井口平臺(tái)與單點(diǎn)一體化方案探討

，，

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300452)

對(duì)于淺水海域油田的開(kāi)發(fā)模式，已經(jīng)在渤海灣得到成功應(yīng)用，主要包括：全海式和半海半陸式。但是這些傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)模式，對(duì)于壽命短，產(chǎn)量低的邊際油田存在經(jīng)濟(jì)性差的缺點(diǎn)，使得很多已經(jīng)探明的邊際油田無(wú)法進(jìn)行開(kāi)采。為此，對(duì)傳統(tǒng)全海開(kāi)發(fā)模式的“井口平臺(tái)+海底管線+單點(diǎn)系泊系統(tǒng)+FPSO”方案(以下簡(jiǎn)稱(chēng)傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式)進(jìn)行優(yōu)化，即將井口平臺(tái)同時(shí)作為塔架式軟剛臂[1]，稱(chēng)之為系泊塔的開(kāi)發(fā)方案。

1 方案簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式系統(tǒng)復(fù)雜，主要由一個(gè)或多個(gè)井口平臺(tái)、海底管線、海底電纜、單點(diǎn)系泊系統(tǒng)和FPSO組成，見(jiàn)圖1。

圖1 傳統(tǒng)模式示意

采用這種傳統(tǒng)的全海式開(kāi)發(fā)模式，相比其它開(kāi)發(fā)模式，具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1)經(jīng)濟(jì)性好，離岸越遠(yuǎn)的油田經(jīng)濟(jì)性越好。

2)投資風(fēng)險(xiǎn)較小，因?yàn)镕PSO可重復(fù)利用，廢棄費(fèi)用低。

3)開(kāi)采設(shè)施與陸地?zé)o關(guān)，免去了許多麻煩和費(fèi)用。

4)海上生產(chǎn)，海上直接銷(xiāo)售，容易管理。

但同時(shí)也有其不足，主要體現(xiàn)在系泊系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜，要求高，我國(guó)沒(méi)有掌握關(guān)鍵技術(shù)，需要進(jìn)口，費(fèi)用較高；初期投資大，經(jīng)濟(jì)門(mén)檻高等。

井口平臺(tái)與單點(diǎn)一體化方案的提出是充分利用傳統(tǒng)方案的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在它的不足之處進(jìn)行優(yōu)化。充分利用軟剛臂系泊系統(tǒng)在渤海灣成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)省去一個(gè)單點(diǎn)系泊塔架、井口平臺(tái)與單點(diǎn)之間的海底管線和海底電纜，見(jiàn)圖2。

圖2 井口平臺(tái)與單點(diǎn)一體化示意

2 關(guān)鍵技術(shù)

對(duì)于井口平臺(tái)與單點(diǎn)一體化方案，大部分內(nèi)容是在傳統(tǒng)模式的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)的，其關(guān)鍵技術(shù)在于修井方案、同步旋轉(zhuǎn)和系泊小車(chē)方案等。

2.1 修井方案

油田修井作業(yè)對(duì)本方案的影響較大，由于FPSO的風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)，圍繞井口平臺(tái)360°旋轉(zhuǎn)。按照傳統(tǒng)方案，單點(diǎn)系泊YOKE頭與系泊塔的主軸承相連。直接在平臺(tái)上布置井口，無(wú)法實(shí)現(xiàn)FPSO在線修井作業(yè)。為了解決這個(gè)技術(shù)難題，本方案提出了旋轉(zhuǎn)頭與系泊YOKE分離的方式，將傳統(tǒng)方案的主軸承進(jìn)為在井口平臺(tái)主甲板外緣設(shè)置一個(gè)大直徑的滑軌，在系泊YOKE頭部設(shè)置一個(gè)與滑軌配合的系泊小車(chē)，見(jiàn)圖3。

圖3 滑軌和系泊小車(chē)示意

對(duì)于修井機(jī)的布置，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要可以采用在平臺(tái)上布置修井機(jī)，修井作業(yè)時(shí)不受天氣影響，不用解脫或固定FPSO；也可以采用修井船進(jìn)行修井作業(yè)。

修井機(jī)方案通過(guò)在井口平臺(tái)上設(shè)置修井機(jī)模塊,單點(diǎn)系泊點(diǎn)設(shè)置在生產(chǎn)甲板上，生產(chǎn)旋轉(zhuǎn)接頭配置在修井機(jī)井架頂上，井口平臺(tái)在修井作業(yè)時(shí)，不用解脫FPSO, FPSO可隨海流和風(fēng)浪等因素引起的旋轉(zhuǎn)作360°轉(zhuǎn)動(dòng)，不影響油田正常生產(chǎn)作業(yè)。見(jiàn)圖4。

圖4 修井機(jī)方案示意

無(wú)修井機(jī)方案先采用拋錨或拖輪將FPSO固定，然后采用自升式鉆/修井平臺(tái)進(jìn)行修井作業(yè)，在不用解脫FPSO的情況下可以進(jìn)行鉆/修井作業(yè)，且不影響油田的正常生產(chǎn)作業(yè)。見(jiàn)圖5。

圖5 無(wú)修井機(jī)方案示意

結(jié)合現(xiàn)役油田修井作業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，將兩種修井機(jī)布置方案進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表1。

表1 兩種修井方案比較

2.2 系泊小車(chē)方案

傳統(tǒng)方案中，系泊頭與導(dǎo)管架之間通過(guò)主軸承實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的旋轉(zhuǎn)，見(jiàn)圖6。

圖6 傳統(tǒng)模式主軸承與YOKE頭布置

一般主軸承的直徑為2 m左右，位于旋轉(zhuǎn)頭下方。在井口平臺(tái)與單點(diǎn)一體化方案中，考慮到井口的布置(修井架)，F(xiàn)PSO在旋轉(zhuǎn)頭過(guò)程中，YOKE頭會(huì)與井口上部設(shè)備撞擊，如果在平臺(tái)上布置修井機(jī)，YOKE根本無(wú)法避讓。如果要將井口完全布置在軸承內(nèi)圈以?xún)?nèi)，根據(jù)初步設(shè)計(jì)，主軸承的直徑至少需要20 m，這在技術(shù)上和成本上都很難實(shí)現(xiàn)。所以考慮采用系泊滑軌和系泊小車(chē)相結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)原來(lái)的原理，環(huán)形滑軌采用不對(duì)稱(chēng)的組合工字鋼結(jié)構(gòu)形式，見(jiàn)圖7。

2.3 同步旋轉(zhuǎn)問(wèn)題

在傳統(tǒng)方案中，系泊YOKE、系泊頭和旋轉(zhuǎn)頭的外環(huán)是通過(guò)剛性連接的，F(xiàn)PSO受環(huán)境力作用，帶動(dòng)YOKE、系泊頭、旋轉(zhuǎn)頭外環(huán)和跨接軟管與電纜一起運(yùn)動(dòng)，自然是同步的。但是，對(duì)于井口平臺(tái)與單點(diǎn)一體化方案來(lái)說(shuō)，系泊頭、跨接軟管和跨接電纜為一體，而YOKE與系泊小車(chē)為一體，二者之間無(wú)法連接在一起，所以在二者之間增加了一套同步選裝系統(tǒng)，其原理見(jiàn)圖8。

圖7 環(huán)形滑軌和系泊小車(chē)

圖8 同步系統(tǒng)控制示意

為了實(shí)現(xiàn)二者之間的同步，考慮預(yù)先設(shè)定角度零度基準(zhǔn)線，通過(guò)#1傳感器檢測(cè)當(dāng)前圓形滑軌上的系泊小車(chē)的轉(zhuǎn)角θ1(即FPSO圍繞圓形滑軌旋轉(zhuǎn)偏離該零點(diǎn)基準(zhǔn)線的角位移)，同時(shí)通過(guò)#2傳感器檢測(cè)滑環(huán)偏離該零點(diǎn)基準(zhǔn)線的角度θ2，并將上述角度信號(hào)θ1及θ2送至PLC。PLC作為控制中心接收上述的角度信號(hào)并進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟/停及正/反轉(zhuǎn)動(dòng)作，使得滑環(huán)與系泊小車(chē)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 計(jì)算分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

選取某個(gè)現(xiàn)役邊際油田的環(huán)境參數(shù)和假想FPSO和穿梭油船作為計(jì)算基礎(chǔ)。FPSO和穿梭油船主要參數(shù)見(jiàn)表2，環(huán)境參數(shù)見(jiàn)表3。

將1年一遇環(huán)境條件作為操作工況，50年一遇作為生存工況。

3.2 系泊分析

FPSO采用永久系泊，在生存工況條件下不解脫。用MOSES建立系泊系統(tǒng)各部件(船體、系泊結(jié)構(gòu)、系泊腿、軟剛臂、系泊導(dǎo)管架)的模型，設(shè)定每個(gè)部分的初始狀態(tài)，聯(lián)接系統(tǒng)所有部件，建立船體板格模型并用三維繞流理論建立船體水動(dòng)力數(shù)據(jù)庫(kù)，模擬系泊系統(tǒng)在風(fēng)浪流作用下的響應(yīng)并考慮以下因素的影響(FPSO 同向風(fēng)浪流相對(duì)于FPSO 的不同攻角和不同的環(huán)境重現(xiàn)期)；然后對(duì)系泊系統(tǒng)在風(fēng)浪流作用下的響應(yīng)進(jìn)行時(shí)域模擬，并參數(shù)化地考慮了風(fēng)浪流方向和重現(xiàn)期的影響。計(jì)算得出最大系泊力見(jiàn)圖9。

表2 FPSO及穿梭油船參數(shù)

圖9 風(fēng)浪流工況下最大系泊力

要素重現(xiàn)期/a151025501003 s陣風(fēng)風(fēng)速/(m·s-1)26.832.034.537.639.942.21 min平均風(fēng)速/(m·s-1)21.625.827.730.232.133.910 min平均風(fēng)速/(m·s-1)19.223.024.826.928.630.2有效波高H1/3/m3.23.84.14.44.75.0有效波周期T1/3/s7.27.78.28.69.09.4平均跨零周期Tz/s6.36.77.17.57.98.2最大波高Hmax/m5.66.67.17.78.28.6波譜峰值周期Tp/s7.98.48.99.49.910.3最大波周期Tm/s9.710.411.111.712.212.7表層流速/(cm·s-1)134147154161167173中層流速/(cm·s-1)129140146152158163底層流速/(cm·s-1)103112116121125129

3.3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

3.3.1 導(dǎo)管架模塊結(jié)構(gòu)分析

導(dǎo)管架及上部模塊結(jié)構(gòu)根據(jù)專(zhuān)業(yè)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件SACS建立模型[2-3]，SACS結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖10。其中，圓形滑軌是建立在模型的分析中的。

圖10 導(dǎo)管架SACS模型

為了便于建模計(jì)算，修井甲板以上模塊的力和彎矩在模型中都簡(jiǎn)化到了甲板上，樁腿的設(shè)計(jì)作為單獨(dú)文件輸入到SACS中。模型的計(jì)算載荷如下。

1)導(dǎo)管架和上部模塊所有結(jié)構(gòu)的重量。

2)包括防腐鋅塊和底部防塵板的附屬件重量。

3)上部模塊設(shè)備重量。

4)上部模塊活動(dòng)載荷。

5)修井包重量，包括操作狀態(tài)和風(fēng)暴狀態(tài)9個(gè)井位的不同工況組合。

6)從0～360° 八個(gè)角度(每45°一種)的系泊力。

7)從0～360° 八個(gè)角度(每45°一種)的風(fēng)浪流載荷。

在SACS中輸入數(shù)據(jù)并進(jìn)行工況組合，計(jì)算得到平臺(tái)在操作工況及生存工況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度UC值(計(jì)算應(yīng)力/許用應(yīng)力)都小于1。所以，所有桿件和節(jié)點(diǎn)包括小車(chē)滑軌的強(qiáng)度是滿(mǎn)足要求的。

小車(chē)滑軌垂直方向最大轉(zhuǎn)角為0.08°，小車(chē)滑軌梁變形較小，每1 m長(zhǎng)度最大垂向變形為1.4 mm。

導(dǎo)管架樁腿入泥深度72 m，外徑1 219 mm，其承載能力滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，在操作工況下樁腿承載能力的安全系數(shù)大于2.0；而在生存工況下樁腿承載的安全系數(shù)大于1.5。因此，樁腿承載能力符合規(guī)范要求。

3.3.2 系泊小車(chē)結(jié)構(gòu)分析

系泊小車(chē)的主要承力構(gòu)件是滾輪和軸。滾輪承受力，滾輪軸承受彎矩。因此，本文通過(guò)分析小車(chē)的滾輪和軸的受力情況從而選定其型號(hào)。

1)水平承載滾輪系統(tǒng)分析。系泊小車(chē)主要受力部分見(jiàn)圖11，系泊小車(chē)主要承受來(lái)自FPSO水平及垂直方向上的兩個(gè)作用力，即水平力FH=4 000 kN(最大系泊力)，垂直力FV=1 500 kN(軟剛臂系統(tǒng)的保守自重)。

圖11 小車(chē)受力簡(jiǎn)圖

(1)垂直力FV在系泊小車(chē)內(nèi)上A點(diǎn)和外下B點(diǎn)產(chǎn)生水平反力。

(2)FPSO的水平拉力FH全部作用在系泊小車(chē)內(nèi)下E點(diǎn)。

(3)FPSO拖著系泊小車(chē)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，系泊小車(chē)下體即系泊小車(chē)內(nèi)下C點(diǎn)和外下D點(diǎn)需克服水平力(4 000 kN)和垂直力(1 500 kN)在小車(chē)上產(chǎn)生的摩擦力F2、-F2。

由上述受力的簡(jiǎn)單分析可以綜合得到A～E點(diǎn)的水平反力，進(jìn)而可以得到系泊小車(chē)水平承載滾輪的最大受力F。設(shè)計(jì)中保證小車(chē)有8套這樣的水平滾輪，為保守計(jì)算，可以假設(shè)僅6個(gè)承受載荷，則每個(gè)水平滾輪的承載力為F÷6，每個(gè)滾輪軸的危險(xiǎn)截面的彎矩為Mmax=FL÷6÷4(L為滾輪軸距)。由此可以選定水平承載滾輪系統(tǒng)。

2)垂直承載滾輪系統(tǒng)分析。軟剛臂垂直方向的載荷FV=1 500 kN，主要由系泊小車(chē)垂向滾輪，即頂部滾輪軸及軸承來(lái)承受，總計(jì)有16根滾輪軸，保守考慮假設(shè)僅12根滾輪軸承受荷載，則每根滾輪或滾輪軸所承受的力為FV÷12，則軸危險(xiǎn)截面的彎矩為Mmax=FV×(L÷12)÷4。由此可以選定垂直承載滾輪系統(tǒng)。

可以用同樣的道理分析系泊小車(chē)的其它鋼結(jié)構(gòu)。

綜上所述，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的初步分析結(jié)果表明，井口平臺(tái)在操作工況及生存工況下，都能滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求。

4 工程費(fèi)用

井口平臺(tái)與單點(diǎn)一體化方案作為一個(gè)開(kāi)發(fā)邊際油田的創(chuàng)新性方案，比傳統(tǒng)方案有著明顯的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1)節(jié)省了井口平臺(tái)到單點(diǎn)導(dǎo)管架之間的海底管線和海底電纜的采辦和安裝費(fèi)用。一般情況下，井口平臺(tái)距離單點(diǎn)導(dǎo)管架的距離為1.5 km。

2)節(jié)省了一個(gè)導(dǎo)管架。經(jīng)過(guò)初步估算，井口平臺(tái)與單點(diǎn)一體化方案費(fèi)用大約為傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)方案費(fèi)用的70%。對(duì)于滾動(dòng)開(kāi)發(fā)邊際油田的重復(fù)建設(shè)方面，具有更加明顯的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論

綜上所述，井口平臺(tái)與單點(diǎn)一體化方案是開(kāi)發(fā)邊際油田的模式，在技術(shù)上是可行的，同時(shí)在投資上可以大大節(jié)省投資成本。對(duì)于滾動(dòng)開(kāi)發(fā)邊際油田，在油田的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)中具有更加明顯的優(yōu)勢(shì)。但是，由于其同步旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)還未得到工程實(shí)際應(yīng)用的驗(yàn)證，需要更加深入的研究，以確保系統(tǒng)的安全。

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