工程設計對海上油氣工程項目成本的影響

呂巖(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引言

近年來，我國石油與天然氣資源對外依存度持續攀升，全球能源格局面臨日趨復雜嚴峻的挑戰，國家多次強調國內能源生產保障能力，加大油氣資源勘探開發和增儲上產力度。在新形勢下，海上油氣生產已成為國家能源增儲上產的核心關鍵，在2022年國內原油總增產量中，海上原油占據50%以上，有效保障了國家能源安全[1]。

在海上油氣開發總投資中，鉆井、海上油氣工程建設約占全部投資的95%以上，對應成本水平直接決定了海洋油氣開發的經濟性和可行性，因此，做好海上油氣工程項目的成本優化具有重要意義。從短期來看，一方面對業主能提高油氣田開發的經濟性，有效降低單桶油成本；另一方面，對工程總包單位能提高企業自身競爭力，獲取更多的油氣工程開發訂單，保障企業可持續、高水平發展。從長遠看，降低海上油氣工程項目建設成本，對加強海上油氣資源開發的高效持續發展，有效保障國家能源安全具有重要作用。

影響海上油氣工程建設總成本的因素眾多，從詳細設計、材料采辦、陸地施工，再到海上安裝及后調試等過程的每個環節都影響著工程項目總成本。但工程設計是整個項目全周期執行的關鍵因素，工程項目的一切工作始終都要圍繞設計工作開展。工程設計不僅是指詳細設計，同時也包括陸地建造工藝設計、海上施工工藝設計等，因此工程設計對工程項目的高質量執行起著決定性作用。本文旨在探討工程設計工作對海上油氣工程項目成本的影響，分別從詳細設計、工藝設計及標準化設計進行總結討論，為海上油氣工程項目成本優化提供參考意見和優化方向。

1 國內海上油氣工程開發現狀及設計原則

目前，我國海上油氣工程開發主要采取樁基固定式或海上漂浮式平臺模式，考慮到我國已勘探可開發的油氣資源主要集中在沿海大陸架和當前國內油氣開發工程技術裝備制造水平，國內海上油氣開發主要以樁基固定式為主。其中，導管架平臺是典型代表，其主結構為鋼管焊接構成的桁架結構，在導管架腿部通過鋼樁固定在海底。隨著我國對南海深水油氣田的開發，超大型深水導管架及移動式油氣平臺也正在不斷增加，例如中國海油“海基一號”超大型深水導管架、“深海一號”浮式能源站。

工程設計要遵循以下原則：

(1)遵循國家現行的設計規范和國家批準的建設標準，以標準化設計為導向，并將可靠性設計、結構優化設計等設計方法論貫穿設計全生命周期；

(2)遵循資源利用合理、節能環保的總原則，嚴格遵守國家強制性工程建設技術標準的要求，注重“三新三化”的推廣實施；

(3)遵循因勢利導，經濟與性能并重的原則，在實現工程產品功能要求的基礎上，注重工程設計的經濟性指標，將創新性工藝和方法應用在設計階段，通過設計優化降低工程建設工期，降低工程投資成本。

相較于常規陸上工程，海上油氣工程的設計難度和技術實施要求都更高，投入的成本也更多，尤其是在一些核心技術和高端裝備方面，我國的科研人員還需進一步研究。在這樣的背景下，更加需要深入研究如何從設計入手優化工程項目的整體成本。

2 海上油氣工程項目成本構成

海上油氣工程項目成本是指海上油氣工程過程中所發生的全部成本，包括工程詳細設計、工程材料設備采辦、工程陸地建設、工程海上安裝及海上連接調試等工作所對應的成本。

從成本科目維度來分，海上油氣工程項目成本主要包括直接費和間接費，直接費包括工程材料費、工程直接費、措施費、項目管理費，間接費包括不可預見費、公司管理費、業主服務費及工程保險費，成本科目構成如圖1所示。

圖1 海上油氣工程項目成本構成

本文討論的成本優化主要針對直接費部分，通過優化降低人機料及大型資源的投入，實現項目成本的降低。

3 設計優化對海上油氣工程項目成本的影響

3.1 結構輕量化優化設計

導管架平臺的結構優化設計一般從尺寸、形狀和拓撲三個層級開展，三個層級的優化難度和預期收益也是依次增加。

導管架主要的優化點包括：(1)大跨度鋼結構優先考慮在導管架結構中應用，以便簡化結構模型；(2)高強度鋼可應用在受力較弱的部位，在保證結構強度的同時減小構件幾何尺寸；(3)單/雙斜腿多方案組合設計在導管架腿部應用，有利于后續平臺運維的便利性及樁基穩定性；(4)優化飛濺區鋼結構幾何尺寸，加大壁厚保持強度要求，能大幅降低波浪力的影響[2]。

平臺的主要優化點包括：(1)合理布局平臺功能，力求簡潔實用，避免冗余結構存在；(2)優化甲板布局，滿足要求的前提下力求甲板面積最??；(3)在經濟性可控的條件下，結構部件優先考慮使用高強度鋼，既能滿足強度，又可以減小平臺重量；(4)優化建造工藝工序，降低生產投入，減少成本支出[2]。

隨著海洋油氣開發由淺水走向深水，大型/超大型深水導管架平臺將被廣泛應用。通過對深水導管架整體結構形式進行創新性合理優化及應用高性能高強鋼作為原料，不僅能夠提升結構物剛度、強度和安全性能，也能延長海上服役周期。同時由于結構優化會大幅減少鋼材的使用量，工程投入成本也有效降低，經濟效益提升明顯。以我國南海深某300米級深水導管架平臺項目為例，在保證導管架整體性能的前提下，創新性采用浮動式下水桁架及超大X撐結構設計方案，導管架結構水平層減少，大幅降低導管架的結構重量，低于往期臨近海域200米級水深的導管架重量，且能應對百年一遇的惡劣海況，為整個工程節省鋼材約3000 t以上，項目總成本優化上億元[3]。

3.2 防腐技術優化設計影響

隨著我國對深海油氣資源的勘探開發，海洋工程結構的服役時間也逐漸增長。面對海水環境腐蝕的惡劣海況，海洋工程結構物的防腐設計要求越來越高。據有關統計，每年腐蝕損失約占國內生產總值的4%左右，統計數值遠高于因自然災害及各種生產安全事故導致的財產損失總和[4]。

行業內，由防腐涂層和陰極保護組合而成的復合水下防腐技術被廣泛應用于海洋結構物的防腐作業，但隨著深水油氣的開發及平臺服役時間拉長，原有的陰極保護措施已耗盡。因此，針對導管架平臺的防腐開發新型犧牲陽極結構或新型的防腐保護系統對延長平臺的服役時間，對降低海上油氣工程開發建設及運維成本意義重大。

在傳統梯形陽極的兩側增加兩個翼，降低接水電阻，增加初期發生電流。通過試驗對比，據此優化設計的陰極保護系統可以有效節約犧牲陽極的使用量，大幅降低犧牲陽極的水下安裝工作量，有效降低海上安裝工程成本[5]。

“深海一號”浮式生產平臺防腐設計中將犧牲陽極和外加電流方案創新性組合成全新陰極保護系統，結合系統性的防腐管理措施，保障了半潛式平臺服役期間30年不回塢的目標，降低了防腐工作量及后期的維護成本，助力工程項目降本增效[6]。

4 工藝設計對海上油氣工程項目成本的影響

工藝設計是比詳細設計對海上油氣工程項目成本影響更直接的環節，好的工藝設計能大大提高施工工效，縮短施工工期，降低人機料的投入，進而降低工程總成本。同時，因工藝優化帶來的局部工期縮短，通過不斷累加也將縮短整個項目的執行工期，為海上油氣田開發提前投產提供堅實保障，助力提升油氣田開發的經濟效益。

4.1 陸地建造工藝設計影響

現階段海洋工程導管架平臺等結構物的常規建造工藝為先將結構部分采用分段分片方式進行預制，然后在舾裝車間進行預舾裝，再將結構片置于場地總裝墊墩或建造滑道上進行機械、配管、電氣、儀表等專業的總裝作業。在這種按專業順序總裝的常規建造工藝中，總裝過程中往往會出現構件干涉或碰撞情況，導致部分干涉構件需重新施工修正，這不僅增加了二次有限空間作業的風險，也增加了工程項目支出成本[7-9]。為解決上述存在的問題，設計人員協同建造團隊基于模塊化設計理念，創造性探索出了適合海洋工程的一體化建造工藝。全新的一體化建造工藝將大部分建造工作均在車間預制階段完成，保證甲板片的完備性，這將大大減少在總裝現場的二次修復施工的工作量，進而實現了項目建造效率和經濟性的雙提升。

在南海某DPP鉆采平臺設計建造過程中，充分應用了一體化建造工藝，取得了良好的建造成果和經濟效益。建造過程中組塊空間總裝工作量降低15.3%左右，節約工時14.2%，項目總工期提前26 d實現機械完工，累計節省成本近3000萬元，新工藝的開發應用大幅提高了平臺建造環節的經濟效益[10]。

4.2 海上施工工藝設計影響

海上油氣工程項目海上安裝板塊主要包括裝船固定和海上安裝兩個主要施工階段，需動用大型船舶機具完成相應施工，施工船組一般涉及主作業船(起重船、鋪管船、水下多功能支持船等)、運輸船、輔助施工船等，海上施工期間船組日費率高達百萬級，總成本遠高于詳細設計和陸地建造階段的成本，很大程度上決定了項目總成本水平。因此，能否通過設計合理的施工工藝縮短海上施工周期，是對海上安裝板塊成本優化的關鍵點。

4.2.1 裝船固定階段施工工藝分析

裝船固定是指在陸地建造的海上油氣工程結構物(如導管架或組塊)通過一定的方式從陸地建造場地轉移至運輸船舶上并進行船上固定的過程。目前主要有吊裝裝船、滑移裝船(牽引裝船或拖拉裝船)及SPMT(自行式模塊運輸車)裝船。不同裝船方式的分析對比[11]如表1所示。

表1 不同裝船方式分析對比

裝船固定是項目的關鍵節點，屬于重大風險作業。在裝船施工方案設計時需綜合考慮結構物的特點、陸地建造情況、場地準備情況、天氣、潮汐以及運輸駁船情況等各種因素；要綜合評估選擇合適的裝船方式，優化裝船工期，降低裝船固定階段所需成本。

例如近年渤海海域油氣工程開發項目，由于導管架及組塊的結構噸位基本在5000 t以下，采用SPMT裝船方式，不僅釋放了場地的建造能力，也大幅縮短裝船工期，有效節約了施工船組的待機時間，進而降低了裝船階段發生的項目成本。同時縮短了整個項目的執行工期，為項目提前投產提供了有力保障，遠期經濟收益也尤為可觀。

4.2.2 海上階段施工工藝分析

常規海上油氣工程海上施工主要包括導管架、組塊安裝、海管海纜鋪設等過程。其中，影響海上施工成本的關鍵點主要為導管架的下水及扶正工藝、組塊安裝工藝和海管焊接工藝。

4.2.3 導管架下水扶正工藝

導管架海上安裝施工一般為吊裝下水和滑移下水兩種方式，兩種方式的使用對比分析如表2所示。

表2 導管架不同下水方式分析對比

目前我國開發南海深水油氣田使用的導管架主要在萬噸級以上，海上安裝如采用吊裝下水，對浮吊船的能力要求過高，導致無船可用，或從國外調遣費用高昂的半潛式起重船。采用滑移下水方式大大節約了施工資源和工期，有效降低了項目開發投入成本。

導管架下水后扶正工藝的設計對有效項目降低成本也尤為關鍵。單鉤注水扶正工藝是目前常規導管架下水扶正的主要方式，通過浮吊船的吊鉤輔助，使海水逐漸注入導管架注水艙，通過浮力的變化調整導管架漂浮姿態，使其從水平橫置狀態逐漸調整到滿足后續施工的豎直狀態。但該扶正方式通常要求導管架自身具有一定的預留浮力，一般設計要求在總浮力的10%以上。為此，在設計階段就需整體擴大導管架主腿和拉筋的尺寸，這樣就額外增加了導管架體積和質量，增加了項目投入成本。為解決該難題，在某南海油氣田開發項目中，創造性應用了單扒桿雙鉤扶正技術，在不改變浮吊船的前提下，此施工工藝設計去除了對導管架預留浮力的要求，大幅度降低了設計階段導管架的總重量，粗略估算建造階段減少用鋼量500 t以上，降低建設投資成本近千萬元，取得了明顯的經濟效益[12]。

(1)組塊海上安裝工藝

吊裝安裝和浮托安裝是海洋平臺組塊海上安裝的常見作業方式：吊裝安裝是指使用浮吊船上的起重機把組塊從運輸駁船上吊至導管架上落座的過程，該施工工藝受限于浮吊船的起重能力和工作空間跨距，通常能滿足單重6000 t以內的單體組塊安裝；浮托法是指用駁船將組塊整體運送至導管架上方落座的過程，其工作原理是通過駁船調載逐漸將組塊下放至導管架支撐腿上，主要適用于萬噸級及以上的大型組塊。

目前針對大型組塊，分塊建造吊裝也是一種可行方案。但分塊建造吊裝的工藝。一方面海上分塊吊裝工期會延長，另一方面因為分塊建造的原因導致海上調試工作會增加，會大大延長海上施工工期，導致船舶資源投入大幅增加，項目成本也隨之增加。相較而言，浮托安裝工藝能夠滿足組塊設計建造調試安裝的整體性，大幅減少海上施工工作量，也無需使用緊缺的大型浮吊，具有耗時短、成本低等優點，目前在大型組塊海上安裝上已被廣泛應用。實踐證明能有效縮短海上施工周期，降低海上施工成本。

例如，在中國南海海域執行的某平臺，浮托重量高達17247 t，采用浮托法安裝，組塊海上安裝施工工期僅用了10 d，后續組塊僅用18 d便實現了海上機械完工，大大降低了海上施工工期，節省了船舶資源和海上人機料成本的投入，同時也為項目提前投產創造了有利條件[13]。

(2)海管鋪設工藝

海管鋪設的工藝有很多種，其中S型鋪管法(S-lay)和J型鋪管法(J-lay)是目前應用最廣泛的鋪管工藝：S-lay是海管在沿船舶縱向布置的作業線上完成接長工作后通過托管架支撐下水，海管鋪管的過程形態呈現“S”型。此鋪管工藝的優點是鋪設效率高，缺點是施工難度高，對鋪管船、托管架及張緊器的能力要求高，而且“S”型的上弓段應力較大，操作不當易導致海管局部應力過大，甚至斷管的可能。而J-lay鋪管工藝是為了解決S-lay鋪管過程中上弓段應力過大問題開發出來的。它通過J-lay塔沿豎直方向直接入水，海管鋪管的過程形態呈現“J”型，完全消除了“S”型鋪管法的上弓段問題。其優點是施工難度低，船舶及設備要求低，缺點是由于豎直方向的高度限制，導致鋪管效率低[14]。

海管鋪設施工工藝具有流水線作業特點，鋪管船上的不同工作站依次完成上管、拉對中器、組對、焊接等，焊口檢驗和節點涂敷可與其他工序同步進行。通過海上施工總結發現，海管焊接效率是影響海管鋪設效率的關鍵因素。實踐發現，焊接效率既包含人機料的原因，也包含焊接工藝的影響。“人機料”的原因可以通過有效措施改善，而焊接工藝的開發是制約焊接效率的關鍵因素，因此開發設計高效的焊接方式是降低海管鋪設工期，降低海管鋪設施工成本的核心關鍵。例如，海油工程開發設計的一套適用于多規格海管焊接的全自動GMAW工藝，大幅提升海管焊接的質量和效率，并將成果成功應用于荔灣3-1、荔灣深水、麗水36-1、墾利10-1、平黃一期等海管項目，實現了海管焊接質量99.47%以上的合格率，焊接效率提升了3～4倍[15]。焊接效率的大幅提升節省了鋪管船組的施工工期，有效降低了同期項目的海管施工船舶資源投入成本。

5 標準化設計對海上油氣工程項目成本的影響

海上油氣工程項目開發因海底地質結構的復雜化，通常不同項目的設計工作都是不同的個性化設計，這種針對性的設計能有效應對項目的特殊要求。但在油田群項目或某一特定海域項目群開發時，這種個性化設計卻會帶來大量的重復性設計工作，降低設計工作的效率。這種背景下就需要引入“標準化設計”的概念，針對某一區域油氣田的共性，總結歷史設計經驗，制定統一的標準和模式，開展適用范圍比較廣泛的設計，形成通用的標準化設計文件，降低未來同類型項目的設計重復工作投入。同時，由設計標準化延伸到材料設備、建造施工工藝標準化，能夠進一步降低工程項目建設成本。

5.1 詳細設計標準化

海油工程近年來以渤海油田工程設施標準化設計為契機，大力推進標準化設計工作的建設，把工程設計標準化作為破解海洋工程離散型制造難題的發力點，系統形成“4+5”標準化設計成果，導管架平臺的標準化設計成果在墾利6-1、渤中34-9等項目中得到充分應用，實現工程標準化設計從“不可能”到“普遍使用”的跨越，大幅提升渤海油田工程項目設計工作效率，綜合提效約15%以上，下游業務提效25%以上，為我國海洋石油開發工程標準化建設開拓了新賽道。

標準化設計也為設計工作的信息化、數字化奠定了基礎。近年來，海油工程自主開發的協同設計管理平臺，實現了設計成果的協同共享，設計工作進一步提質增效，“?；惶枴睂Ч芗軘底謱\生實現陸豐15-1油田全生命周期完整性管理的健康監測。這一系列的信息化、數字化模式給設計工作帶來革命性變革，同時也降低了整個項目設計工作所耗工期，為后續海上油氣工程開發項目降本提供了新的方向。

5.2 工藝工單標準化

建造工藝工單設計是否合理高效，直接決定了建造場地的建造工效水平，進而影響整個項目的建設工期和施工投入成本。工藝工單的標準化設計主要是指建造階段依托詳細設計的標準化定義，將建造環節的最小單元“工單”進行標準化定義，不同的建設項目按照標準工單將工作進行分解，車間按照工單進行批量化生產管理，能夠大幅提升預制工作的工效和質量。隨著將來標準工單的成熟應用，海上油氣工程項目建造環節的施工全過程，能夠逐步從制造工藝標準化向過程數據信息化、生產驅動數字化，產品制造智能化演變，從而大幅度提高生產效率和降低成本。

近年來，海油工程天津智能化制造基地創造國內海洋油氣智能制造“零”的突破，實現預制作業環節提效10%～20%，整體工期縮短10%～15%，進一步提升了海上油氣工程開發項目建造階段的施工水平，有效降低了建造階段的施工成本投入，并伴隨著標準化推廣應用，逐步向“黑燈工廠”邁進。

6 結語

工程設計是海上油氣工程開發的關鍵核心，工程設計質量的高低直接決定了項目執行的成敗。通過探討分析可以看出，詳細設計、工藝設計及標準化設計對項目成本都有直接影響，優秀的降本增效設計在項目群中推廣應用后，能獲得指數級增長的經濟效益。本文為海上油氣工程項目成本優化提供了指導方向，同時也為工程設計工作提供了經濟性優化的參考建議。