杨 旭， 周晓东， 窦宏波， 唐丕鑫
(1. 中海油研究总院有限责任公司 工程研究设计院， 北京 100029；
2. 中国石油天然气管道工程有限公司， 河北 廊坊 065000)
南海北部湾存在众多边际油田。这些油田水深一般在40 m以内，合计总储量非常可观。我国对石油和天然气资源的迫切需求使得这些油田的开发十分重要。为把南海边际油田油气储量经济有效地开发起来，必须从技术上突破传统工程开发模式、降低工程投资。
针对边际油田开发，海外研究人员提出一种新型简易井口平台，具有自安装、沉淀基础、结构简单、造价低等特点，可作为无人平台使用。WATSON等[1]提到澳大利亚成功投产的一种新型平台Yolla A, 该平台采用一种无压载深裙板基础形式，入泥深度为5.4 m, 利用隔间的负压实现贯入安装。OOLEY等[2]研究印度尼西亚的Maleo可移动生产平台MOPU (Mobile Offshore Production Unit)，该平台为三腿平台下设1个长方形沉垫基础，沉垫基础中有2个长方形开口。位于北海的Bentley 9/3B区块采用MOPU依托圆筒型FSO(Floating Storage and Offloading)及水下生产系统、导管架的开发模式。MOPU所在水深约109 m，采用中间开口的桁架式桩腿，下部为中间开口的沉垫与深裙板的组合，深裙板可利用负压贯入安装，如图1[3]所示。
图1 Bentley MOPU示例
本文参考国外已有的这些工程实例，以南海北部湾某油田为目标，设计一种简易无人井口平台，该平台具有形式简单、无人化操作、可在一定范围内变化水深、无须动用大型安装资源、可重复利用等优点。对该平台进行总体布置方案研究、主尺度设计和重量估算、平台基础研究、升降系统装置选型、在位工况结构分析、拖航稳性分析和安装方案研究，研究该平台在南海北部湾的适应性，为国内边际油田工程开发方案提供备选。
选择南海涠洲区域某油田作为目标油田，该油田设计井数为3口，其中2口为生产井、1口为注水井，经济年限约6 a，6 a后平台移位至船厂进行改造更新后再服役下一油田。
平台设置控制系统、计量设备、化学药剂设备、应急发电机、简易公用系统等。通过海底管道将产液输送至附近中心处理平台进行注水，电力通过电缆依托附近平台，采用钻井船进行钻修井。
平台所在位置设计水深为33.4 m(相对于海图深度基准面)，设计适应水深至40.0 m。由于该平台为无人简易平台，环境条件选择五十年一遇极值条件作为生存海况。环境极值条件如表1所示, 风玫瑰图和浪玫瑰图分别如图2和图3所示。
表1 环境极值条件
图2 风玫瑰图(年)
图3 浪玫瑰图(年)
工程土壤为非常软到硬的粉质黏土，地质条件如表2所示，参考API RP 2A-WSD[4]方法得到。
表2 工程土壤地质条件[4]
根据设计基础和平台功能，结合已有的国外项目，针对该北部湾油田设计1座带有钢绞线牵拉升降系统的桁架可移动式自安装无人井口平台，平台为钢质非自航，平台效果图如图4所示。平台由平台主体、钢绞线牵拉升降系统、桁架桩腿和基础等组成。平台主体为箱形结构，箱形结构平面为长方形。箱体内设压载水舱、海水舱、淡水舱和机械舱室等。主甲板设简易处理模块、注水模块和工作间等。平台桩腿为桁架式结构，桁架式桩腿下端与基础相连，平台拖航时基础上表面与箱体下表面基本贴近。桁架式桩腿为四边形，每个角点设1套钢绞线牵拉升降系统。升降系统可将平台主体提升或降下一定高度，待升降至设计高度处，将桁架式桩腿与平台主体连接固定。
图4 平台示例
平台主体尺寸为33.0 m×32.0 m×4.5 m；
中心开口尺寸为16.0 m×16.0 m×4.5 m；
桁架式桩腿主尺度为14.0 m×14.0 m×61.5 m，设置5个水平层。平台桩腿和结构基本形式如图5所示。平台基础尺寸为33.0 m×32.0 m×6.0 m，基础由沉垫式箱型结构和深裙板两部分组成，其中：沉垫部分高度为2.0 m，装满压载水；
深裙板高度为4.0 m。沉垫和裙板被分为4个独立部分。平台基础如图6和图7所示。污水舱、燃油舱、淡水舱、机泵舱设于平台主体内。
图5 平台桩腿和结构示例
单位：m图6 基础立面示例
单位：mm图7 基础平面分区示例
经测算，平台空船总质量约3 000 t，其中船体结构770 t、基础形式880 t、桁架结构640 t、组块上部设施及船体设施700 t。在在位工况下沉垫内可加入压载水约1 600 t。在预压工况下上船体也可完成2 800 t的压载。保证总预压工况质量达7 400 t。
目前自升式平台常见的升降系统包括齿轮齿条升降系统、液压插销升降系统、钢绞线升降系统、浮箱浮力顶升系统，其主要区别和优缺点如表3所示。
表3 升降系统选型
考虑到所用的平台为单一桩腿结构，同时该平台生产年限(6～8 a)较长、移位较少、水深较浅、对移动速度要求不高，且对工程投资要求高、经济敏感性高，综合考虑选择租用钢绞线升降系统，在每次安装移位时安装钢绞线系统进行升降。
根据平台重量情况，可配备8台SJ850钢绞线千斤顶和4台液压泵站，备用1个千斤顶和液压泵站。采用8根钢绞线+缓冲装置进行提升，每根钢绞线能力约700 t，钢绞线布置在桩腿4个角，每个角布置2个。
根据本平台作业海域的环境条件：平台主体的结构型式(包括平台主体甲板、主体底板、舷侧、纵舱壁)采用纵骨架式；
横舱壁及两端封板采用横骨架式；
平台桩腿采用桁架式结构，共设置5个水平层，顶部2个水平层与平台主体上下表面对齐，桁架桩腿设置相应的X撑以增加强度。
平台桁架式桩腿结构模拟为三维空间刚架。节点为刚性连接。在分析时对附属构件如立管、电缆护管、阳极块、隔水导管等的环境条件考虑一定的系数。
采用基础四周铰接的方式模拟边界条件。基本载荷包括结构自重、设备载荷、活载荷和环境载荷。上述载荷按API RP 2D[5]和API RP 2A-WSD[4]的定义选取。结构自重和浮力由SACS程序计算。附属构件的重量采用系数修正的方法考虑。风、波浪和海流载荷按API RP 2A-WSD[4]规定的方法，由手工或程序计算。
环境载荷考虑8个作用方向, 即0°、45.0°、90.0°、135.0°、180.0°、225.0°、270.0°、315.0°。
结构的计算分析表明，主结构构件、桩腿结构以及节点的名义应力和冲剪应力校核结果全部满足要求，最大UC值为0.79。
平台采用湿拖方式运输，稳性校核标准采用Marine Operations and Marine Warranty(DNV GL ST-N001)[6]规范进行校核。要求如下：完整稳心高≥1 m；
风倾力矩与抗倾力矩曲线面积比>1.4；
正稳性范围>36°。破舱稳性要求如下：面积比大于1.4；
破舱后稳性范围大于10°。利用MOSES软件建立水动力模型并进行稳性分析校核。
根据稳性要求得到本平台的许用重心高如图8所示。由图8可知，当吃水在3.0 m以上时许用重心高显著降低，因此应保证吃水小于3.0 m。根据拖航路线和船厂码头水深，设计吃水初步设计为2.5 m，此时得到的稳性曲线如图9所示。经校核各角度完整稳性符合规范要求。
图8 许用重心高随吃水变化曲线
图9 吃水2.5 m风向135°条件下稳性曲线
根据规范对所有需要校核的舱室进行破舱稳性校核，结果表明所有破舱稳性满足规范要求。限于篇幅，表4列出其中部分结果。
表4 破舱稳性分析结果
拖航阻力根据中国船级社《海上拖航指南(2011)》[7]进行校核, 部分内容参考DNV GL-ST-N001[6]。由所得结果可知：在拖航航速为4 kn的情况下，船舶功率需大于1 305 kW。本项目选择3 730 kW级别拖船为主拖船，满足要求。
6.1 平台抗压承载力
抗压承载力为吸力桩外侧摩擦力与端部承载力之和，即
Q=Qout+Qp
(1)
式中：Q为抗压承载力；
Qout为外侧摩擦力；
Qp为端部承载力。
基础入泥深度为4 m，为黏土层，浅基础端部承载力为
Qp=NccA′
(2)
式中：Nc为承载力因数；
c为贯入土层的平均不排水抗剪强度；
A′为基础有效面积。
对于本课题，除考虑偏心作用外，基础有效面积还需要减去中间槽口面积(14 m×14 m)。
只考虑端部承载力，计算结果如表5所示。
表5 吸力桩抗压承载力计算结果
由表5可知，平台抗压承载力安全因数满足规范对浅基础的要求(安全因数>2.0)[8]。根据Bentley等国外已知项目情况，这类平台可适应的土质较软，入泥深度大多为4～7 m。
6.2 在位抗滑移稳性
抗滑移能力分为侧面抗滑移稳性和底面抗滑移稳性。保守起见，只考虑浅基础的底面抗滑移稳性。
基础入泥深度为4 m，为黏土层，浅基础抗滑移稳性H为
H=cA
(3)
式中：A为基础面积。计算结果如表6所示。
表6 吸力桩在位抗滑移稳性计算结果
由表6可知，平台在位抗滑移稳性安全因数满足规范对浅基础的要求(安全因数>1.5)[7]。
以南海北部湾某油田为目标油田，针对一种国外已有应用实例但国内尚未应用的沉垫式可移动井口平台进行概念设计和分析，结论表明该平台结构强度、桩腿强度、拖航稳性、基础承载力、抗滑移稳性等内容符合规范与设计要求，该平台在该区域具备技术可行性，可作为工程开发备选方案进行研究。
对于该平台在南海北部湾的应用，建议如下：
(1) 沉垫基础的土壤参数和土壤平整程度是限制该基础形式能否使用的关键因素之一，需进行工程场地详细勘察和分析。对于冲刷、土壤承载力等因素也应采用试验、数值模拟等方法进一步验证。
(2) 无人化作业需要机械、电气、仪控设备进行无人化改造，并增加相应冗余逻辑，对于可能出现危险的工况需要研究自动停产灭火的可行性。
(3) 目前对于可移动生产平台的规范还不完善，特别是关于其长时间工作下的设计分析依然按短期生产与钻井平台进行考虑，同时坞修时间要求较短也限制了该平台的入级。
(4) 限制该平台应用的另一个因素是是否有可经济应用的油田。
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