邊際油田開發的簡易平臺設計原則探討

謝 彬，譚 越，王春升

（中海油研究總院，北京 100029）

設計與研究

邊際油田開發的簡易平臺設計原則探討

謝 彬，譚 越，王春升

（中海油研究總院，北京 100029）

簡易平臺是在特定的油氣工業發展歷史條件下產生和發展的，隨著海洋工程技術不斷發展，有必要重新認識簡易平臺的核心理念。對簡易平臺和無人平臺的定義進行論述，提出總體設計和結構設計的一些基本原則。通過分析指出，設計簡易平臺不僅僅是進行結構型式簡化和質量減輕，縮短建設周期和實現低成本的海上安裝才是其真正的價值。

邊際油田；簡易平臺；定主；設計；結構

0 引 言

在低油價的背景下，許多石油公司和工程公司為節省開支、提高效益，紛紛投入新技術和新工藝研發，開展簡易平臺研究[1]，使得簡易平臺技術快速發展。

簡易平臺是低油價時期特殊歷史條件的產物，主要是在海上設置臨時或短期性井口保護結構的基礎上發展起來的，一般用作井口平臺，不設置鉆/修井機，修井作業不頻繁，作業水深一般在100m以內[2]。簡易平臺的這些特點非常符合墨西哥灣邊際油田開發的需求，因此得到了廣泛應用，并逐步推廣到北海和東南亞海域。簡易平臺發展至今，其結構類型已呈現出多樣化、系列化的特點[3]，但都具有結構簡單、質量輕、剛度小、冗余度低、受環境荷載面積小和甲板承載能力低等特征。

API RP 2A-WSD 第16章“簡易結構”部分給出簡易平臺結構的總則、設計荷載和分析、連接節點和材料的相關要求，但沒有從系統上明確其設計原則。除了結構的設計要求之外，簡易平臺更重要的部分體現在上部設施的設計和簡化方面，因此簡易平臺的概念是建立在平臺系統設計簡化的基礎上的，而不是單一的平臺結構的簡化。雖然不同油氣田有不同的構造和特點，不同公司對邊際油田開發及簡易平臺的定義和設計有不同的理解，但簡易平臺設計絕不是單一的結構型式簡化和質量減輕，而是一個系統工程。簡易的設計需平臺的上部和下部統籌、結構性能和施工方案統籌；簡易化理念需貫穿于設計、建造、安裝和生產作業的整個過程。

簡易平臺多為不設鉆/修井設施的純井口平臺，主要應用于水深較淺的海域，這些特征限制了其應用范圍。隨著油價不斷波動和海洋工程技術不斷發展，簡易平臺設計技術發生了很多變化。已往簡易平臺的作業水深一般在100m以內，國內簡易平臺的應用主要集中在40m水深范圍內；而近年來隨著海洋工程技術不斷發展，國際上已有作業水深超過100m的簡易平臺。因此，更加有必要重新認識和理解簡易平臺的設計理念。

1 簡易平臺與無人平臺定義的區別

1.1 簡易平臺

根據《海上固定平臺安全規則》[4]中的定義，“簡易平臺”系指油氣井數不多、不安裝修井機、上部設施較少的生產平臺，其下部結構有以下3種：

1 ) 利用油（氣）井的隔水導管（群）兼做下部支撐結構；

2 ) 節點等全部或主要利用非焊接的機械連接方法（如螺栓連接、銷連接、卡子連接等）直接固定于樁/樁導管上；

3 ) 其他型式的簡易下部結構。

《海上固定平臺規劃、設計和建造的推薦做法》[5]中并沒有明確給出簡易平臺的定義，僅給出“小型結構”的說明：“從總體上講，與常規導管架結構相比，這些結構沒有強度儲備和冗余度”。小型結構具有以下1個或幾個特征：

1 ) 框架結構，與典型的具有良好支撐的三腿基盤式平臺相比，其強度儲備少、冗余度?。?/p>

2 ) 自由站立和牽索沉箱平臺，由1個大圓柱桿件組成，支撐1口或多口井；

3 ) 將井口隔水導管或自由站立式沉箱通過焊接、非焊接或非常規焊接等方法連接并固定，作為結構和/或軸向基礎部件；

4 ) 基礎部件采用螺栓、銷釘或卡箍等方式連接；

5 ) 支撐型沉箱和其他結構，單根結構單元系統是該類平臺的主要構件，例如，甲板由單根甲板腿或沉箱支撐。

以上基本上是從下部結構的角度界定簡易平臺的概念，在結構設計中作為判別簡易結構的標準是適當的。但是，該理解較為片面，很容易對簡易平臺設計產生誤解，更多地追求下部結構的簡單和輕型而忽略平臺的核心目標是要滿足上部設施的功能要求及負荷要求。低成本的海上安裝既是降低投資最有效的手段，也是簡易平臺設計追求的最主要目標，而不僅僅是減少用鋼量。

1.2 無人平臺

根據《海上固定平臺安全規則》中的定義，“無人駐守生產平臺”是指無人居住的油氣生產井口平臺。在正常生產條件下，平臺上無人進行生產操作；在特殊條件下（如檢修、應急故障處理、調查及定期巡檢期間）可登平臺，但不得在平臺上住宿。

從上述定義中可看出，其并沒有用定量的描述來限定何種平臺是簡易平臺，《海上固定平臺安全規則》和《海上無人駐守生產平臺設計規范》[6]對簡易平臺的功能進行了界定，而《海上固定平臺規劃、設計和建造的推薦做法》則僅對平臺的結構型式作規定。

值得注意的是，簡易平臺和無人平臺是完全不同的2個概念，簡易平臺一般是無人駐守平臺，而無人平臺能否設計為簡易平臺需看其上部設施的簡化程度。簡易的含義不僅僅是結構簡單、質量輕，更重要的是能采用低成本的施工船舶或鉆井船完成海上安裝。

《海上固定平臺安全規則》和《海上無人駐守生產平臺設計規范》中都明確規定簡易平臺不設置修井機，該要求主要借鑒墨西哥灣的經驗。然而，我國海上油氣田有其自身的特點，氣井及自噴油井較少，設置修井機在一定程度上是必要的。因此，針對我國油氣田生產作業實際情況和國內海上安裝船的資源，對簡易平臺的概念開展本土化、拓展化和簡易化研究是必要的。

2 簡易平臺設計基本原則

以上主要從功能和下部結構2個方面來定義簡易平臺。從根本上講，功能是第一位的，但一個功能齊備的平臺很難成為所謂的“簡易平臺”。只有從本質上對上部設施進行質量控制，使功能簡單、工藝系統簡化，盡量合理簡化或取消公用系統等，才能真正實現平臺的簡易化。

2.1 總體設計

對平臺上部設施進行簡化是實現結構簡化的前提，因此在總體設計時需考慮以下因素[6-7]：1) 注重設計、制造、安裝及費用方面的管理，合理應用有關規范和標準，嚴格控制上部設施的質量；2) 甲板和懸臂的大小因結構簡化而有一定的限度，在保證安全生產、操作、維修及逃生的前提下，應充分利用有限的甲板面積和空間合理布置；

3 ) 充分利用可依托的外部設施，盡量簡化系統設計，一般只設置計量設備，不設置油氣水處理設備，氣、液通過海底管道輸送至所依托的平臺中；

4 ) 盡量不選用轉動設備，設備儀表和閥門宜采用液壓或電動型式。

2.2 結構設計

簡易平臺結構設計的原理、方法和手段與常規導管架平臺并無區別，應用的標準和規范也相同，但需側重考慮的內容有所不同。對于簡易平臺結構的設計，應著重考慮以下幾個方面[2,8]。

2.2.1 設計基礎參數選取

選取保守的設計參數勢必導致結構簡化和質量減輕無法實現。就重現期的確定而言，簡易平臺與常規平臺相同，且均根據平臺的設計壽命選擇相應重現期的環境參數，因此需業主提供更為準確的產能和產量預測。

2.2.2 結構安裝

簡易平臺結構的安裝方式和施工周期是影響投資的關鍵因素。為避免采用海上大型浮吊產生較高的海上安裝費，將結構的質量控制在可用小型起重船或鉆井平臺進行安裝是一種行之有效的方法。有些簡易平臺采用水下連接和水下灌漿的安裝方式，需綜合考慮這些安裝方式可能導致的施工天數增加。

2.2.3 節點連接設計

對于簡易平臺結構構件的連接，可采用非焊接方式，如螺栓連接等。為提高關鍵部位的可靠性，可同時采用2種連接方式。對于節點連接設計，應綜合考慮安全性、經濟性、施工難易程度和平臺重復利用性。

2.2.4 附屬結構設計

安裝小型的附屬構件不僅可以節省預制費，還能簡化下部結構。例如，使靠船件、登船平臺和直升機平臺等（尤其是位于潮差段的登船平臺）簡單和小型化，可有效降低平臺的荷載。

2.2.5 動力響應

在設計平臺時，須對其結構的動力特性予以足夠重視。由于簡易平臺結構的剛度較小，動力響應較明顯。當固有周期≥3s時，應進行詳細的動力響應分析[9]。

2.2.6 疲勞分析

由于平臺結構的冗余度較小，因此需特別考慮簡易平臺疲勞分析。美國石油學會（American Petroleum Institute，API）推薦的做法對此提出更嚴格的要求。只有水深＜15m，結構自振周期＜2s時，才可采用簡化疲勞分析方法[6]，一般在進行簡易平臺設計時都需進行詳細的疲勞分析。

2.2.7 其他

在進行簡易平臺設計時，需控制安全裕量、考慮適度的強度儲備，進行倒塌分析。例如，需進行可靠度分析，建議參照DNV Classification Notes NO.30.6 “Structural Reliability Analysis of Marine Structures”，采用一次二階矩方法對構件、關鍵節點和平臺體系承載力進行可靠度分析[9]，一般可靠度指標宜＞3.0[6]。

3 結 語

簡易平臺最初是指臨時或短期性井口保護結構，其結構設計的原理、方法和手段與常規導管架平臺并無區別，應用的標準規范也相同，總體上看，二者的區別僅在于強度儲備的多少和冗余度的大小。因此，隨著海洋工程技術不斷發展，需重新認識簡易平臺的核心理念，即：

1 ) 簡易平臺是一個系統，貫穿于設計、建造和安裝的整個過程；

2 ) 一個功能齊備的平臺很難成為所謂的“簡易平臺”；

3 ) 功能簡單和工藝系統簡化，本質上對上部設施進行質量控制，即減重；

4 ) 低成本的海上安裝是降低投資最有效的手段，而不僅僅是減少用鋼量。

因此，簡易平臺是無法僅通過結構簡化（尤其是下部結構簡化）來實現的，而是要盡可能地簡化上部工藝流程及設施，在確保小型結構的安全性和可靠性的前提下，使平臺簡易化、輕型化，以縮短項目建設周期和實現低成本的海上安裝。

當前已有多座簡易平臺應用于渤海及潿洲海域，而國內對該方面的研究仍局限于40m水深以內的較淺水域[10-11]。墨西哥灣和北海的簡易平臺都是針對其所在海域及應用油田的特點形成的。我國南海的邊際油田無論是環境特點還是油田的實際情況，都與墨西哥灣和北海有很多的不同。此外，隨著油價不斷變化和技術不斷發展，簡易平臺概念已逐漸擴展。因此，為充分開發利用這些邊際油田，必須有針對性地研發適用于我國南海的簡易平臺。

對此，可借鑒國內外一些簡易平臺及新型平臺的概念（如四面體框架積木式平臺、KUP平臺、SSF平臺和TRANSEVER平臺[12]），采用模塊化的理念將下部基座及其他部分分段模塊化，類似于自升式鉆井船圍井及桁架式樁腿的設計理念[13]。除底座外，導管架其他部分均采用標準的模塊型式，建造和安裝可在海上分模塊進行，以簡化設計過程、提高建造效率，并實現平臺下部設施的全部或部分再利用。綜合而言，該結構具有建造容易、建造周期短、安裝方便、拆遷簡單、可重復利用和經濟性好等優點，是應用于南海邊際油氣田開發的簡易平臺的研究方向之一。

[1] 《海洋石油工程設計指南》編委會.海洋石油工程邊際油田開發技術[M].北京：石油工業出版社，2010.

[2] 張培生，謝彬.簡易平臺工程設計考察報告[R].北京：中國海洋石油總公司，1998.

[3] 王立忠.簡易平臺技術的研究[J].中國海洋平臺，2006, 21 (2): 41-44.

[4] 國家經濟貿易委員會.海上固定平臺安全規則[M].北京：國家經濟貿易委員會，2000.

[5] 國家發展和改革委員會.海上固定平臺規劃、設計和建造的推薦做法－工作應力設計法[M].北京：石油工業出版社，2004.

[6] 中海油研究總院.海上無人駐守井口平臺設計規定[M].北京：中國海洋石油總公司，2013.

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[8] 李玉珊，劉杰銘，賈旭，等.簡易平臺研究—優化結構設計[J].中國海上油氣（工程），1999, 11 (6): 9-12.

[9] 張婧，錢鵬，王慶豐，等.導管架平臺的結構可靠性分析[J].船舶與海洋工程，2015, 31 (5): 29-33.

[10] 趙德廷.南海大氣區簡易平臺專題研究[R].北京：中海石油工程設計公司，1994.

[11] 張艷芳.渤海海域簡易平臺結構研究[R].天津：海洋石油工程股份有限公司，2006.

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[13] 曹嶺，顧楊飛，劉迪.自升式鉆井平臺圍井建造精度管理[J].船舶與海洋工程，2015, 31 (6): 62-69.

Discussion on Design Philosophy of Minimal Platform for Marginal Oil Field Exploration

XIE Bin，TAN Yue，WANG Chun-sheng

（CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China）

Minimal platform is created and developed with a specific historic background where oil and gas industry has been expanding quickly.As offshore engineering technologies are developing, it is necessary to reacquaint the core concept of minimal platform.This paper introduces the definition of minimal platform and unmanned platform, and proposes the basic principles for the general design and the structural design.After analysis, it points out that minimal platform does not merely mean the structure simplification and weight reduction, but also mean a shortened construction period and a low cost offshore installation, and the latter two are the real value coming from.

marginal oil field; minimal platform; main; design; structure

TE952

A

2095-4069 (2017) 04-0001-04

10.14056/j.cnki.naoe.2017.04.001

2016-04-07

謝彬，男，教授級高工，碩士，1962年生。主要從事海洋工程的結構設計、研究和項目管理工作。