模块化技术在滩海油田开发海洋工程中的应用

黄新生* 刘占广

（1.中国石油天然气集团公司咨询中心；2.辽河油田浅海石油开发公司）

模块化技术在滩海油田开发海洋工程中的应用

黄新生*1刘占广2

（1.中国石油天然气集团公司咨询中心；2.辽河油田浅海石油开发公司）

在滩海油田开发海洋工程中，应用模块化技术，可以多次重复使用、降低成本，降低海上施工难度等。论述了模块化技术在滩海生产作业平台中的应用：采用大型专用模块建造特定用途的生产平台；采用标准化模块建造通用生产作业平台；以及采用模块化层叠式基座扩大坐底式移动平台的适应水深范围。采用不同组装设计，标准化的浮箱模块可以拼装成运输驳船、小型浮吊起重浮筏、铺管驳船、工程地质钻孔取芯平台或其他工程作业平台、泥橇、大型气垫运输平台等。最后，介绍了胜利埕岛油田根据油田实际情况，开发了修井、采油一体化平台新模式。

滩海油田；模块化技术；平台；建造；装备；应用

1 模块化技术在滩海油田开发海洋工程中的作用

1.1 多次重复使用，降低成本

我国滩海油田中，除个别大型整装油田外，分散和小型油田居多，其中不少油田能否得到开发，在很大程度上取决于是否能达到经济界限。因此，降低开发建设投资和生产运行费用，对于激活这些边际性油田具有决定性的意义。模块化技术和设计概念，不仅可以通过工厂预制、减少现场施工工作量、便于维护等方面节约投资和费用，提高其经济性，而且，对于生产周期不长的小型油田，在生产结束后，模块化的设施还可以迁移再用，可大大减少建设投资。

1.2 降低海上施工难度

滩海油田的特点之一是位于浅水水域，同时还受浪、潮、冰等气象和海况影响。海上施工时，不仅受气象窗的限制，而且大型浮吊和工程船舶难以进入和通行。虽然可以开挖航道进入，但不仅增加施工费用，而且还受海洋环保法规的制约以及海床回淤的影响。采用模块化技术，可以降低海上安装时的起重要求，便于选用浅吃水的轻型工程船舶，有效降低施工难度，缩短海上施工工作量和施工工期。

1.3 组成短期使用的工程装备

由于滩海油田位于近岸和浅水等特定海域，适用的工程船舶和装备也多具有相应的特性。这一特殊性也是局限性，使得此类装备不能通用于近海（offshore）和较深水域的海洋工程。由于滩海油田的总体规模和海上工程量相对有限，如果大量造价昂贵的专用工程船舶和设施长期处于待用状态，则会因使用率过低而使成本升高。为此，国外以类同舟桥的模块化方式，开发出多种模式的可应用于浅海水域的模块化组装工程船舶和设施，可根据需要和具体条件随时组装使用，既可缩短施工准备时间，又可大大降低固定投资，取得良好的经济效益。

1.4 周期性搬迁使用，替代大型生产设备

油田生产过程中，需要如修井等一些周期性的作业。例如，在井数不多的平台上装设大型油井作业设备，会因利用率不高而影响成本，而建造众多大型移动式作业平台则需增加大量投资。采用模块化的修井设备配合小型井组平台，则可较好地解决此类问题，有效地节约投资。

1.5 便于工厂预制

油田开发生产对生产设施和装备的要求会因生产条件的不同和变化而具有多样性和多变性。采用模块化技术和标准化设计，有利于在最短的时间内完成这些装备和设施的设计和建造。此外，由于模块化技术更有利于实现工厂预制、调试和现场的单元整体安装，因而也有利于质量控制、降低成本和缩短工期。模块化装置还便于分体运输，可减少运输困难和费用。

2 模块化技术在滩海生产作业平台中的应用

2.1 采用大型专用模块建造特定用途的生产平台

卡沙干油田位于哈萨克斯坦里海北部4～6m水域，该海域具有强海流，冬季温度为-36℃。为了遵循有关海洋环境法规，并尽可能从工程构筑物的结构选择和施工上，减少对海洋环境的干扰，并且在恶劣的气象和海况条件下缩短海上的施工工期，同时考虑到油田生产终结时的环境恢复，确定采用模块化生产平台方案。

平台上部结构由7艘模块化油田生产设施驳船（95m×16m×5.5m）组成，各驳船上的生产设施均根据该油田的生产条件和工艺系统设计。其中：3艘为油气分离模块驳船；2艘为伴生气脱水及乙二醇再生模块驳船；1艘为应急发电和公用设施模块驳船；1艘为消防及海水处理模块驳船，每条驳船自成一个独立的模块（见图1）。

图1 组成生产平台上部结构的驳船模块

各驳船模块均具有锚泊、拖航、船底喷射系统，同时具有坐底以及漂浮状态下工作的能力。各驳船模块及其所设置的生产设施分别在不同船厂预制建造完成后，整体拖到预定位置，并在预设的桩基上就位安装。

由于采用了模块化建造的策略，不仅可以同时在不同船厂进行建造，缩短建造周期，而且还可以根据不同设备的技术特点，选择最佳的专业厂家进行工厂制造和厂内调试，使质量和建造成本得到最佳控制。模块化技术的应用大大减小了单体拖运的重量，降低了对航道的吃水要求和安装就位时所需的起重能力。由于海上施工量小，不仅有利于在严格的海洋环境法规限制下顺利完成平台的就位安装，而且还在该海域海况气象恶劣的条件下，在狭窄的气象窗内，安全迅速地完成了海上施工。

2.2 采用标准化模块建造通用生产作业平台

与采用大型专用模块建造特定用途的生产平台不同，使用标准化的模块单体，可以拼装构建不同用途和形式的平台，供油田开发使用。

秘鲁亚马逊河雨林地区雨季被淹没，旱季露出，没有道路，一般重型交通工具和施工机械难以进入。建造平台的主要困难在于：在沼泽无路的条件下，解决构件运输、工作场地准备、初期人员居住等问题。采用常规工程手段难以进行平台建造。

1975年，美国一家石油公司为配合在此沼泽地中使用5 380m钻机进行钻井的需要，采用了桩柱式模块化箱梁平台结构，成功建造了钻井平台（100m×22m），解决了上述问题。

2.2.1 标准化的基本模块构件

2.2.1.1 空心水密的工字型箱梁

平台的基本模块构件是空心水密的工字型箱梁。由于没有陆上通道，模块构件的设计适应了包括直升机空运在内的多种运输要求。构件模块单体约为3.7m×5m，重1.8t，具有一倍于自重的浮力。模块构件用直升机或水上拖航运输到现场后，可以在水面上漂浮存放，无需预设料场。工字形箱梁构件可在漂浮状态下水面拼装。

2.2.1.2 圆柱摩擦桩

圆柱管桩直径∅322mm，每根桩段长 12m，重约 1t。在一般工程地质条件下，每桩约可获得 25t的承载力，在泥线以上可留出足够裕度，以供平台起升后切除。桩帽装于桩顶，在平台起升时承受液压千斤的推力。平台起升后，用锁紧承载环帽与平台结构锁紧，将平台与桩固定，并将平台的载荷传加到桩上。

2.2.1.3 泡沫塑料轻质浮体构件

轻质浮体构件使用聚苯乙烯泡沫塑料，用以组成临时轻载浮动平台并作为浮体提供浮力。聚苯乙烯泡沫轻质浮体构件具有钢质外壳，单体尺度为1.2m×11m×0.8m，在浮体上直接铺放承载用的木甲板。每个单体在65%没入水中时，可以承载约11t。

2.2.2 平台的水上建造

2.2.2.1 临时浮动平台的建造

第一阶段需建造作为工程基地的6个临时浮动平台（见图2），供人员生活、物资设备储放，共包括：直升机平台、临时营房平台、设备工具平台、管桩储放平台、附属品存放平台以及 18t轮式吊车平台。这些临时浮动平台以后即作为构筑生产作业平台的模块。其中，轮式吊车平台作为生产作业平台的初始核心模块。

图2 作为工程临时基地的6个浮动平台

直升机、临时营房、设备工具、管桩储放以及附属品存放临时浮动平台的建造：这5个浮动平台的尺度和组态相同，每个平台的组装程序，由在水面漂浮存放的每5个工字型箱梁构件组装成一个尺度为3.66m×15.24m的平台基础（浮动）模块，每3列平台基础模块横向组成一个 10.9m×15.24m的浮动平台构架。浮动平台构架组成后，在其中央部分的箱梁构件上铺放钢甲板，并在左右两侧的箱梁构件上铺放木甲板，完成各浮动平台的组装。

18t轮式吊车临时浮动平台的建造：本平台分为两层：底层为聚苯乙烯泡沫轻质浮体，顶层为钢质工字型箱梁构件。本浮动平台初期为 18t轮式吊车及打桩工作提供支持，然后用作钻井平台的初始核心模块，并以其为基础展开后续扩展施工，最终建成生产作业平台。

2.2.2.2 生产作业平台初始模块的建造

首先在18t轮式吊车浮动平台上完成18t轮式吊车的装配。然后，将浮动平台按未来钻井平台的位置要求拖放就位。

将管桩储放浮动平台拖放到便于吊车吊运的位置。用吊车吊运两根桩，并沿 18t轮式吊车浮动平台“上甲板”框架对角工字箱梁的导孔中分别插入成为定位桩。定位完成后，再按规定位置插入另外两根桩。将打桩锤吊运到平台，并用吊车吊起打桩锤，将所有4根桩打到所需的持力深度。在4根桩上都装上桩帽和锁紧承载环帽，并且安装液压起升架。液压起升架固定在平台“上甲板”主体框架结构上。用液压泵加压，将18t轮式吊车浮动平台（即生产作业平台的初始核心模块）起升到位，用锁紧承载环帽将桩与平台结构锁紧，然后拆除4台液压起升架。

轮式吊车浮动平台在完成起升后，继续按各工字箱梁构件导孔位置完成其他6根桩的打桩工作。至此，生产作业平台初始模块的建造即告完成，继而转入平台的扩展阶段。

2.2.2.3 平台的横向扩展

将一个浮动平台模块（原临时工作筏）拖放到已起升的平台初始模块一旁平行漂置，并用间隔定位梁按设定的位置与平台初始模块的桩柱连接，确保此浮动平台模块与平台初始模块的正确相对位置。然后，将4根桩分别按设定的位置沿工字型箱梁构件的导孔插入，并按设计要求打入到要求的持力深度。

在每根桩上安装桩帽和锁紧承载环帽后，吊放和安装液压起升架。然后，将原由3列平台基础模块横向用钢缆液压张紧组成的临时浮动平台，解除张紧连接，还原为相互独立的3列平台基础模块。其中，已打入4根桩的一列，即用作第一个被起升的横向（平行）扩展模块。

依照相同于平台初始模块起升的程序，用液压起升架将此横向扩展模块升起并定位。在平台初始模块和第一列横向扩展模块间，装设“I”字型横向支梁，并在其上和第一列横向扩展模块上铺设甲板，完成第一横向模块扩展。

2.2.2.4 平台的纵向悬伸扩展

平台的纵向悬伸扩展以工字形箱梁构件为单位，逐个悬伸扩展。将工字型箱梁构件吊起并与平台初始模块的结构端部连接，使该工字型箱梁构件固定在平台模块结构上。沿扩展工字型箱梁构件的导孔打桩，并用锁紧承载环帽与扩展箱梁构件锁紧。

重复以上程序，直到将平台结构沿平台初始模块的纵向延伸扩展到约 18m，然后在此框架结构上铺设甲板。

2.2.2.5 完成平台建造

以长18m的平台初始延伸结构为核心，再重复以上有关程序，通过两次横向扩展，增加两列3.66m×15.24m的平台基础模块，使平台结构的宽度达到最终的约 22m。继续进行平台结构的纵向扩展，达到设计规定最长部分的约101m，平台的结构建造即告完成。建造一座平台需要约22天。

2.2.3 平台的拆除和搬迁

生产工作完成后，可用逆向的方法，以原来的施工机具将平台拆解成初始的构件和模块，并搬运到新的地点重新装配使用。

2.3 采用模块化层叠式基座

在滩海油田开发中，坐底式移动平台广泛应用于钻井、试采、作业以及储油等各种生产作业之中。这些不同作业性质的平台，均具有专业性强、用途相对单一、造价昂贵等特点。因而，提高这些平台的利用率，对于取得最佳效益至为关键。

为扩大坐底式移动生产作业平台的工作水深范围和便于搬迁使用，Exxon公司在油田勘探开发中，开发了一种混凝土层叠基座钻井平台系统。该系统包括一条钻井驳船（或一条其他生产作业驳船）以及若干模块化的增高基垫。这一系统既可用于钻井，也可配以不同坐底式生产作业驳船，实施其他生产作业。

混凝土层叠基座钻井平台系统采用组合方式，共由3个部分组成。即：作为底层的金属基座、位于中层的混凝土增高基垫以及坐放于其上的钻井驳船。

底座采用金属结构，可以在尽量少增加重量的同时，有效扩大接地承压面积，降低压强和便于设置防滑结构。金属底座为封闭沉箱结构，体内分为若干隔舱，以便进行沉放和起浮。

中层的混凝土层叠基座主体，由一层或几层混凝土增高基垫叠装而成，层数可根据水深和需要加以设定。增高基垫用轻质混凝土制成，为蜂巢状沉箱。使用混凝土结构不仅不需要过多的维护，而且安装就位后，位于冰载区的混凝土层叠基座主体，可具有良好的抗冰能力。

混凝土层叠基座钻井平台系统拼装就位时，先将金属底座和中层的混凝土增高基垫在水中叠装在一起，组成层叠基座主体后，拖到水深较大的水域沉放。然后，将与其配套的钻井驳船拖到上方，将水中沉放的混凝土层叠基座主体起浮，贴接于钻井驳船船底，并将二者固定连接，完成混凝土层叠基座钻井平台系统的整体组装。最后，将其拖航到所需的浅水水域坐底就位，进行作业。

3 模块化拼装式海洋工程作业装备

在渤海湾和辽东湾滩海油田的开发中，潮间带以及0～2m水深的极浅海区约占滩海油气勘探区面积的70%，为今后勘探开发工作量的重点区域。

从提高装备的灵活性、适应多种用途、提高装备的利用率以及减少过于专业化的固定投资和减少投资风险出发，美国某公司开发出了浮箱模块拼装式浅水工程装置技术，并已在浅水水域油田开发建设中经过了40多年的应用。

3.1 标准化的浮箱模块构件

浮箱模块具有水密性，空载时吃水很浅，便于在滩涂和极浅水区用多种方式运输至工作区和实施水上拼装（见图3）。

图3 浮箱模块及其水上拼装

标准浮箱模块的甲板承载能力为24.4t/m2。浮箱模块具有系列化的标准尺度和承载能力，具有如艏、艉、接岸跳板、桩套等形式的模块，还附有插桩、自升、锚系、绞车等附属装置，供配套使用。

3.2 浮箱模块拼装式浅水工程装置技术的应用

根据勘探开发中经常变化的多种需要，采用不同组装设计，可拼装成不同专用功能和尺度的浮吊、作业平台、海上工程施工平台和铺管船、运输驳船等多种滩海浅水工程装备，也可拼装组合成泥橇或加装气垫而成为具有两栖运移功能的运载工具。

3.2.1 组装成运输驳船

在施工过程中，常有加长管段需要运送到浅水工地。为此，可根据具体需要选用适当浮箱模块组合，组成专用驳船进行运输。驳船的尺度可根据管段以及允许吃水深度确定，组装驳船的形状也可因运载物的不同而异。

3.2.2 拼装成小型浮吊起重浮筏

在滩海油田开发建设中，经常需要不同能力和型式的小型浮吊。采用模块组装成筏体并配以陆用吊车，可以快速提供专门用途的小型浮吊。筏体尺度和吊车能力可根据具体条件灵活选择配置，在短期使用完毕后，可以解体复原，无需长期停用保养。

3.2.3 拼装成铺管驳船

专业铺管船造价昂贵而且难以适应浅海和潮间带的极端、多变的环境条件。根据具体条件，可以用浮箱模块快速拼装成适应特定条件的专业化铺管船，效果十分显著。

3.2.4 拼装成工程地质钻孔取芯平台或其他工程作业平台

工程地质研究是滩海油田工程建设中不可或缺的环节。浮箱模块组装的超轻型自升式地质钻孔取芯平台，可以适应在浅水水域工程地质取芯的工作要求。组装自升式平台时，除标准的浮箱模块外，还需使用配套的桩、桩套以及液压起升系统等标准附件。

3.2.5 拼装成泥橇

一般的水上运载工具难以在滩涂地区以及潮间带通行，因而需要有两栖能力的运载工具。如环境条件适宜，使用浮箱模块组装的泥橇，不仅可以满足此类地区的轻型运输需要，而且还可以拼装成坐底式泥上平台，供生产作业使用。特别是在使用频率不高的情况下，这种临时性的简易装置更具实用性。

3.2.6 拼装成大型气垫运输平台

气垫平台是专业化的两栖运载工具，但其造价昂贵，长期保有的投资和维护成本较高。为适应运输不同尺度和重量的物资的需要，英国气垫船公司设计建造了载重50～200t的4种模块化非自航气垫平台。

这种模块化非自航气垫平台由6种标准模块组成（见图4）。通过不同的设计组合，可以组装成50t、100t、150t和200t的4种气垫载重平台。

图4 载重50～200t的模块化气垫平台组成

这种模块化的平台灵活、适应性强，而且可在短时间内针对需要组成所需尺度和载重的平台，用毕后可拆解备作他用，从而可以提高投资效益和缩短准备工期。

3.2.7 拼装成小型自升式气垫工程平台

在滩涂区或潮间带的工程建设中，有时需要自升式平台作为支持，而气垫平台的两栖通行能力可以满足这种需要。

4 胜利埕岛油田模块化修井设备

模块化技术作为一种理念，并无固定的格局，可以根据不同的需要和条件，得出灵活多样的解决方案。配合模块化技术的应用，需要针对经常性的工作类型，做出标准化的系列设计，并在此基础上，建立相应的标准模块储备，保证模块化技术的顺利实施。

随着海上开发规模的逐步增大、油井数量的逐渐增多，胜利油田原有的移动式修井平台作业能力已不能满足生产的需要，而且使用移动式修井平台作业费用较高。

埕岛油田进入注水开发期后，修井次数大大增加，移动式修井平台不足和修井作业费用高的问题日渐突出。有鉴于此，针对埕岛油田开发需要，胜利油田推出了由固定式采油平台和可搬迁修井作业模块两大部分组成的采油、修井一体化平台。该模式平台修井可由自身完成，不需要依靠外来移动式修井平台作业。

固定式采油平台采用埕岛油田常规的井组平台模式，由预设修井机模块装设位置的井口平台和计量平台组成，中间用栈桥连接。 埕岛胜海区新建6座平台全部采用这种模式。一套移动式修井作业模块可满足6座平台所属油井的年作业需要。

移动式修井作业模块由模块主体、修井机模块及生活楼模块 3部分组成，可利用浮吊进行吊装搬迁。在正常生产时，平台无人值守；修井时，利用小型浮吊将可搬迁式修井模块吊装到平台上进行作业。修井作业人员的生产、生活均立足于本平台。

采用这种新型平台和可搬迁修井模块，可有效缓解现有移动式修井平台能力不足的问题，还可大幅度降低海上修井作业成本。此外，可避免移动式修井平台对工作水深要求的限制，以及平台周围海底管线和电缆造成的移动式修井平台就位困难，增加了作业的安全性。

[1] Alvaro Franco. Modular jack-up platform debuts in Peru’s Amazon jungle[J]. The Oil and Gas Journal,1975,8,31: 67-74.

[2] Robinsaw. Flexible floats assembled in Texas lake[J]. Drilling Contractor,1979,12: 65-69.

In the marine engineering of beach oil field development，by the application of modularized technique，modular assembly could be repetitious employed，such that reduction of costs and construction difficulty could be realized. The applications of the modularized technique to the production platform were described. The production platform for a particular purpose was constructed by adopting large special modules，the common production platform was constructed by means of standardized modules，the range of water depth of the bottom sitting mobile platform was expanded by means of modularized hierarchy base. According to different assembly design，the transportation barge，small floating crane，lay barge, geological coring platform and other engineering operation platform，mud sled，and large air cushion transport platform could be assembled by the application of standardized modules. According to the actual situation，the workover and production integrated platform was newly developed in Chengdao oilfield of Shengli area.

Application of the Modularization to the Marine Engineering of Beach Oil Field Development

Huang Xinsheng，et al.

黄新生等. 模块化技术在滩海油田开发海洋工程中的应用. 石油规划设计，2011，22（3）：1～5，9

TE53

A

1004-2970（2011）03-0001-06

* 黄新生，女，教授级高级工程师。1966年毕业于北京石油学院炼厂机械专业，原中国石油天然气总公司开发局副总工程师、中国石油天然气总公司滩海办公室主任，现在中国石油天然气集团公司咨询中心开发部。地址：北京六铺炕 6号中国石油天然气集团公司咨询中心开发部，100724。E-mail：hxinsheng@yahoo.com.cn

2010-10-20

郜婕