三立柱型半潛式平臺上部組塊總體布置研究

郝孟江，王 晉，何艷飛，杜國強，楊 光

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2. 北京高泰深海技術有限公司，北京 100029)

三立柱型半潛式平臺上部組塊總體布置研究

郝孟江1，王 晉2，何艷飛2，杜國強1，楊 光1

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2. 北京高泰深海技術有限公司，北京 100029)

三立柱型輕型半潛式生產平臺是一種新型平臺，具有優秀的經濟性和安全可靠性，可在深水海域進行生產和鉆井作業。三立柱平臺與傳統的四立柱生產平臺相比，具有平臺整體利用率高、總成本低等特點。針對該半潛式平臺的特點，對平臺的上部組塊總體布置要點進行研究，為今后南海深水邊際油田開發做好技術儲備，并可為類似平臺的設計提供一定借鑒和參考。

半潛式平臺；三立柱；上部組塊；總體布置

0 引 言

世界上第一座半潛式生產平臺誕生于1981年初，由一座半潛式鉆井平臺改裝而成，其作業水深118 m，排水量僅為18 995 t。統計發現，近20年是半潛式生產平臺的發展高峰，目前全世界已有53座半潛式生產平臺投入使用，此數量遠高于張力腿平臺(TLP)、深吃水立柱平臺(Spar)和順應塔式平臺的數量，其中歐洲的北海及美洲的墨西哥灣和巴西海域是應用半潛式生產平臺最為廣泛的海域[1]。

1996年3月，我國第一座半潛式生產平臺“南海挑戰號”投產于南海流花11-1油田。“南海挑戰號”由一艘1975年建造的半潛式鉆井平臺改裝而成，其作水深為310 m，設計排水量為28 379 t。目前我國已能設計建造3 000 m水深作業的半潛式鉆井平臺，但深水作業的半潛式生產平臺尚處于研發階段。

排水量小于30 000 t的輕型半潛式生產平臺，具有成本低，便于建造、安裝，適用水深范圍廣等特點。特別是對于300～1 000 m中等深水范圍的中小型或邊際油氣田，與其他平臺形式(如TLP或Spar)相比，具有更好的經濟性和靈活性。綜合考慮投資成本、工作水深范圍、井口數目、建造及海上安裝等因素，輕型半潛式生產平臺經常是中小型或邊際油氣田開發的首選方案。以南海潛在深水邊際油氣田開發項目為依托，擬設計一座與“南海挑戰號”浮式生產系統(FPS)功能及工作荷載相似，具有濕樹采油和鉆井功能的三立柱輕型半潛式生產平臺。

針對該三立柱型半潛式生產平臺，本文對其上部組塊的總體布置進行了研究，提供了一套適用于三立柱型半潛式平臺上部組塊的布置方案，可為相關工程設計人員提供一定參考。

1 三立柱型半潛式平臺主要構成及基本特征

研究的三立柱型半潛式平臺主要由上部組塊、下浮體(包括環形浮箱和立柱)、系泊系統(包括系泊纜等)等幾類設施構成。其中，上部組塊布置生產設施、生活設施、公用設施及鉆井設施；而下浮體主要提供浮力，內部設有壓載水艙，可通過排水使平臺上浮；立柱是連接浮箱和上部組塊的結構，一般為大直徑立柱，以保證平臺穩性；系泊系統為平臺的定位系統，是保證半潛式平臺在海上進行正常生產作業的重要設備。圖1為其主要構成部分。

圖1 半潛平臺主要構成Fig.1 Essential facilities of semi-submersible platform

綜上所述，半潛式平臺作為一種海上浮式平臺，對上部組塊的重量重心非常敏感，而上部組塊的總體布置對其重量重心起著決定性的作用。因此，研究半潛式平臺上部組塊的總體布置意義重大。

2 上部組塊總體布置研究

2.1 總體布置原則

該平臺的主功能為生產平臺，配備鉆修井機進行鉆修井作業。平臺通過回接水下濕式井口，在平臺上部組塊進行油處理、生產水處理，處理后的原油外輸至周邊的浮式生產儲卸裝置(FPSO)?？傮w布置就是合理確定各種設備設施的位置，使其既能滿足生產作業的需要及平臺安全的要求，又能滿足半潛式平臺總體性能的需求。總體布置的原則主要如下：(1)上部組塊的總體布置應滿足國內、國際相關規范要求。(2)針對大的油田區域開發方案、海域確定的環境條件等確定平臺方位，綜合考慮工作船的停靠和直升飛機的安全起降等因素[2]。(3)布置確保安全生產，設計時將油氣處理設備所在的危險區與公用系統區域、電氣房間及生活樓區域等進行隔開布置。(4)總體布置合理，最好地滿足鉆井、修井、采油及工藝流程的需要，操作安全、可靠、經濟。(5)設備布置時，考慮逃生路線及所有設備的操作和維修空間，救生設備放置在安全且能順利到達的位置，使工作人員能盡快安全脫離平臺。(6)滿足平臺總體性能的需求，總體布置中要考慮使平臺的總重心不超過允許值，從而平衡平臺結構受力，使平臺總體性能達到最佳[3]。

2.2 總體布置方案

2.2.1 研究內容

按照半潛式平臺的總體布置原則，從諸多方面進行了研究工作，主要內容如下。

(1) 平臺方位確定。根據該輕型半潛式平臺所處海域的風、浪、流等環境條件情況，確定了該平臺的平臺北為真北偏東45°；生活樓及飛機甲板布置在平臺北側，為上風向；原油處理設備、火炬臂及排煙的電站設備等布置在平臺南側，為下風向。

(2) 安全區域劃分。為了確保安全生產，根據該輕型半潛式平臺配備的設施及功能，將平臺分為幾個區域進行布置。其中，西南角為危險區，主要布置原油處理及外輸、生產水處理、化學藥劑、火炬系統及火炬臂等危險設施；東南角為非危險區，主要為公用設備區，布置海水系統、消防系統、應急電站等設備；北側為非危險區，主要為生活區，布置了生活樓及飛機甲板、電儀房間等設施。

(3) 生產設施布置。根據平臺的主工藝系統流程，需將原油處理合格后進行增壓外輸，據此將需要的主工藝處理設備進行集中優化布置，便于保證工藝流程的合理性。

(4) 公用設施布置。根據平臺配備的公用系統設備，為充分利用船體艙容，將柴油系統、淡水及飲用水系統設備布置在下浮體立柱內；海水系統、消防系統、應急機組、氮氣及壓縮空氣系統等公用設施布置在東南角區域，另一臺消防泵及生活污水裝置布置在生產甲板北側。

(5) 供電方案及電儀房間布置。為最大化地降低輕型半潛式平臺上部組塊的重量，并充分利用平臺周邊的依托設施，該平臺不配備獨立的主電站，主電源通過周邊FPSO設置的主電站提供；半潛式平臺上部組塊配備一臺應急發電機組、一臺ESSENTIAL發電機組及一臺臺風發電機組以提供應急電源；配備的電氣儀表等房間的根據其實際功能及特點進行優化布置。

(6) 重量重心控制。為了控制該輕型半潛式平臺的重量，除鉆井設施外，盡可能將較重設備布置在下浮體立柱的上方或附近，該布置方案可使結構的受力較好，實現了減小結構梁尺寸的目的，從而降低結構的重量。在控制重心方面，根據平臺各個設施的統計重量，將設備設施按照其重量均勻布置在平臺的三個邊角，以保證平臺的總重心不超過允許值。同時根據設備的實際布置情況，在承載能力較低的生產甲板中部區域不設置甲板，不僅能降低費用，還能直接減少結構鋼材的重量。

(7) 鉆井設施布置。根據平臺配備的鉆井設施，考慮濕式采油樹相關配套設施的需求，如鉆井立管張緊器、儲存的鉆機立管、水下防噴器組及其下方裝置、升降補償裝置及導向裝置等，詳細估算了鉆井設施的占地面積。由于在鉆井工況下鉆機的操作重量較大，為保證平臺的總體重心滿足要求，將配備的50鉆機布置在主甲板的中部區域。

(8) 平臺排放系統優化。完善優化了平臺的開排系統和閉排系統。開排系統分為危險區開排系統和非危險區開排系統，每個系統均由開排罐、開排泵過濾器和開排泵組成，兩個系統分別接受來自危險區和非危險區的排放液；閉排系統設備有閉排罐和閉排泵。閉排系統布置于生產甲板上，開排系統懸掛在生產甲板西南角的下方。

2.2.2 方案說明

基于上述總體布置原則及項目研究內容，確定上部組塊總體布置方案為兩層甲板布置方案，分別為主甲板及生產甲板。總體布置根據平臺設施的功能將其分區布置，主甲板分為四個區域布置，生產甲板分為三個區域布置。圖2為平臺立面視圖。

圖2 半潛式平臺立面視圖Fig.2 Elevation view of the semi-submersible platform

主甲板分為四個區域布置，甲板面積約為5 500 m2。主甲板北側為生活樓區域；中部為鉆井設施區域；西南角為鉆井配套設施區域及焊工房、油漆間區域；東南角為氮氣、公用氣處理設施及水下機器人(ROV)系統區域。該甲板根據需求布置了三臺吊機，火炬臂布置在西南角區域。主甲板總體布置如圖3所示。

生產甲板分為三個區域布置，面積約為2 350 m2。生產甲板北側為一小塊甲板，主要布置了電儀房間、生活污水處理設施及消防泵等設備；中部為中空區域，不設置甲板；西南角為主工藝處理設備區域；東南角為公用設備處理區域。三個區域通過環形通道連接，生產甲板下方懸掛開排設備。生產甲板總體布置如圖4所示。

3 結 語

我國南海蘊藏著豐富的油氣資源，亟待開發。同時，南海海域環境條件惡劣，臺風、內波頻發，給浮式平臺的運行及操作維修帶來了很大的挑戰。相對于Spar平臺的建造安裝資源限制及TLP平臺的風險不確定性，本文研究的三立柱型輕型半潛式生產平臺具有成本低、便于建造安裝、適用水深范圍廣等特點，具有更好的經濟性和靈活性，特別是對于300～1 000 m中等深水范圍的中小型或邊際油氣田，有著廣闊的應用空間。

圖3 主甲板總體布置Fig.3 General layout of main deck

隨著建設海洋強國國家戰略的推進，我國也在積極研究尋找適宜南海環境的深海采油平臺結構形式。結合南海實際項目，參考流花11-1 FPS近20年的運維作業經驗[4]，研究開發一套適用型的深水平臺技術有非?，F實的意義，也可為后續項目的實施提供技術積累和方案的借鑒。

圖4 生產甲板總體布置Fig.4 General layout of production deck

[1] 范模. 深水半潛式生產平臺總體設計思路與應用前景[J]. 中國海上油氣，2012，24(6)：54.

[2] 《海洋石油工程設計指南》編委會．海洋石油工程設計概論與工藝設計[M]. 北京：石油工業出版社，2007．

[3] American Bureau of Shipping. ABS rules for building and classing mobile offshore drilling units [S]. 2012.

[4] 杜慶貴, 馮瑋, 時忠民, 等. 半潛式生產平臺發展現狀及應用淺析[J]. 石油礦場機械，2015，44(10)：72.

GeneralLayoutofTopsideofSemi-SubmersiblePlatformwithThreeColumns

HAO Meng-jiang1, WANG Jin2, HE Yan-fei2, DU Guo-qiang1, YANG Guang1

(1.OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China;2.COTECOffshoreEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100029,China)

The production platform with three columns is a new type of platform. It has good economical efficiency, safety and reliability, and can perform production and drilling in deep water. Compared with the traditional semi-submersible platform with four columns, the new type platform holds the advantages of high utilization and low total cost. According to the characteristics of the semi-submersible platform, we study the general layout of topside of the three-column platform, which can reserve technology for the future development of the deepwater marginal oilfield in the South China Sea, and provide reference for the design of similar platforms.

semi-submersible platform; three columns; topside; general layout

2016-11-11

郝孟江(1983—)，男，工程師，主要從事平臺總體布局與管道設計方面的研究。

U674.38+1

A

2095-7297(2016)06-0346-04