三立柱型半潜式平台上部组块总体布置研究

郝孟江，王 晋，何艳飞，杜国强，杨 光

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2. 北京高泰深海技术有限公司，北京 100029)

三立柱型半潜式平台上部组块总体布置研究

郝孟江1，王 晋2，何艳飞2，杜国强1，杨 光1

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2. 北京高泰深海技术有限公司，北京 100029)

三立柱型轻型半潜式生产平台是一种新型平台，具有优秀的经济性和安全可靠性，可在深水海域进行生产和钻井作业。三立柱平台与传统的四立柱生产平台相比，具有平台整体利用率高、总成本低等特点。针对该半潜式平台的特点，对平台的上部组块总体布置要点进行研究，为今后南海深水边际油田开发做好技术储备，并可为类似平台的设计提供一定借鉴和参考。

半潜式平台；三立柱；上部组块；总体布置

0 引 言

世界上第一座半潜式生产平台诞生于1981年初，由一座半潜式钻井平台改装而成，其作业水深118 m，排水量仅为18 995 t。统计发现，近20年是半潜式生产平台的发展高峰，目前全世界已有53座半潜式生产平台投入使用，此数量远高于张力腿平台(TLP)、深吃水立柱平台(Spar)和顺应塔式平台的数量，其中欧洲的北海及美洲的墨西哥湾和巴西海域是应用半潜式生产平台最为广泛的海域[1]。

1996年3月，我国第一座半潜式生产平台“南海挑战号”投产于南海流花11-1油田。“南海挑战号”由一艘1975年建造的半潜式钻井平台改装而成，其作水深为310 m，设计排水量为28 379 t。目前我国已能设计建造3 000 m水深作业的半潜式钻井平台，但深水作业的半潜式生产平台尚处于研发阶段。

排水量小于30 000 t的轻型半潜式生产平台，具有成本低，便于建造、安装，适用水深范围广等特点。特别是对于300～1 000 m中等深水范围的中小型或边际油气田，与其他平台形式(如TLP或Spar)相比，具有更好的经济性和灵活性。综合考虑投资成本、工作水深范围、井口数目、建造及海上安装等因素，轻型半潜式生产平台经常是中小型或边际油气田开发的首选方案。以南海潜在深水边际油气田开发项目为依托，拟设计一座与“南海挑战号”浮式生产系统(FPS)功能及工作荷载相似，具有湿树采油和钻井功能的三立柱轻型半潜式生产平台。

针对该三立柱型半潜式生产平台，本文对其上部组块的总体布置进行了研究，提供了一套适用于三立柱型半潜式平台上部组块的布置方案，可为相关工程设计人员提供一定参考。

1 三立柱型半潜式平台主要构成及基本特征

研究的三立柱型半潜式平台主要由上部组块、下浮体(包括环形浮箱和立柱)、系泊系统(包括系泊缆等)等几类设施构成。其中，上部组块布置生产设施、生活设施、公用设施及钻井设施；而下浮体主要提供浮力，内部设有压载水舱，可通过排水使平台上浮；立柱是连接浮箱和上部组块的结构，一般为大直径立柱，以保证平台稳性；系泊系统为平台的定位系统，是保证半潜式平台在海上进行正常生产作业的重要设备。图1为其主要构成部分。

图1 半潜平台主要构成Fig.1 Essential facilities of semi-submersible platform

综上所述，半潜式平台作为一种海上浮式平台，对上部组块的重量重心非常敏感，而上部组块的总体布置对其重量重心起着决定性的作用。因此，研究半潜式平台上部组块的总体布置意义重大。

2 上部组块总体布置研究

2.1 总体布置原则

该平台的主功能为生产平台，配备钻修井机进行钻修井作业。平台通过回接水下湿式井口，在平台上部组块进行油处理、生产水处理，处理后的原油外输至周边的浮式生产储卸装置(FPSO)。总体布置就是合理确定各种设备设施的位置，使其既能满足生产作业的需要及平台安全的要求，又能满足半潜式平台总体性能的需求。总体布置的原则主要如下：(1)上部组块的总体布置应满足国内、国际相关规范要求。(2)针对大的油田区域开发方案、海域确定的环境条件等确定平台方位，综合考虑工作船的停靠和直升飞机的安全起降等因素[2]。(3)布置确保安全生产，设计时将油气处理设备所在的危险区与公用系统区域、电气房间及生活楼区域等进行隔开布置。(4)总体布置合理，最好地满足钻井、修井、采油及工艺流程的需要，操作安全、可靠、经济。(5)设备布置时，考虑逃生路线及所有设备的操作和维修空间，救生设备放置在安全且能顺利到达的位置，使工作人员能尽快安全脱离平台。(6)满足平台总体性能的需求，总体布置中要考虑使平台的总重心不超过允许值，从而平衡平台结构受力，使平台总体性能达到最佳[3]。

2.2 总体布置方案

2.2.1 研究内容

按照半潜式平台的总体布置原则，从诸多方面进行了研究工作，主要内容如下。

(1) 平台方位确定。根据该轻型半潜式平台所处海域的风、浪、流等环境条件情况，确定了该平台的平台北为真北偏东45°；生活楼及飞机甲板布置在平台北侧，为上风向；原油处理设备、火炬臂及排烟的电站设备等布置在平台南侧，为下风向。

(2) 安全区域划分。为了确保安全生产，根据该轻型半潜式平台配备的设施及功能，将平台分为几个区域进行布置。其中，西南角为危险区，主要布置原油处理及外输、生产水处理、化学药剂、火炬系统及火炬臂等危险设施；东南角为非危险区，主要为公用设备区，布置海水系统、消防系统、应急电站等设备；北侧为非危险区，主要为生活区，布置了生活楼及飞机甲板、电仪房间等设施。

(3) 生产设施布置。根据平台的主工艺系统流程，需将原油处理合格后进行增压外输，据此将需要的主工艺处理设备进行集中优化布置，便于保证工艺流程的合理性。

(4) 公用设施布置。根据平台配备的公用系统设备，为充分利用船体舱容，将柴油系统、淡水及饮用水系统设备布置在下浮体立柱内；海水系统、消防系统、应急机组、氮气及压缩空气系统等公用设施布置在东南角区域，另一台消防泵及生活污水装置布置在生产甲板北侧。

(5) 供电方案及电仪房间布置。为最大化地降低轻型半潜式平台上部组块的重量，并充分利用平台周边的依托设施，该平台不配备独立的主电站，主电源通过周边FPSO设置的主电站提供；半潜式平台上部组块配备一台应急发电机组、一台ESSENTIAL发电机组及一台台风发电机组以提供应急电源；配备的电气仪表等房间的根据其实际功能及特点进行优化布置。

(6) 重量重心控制。为了控制该轻型半潜式平台的重量，除钻井设施外，尽可能将较重设备布置在下浮体立柱的上方或附近，该布置方案可使结构的受力较好，实现了减小结构梁尺寸的目的，从而降低结构的重量。在控制重心方面，根据平台各个设施的统计重量，将设备设施按照其重量均匀布置在平台的三个边角，以保证平台的总重心不超过允许值。同时根据设备的实际布置情况，在承载能力较低的生产甲板中部区域不设置甲板，不仅能降低费用，还能直接减少结构钢材的重量。

(7) 钻井设施布置。根据平台配备的钻井设施，考虑湿式采油树相关配套设施的需求，如钻井立管张紧器、储存的钻机立管、水下防喷器组及其下方装置、升降补偿装置及导向装置等，详细估算了钻井设施的占地面积。由于在钻井工况下钻机的操作重量较大，为保证平台的总体重心满足要求，将配备的50钻机布置在主甲板的中部区域。

(8) 平台排放系统优化。完善优化了平台的开排系统和闭排系统。开排系统分为危险区开排系统和非危险区开排系统，每个系统均由开排罐、开排泵过滤器和开排泵组成，两个系统分别接受来自危险区和非危险区的排放液；闭排系统设备有闭排罐和闭排泵。闭排系统布置于生产甲板上，开排系统悬挂在生产甲板西南角的下方。

2.2.2 方案说明

基于上述总体布置原则及项目研究内容，确定上部组块总体布置方案为两层甲板布置方案，分别为主甲板及生产甲板。总体布置根据平台设施的功能将其分区布置，主甲板分为四个区域布置，生产甲板分为三个区域布置。图2为平台立面视图。

图2 半潜式平台立面视图Fig.2 Elevation view of the semi-submersible platform

主甲板分为四个区域布置，甲板面积约为5 500 m2。主甲板北侧为生活楼区域；中部为钻井设施区域；西南角为钻井配套设施区域及焊工房、油漆间区域；东南角为氮气、公用气处理设施及水下机器人(ROV)系统区域。该甲板根据需求布置了三台吊机，火炬臂布置在西南角区域。主甲板总体布置如图3所示。

生产甲板分为三个区域布置，面积约为2 350 m2。生产甲板北侧为一小块甲板，主要布置了电仪房间、生活污水处理设施及消防泵等设备；中部为中空区域，不设置甲板；西南角为主工艺处理设备区域；东南角为公用设备处理区域。三个区域通过环形通道连接，生产甲板下方悬挂开排设备。生产甲板总体布置如图4所示。

3 结 语

我国南海蕴藏着丰富的油气资源，亟待开发。同时，南海海域环境条件恶劣，台风、内波频发，给浮式平台的运行及操作维修带来了很大的挑战。相对于Spar平台的建造安装资源限制及TLP平台的风险不确定性，本文研究的三立柱型轻型半潜式生产平台具有成本低、便于建造安装、适用水深范围广等特点，具有更好的经济性和灵活性，特别是对于300～1 000 m中等深水范围的中小型或边际油气田，有着广阔的应用空间。

图3 主甲板总体布置Fig.3 General layout of main deck

随着建设海洋强国国家战略的推进，我国也在积极研究寻找适宜南海环境的深海采油平台结构形式。结合南海实际项目，参考流花11-1 FPS近20年的运维作业经验[4]，研究开发一套适用型的深水平台技术有非常现实的意义，也可为后续项目的实施提供技术积累和方案的借鉴。

图4 生产甲板总体布置Fig.4 General layout of production deck

[1] 范模. 深水半潜式生产平台总体设计思路与应用前景[J]. 中国海上油气，2012，24(6)：54.

[2] 《海洋石油工程设计指南》编委会．海洋石油工程设计概论与工艺设计[M]. 北京：石油工业出版社，2007．

[3] American Bureau of Shipping. ABS rules for building and classing mobile offshore drilling units [S]. 2012.

[4] 杜庆贵, 冯玮, 时忠民, 等. 半潜式生产平台发展现状及应用浅析[J]. 石油矿场机械，2015，44(10)：72.

GeneralLayoutofTopsideofSemi-SubmersiblePlatformwithThreeColumns

HAO Meng-jiang1, WANG Jin2, HE Yan-fei2, DU Guo-qiang1, YANG Guang1

(1.OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China;2.COTECOffshoreEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100029,China)

The production platform with three columns is a new type of platform. It has good economical efficiency, safety and reliability, and can perform production and drilling in deep water. Compared with the traditional semi-submersible platform with four columns, the new type platform holds the advantages of high utilization and low total cost. According to the characteristics of the semi-submersible platform, we study the general layout of topside of the three-column platform, which can reserve technology for the future development of the deepwater marginal oilfield in the South China Sea, and provide reference for the design of similar platforms.

semi-submersible platform; three columns; topside; general layout

2016-11-11

郝孟江(1983—)，男，工程师，主要从事平台总体布局与管道设计方面的研究。

U674.38+1

A

2095-7297(2016)06-0346-04