老齡鉆井平臺改造為采油平臺技術可行性分析

歐陽麗虎，韋曉強，劉劍楠

(中海油能源發(fā)展采油服務公司，天津 300457)

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老齡鉆井平臺改造為采油平臺技術可行性分析

歐陽麗虎，韋曉強，劉劍楠

(中海油能源發(fā)展采油服務公司，天津 300457)

按照船級社移動平臺規(guī)范，以一個實際老齡自升式鉆井平臺為例，對改建方案和改造后的總體性能、整體強度、安全性及油田適應性進行分析論證，進行結構加強，以保證老齡平臺運營期間的生產作業(yè)安全。

老齡鉆井平臺；采油平臺；邊際油田；改建；開發(fā)

目前國際石油價格低迷，全球各大能源企業(yè)紛紛采取措施降低運營成本。在這種大背景之下，本文所述的老齡鉆井平臺改造為采油平臺進行邊際油田的開發(fā)在經濟性方面顯示出明顯的優(yōu)勢。已經有國內學者開展了平臺改造方面可行性的相關研究工作[1]。國內船舶檢驗機構也給出了相關的指導性文件[2]。對海上鉆井平臺的生產和生活設施進行不同規(guī)模和形式的改造，以實現(xiàn)新建平臺與現(xiàn)有平臺的有序銜接，最終達到穩(wěn)產、增產和節(jié)能減排的目的[3-4]。在平臺的使用年限內以經濟、高效的開發(fā)為原則，同時應當考慮可行性和安全性[5-6]。

根據(jù)南海某邊際油田開發(fā)要求，并結合某自升式平臺特點，編制某自升式平臺改造方案，以適應于南海某邊際油田開發(fā)要求。主要介紹原某自升式平臺的改造工程，此平臺主要由主體、樁腿、樁靴、鉆臺及滑動系統(tǒng)、生活樓、吊機等組成。

1 平臺改造總體思路

原某自升式鉆井平臺整體改造將保留原平臺船體結構、樁腿、升降系統(tǒng)、吊機、生活設施及壓載艙室，并根據(jù)油田生產需求平臺由鉆井平臺改造為油氣處理平臺，重新劃分部分原鉆井用設備艙室、危險區(qū)，主甲板新增設油氣處理系統(tǒng)等。改造方案主要涉及原平臺鉆井設施的拆除、原柴油發(fā)電系統(tǒng)的部分封存、新增配電設備、消防設備、安全儀控設備、油氣處理系統(tǒng)及注水系統(tǒng)等。平臺改造后其基本性能，如穩(wěn)性、結構強度、預壓載、升降能力、整體強度等滿足中國船級社對平臺重大改建的檢驗及入級要求[7]。該自升式平臺為移動自升式桁架樁腿鉆井平臺，主要參數(shù)見表1。

表1 改建平臺主要參數(shù)

2 平臺改造方案

2.1 原平臺功能裝置的拆除

原平臺為鉆井平臺，改造后平臺功能為井口支持及油氣處理平臺，因此原平臺鉆井功能模塊須拆除，主要包括：

1)井架、鉆臺及設備(含鉆臺橫向移動及縱向移動軌道，位于主甲板艉部)。

2)泥漿凈化模塊(位于主甲板艉部右舷)。

3)鉆桿堆場支架及護欄(位于主甲板中部)。

4)重晶石、膨潤土及水泥罐4個(位于主甲板中部)。

5)拆除泥漿泵艙內的相關設備(包含泥漿泵、駁運泵、高壓管線等)，為注水泵提供空間。

6)拆除泥漿池及相關設備(包含攪拌器、泵、探測設備等)，并進行改造為生產水緩沖艙及注水緩沖艙。

7)拆除配電間內鉆井配電設備(位于配電艙內)。

8)其他包含鉆井、輪機、電氣、舾裝相關的結構、管線、電纜等。

上述拆除部分合計重量約1 020 t。

2.2 平臺改造布置

主要設備布置考慮危險區(qū)劃分、系統(tǒng)設備模塊化、避免艙室開艙等。

1)主甲板。拆除原平臺主甲板設備(含鉆臺及井架、鉆臺縱桁移動、主甲板鉆桿堆場、泥漿凈化模塊、水泥灰罐等)，并在原平臺井口槽區(qū)域增補甲板，提供主甲板可利用面積約700 m2。用于布置油氣處理系統(tǒng)、生產水處理系統(tǒng)、新增配電系統(tǒng)等。其中油氣處理系統(tǒng)、生產水處理系統(tǒng)布置于平臺艉部，新增配電系統(tǒng)放置于平臺中部。考慮危險區(qū)劃分，油氣處理系統(tǒng)、生產水處理系統(tǒng)與艏部生活區(qū)、新增配電系統(tǒng)之間設相應的隔離墻。

2)注水泵艙。注水泵200 m3/d(一用一備)，設備及相關配套設備較多，在主甲板上布置較為困難，故注水泵布置于原泥漿泵艙，并布置反沖洗泵、注水增壓泵等。

3)生產水緩沖艙及注水緩沖艙。布置于原平臺泥漿艙，其中生產水緩沖艙容積85 m3、注水緩沖艙85 m3。考慮艙室危險區(qū)劃分，在緩沖艙與機械艙室之間增加1.5 m寬隔離空艙。

4)井口支持。原平臺井口槽位置設井口支撐保護架，滿足8口井的井口支持要求。

5)消防泵。由于在主甲板布設油氣處理及注水系統(tǒng)，消防面積較原平臺增大，增設泡沫消防泵及水噴淋消防泵各1臺，在油氣處理區(qū)及注水系統(tǒng)區(qū)域布設相應的消防炮。

6)甲板室。對原居住、生活、工作用功能艙室進行適當改造，改造后滿足50人的生活居住需要。

7)其他。在原泥漿輔助泵艙內增設制氮橇及氮氣緩沖罐，在原主機艙內增設儀表風空氣緩沖罐；原救生消防系統(tǒng)，照明、通信、控制及探測等系統(tǒng)的部分設備經適當修理或改造后，可滿足現(xiàn)行規(guī)范及使用要求。

2.3 改造后平臺重量估算

原平臺空船重量6 100 t，作業(yè)可變載荷1 800 t，合計作業(yè)載荷7 900 t；改造后平臺空船重量約5 830 t，可變載荷(含淡水、生產水、注水、生產過程的流體、柴油、潤滑油、生活用料、生活污水及海水等)約1 560 t。相比于原平臺空船重量降低約270 t，可變載荷降低約240 t，作業(yè)工況較原鉆井工況降低約510 t。

2.4 結構改造2.4.1 井口隔水管平臺

原平臺艉部井口槽(15.8 m×12 m)底部，設置井口保護支撐架，井口保護支撐架采用半2組合結構，與周圍船體結構采用鉸連接，便于井口保護架的拆除及連接。井口保護支撐架滿足8口井(間距2 m)的支撐保護要求。井口保護支撐架結構進行有限元強度校核，滿足百年一遇環(huán)境條件下的強度要求。

2.4.2 井口槽甲板

為提高平臺主甲板的可利用面積，原平臺井口槽位置增設甲板，并預留8口井的連接空間。預計增加甲板面積約150 m2。新增甲板采用板梁組合結構。新增井口槽甲板結構強度滿足支撐上部設備載荷的需求，并進行強度校核分析。

2.4.3 泥漿艙改造

平臺原泥漿艙內泥漿池及相關設備拆除，泥漿艙改造為生產水緩沖艙及注水緩沖艙。為考慮生產水緩沖艙的安全要求，在原泥漿艙與配電艙之間增加隔離空艙(同時增設橫艙壁)。生產水緩沖艙及注水緩沖艙周圍艙壁改造為水密結構。

對原泥漿艙周圍艙壁進行強度校核，并根據(jù)強度校核情況對周圍艙壁進行局部加強，須滿足規(guī)范[7]要求。

2.4.4 直升機平臺改造

原某自升式平臺直升機平臺滿足S-61直升機起降要求，根據(jù)油田開發(fā)招標文件，改造后續(xù)滿足S-92直升機起降要求。改造中須對原直升機平臺甲板進行改造，并進行直升機平臺結構強度校核計算，并根據(jù)應力情況，確定直升機平臺直升機支撐結構是否需要改造。以滿足現(xiàn)行規(guī)范[7]的要求。

2.4.5 海底電纜及海管登臨及保護結構

在樁腿內設海底電纜及海管接駁及保護結構，能夠實現(xiàn)海底電纜及海管的快速接駁及拆裝，強度滿足規(guī)范[7]要求。

2.5 配電系統(tǒng)改造

2.5.1 改造后平臺設備電制

原平臺未拆除設備電制不變，60 Hz，包括升降系統(tǒng)、空壓機、生活污水處理、照明、潛水電泵、安全探測及儀控等。新增原油處理系統(tǒng)、生產污水處理系統(tǒng)、化學藥劑注入系統(tǒng)、潛油電泵、制氮橇塊等電制采用50 Hz。新增泡沫消防泵及水噴淋消防泵電制采用60 Hz。

2.5.2 主供電方案

改造后平臺在作業(yè)時：采用海底電纜供電，新增原油處理系統(tǒng)、生產污水處理系統(tǒng)、化學藥劑注入系統(tǒng)、潛油電泵、制氮橇塊等設備經變壓器變壓及配電后供電；原平臺上未拆除的設備、新增泡沫消防泵及水噴淋消防泵經變頻器、變壓器變頻至60 Hz及相應電壓后，配電系統(tǒng)分配供電。改造后平臺升降時：預留2臺原平臺柴油發(fā)電機組(其余2臺柴油發(fā)電機組封存)供電。原平臺柴油發(fā)電機組功率為1 200 kW，滿足升降系統(tǒng)供電需求，平臺主供電方案見圖1。改造后平臺拖航時：采用預留的一臺原平臺柴油發(fā)電機組供電。

圖1 平臺主供電系統(tǒng)方案

2.5.3 應急供電方案

原平臺應急負荷約為173 kW，新增消防負荷約為120 kW(1臺泡沫消防和1臺噴淋泵及電伴熱)，平臺應急負荷計算見表2。

表2 平臺應急工況負荷計算

根據(jù)該平臺資料，其應急機功率為275 kW，不能滿足需求，須更換1臺應急機，選用一臺400 kW的應急發(fā)電機。相關應急機房、燃油柜、滑油系統(tǒng)及供油系統(tǒng)響應提升改造。

2.6 儀控系統(tǒng)改造

該平臺由鉆井平臺改為采油平臺，增加了相應的工藝流程和工藝設備，相應的儀控系統(tǒng)也要進行整改，主要是過程控制系統(tǒng)、火氣系統(tǒng)、應急關斷系統(tǒng)的硬件、軟件、現(xiàn)場儀表及電纜數(shù)量和敷設的改造。

2.7 工藝系統(tǒng)改造

2.7.1 原油處理系統(tǒng)

平臺主甲板布置有化學藥劑注入橇塊、計量加熱器、生產加熱器、閉排罐橇塊、生產及測試管匯、計量分離器、三相分離器、氣浮機、核桃殼過濾器等設備；泵艙設有注水增壓泵，注水泵，反沖洗泵各兩臺。正常生產時井口區(qū)生產的流體分別進入計量管匯和生產管匯。需計量的生產井流體(定期)進入計量分離器進行計量。其他各井來液經生產管匯進入生產加熱器加熱后進入三相分離器處理，分離出部分含油污水后，原油含水率小于50%進入海底管線混輸。原油處理系統(tǒng)考慮原油組分中CO2及H2S，相關設備須具有相應的防腐要求。

2.7.2 生產污水處理系統(tǒng)

原油處理系統(tǒng)分離出的含油污水經過生產水處理系統(tǒng)處理，達到注水指標后作為注水水源實現(xiàn)回注，改進后的污水處理系統(tǒng)設計處理能力為4 800 m3/d。生產污水處理采用三級處理，第一級為生產水艙，第二級為氣浮機，第三級為核桃殼過濾器。處理合格的污水首先輸至凈化水艙，然后作為注水水源實現(xiàn)回注。不達標的生產污水將通過注水增壓泵回輸至生產水艙重新處理。經氣浮機處理后的生產水進入核桃殼過濾器再進一步處理。用于反沖洗核桃殼過濾器的水由凈化水艙供給，反沖洗后排出的含油污水靠自壓流至生產水艙。在凈化水艙上部設收油裝置，以便收集長期累積的少量污油，對收集的污油靠自身重力流入生產水艙。

2.8 公用系統(tǒng)功能

平臺的公用系統(tǒng)主要設有化學藥劑注入系統(tǒng)、開式排放系統(tǒng)和閉式排放系統(tǒng)。

2.8.1 化學藥劑注入系統(tǒng)

為了保證油品的正常輸送、生產、減緩設備和管線的腐蝕及注水水質要求，采用6種化學藥劑：破乳劑、防腐劑、降粘劑、除氧劑、絮凝劑、防垢劑。各種化學藥劑分別通過在各自的儲罐中加入淡水或柴油，充分攪拌后由注入泵打到各注入點。

化學藥劑注入系統(tǒng)由儲罐、藥劑泵及攪拌器組成，整個系統(tǒng)安裝成橇。化學藥劑注入泵(計量泵)是能夠準確控制注入量的容積式泵，且工作范圍較寬，在泵的入口管線上設有一個校準儀表以檢驗計量泵的精確度。

化學藥劑注入系統(tǒng)的設備、管線均應進行保溫和伴熱以防止冬季凍結，化學藥劑儲罐設有電伴熱裝置。由于各油氣田之間的物性差別較大，加之不同的化學藥劑其性質和作用機理不同，且可能存在化學藥劑之間相互影響的情況。化學藥劑種類和注入量需要經過實驗室進行篩選，再通過生產現(xiàn)場進行試驗，以最終選擇出用量最小、效果最好、沒副作用且好保管、無毒又經濟的化學藥劑。

2.8.2 開式排放系統(tǒng)

開式排放系統(tǒng)由甲板地漏、各設備的開式排放口、開式排放管線、水封、開式排放管匯、污油水艙和開式排放泵組成。來自各個設備開式排放的液體依靠自身重力自流進入污油水艙，該系統(tǒng)的配管上設有水封以防互串。

開式排放系統(tǒng)主要用來收集、處理和排放溢出液、設備冷卻冷凝水、甲板雨水和沖洗水。平臺生產區(qū)甲板水收集進污油水艙。平臺生產區(qū)的液體進入污水艙處理。開始降雨15 min內，危險區(qū)和非危險區(qū)收集的雨水進入污油水艙，15 min后切換閥門直接排海。為了防止雜質進入污油水艙，在開排管匯U形彎的上游安裝了籃式過濾器過濾雜質。為了防止生產水艙的危險氣體回竄到平臺，U形彎內水封的高度應大于污油水艙的設計壓力。

2.8.3 閉式排放系統(tǒng)

閉式排放系統(tǒng)主要包括閉式排放罐和閉排泵。罐內設有液位控制開關，液位的高低可控制閉式排放泵的啟停，正常運行時，當液位升到設定的高液位值時，泵自動開泵，將罐內液體泵出，當液位降到低液位值時，自動停泵。

作為平臺的生產安全泄壓系統(tǒng)，主要收集平臺上帶壓容器、管線等排放出的帶壓流體，當達到一定的液位時，分出凝液經閉排泵打入海底管線。

2.9 輪機系統(tǒng)改造

2.9.1 消防設備改造

根據(jù)改造后應急負荷的校核，原平臺所配置的275 kW應急發(fā)電機組已不能滿足應急需求，須更換新應急發(fā)電機組(400 kW，60 Hz)，位置不變，同時對其相關的滑油、燃料柴油供給設備進行升級。

平臺原油消防泵(2臺120 m3/h)不變，其對應原消防區(qū)域不變。由于平臺甲板布置油氣處理工藝區(qū)，消防區(qū)域變大，在原泥漿輔助泵艙內增設泡沫消防泵及水噴淋消防泵各1臺(200 m3/h)，在油氣處理區(qū)及注水系統(tǒng)區(qū)域布設相應的消防炮，實現(xiàn)對油氣處理工藝區(qū)進行消防。對相應消防系統(tǒng)進行改造。

2.9.2 CO2系統(tǒng)改造

CO2對象主要為平臺機械艙室，原有未變動艙室CO2系統(tǒng)不變；由于改造中配電艙(增加變頻柜、配電柜等)、散料艙(內增變壓器)、泥漿輔助泵艙(內增消防泵、制單設備等)，其CO2系統(tǒng)須重新布置，并滿足規(guī)范[7]的要求。

2.9.3 制氮系統(tǒng)

平臺原輔助泵艙內增設1臺制氮機橇塊及氮氣儲氣罐，該橇塊產生的氮氣用于對平臺生產水緩沖艙、主甲板油氣處理設備(如三相分離器等)實施氮氣保護，以及平臺工藝系統(tǒng)的吹掃。

3 改造后主要性能分析

1)拖航穩(wěn)性。原平臺空船重量6 100 t，改造后平臺空船重量約5 830 t，相比于原平臺空船重量降低約270 t，拖航過程中可變載荷(原鉆井功能下的固體散料、鉆具等)較改造前均降低，平臺干舷變大，對平臺拖航穩(wěn)性有利；同時，改造后拆除了井架及滑動系統(tǒng)，使平臺重心高度有所下降，對平臺拖航穩(wěn)性有利；綜合上述因素及拖航環(huán)境條件，平臺改造后拖航穩(wěn)性優(yōu)于改造前。

2)抗傾穩(wěn)性。由于作業(yè)區(qū)域風速及作業(yè)水深較平臺原設計工況降低，產生的傾覆力矩較原平臺設計工況大幅度下降；波流載荷產生的傾覆力矩較原平臺降低。綜合考慮，平臺改造后抗傾穩(wěn)性能較原平臺有所改善。

3)預壓能力。改造后平臺重量下降，作業(yè)及自存工況下對地壓力降低，對平臺的預壓載能力要求隨之降低。改造后平臺保留了原平臺壓載系統(tǒng)，與原平臺具有同等的壓載能力因此改造后預壓能力滿足使用要求。

4)拔樁能力。平臺改造后空船重量下降，干舷高度變大，提供了更高的拔樁浮力，提升了平臺的拔樁能力，因此拔樁能力滿足要求。

4 后期油田開發(fā)的適應性分析

針對后期進行開發(fā)的A、B、C等邊際油田，對某老齡自升式自升式鉆井平臺改建后對上述油田的適應性進行分析，見表3。

通過上述對比分析，某自升式按開發(fā)邊際油田需求改建后，對A、B、C油田的開發(fā)具有較強的適應性。但在伴生氣含重烴方面，B油田相對于其他區(qū)域較高，須進行適當升級。

表3 邊際油田適應性分析

針對平臺改造提出如下建議：①大型設備(如泥漿泵、注水泵)進、出艙時，須采用開艙處理，對大開口進行必要的加強，以避免結構變形及局部結構的破壞。設備進艙后需進行恢復，保證改造后平臺結構強度優(yōu)于原平臺；②針對后期開發(fā)(A、B、C)的開發(fā)，改造中可考慮采用新增原油發(fā)電機進行供電，其優(yōu)點在于：可以重復使用，靈活性較強，避免油田滾動開發(fā)過程中重復鋪設海底電纜。

5 結論

老齡鉆井平臺設備拆除更換、結構調整后，結構強度滿足要求，電力供應充足，采油工藝可行，公共系統(tǒng)和輪機系統(tǒng)滿足功能需求。而且，改造后平臺的拖航、預壓等穩(wěn)性性能進一步改善，充分滿足后續(xù)油田的開發(fā)需要。綜上所述，老齡鉆井平臺改造為采油平臺進行邊際油田開發(fā)在技術層面上是可行的。

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Technical Feasibility Analysis of Transforming Aged Drilling Platform into Oil Production Platform

OUYANG Li-hu, WEI Xiao-qiang, LIU Jian-nan

(CNOOC Energy Technology & Service-Oil Production Services Co., Tianjin 300457, China)

In accordance with the specification for mobile platform of the classification society, taking an actual aged self elevation drilling platform as an example, the reconstruction project and the overall performance, overall strength, safety and oil field adaptability were analyzed and demonstrated. The analytical results were used to guide the on-the-spot structure strengthen, so as to ensure the operation safety of aged platform.

aged drilling platform; oil production platform; marginal oilfield; reconstruction project; development

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.005

2016-07-10

歐陽麗虎(1978—)，男，學士，工程師

U674.38

A

1671-7953(2016)05-0020-05

修回日期：2016-08-10

研究方向:采油平臺設計及采油工藝

E-mail:ouyanglh@cnooc.com.cn