吳景健

（中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津，300452）

我國是海洋大國，海洋油氣開發(fā)在我國能源戰(zhàn)略中具有極其重要的地位。渤海海域經(jīng)過50多年的開發(fā)建設(shè)，已經(jīng)形成了比較成熟的區(qū)域管網(wǎng)設(shè)施，開發(fā)了很多大中型油田，但仍有很多中小型油田，由于其儲量小、原油物性差、井位比較分散、環(huán)境條件惡劣等特點，成為邊際油田[1]。邊際油田儲量豐富[2]，如果能夠有效開發(fā)，能夠為渤海油田穩(wěn)產(chǎn)3000萬噸、上產(chǎn)4000萬噸貢獻產(chǎn)能。

無人平臺標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計立足于渤海邊際油田開發(fā)，本文在渤海海域眾多無人平臺研究成果的基礎(chǔ)上，梳理渤海無人平臺結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計成果和良好實踐，整理分析渤海無人平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)和一般規(guī)律，為今后邊際油田開發(fā)提供可應(yīng)用成果，以加快渤海油田工程建設(shè)速度和提高油田開發(fā)效率，縮短設(shè)計、采辦及建造周期，降低開發(fā)成本[3]。

1研究思路

以渤海已建無人平臺為基礎(chǔ)，以盡可能滿足整個渤海邊際油田的開發(fā)需求為總的研究思路，結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，確定無人平臺結(jié)構(gòu)型式，選取環(huán)境條件、水深、樁徑、總體布置、井槽配置等關(guān)鍵參數(shù)，研究渤海無人平臺的結(jié)構(gòu)特點，進行無人平臺標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定無人平臺的使用條件，在滿足國家法律、法規(guī)要求和渤海海域現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)體系的前提下，確保設(shè)計成果具有廣泛的適用性，可重復(fù)使用。渤海油田無人平臺結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的技術(shù)路線如下圖所示。

圖 1渤海無人平臺結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化研究技術(shù)路線

2 無人平臺結(jié)構(gòu)特點分析

統(tǒng)計分析渤海現(xiàn)有無人平臺結(jié)構(gòu)型式，可以將渤海小型無人平臺分為三類，包括小型四腿平臺、一體化安裝平臺和筒形基礎(chǔ)平臺[4]，一體化安裝平臺又分為單柱三樁和三柱三樁簡易井口平臺。

渤海使用筒形基礎(chǔ)型式的平臺結(jié)構(gòu)型式較為特殊，如JZ9-3WHPB平臺采用箱形梁結(jié)構(gòu)，CFD18-1WHP平臺采用三腿導(dǎo)管架+筒型基礎(chǔ)型式。筒形基礎(chǔ)對于水平向的承載能力需要格外關(guān)注[5]，尤其是對于渤海油田存在冰區(qū)和地震活動帶的特殊情況，土壤存在液化風(fēng)險，筒形基礎(chǔ)的使用更應(yīng)謹(jǐn)慎。因此在標(biāo)準(zhǔn)化研究中筒形基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)型式不作重點考慮。

2.1 適應(yīng)水深分析

根據(jù)渤海油田平臺處的水深統(tǒng)計情況，如下圖所示，水深范圍為6-32m不等，最小為歧口17-2東平臺位置處水深6.2m，水深范圍主要集中在15-33m之間，占比87.5%。通過以上統(tǒng)計分析，重點研究15-33米水深范圍內(nèi)的無人平臺。

標(biāo)準(zhǔn)化導(dǎo)管架適應(yīng)水深的范圍應(yīng)盡可能大，以減少標(biāo)準(zhǔn)化導(dǎo)管架的類別，同時第一水平層不能太低，以減小波浪拍擊并滿足登船和靠船的需求，水面以下第一水平層設(shè)置不能太高，避免進入飛濺區(qū)。因此標(biāo)準(zhǔn)化導(dǎo)管架適應(yīng)水深的變化設(shè)計為通過上下移動底水平層實現(xiàn)，其他水平層標(biāo)高保持不變。這種方案可以將水面以上導(dǎo)管架主結(jié)構(gòu)尺寸固化，且適應(yīng)水深的調(diào)節(jié)范圍大，大部分主結(jié)構(gòu)可以提前預(yù)制完成，更利于導(dǎo)管架標(biāo)準(zhǔn)化的實現(xiàn)。

圖2 渤海無人平臺水深范圍及適應(yīng)水深方案

2.2 水平層數(shù)分析

通過統(tǒng)計四腿無人平臺水平層數(shù)和水深的關(guān)系，可以看出，導(dǎo)管架的水平層數(shù)與水深大小有直接聯(lián)系，水深越大，水平層數(shù)越多，目前渤海導(dǎo)管架水平層數(shù)分為3層和4層。通過統(tǒng)計分析，本次設(shè)計以25m水深為分界，25m水深以下導(dǎo)管架設(shè)置3層水平層，25m水深以上導(dǎo)管架設(shè)置4層水平層。

圖3 渤海無人平臺水平層數(shù)與水深的關(guān)系

2.3 樁徑分析

對無人平臺樁徑進行統(tǒng)計分析，可以看出，對于小型無人井口平臺，樁基礎(chǔ)有36”，42”，48”三種，其中42”和48”樁徑平臺在以往項目中占比最大，且根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化組塊重控設(shè)計，小型四腿平臺標(biāo)準(zhǔn)化組塊操作重量在900-1400t之間，與統(tǒng)計數(shù)據(jù)中這兩種樁徑平臺最大操作重相當(dāng)。因此，小型無人平臺樁徑采用42”和48”進行設(shè)計。

圖4 渤海無人平臺樁徑統(tǒng)計及樁徑與組塊操作重的關(guān)系

2.4 組塊分析

渤海無人平臺均為依托開發(fā)模式，工藝流程以全液外輸為主，上部組塊設(shè)備較少，不配置鉆/修井機，采用鋼絲/電纜投撈檢泵檢修或鉆井船完成修井工作，不配置生活樓。甲板面積跨度較大，從100-1400m2不等，可覆蓋井槽數(shù)為3-12個，如下圖所示。因此，根據(jù)開發(fā)方式和供電方式的不同，可將無人平臺組塊進行分類，四腿無人平臺可配置6-12個井槽，工作點間距設(shè)為10X10m，單柱方案可配置3個井槽，三柱方案可配置4個井槽。

圖5 渤海無人平臺組塊甲板面積及井槽數(shù)統(tǒng)計

2.5 一體化平臺結(jié)構(gòu)特點

一體化平臺為簡易井口平臺結(jié)構(gòu)型式，結(jié)構(gòu)示意圖如下所示。單柱和三柱的簡易結(jié)構(gòu)設(shè)計可節(jié)省鋼材用量，平臺均采用水下樁作為基礎(chǔ)，可以實現(xiàn)鋼管樁一次性打入，省去海上接樁的環(huán)節(jié)，同時平臺可整體建造和安裝，因此可以極大縮短海上安裝時間。單柱方案的大直徑立柱具有良好的抗冰性能，可以起到保護隔水導(dǎo)管增加平臺安全的作用，適用于渤海冬季冰情較重的區(qū)域，另外可以通過加裝抗冰錐進一步強化抗冰效果。三柱方案的極簡化設(shè)計可以極大降低結(jié)構(gòu)用鋼量，提高邊際油田開發(fā)的經(jīng)濟性。

3 無人平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

3.1 設(shè)計基礎(chǔ)

3.1.1 環(huán)境條件

圖6 一體化平臺結(jié)構(gòu)示意圖

無人平臺標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計所需環(huán)境條件主要包括風(fēng)、波浪、海流、海冰、地震等結(jié)構(gòu)設(shè)計的輸入?yún)?shù)，結(jié)合《中國海海冰條件及應(yīng)用規(guī)定》[6]、《渤海海上油氣田水文氣象設(shè)計參數(shù)區(qū)劃及邊際油氣田環(huán)境條件參數(shù)選取推薦做法》[7]等相關(guān)規(guī)范和以往項目的環(huán)境參數(shù)，初步確定標(biāo)準(zhǔn)化平臺設(shè)計所需的環(huán)境條件，如下表所示。

表1 渤海無人平臺標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計風(fēng)、波、流參數(shù)

將100年重現(xiàn)期的冰厚大于等于65cm的區(qū)域定義為重冰區(qū)，將200年重現(xiàn)期的泥面處水平地震加速度大于等于0.1g的區(qū)域定義為強震區(qū)，對于重冰和強震區(qū)域，冰和地震往往是導(dǎo)管架的環(huán)境控制荷載[8]?？紤]到小型無人平臺的結(jié)構(gòu)剛度較低，因此不考慮平臺應(yīng)用于重冰區(qū)，一體化平臺為簡易平臺設(shè)計，不考慮應(yīng)用于強震區(qū)，因此標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計海冰和地震參數(shù)如下表所示。通過一系列計算分析，最終確定小型無人平臺標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計可使用的環(huán)境邊界條件。

表2 渤海無人平臺標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計海冰參數(shù)

表3 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計地震參數(shù)

3.1.2 組塊重量重心

結(jié)合組塊分類和重控數(shù)據(jù)，選擇組塊類別中操作重最大的組塊進行結(jié)構(gòu)計算，最終確定的三種類型無人平臺的組塊重量重心數(shù)據(jù)如下表所示。

表4 渤海無人平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計組塊參數(shù)

3.2 設(shè)計原則

無人平臺標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計要遵循結(jié)構(gòu)設(shè)計的規(guī)范和準(zhǔn)則，并且與常規(guī)項目要求保持一致，同時還要考慮到標(biāo)準(zhǔn)化平臺的適用性，主要的設(shè)計原則包括[9]：

1) 控制桿件規(guī)格，盡可能少，且飛濺區(qū)以上采用E36鋼材；

2) 節(jié)點設(shè)計為簡單節(jié)點；

3) 每種平臺設(shè)計按各自適應(yīng)的水深范圍取最深、最淺水深進行計算分析；

4) 平臺自重、環(huán)境荷載和設(shè)備設(shè)施荷載均考慮1.1的安全系數(shù)；

5) 四腿平臺導(dǎo)管架和組塊按照沿A/B軸上船，2軸先上船計算；單柱方案和三柱方案采用一體化吊裝裝船；

6) 需確保一體化平臺整體安裝的可實施性；7) 在方案可行的基礎(chǔ)上盡量增加使用效果明確的邊界條件。

3.3 設(shè)計工況

無人平臺標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計工況包括在位和安裝兩類工況[10]，在位工況包括靜力工況、地震工況和疲勞工況，安裝工況包括裝船工況、拖航工況和吊裝工況。

靜力工況包括操作工況和極端工況，分別按照1年重現(xiàn)期和100年重現(xiàn)期環(huán)境條件進行校核。地震工況包括強度水平和韌性水平地震計算，強度水平按照200年地震參數(shù)校核，韌性水平按照1000年地震參數(shù)校核。疲勞分析按照簡化疲勞計算，設(shè)計疲勞壽命為52年。裝船工況包含拖拉力工況、±25mm強制位移工況和支點失效工況。拖航工況采用10°/20°法則計算慣性力。吊裝工況考慮起吊過程中動力放大的影響，與吊點相連桿件動力放大系數(shù)為2.0，其他桿件動力放大系數(shù)為1.35。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)方案

4.1 四腿無人平臺方案

導(dǎo)管架2軸單斜（斜度10：1），1軸雙斜（斜度7.07：1），工作點間距為10X10m，工作點標(biāo)高為EL.(+)8.5m，導(dǎo)管架頂標(biāo)高為EL.(+)7.5m，根據(jù)不同水深設(shè)置不同的水平層?？稍O(shè)置6-12根隔水導(dǎo)管，配置1根電纜護管，3根立管（其中1根預(yù)留），2個靠船件、1個登船臺、以及走道、吊點、防沉板等附屬構(gòu)件。鋼樁直徑為1067mm/1219mm，其中1219mm樁徑主要用于強震區(qū)，

導(dǎo)管架可適應(yīng)水深15-33m，主結(jié)構(gòu)用鋼量介于230-470t之間，安裝重量介于524-858t之間，海上使用1700噸級浮吊安裝就位。

組塊共分為3個系列，井口區(qū)位于平臺東側(cè)，不配置鉆/修井機，不配置生活樓。實際甲板面積介于650-1045m2之間，主結(jié)構(gòu)用鋼量介于210-320t之間，安裝重量介于625-966t之間，海上使用1700噸級浮吊安裝就位。

4.2 單柱方案

單柱三樁為直腿結(jié)構(gòu)，有1根主腿，3根輔樁，主腿立柱直徑4m，三輔樁間距為20m，樁直徑為1067mm。平臺共配置3個井槽，隔水套管置于主腿之內(nèi)。平臺使用鉆井船完成鉆完井工作，無修井機，無生活樓。

單柱方案可適應(yīng)的水深范圍為13-17m，主結(jié)構(gòu)用鋼量介于610-631t之間，安裝重量介于1150-1173t之間，海上采用1700噸級浮吊整體安裝。

4.3 三柱方案

三柱方案主腿軸間距為3.5m，三輔樁間距約9m，鋼樁直徑為1067mm，可配置3-4個井槽，隔水套管置于主腿立柱之內(nèi)。平臺使用鉆井船完成鉆完井工作，無修井機，組塊無生活樓。

三柱方案可適應(yīng)的水深范圍為13.8-22.8m，主結(jié)構(gòu)用鋼量介于208-246t之間，安裝重量介于368-405t之間，海上采用1700噸級浮吊整體安裝。

4.4 校核計算結(jié)果

針對各個方案適應(yīng)水深范圍分別對最大和最小水深進行建模計算，組塊按照系列中最大組塊操作重加載，隔水導(dǎo)管按照可覆蓋最大井槽數(shù)建模，計算模型如下圖所示。

圖7 渤海無人平臺計算模型圖

對無人平臺在位和安裝工況進行校核，計算結(jié)果如下表所示，其中四腿平臺為25m水深計算結(jié)果，單柱方案為17m水深計算結(jié)果，三柱方案為22.8m水深計算結(jié)果。

表5 渤海無人平臺結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

從計算結(jié)果可以看出，四腿無人平臺方案控制工況為在位工況，所有桿件強度可滿足規(guī)范要求，所有節(jié)點可滿足規(guī)范要求，可適用環(huán)境邊界條件為上述環(huán)境條件。單柱方案和三柱方案無人平臺控制工況為安裝工況，桿件強度可以滿足規(guī)范要求，部分節(jié)點UC大于1，需進行加強環(huán)處理，處理后可滿足規(guī)范要求，可適用環(huán)境邊界條件為上述非強震區(qū)的環(huán)境條件。

5 結(jié)論及應(yīng)用

在對渤?，F(xiàn)有無人平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的總結(jié)和分析的基礎(chǔ)上，歸納特點研究趨勢，結(jié)合不同的環(huán)境數(shù)據(jù)和井槽數(shù)量，進行了標(biāo)準(zhǔn)化系列化分類，并對渤海典型無人平臺進行了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，確定了能夠適應(yīng)渤海油田開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化無人平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，主要結(jié)論包括：

1）渤海無人平臺標(biāo)準(zhǔn)化分為三種類型，分別為小型四腿井口平臺、單柱三樁和三柱三樁井口平臺。

2）四腿無人平臺可適用水深15-33m，根據(jù)不同水深設(shè)置3層或4層水平層，樁徑可采用1067mm或1219mm，適用于非重冰區(qū)，可適用于強震區(qū)，導(dǎo)管架主結(jié)構(gòu)用鋼量介于230-470t之間，組塊主結(jié)構(gòu)用鋼量介于210-320t之間。

3）一體化安裝平臺適用于非重冰區(qū)和非強震區(qū)，單柱方案適用水深范圍13-17m，主結(jié)構(gòu)用鋼量介于610-631t之間，三柱方案適用水深13.8-22.8m，主結(jié)構(gòu)用鋼量介于208-246t之間，海上施工可實現(xiàn)一體化安裝，節(jié)省海上工期；

4）實際應(yīng)用過程中，需對比實際項目基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)化無人平臺的可適用范圍，根據(jù)實際項目的環(huán)境數(shù)據(jù)、水深、組塊重量重心等，進行標(biāo)準(zhǔn)化成果應(yīng)用的匹配性分析。由于渤海地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，不同區(qū)域差異大，實際項目確定后，還需根據(jù)給定的地質(zhì)條件，對標(biāo)準(zhǔn)化無人平臺樁基進行復(fù)核。無人平臺標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計為未來新建項目提供了可應(yīng)用成果，可實現(xiàn)平臺快速選型，簡化方案設(shè)計環(huán)節(jié)，具有廣泛的應(yīng)用前景。