錦州9-3油田極淺水分體式導管架安裝方案分析

肖 輝,薄 昭

[中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300452]

0 引 言

隨著我國海洋石油事業的不斷發展，海上油田數量日益增多，海上油田開發所面臨的條件也在日趨多樣化和復雜化[1-2]。現階段，渤海油田作為我國海洋石油開發生產的主陣地，在實現對其高效開發的同時，更應積極從中積累經驗，為我國海洋石油事業可持續發展增加技術儲備。

導管架常用的海上就位方式有立式吊裝下水安裝方法、平吊下水-漂浮-扶正安裝方法、滑移下水安裝方法和漂浮法安裝方法[3-6]。其中立式吊裝下水安裝方法有導管架體積小、適用水深淺和結構緊湊等優點，是渤海地區常用的導管架海上就位方式。

甲板組塊常用的海上就位方式有浮托法和吊裝。浮托法因具有海上調試時間短、整裝重量大和不依賴起重船資源的優點而被廣泛應用于渤海油田中心平臺的組塊安裝作業[7]。但是浮托法組塊安裝方式的出現對導管架的設計提出了新的要求,即導管架的設計必須考慮浮托船舶進退船對導管架槽口寬度和深度的要求。

本文以錦州9-3油田CEPD平臺導管架海上安裝為工程實例，介紹了極淺水分體式導管架立式吊裝方案的比選及優化過程。由于該平臺導管架屬于極淺水分體式，故海上安裝方案設計難度較大，其成功投產是我國海洋石油開發技術不斷提高的寫照，更是我國海洋石油開發的重要技術儲備。

1 項目簡介

錦州9-3油田CEPD平臺為8腿8樁導管架中心井口平臺，水深8.9 m，屬于極淺水范疇，組塊操作重量約20 000 t，安裝重量約10 500 t，采用浮托法安裝。出于對浮托法在技術上和風險控制方面的考慮，導管架需具備40 m軸距槽口寬度和至少8.6 m水下空間。所以錦州9-3油田CEPD平臺結構形式由兩個獨立4腿導管架組成(如圖1所示)，工作點尺度為(14+40+14)×20 m，2軸和3軸中心間距40 m，其間無連接結構。

由于該平臺兩個獨立4腿導管架相距40 m，樁腿豎直而且無過渡段設置，因此導管架的定位精度高低定了樁的相對位置是否準確，也就決定了導管架能否與組塊順利完成對接。亦即，兩組樁的相對定位精度是選擇該導管架海上就位方式時必須考慮的因素。若偏差過大，將會對后續組塊設計、建造及安裝帶來諸多不便，嚴重影響工程進度、施工質量和平臺安全[8]。這也是該項目與常規導管架的最大不同之處。因此，為錦州9-3油田CEPD極淺水分體式導管架選擇合適的結構形式和安裝方法對于保證項目順利進行和平臺結構安全意義重大[4，9]。

圖1 錦州9-3油田CEPD分體式導管架Fig.1 Split-jacket of JZ 9-3 CEPD

2 極淺水分體式導管架安裝方案比選

錦州9-3油田CEPD平臺導管架安裝設計難度在于它是極淺水分體式導管架。為更高效完成該導管架的安裝設計，本項目首先根據眾多已有的平臺安裝方案初步確定參考方案，再通過參考方案間的對比與優勢互補確定導管架安裝方案。

表1 極淺水分體式導管架安裝參考方案匯總

通過篩選、排查和分析已有平臺導管架安裝方案，結合錦州9-3油田CEPD平臺為極淺水分體式導管架的實際情況，本項目最終確定了五個參考方案進行下一步分析研究。錦州9-3油田CEPD平臺中極淺水分體式導管架安裝參考方案描述及示意圖見表1。

分析研究導管架安裝參考方案是初步確定極淺水分體式導管架安裝方案的基礎。依據本項目實際情況，確定導管架安裝方案需要考慮的主要分析因素包括：定位精度、技術成熟度、操作難度、結構穩定性、海上施工時間和經濟性。錦州9-3油田CEPD極淺水分體式導管架5個安裝參考方案的主要因素分析見表2。

表2 參考方案分析因素對照表

通過對比優選表2中5個導管架安裝參考方案，可初步確定錦州9-3油田CEPD平臺中極淺水分體式導管架的安裝方案。考慮到定位樁相距約70 m，定位樁自身的定位精度難于保障，導管架就位后的精度不高；頂底雙層桁架方案中底部的桁架處于泥面位置，切除難度過大，不具備可操作性；頂部桁架方案需要使用雙船聯合作業，在吊點布局、桁架拆除、位移控制、導管架腿頂部切割處理方面存在較大難度，工期可控性差；濕托方案未有先例，技術成熟度低，需要通過實驗驗證結合數值模擬后才能進行實際項目操作，不滿足項目的工期限制。由于上述原因排除了方案一、方案三、方案四和方案五。

方案二(雙側獨立框架方案)有定位精度高、技術成熟度高、操作難度低以及經濟性適中的優點并伴有結構穩定性較低和海上施工時間較長的缺點。綜合分析方案二的優勢和劣勢，結合當前技術發展，本項目研究認為方案二從經濟上和技術上都較為可行，且在后續設計過程中可以對其不足之處進行優化和改良，故錦州9-3油田CEPD平臺極淺水分體式導管架安裝方案將以方案二作為基礎。

分析造成方案二結構穩定性低的原因是A軸和B軸外側的獨立框架的抗扭剛度過多地依靠主連接桿件的剛度和與主結構連接節點的剪切強度。通過各方案間的對比和優勢互補，可將方案一和方案五的整體框架引入方案二，使得兩個獨立的單片通過桁架連接成為空間框架(如圖2所示)，使其結構穩定性得到加強。錦州9-3油田CEPD極淺水分體式導管架的初步安裝方案為：在兩個獨立導管架中間設置空間桁架結構，亦即在安裝階段導管架由三個各自獨立的結構組合而成。分析造成方案二海上施工時間長的原因是工作量較大，并非技術難度大。故本文將從產生海上施工工作量的每一個環節進行分析，從而減少海上施工時間，實現極淺水分體式導管架安裝方案的優化。

圖2 錦州9-3油田CEPD導管架安裝(吊裝)結構示意圖Fig.2 Mounted structure (lifting) schematic for JZ 9-3 CEPD jacket

3 極淺水分體式導管架安裝方案優化

錦州9-3油田CEPD平臺極淺水分體式導管初步安裝方案確定后，方案的優化工作將圍繞如何有效減少海上施工時間即海上安裝工作量展開。

分析該項目中產生海上施工工作量較大且可優化的內容主要包括：拆除吊點，拆除水下臨時框架與主結構連接節點，拆除水上臨時框架斜撐與主結構的連接節點和二次起吊臨時框架。本項目對以上內容進行了逐一分析，有效縮短了海上施工時間，優化了極淺水分體式導管架安裝設計方案[10]。

3.1 拆除吊點

拆除吊點的工作量根據吊點位置的不同而不同。若吊點置于水面以上則需要進行切除，原因在于其影響其他附屬結構安裝。若吊點置于水面以下則可以免于拆除，從而節省大量時間。當吊點置于水面以下時也衍生出掛鎖困難和脫扣困難的問題。經過對工作量和費用的綜合考慮，最終決定將吊點置于水下并引入鎖具平臺和液壓卡環以發揮其節約時間的優勢。

3.2 拆除水下臨時框架與主結構連接節點

拆除水下臨時框架與主結構連接節點形成的工作量會因節點形式不同而不同。當臨時框架對導管架的連接采用剛性連接時，其限位作用達到6個自由度約束，連接節點處需要進行水下切割，工作量大且工序復雜；當臨時框架對導管架的連接采用鉸接時，其限位作用只形成2個自由度約束，導管架就位后只需要進行水下拔除即可，工作量會大幅減少。考慮到臨時框架對導管架的限位作用使用2個自由度約束即可滿足要求，因此該項目引入與裙裝套筒類似的結構實現對導管架的限位約束。此方案既達到了面內約束的功能，又實現了快速解脫，在減少海上施工時間的同時也降低了施工難度。考慮到泥沙進入套筒有可能阻礙插尖端部的拔除作業，故在套筒內灌注固態潤滑脂，以降低拔除作業難度。

3.3 拆除水上臨時框架與主結構的連接節點

拆除水上臨時框架斜撐與主結構連接節點形成的工作量與連接節點的形式有直接的關系。若連接節點用圓管連接則每個節點需要進行兩個環形切割且需要后續的防腐作業；若引入與船體艙壁甲板加強結構類似的肘板結構連接每個節點只需要一道直線切割以及少量防腐作業。經過數值模擬分析，肘板連接釋放的面外彎矩不對結構整體性能產生影響，于是本項目用與船體艙壁加強結構類似的肘板結構連接每個節點以減少切割和防腐工作時間。

3.4 二次起吊臨時框架

臨時框架起吊時可能會與主結構發生碰撞，破壞防腐涂裝，從而衍生出附加工作量。因此，本項目在臨時框架與主結構對應的一側增加了橡膠墊以規避風險，提高其可靠性，有效地規避了可能的海上額外施工量。

圖3 錦州9-3油田CEPD平臺Fig.3 JZ 9-3 CEPD platform

至此，本項目通過分析海上施工各環節，成功實現了對錦州9-3油田CEPD平臺極淺水分體式導管架安裝設計方案的優化。錦州9-3油田CEPD平臺(如圖3所示)的成功安裝和油田的順利投產有效證明了該方案的合理性及可行性。

4 結 語

導管架就位是海上平臺施工中非常重要的環節和步驟。本文以錦州9-3油田CEPD平臺為工程實例，對極淺水分體式導管架的安裝方案進行了比選分析，并進一步圍繞如何有效減少海上施工時間(海上安裝工作量)展開了方案優化分析，最終確定了該項目極淺水分體式導管架采用雙側獨立框架方案進行海上安裝。該平臺的成功投產為我國海洋石油開發中導管架的海上就位方式提供了一種新模式，對我國海洋石油技術發展起到了積極的促進作用。

[1] 王飛瓊，趙春明，程明佳，等. 渤海油田開發過程控制及效果 [J]. 中國海上油氣，2012(6)：34.

[2] 章海亮,董科. 波浪非線性對導管架平臺疲勞壽命評估的影響[J]. 船舶工程，2015 (11)：34.

[3] 王文科. 深水導管架的海上安裝設計分析[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2006.

[4] 朱高偉. 導管架的設計安裝與安全管理探討[J]. 化工管理，2015 (16)：106.

[5] 俞銳. 導管架下水技術[D].大連：大連理工大學，2006

[6] 葉永彪,高峰,張行,等. 大直徑超長樁海上吊裝技術與應用[J]. 海洋工程裝備與技術，2015，2(1)：60.

[7] 范模,易叢,白雪平,等.大型組塊浮托安裝關鍵技術研究及在我國的應用進展 [J]. 中國海上油氣，2013(6)：98.

[8] 王麗勤，李達，王忠暢，等.一種適用于極淺水域大型組塊浮托安裝的新型導管架型式——以錦州9-3油田為例[J].中國海上油氣，2015(2):108.

[9] 李達，易叢，白雪平.超大型平臺安裝試驗研究——以荔灣3-1氣田中心平臺為例[J]. 中國海上油氣，2012(1):85.

[10] 韓士強，魏佳廣，李文博，等.文昌19-1N油田導管架安裝技術[J]. 海洋工程，2014 (5)：85.