謝 彬，譚 越，王春升

（中海油研究總院，北京 100029）

設(shè)計(jì)與研究

邊際油田開(kāi)發(fā)的簡(jiǎn)易平臺(tái)設(shè)計(jì)原則探討

謝 彬，譚 越，王春升

（中海油研究總院，北京 100029）

簡(jiǎn)易平臺(tái)是在特定的油氣工業(yè)發(fā)展歷史條件下產(chǎn)生和發(fā)展的，隨著海洋工程技術(shù)不斷發(fā)展，有必要重新認(rèn)識(shí)簡(jiǎn)易平臺(tái)的核心理念。對(duì)簡(jiǎn)易平臺(tái)和無(wú)人平臺(tái)的定義進(jìn)行論述，提出總體設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一些基本原則。通過(guò)分析指出，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易平臺(tái)不僅僅是進(jìn)行結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)化和質(zhì)量減輕，縮短建設(shè)周期和實(shí)現(xiàn)低成本的海上安裝才是其真正的價(jià)值。

邊際油田；簡(jiǎn)易平臺(tái)；定主；設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)

0 引 言

在低油價(jià)的背景下，許多石油公司和工程公司為節(jié)省開(kāi)支、提高效益，紛紛投入新技術(shù)和新工藝研發(fā)，開(kāi)展簡(jiǎn)易平臺(tái)研究[1]，使得簡(jiǎn)易平臺(tái)技術(shù)快速發(fā)展。

簡(jiǎn)易平臺(tái)是低油價(jià)時(shí)期特殊歷史條件的產(chǎn)物，主要是在海上設(shè)置臨時(shí)或短期性井口保護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，一般用作井口平臺(tái)，不設(shè)置鉆/修井機(jī)，修井作業(yè)不頻繁，作業(yè)水深一般在100m以?xún)?nèi)[2]。簡(jiǎn)易平臺(tái)的這些特點(diǎn)非常符合墨西哥灣邊際油田開(kāi)發(fā)的需求，因此得到了廣泛應(yīng)用，并逐步推廣到北海和東南亞海域。簡(jiǎn)易平臺(tái)發(fā)展至今，其結(jié)構(gòu)類(lèi)型已呈現(xiàn)出多樣化、系列化的特點(diǎn)[3]，但都具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、剛度小、冗余度低、受環(huán)境荷載面積小和甲板承載能力低等特征。

API RP 2A-WSD 第16章“簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)”部分給出簡(jiǎn)易平臺(tái)結(jié)構(gòu)的總則、設(shè)計(jì)荷載和分析、連接節(jié)點(diǎn)和材料的相關(guān)要求，但沒(méi)有從系統(tǒng)上明確其設(shè)計(jì)原則。除了結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求之外，簡(jiǎn)易平臺(tái)更重要的部分體現(xiàn)在上部設(shè)施的設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)化方面，因此簡(jiǎn)易平臺(tái)的概念是建立在平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上的，而不是單一的平臺(tái)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化。雖然不同油氣田有不同的構(gòu)造和特點(diǎn)，不同公司對(duì)邊際油田開(kāi)發(fā)及簡(jiǎn)易平臺(tái)的定義和設(shè)計(jì)有不同的理解，但簡(jiǎn)易平臺(tái)設(shè)計(jì)絕不是單一的結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)化和質(zhì)量減輕，而是一個(gè)系統(tǒng)工程。簡(jiǎn)易的設(shè)計(jì)需平臺(tái)的上部和下部統(tǒng)籌、結(jié)構(gòu)性能和施工方案統(tǒng)籌；簡(jiǎn)易化理念需貫穿于設(shè)計(jì)、建造、安裝和生產(chǎn)作業(yè)的整個(gè)過(guò)程。

簡(jiǎn)易平臺(tái)多為不設(shè)鉆/修井設(shè)施的純井口平臺(tái)，主要應(yīng)用于水深較淺的海域，這些特征限制了其應(yīng)用范圍。隨著油價(jià)不斷波動(dòng)和海洋工程技術(shù)不斷發(fā)展，簡(jiǎn)易平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)生了很多變化。已往簡(jiǎn)易平臺(tái)的作業(yè)水深一般在100m以?xún)?nèi)，國(guó)內(nèi)簡(jiǎn)易平臺(tái)的應(yīng)用主要集中在40m水深范圍內(nèi)；而近年來(lái)隨著海洋工程技術(shù)不斷發(fā)展，國(guó)際上已有作業(yè)水深超過(guò)100m的簡(jiǎn)易平臺(tái)。因此，更加有必要重新認(rèn)識(shí)和理解簡(jiǎn)易平臺(tái)的設(shè)計(jì)理念。

1 簡(jiǎn)易平臺(tái)與無(wú)人平臺(tái)定義的區(qū)別

1.1 簡(jiǎn)易平臺(tái)

根據(jù)《海上固定平臺(tái)安全規(guī)則》[4]中的定義，“簡(jiǎn)易平臺(tái)”系指油氣井?dāng)?shù)不多、不安裝修井機(jī)、上部設(shè)施較少的生產(chǎn)平臺(tái)，其下部結(jié)構(gòu)有以下3種：

1 ) 利用油（氣）井的隔水導(dǎo)管（群）兼做下部支撐結(jié)構(gòu)；

2 ) 節(jié)點(diǎn)等全部或主要利用非焊接的機(jī)械連接方法（如螺栓連接、銷(xiāo)連接、卡子連接等）直接固定于樁/樁導(dǎo)管上；

3 ) 其他型式的簡(jiǎn)易下部結(jié)構(gòu)。

《海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦做法》[5]中并沒(méi)有明確給出簡(jiǎn)易平臺(tái)的定義，僅給出“小型結(jié)構(gòu)”的說(shuō)明：“從總體上講，與常規(guī)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)相比，這些結(jié)構(gòu)沒(méi)有強(qiáng)度儲(chǔ)備和冗余度”。小型結(jié)構(gòu)具有以下1個(gè)或幾個(gè)特征：

1 ) 框架結(jié)構(gòu)，與典型的具有良好支撐的三腿基盤(pán)式平臺(tái)相比，其強(qiáng)度儲(chǔ)備少、冗余度小；

2 ) 自由站立和牽索沉箱平臺(tái)，由1個(gè)大圓柱桿件組成，支撐1口或多口井；

3 ) 將井口隔水導(dǎo)管或自由站立式沉箱通過(guò)焊接、非焊接或非常規(guī)焊接等方法連接并固定，作為結(jié)構(gòu)和/或軸向基礎(chǔ)部件；

4 ) 基礎(chǔ)部件采用螺栓、銷(xiāo)釘或卡箍等方式連接；

5 ) 支撐型沉箱和其他結(jié)構(gòu)，單根結(jié)構(gòu)單元系統(tǒng)是該類(lèi)平臺(tái)的主要構(gòu)件，例如，甲板由單根甲板腿或沉箱支撐。

以上基本上是從下部結(jié)構(gòu)的角度界定簡(jiǎn)易平臺(tái)的概念，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中作為判別簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)是適當(dāng)?shù)?。但是，該理解較為片面，很容易對(duì)簡(jiǎn)易平臺(tái)設(shè)計(jì)產(chǎn)生誤解，更多地追求下部結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單和輕型而忽略平臺(tái)的核心目標(biāo)是要滿(mǎn)足上部設(shè)施的功能要求及負(fù)荷要求。低成本的海上安裝既是降低投資最有效的手段，也是簡(jiǎn)易平臺(tái)設(shè)計(jì)追求的最主要目標(biāo)，而不僅僅是減少用鋼量。

1.2 無(wú)人平臺(tái)

根據(jù)《海上固定平臺(tái)安全規(guī)則》中的定義，“無(wú)人駐守生產(chǎn)平臺(tái)”是指無(wú)人居住的油氣生產(chǎn)井口平臺(tái)。在正常生產(chǎn)條件下，平臺(tái)上無(wú)人進(jìn)行生產(chǎn)操作；在特殊條件下（如檢修、應(yīng)急故障處理、調(diào)查及定期巡檢期間）可登平臺(tái)，但不得在平臺(tái)上住宿。

從上述定義中可看出，其并沒(méi)有用定量的描述來(lái)限定何種平臺(tái)是簡(jiǎn)易平臺(tái)，《海上固定平臺(tái)安全規(guī)則》和《海上無(wú)人駐守生產(chǎn)平臺(tái)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]對(duì)簡(jiǎn)易平臺(tái)的功能進(jìn)行了界定，而《海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦做法》則僅對(duì)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)型式作規(guī)定。

值得注意的是，簡(jiǎn)易平臺(tái)和無(wú)人平臺(tái)是完全不同的2個(gè)概念，簡(jiǎn)易平臺(tái)一般是無(wú)人駐守平臺(tái)，而無(wú)人平臺(tái)能否設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)易平臺(tái)需看其上部設(shè)施的簡(jiǎn)化程度。簡(jiǎn)易的含義不僅僅是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕，更重要的是能采用低成本的施工船舶或鉆井船完成海上安裝。

《海上固定平臺(tái)安全規(guī)則》和《海上無(wú)人駐守生產(chǎn)平臺(tái)設(shè)計(jì)規(guī)范》中都明確規(guī)定簡(jiǎn)易平臺(tái)不設(shè)置修井機(jī)，該要求主要借鑒墨西哥灣的經(jīng)驗(yàn)。然而，我國(guó)海上油氣田有其自身的特點(diǎn)，氣井及自噴油井較少，設(shè)置修井機(jī)在一定程度上是必要的。因此，針對(duì)我國(guó)油氣田生產(chǎn)作業(yè)實(shí)際情況和國(guó)內(nèi)海上安裝船的資源，對(duì)簡(jiǎn)易平臺(tái)的概念開(kāi)展本土化、拓展化和簡(jiǎn)易化研究是必要的。

2 簡(jiǎn)易平臺(tái)設(shè)計(jì)基本原則

以上主要從功能和下部結(jié)構(gòu)2個(gè)方面來(lái)定義簡(jiǎn)易平臺(tái)。從根本上講，功能是第一位的，但一個(gè)功能齊備的平臺(tái)很難成為所謂的“簡(jiǎn)易平臺(tái)”。只有從本質(zhì)上對(duì)上部設(shè)施進(jìn)行質(zhì)量控制，使功能簡(jiǎn)單、工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)化，盡量合理簡(jiǎn)化或取消公用系統(tǒng)等，才能真正實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的簡(jiǎn)易化。

2.1 總體設(shè)計(jì)

對(duì)平臺(tái)上部設(shè)施進(jìn)行簡(jiǎn)化是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的前提，因此在總體設(shè)計(jì)時(shí)需考慮以下因素[6-7]：1) 注重設(shè)計(jì)、制造、安裝及費(fèi)用方面的管理，合理應(yīng)用有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格控制上部設(shè)施的質(zhì)量；2) 甲板和懸臂的大小因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化而有一定的限度，在保證安全生產(chǎn)、操作、維修及逃生的前提下，應(yīng)充分利用有限的甲板面積和空間合理布置；

3 ) 充分利用可依托的外部設(shè)施，盡量簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，一般只設(shè)置計(jì)量設(shè)備，不設(shè)置油氣水處理設(shè)備，氣、液通過(guò)海底管道輸送至所依托的平臺(tái)中；

4 ) 盡量不選用轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，設(shè)備儀表和閥門(mén)宜采用液壓或電動(dòng)型式。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)易平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原理、方法和手段與常規(guī)導(dǎo)管架平臺(tái)并無(wú)區(qū)別，應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范也相同，但需側(cè)重考慮的內(nèi)容有所不同。對(duì)于簡(jiǎn)易平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，應(yīng)著重考慮以下幾個(gè)方面[2,8]。

2.2.1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)選取

選取保守的設(shè)計(jì)參數(shù)勢(shì)必導(dǎo)致結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化和質(zhì)量減輕無(wú)法實(shí)現(xiàn)。就重現(xiàn)期的確定而言，簡(jiǎn)易平臺(tái)與常規(guī)平臺(tái)相同，且均根據(jù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)壽命選擇相應(yīng)重現(xiàn)期的環(huán)境參數(shù)，因此需業(yè)主提供更為準(zhǔn)確的產(chǎn)能和產(chǎn)量預(yù)測(cè)。

2.2.2 結(jié)構(gòu)安裝

簡(jiǎn)易平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安裝方式和施工周期是影響投資的關(guān)鍵因素。為避免采用海上大型浮吊產(chǎn)生較高的海上安裝費(fèi)，將結(jié)構(gòu)的質(zhì)量控制在可用小型起重船或鉆井平臺(tái)進(jìn)行安裝是一種行之有效的方法。有些簡(jiǎn)易平臺(tái)采用水下連接和水下灌漿的安裝方式，需綜合考慮這些安裝方式可能導(dǎo)致的施工天數(shù)增加。

2.2.3 節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)

對(duì)于簡(jiǎn)易平臺(tái)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接，可采用非焊接方式，如螺栓連接等。為提高關(guān)鍵部位的可靠性，可同時(shí)采用2種連接方式。對(duì)于節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)，應(yīng)綜合考慮安全性、經(jīng)濟(jì)性、施工難易程度和平臺(tái)重復(fù)利用性。

2.2.4 附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

安裝小型的附屬構(gòu)件不僅可以節(jié)省預(yù)制費(fèi)，還能簡(jiǎn)化下部結(jié)構(gòu)。例如，使靠船件、登船平臺(tái)和直升機(jī)平臺(tái)等（尤其是位于潮差段的登船平臺(tái)）簡(jiǎn)單和小型化，可有效降低平臺(tái)的荷載。

2.2.5 動(dòng)力響應(yīng)

在設(shè)計(jì)平臺(tái)時(shí)，須對(duì)其結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性予以足夠重視。由于簡(jiǎn)易平臺(tái)結(jié)構(gòu)的剛度較小，動(dòng)力響應(yīng)較明顯。當(dāng)固有周期≥3s時(shí)，應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的動(dòng)力響應(yīng)分析[9]。

2.2.6 疲勞分析

由于平臺(tái)結(jié)構(gòu)的冗余度較小，因此需特別考慮簡(jiǎn)易平臺(tái)疲勞分析。美國(guó)石油學(xué)會(huì)（American Petroleum Institute，API）推薦的做法對(duì)此提出更嚴(yán)格的要求。只有水深＜15m，結(jié)構(gòu)自振周期＜2s時(shí)，才可采用簡(jiǎn)化疲勞分析方法[6]，一般在進(jìn)行簡(jiǎn)易平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)都需進(jìn)行詳細(xì)的疲勞分析。

2.2.7 其他

在進(jìn)行簡(jiǎn)易平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，需控制安全裕量、考慮適度的強(qiáng)度儲(chǔ)備，進(jìn)行倒塌分析。例如，需進(jìn)行可靠度分析，建議參照DNV Classification Notes NO.30.6 “Structural Reliability Analysis of Marine Structures”，采用一次二階矩方法對(duì)構(gòu)件、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和平臺(tái)體系承載力進(jìn)行可靠度分析[9]，一般可靠度指標(biāo)宜＞3.0[6]。

3 結(jié) 語(yǔ)

簡(jiǎn)易平臺(tái)最初是指臨時(shí)或短期性井口保護(hù)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原理、方法和手段與常規(guī)導(dǎo)管架平臺(tái)并無(wú)區(qū)別，應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也相同，總體上看，二者的區(qū)別僅在于強(qiáng)度儲(chǔ)備的多少和冗余度的大小。因此，隨著海洋工程技術(shù)不斷發(fā)展，需重新認(rèn)識(shí)簡(jiǎn)易平臺(tái)的核心理念，即：

1 ) 簡(jiǎn)易平臺(tái)是一個(gè)系統(tǒng)，貫穿于設(shè)計(jì)、建造和安裝的整個(gè)過(guò)程；

2 ) 一個(gè)功能齊備的平臺(tái)很難成為所謂的“簡(jiǎn)易平臺(tái)”；

3 ) 功能簡(jiǎn)單和工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)化，本質(zhì)上對(duì)上部設(shè)施進(jìn)行質(zhì)量控制，即減重；

4 ) 低成本的海上安裝是降低投資最有效的手段，而不僅僅是減少用鋼量。

因此，簡(jiǎn)易平臺(tái)是無(wú)法僅通過(guò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化（尤其是下部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化）來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而是要盡可能地簡(jiǎn)化上部工藝流程及設(shè)施，在確保小型結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性的前提下，使平臺(tái)簡(jiǎn)易化、輕型化，以縮短項(xiàng)目建設(shè)周期和實(shí)現(xiàn)低成本的海上安裝。

當(dāng)前已有多座簡(jiǎn)易平臺(tái)應(yīng)用于渤海及潿洲海域，而國(guó)內(nèi)對(duì)該方面的研究仍局限于40m水深以?xún)?nèi)的較淺水域[10-11]。墨西哥灣和北海的簡(jiǎn)易平臺(tái)都是針對(duì)其所在海域及應(yīng)用油田的特點(diǎn)形成的。我國(guó)南海的邊際油田無(wú)論是環(huán)境特點(diǎn)還是油田的實(shí)際情況，都與墨西哥灣和北海有很多的不同。此外，隨著油價(jià)不斷變化和技術(shù)不斷發(fā)展，簡(jiǎn)易平臺(tái)概念已逐漸擴(kuò)展。因此，為充分開(kāi)發(fā)利用這些邊際油田，必須有針對(duì)性地研發(fā)適用于我國(guó)南海的簡(jiǎn)易平臺(tái)。

對(duì)此，可借鑒國(guó)內(nèi)外一些簡(jiǎn)易平臺(tái)及新型平臺(tái)的概念（如四面體框架積木式平臺(tái)、KUP平臺(tái)、SSF平臺(tái)和TRANSEVER平臺(tái)[12]），采用模塊化的理念將下部基座及其他部分分段模塊化，類(lèi)似于自升式鉆井船圍井及桁架式樁腿的設(shè)計(jì)理念[13]。除底座外，導(dǎo)管架其他部分均采用標(biāo)準(zhǔn)的模塊型式，建造和安裝可在海上分模塊進(jìn)行，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程、提高建造效率，并實(shí)現(xiàn)平臺(tái)下部設(shè)施的全部或部分再利用。綜合而言，該結(jié)構(gòu)具有建造容易、建造周期短、安裝方便、拆遷簡(jiǎn)單、可重復(fù)利用和經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用于南海邊際油氣田開(kāi)發(fā)的簡(jiǎn)易平臺(tái)的研究方向之一。

[1] 《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會(huì).海洋石油工程邊際油田開(kāi)發(fā)技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2010.

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Discussion on Design Philosophy of Minimal Platform for Marginal Oil Field Exploration

XIE Bin，TAN Yue，WANG Chun-sheng

（CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China）

Minimal platform is created and developed with a specific historic background where oil and gas industry has been expanding quickly.As offshore engineering technologies are developing, it is necessary to reacquaint the core concept of minimal platform.This paper introduces the definition of minimal platform and unmanned platform, and proposes the basic principles for the general design and the structural design.After analysis, it points out that minimal platform does not merely mean the structure simplification and weight reduction, but also mean a shortened construction period and a low cost offshore installation, and the latter two are the real value coming from.

marginal oil field; minimal platform; main; design; structure

TE952

A

2095-4069 (2017) 04-0001-04

10.14056/j.cnki.naoe.2017.04.001

2016-04-07

謝彬，男，教授級(jí)高工，碩士，1962年生。主要從事海洋工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、研究和項(xiàng)目管理工作。