與鉆井平臺進行考慮,同時塢修時間要求較短也限制了該平臺的入級。
(4) 限制該平臺應用的另一個因素是是否有可經(jīng)濟應用的油田。