深水導管架的上部組塊施工方案的選擇

邵衛東，付殿福，慈洪生

(中海油研究總院有限責任公司，北京 100028)

隨著我國海洋石油開發水平的發展，對深水開發技術的要求越來越迫切。全球約有數千座導管架式生產平臺，其中水深超過200 m的導管架平臺共計27座；水深超300 m的導管架平臺僅有9座，全部集中在墨西哥灣或南加州外海區域。我國迫切需要一種適合南海臺風海域作業、可裝備模塊鉆機、采用干式井口的深水導管架平臺。300 m水深級導管架平臺技術，是未來一段時間南海中等水深油氣田經濟高效開發的關鍵技術。在水深不超過300 m以內油氣田開發方案中，為此，探討導管架平臺仍為目前最經濟的開發方案，導管架平臺的設計方案中的上部模塊施工方案。

1 方案選擇基礎

目前上部模塊施工主要有兩種：①吊裝方案,在導管架安裝完成后，利用大型浮吊將上部模塊、生活樓和鉆修井機具分塊吊裝到導管架上，并進行相關模塊之間的連接和調試[1-2]；②浮托方案,導管架安裝完成后，利用浮托駁船將上部模塊(含生活樓、鉆修機具等)整體通過運輸駁船安裝到導管架上[3]。隨著海洋油氣的開發，海洋油氣開發平臺的組塊呈現大型化、綜合化發展，上部組塊的重量和尺寸不斷加大，造成上部組塊安裝難度越來越大。與傳統的吊裝法相比，在20世紀80年代提出的浮托安裝法可以實現上部模塊的整體安裝，避免大型浮吊吊裝能力對安裝的限制，并且有利于減少平臺的聯接調試工作量，降低施工難度，節省施工成本[4-5]。與傳統的吊裝方案相比，浮托安裝受到作業氣候窗影響較大，在某些海域只有幾個月份可以實施，如錯過該氣候窗，將需要推遲1年進行安裝，影響油田的投產時間[6]，吊裝方案對作業氣候窗的要求相對寬松。對于上部模塊采用浮托法施工，因模塊運輸駁船需要穿過導管架，因此導管架需要有一個較大的槽口以滿足浮托進退船要求[7-9]；對于上部模塊采用吊裝方案施工，浮吊船在導管架一側進行施工，導管架不需要進行開口。

兩種施工方案對于導管架設計具有較大影響。目前針對淺水水域，上部模塊施工方案對導管架結構設計和施工的影響認識相對較為成熟[10-11]，但對于水深超過250 m的導管架，針對不同的施工方案，需要從技術和經濟兩方面統籌考慮，選擇適用于深水導管架的上部模塊施工方案。

2 分析案例

南海某深水平臺為例，對上部模塊采用吊裝施工和浮托施工兩種方案，開展導管架設計的影響對比分析。該平臺水深達到286 m設置有模塊鉆機，100人生活樓，平臺設置一級油氣水處理系統，設置有公用系統、注水系統等，上部組塊干重達到12 000 t(含生活樓和模塊鉆機)，若采用吊裝方案，則組塊需要分為東、西2塊，模塊鉆機和生活樓需要單獨吊裝，共計需要5塊吊裝施工；若采用浮托方案，整體浮拖重量達到13 800 t(含生活樓、模塊鉆機和DSF)，采用HYSY278施工，導管架槽口寬度為48 m。兩種施工方案的組塊總圖布置見圖1。

圖1 總圖布置

3 施工方案對導管架設計影響分析

3.1 結構設計

3.1.1 吊裝方案

對于上部模塊采用吊裝方案，導管架工作點主尺度為(14 m+14 m+14 m)×18 m，底盤尺寸為95 m×95 m。該水深的導管架需要通過滑移下水進行安裝，為優化結構鋼材用量，導管架采用四腿方案，需要設置滑移下水桁架，以滿足施工要求。針對組塊采用吊裝施工方案，開展導管架方案設計規劃，導管架共設計9個水平層下，水桁架從-55 m開始，寬度24 m。斜撐的最大直徑為1 800 mm；壁厚50 mm.主腿最大直徑4 000 mm，壁厚80 mm。吊裝方案導管架結構總體布置規劃見圖2a)，靜力計算結果見圖2b)。對組塊吊裝方案導管架進行靜力計算并進行工程量統計，上部模塊采用吊裝方案，導管架主結構用鋼量為23 630 t，導管架下水重量為29 300 t，導管架重心位置為(-7.26 m，0.03 m，-174.40 m)，該布置方案下極端環境荷載為8 000 t。

圖2 吊裝施工導管架結構設計

3.1.2 浮托方案

上部模塊采用浮托方案，為適應HYSY278運輸駁船的進退船要求，在導管架2、3軸之間需要預留48 m的槽口寬度，因此導管架工作點主尺度為(12 m+48 m+12 m)×18 m，底盤尺寸為95 m×95 m。該水深的導管架需要通過滑移下水進行安裝，需要設置滑移下水桁架，以滿足施工要求。組塊浮托重量為13 800 t，采用浮托施工方案，開展導管架方案設計規劃。為保證浮托安裝需求，導管架槽口區域剛度較弱，需要在槽口區增加一個水平層，浮托方案導管架共設計10個水平層，導管架共計10個水平層，下水桁架從-43 m開始，寬度24 m。斜撐最大直徑2 200 mm；壁厚60 mm。主腿最大直徑4 200 mm，壁厚95 mm。導管架結構規劃方案布置見圖3a)，導管架靜力計算結果見圖3b)。分析結果，上部模塊采用浮托方案，導管架主結構用鋼量為32 402 t，導管架下水重量為38 860 t，導管架重心位置為(-0.23，-5.6，-176.84 m)，極端環境荷載為10 500 t。

圖3 浮托施工導管架結構設計

3.2 動力

案例所處海域為南海東部，水深為286 m，該海域波浪能量集中在12 s左右。對于水深超過200 m的導管架平臺，其固有周期在4.0 s以上，平臺具有明顯的動力響應，水深越大，結構固有周期逐步增加。深水導管架前5階模態變形見圖4。

圖4 深水導管架前5階模態

分別針對上部模塊吊裝和浮托方案進行導管架動力分析，開展操作和極端工況下的平臺固有周期分析和動力放大系數分析。

3.2.1 吊裝方案

1st動力模式為導管架繞X軸彎曲，操作工況一階固有周期為4.6 s；極端工況一階固有周期為4.7s。

操作和極端工況下動力放大系數(DAF)最大為1.20。

3.2.2 浮托方案

1st動力模式為導管架繞X軸彎曲，操作工況一階固有周期為5.0 s；極端工況一階固有周期為5.1 s。

操作和極端工況下動力放大系數(DAF)最大為1.36。

對比可知，對于上部模塊浮托施工方案導管架，其固有周期相比吊裝施工方案導管架增加約8%，動力放大系數增大約13%，由此造成浮托施工方案導管架結構動力特性更為敏感，造成導管架結構設計疲勞問題更為顯著，會對結構設計帶來更多不利影響。

3.3 安裝

3.3.1 吊裝方案

對于吊裝方案，導管架下水重量為29 300 t，計劃采用HYSY229進行運輸和下水，因該重量接近HYSY229船的下水能力，需要對駁船下水能力開展分析。導管架拖航布置見圖5。

圖5 吊裝方案導管架拖航布置

3.3.2 浮托方案

對于浮托方案，導管架下水重量為38 860 t，計劃采用HYSY229進行運輸和下水，該重量超過HYSY229船的下水能力，駁船下水能力分析表明，拖航運輸穩性不滿足規范要求。下水初始狀態和翻轉狀態駁船穩性均不滿足規范要求，現有HYSY229船舶需進行改造，需在左右舷側增加2個浮箱，浮箱尺寸為50 m×11.5 m×14.25 m，改造方案見圖6。

圖6 HYSY229駁船改造

3.4 影響分析對比

從結構安全性，結構經濟性和施工能力與風險三方面，綜合對比吊裝方案和浮托方案對組塊和導管架的影響，見表1。

表1 吊裝方案與浮托方案對深水導管架設計影響分析表

4 結論

1)通過對比分析，對于水深超過250 m的固定式導管架平臺，上部模塊采用浮托方案導管架相比模塊采用吊裝方案導管架，對比結構設計規劃和用鋼量，主結構用鋼量增大37%，附屬結構用鋼量增大11%。相比組塊吊裝施工方案，浮托施工方案導管架固有周期更大，且動力放大系數增大接近13%，對導管架結構設計和平臺操作帶來更大的困難。

2)浮托方案用鋼量增大原因：①工作點增大導管架體積增大22%，重量增加約4 800 t(占主結構20%)；②尺度增大導致波浪力增大31%，需調整構件尺寸，結構加強，重量增加約3 000 t(占主結構12%)；③因導管架增重，導致下水桁架、水平層等施工工況加強，重量增加約1 400 t(其中5%的主結構增大，11%的附屬結構增大)。

3)采用組塊浮托施工方案，現有HYSY229駁船不滿足導管架下水安裝施工需求，為確保導管架下水過程的穩性需要對駁船進行改造，經過分析需要在駁船左右舷測增加50 m浮箱以滿足38 500 t導管架下水。

4)綜合考慮兩個方案材料用鋼量增加，船舶改造費及節省的安裝調試費用等，浮托方案較吊裝方案增加投資超過1億元。

5)綜合考慮導管架設計和施工方案，對于水深超過250 m的深水導管架，上部模塊優先推薦采用吊裝方案。