边际油田开发的简易平台设计原则探讨

谢 彬，谭 越，王春升

（中海油研究总院，北京 100029）

设计与研究

边际油田开发的简易平台设计原则探讨

谢 彬，谭 越，王春升

（中海油研究总院，北京 100029）

简易平台是在特定的油气工业发展历史条件下产生和发展的，随着海洋工程技术不断发展，有必要重新认识简易平台的核心理念。对简易平台和无人平台的定义进行论述，提出总体设计和结构设计的一些基本原则。通过分析指出，设计简易平台不仅仅是进行结构型式简化和质量减轻，缩短建设周期和实现低成本的海上安装才是其真正的价值。

边际油田；简易平台；定主；设计；结构

0 引 言

在低油价的背景下，许多石油公司和工程公司为节省开支、提高效益，纷纷投入新技术和新工艺研发，开展简易平台研究[1]，使得简易平台技术快速发展。

简易平台是低油价时期特殊历史条件的产物，主要是在海上设置临时或短期性井口保护结构的基础上发展起来的，一般用作井口平台，不设置钻/修井机，修井作业不频繁，作业水深一般在100m以内[2]。简易平台的这些特点非常符合墨西哥湾边际油田开发的需求，因此得到了广泛应用，并逐步推广到北海和东南亚海域。简易平台发展至今，其结构类型已呈现出多样化、系列化的特点[3]，但都具有结构简单、质量轻、刚度小、冗余度低、受环境荷载面积小和甲板承载能力低等特征。

API RP 2A-WSD 第16章“简易结构”部分给出简易平台结构的总则、设计荷载和分析、连接节点和材料的相关要求，但没有从系统上明确其设计原则。除了结构的设计要求之外，简易平台更重要的部分体现在上部设施的设计和简化方面，因此简易平台的概念是建立在平台系统设计简化的基础上的，而不是单一的平台结构的简化。虽然不同油气田有不同的构造和特点，不同公司对边际油田开发及简易平台的定义和设计有不同的理解，但简易平台设计绝不是单一的结构型式简化和质量减轻，而是一个系统工程。简易的设计需平台的上部和下部统筹、结构性能和施工方案统筹；简易化理念需贯穿于设计、建造、安装和生产作业的整个过程。

简易平台多为不设钻/修井设施的纯井口平台，主要应用于水深较浅的海域，这些特征限制了其应用范围。随着油价不断波动和海洋工程技术不断发展，简易平台设计技术发生了很多变化。已往简易平台的作业水深一般在100m以内，国内简易平台的应用主要集中在40m水深范围内；而近年来随着海洋工程技术不断发展，国际上已有作业水深超过100m的简易平台。因此，更加有必要重新认识和理解简易平台的设计理念。

1 简易平台与无人平台定义的区别

1.1 简易平台

根据《海上固定平台安全规则》[4]中的定义，“简易平台”系指油气井数不多、不安装修井机、上部设施较少的生产平台，其下部结构有以下3种：

1 ) 利用油（气）井的隔水导管（群）兼做下部支撑结构；

2 ) 节点等全部或主要利用非焊接的机械连接方法（如螺栓连接、销连接、卡子连接等）直接固定于桩/桩导管上；

3 ) 其他型式的简易下部结构。

《海上固定平台规划、设计和建造的推荐做法》[5]中并没有明确给出简易平台的定义，仅给出“小型结构”的说明：“从总体上讲，与常规导管架结构相比，这些结构没有强度储备和冗余度”。小型结构具有以下1个或几个特征：

1 ) 框架结构，与典型的具有良好支撑的三腿基盘式平台相比，其强度储备少、冗余度小；

2 ) 自由站立和牵索沉箱平台，由1个大圆柱杆件组成，支撑1口或多口井；

3 ) 将井口隔水导管或自由站立式沉箱通过焊接、非焊接或非常规焊接等方法连接并固定，作为结构和/或轴向基础部件；

4 ) 基础部件采用螺栓、销钉或卡箍等方式连接；

5 ) 支撑型沉箱和其他结构，单根结构单元系统是该类平台的主要构件，例如，甲板由单根甲板腿或沉箱支撑。

以上基本上是从下部结构的角度界定简易平台的概念，在结构设计中作为判别简易结构的标准是适当的。但是，该理解较为片面，很容易对简易平台设计产生误解，更多地追求下部结构的简单和轻型而忽略平台的核心目标是要满足上部设施的功能要求及负荷要求。低成本的海上安装既是降低投资最有效的手段，也是简易平台设计追求的最主要目标，而不仅仅是减少用钢量。

1.2 无人平台

根据《海上固定平台安全规则》中的定义，“无人驻守生产平台”是指无人居住的油气生产井口平台。在正常生产条件下，平台上无人进行生产操作；在特殊条件下（如检修、应急故障处理、调查及定期巡检期间）可登平台，但不得在平台上住宿。

从上述定义中可看出，其并没有用定量的描述来限定何种平台是简易平台，《海上固定平台安全规则》和《海上无人驻守生产平台设计规范》[6]对简易平台的功能进行了界定，而《海上固定平台规划、设计和建造的推荐做法》则仅对平台的结构型式作规定。

值得注意的是，简易平台和无人平台是完全不同的2个概念，简易平台一般是无人驻守平台，而无人平台能否设计为简易平台需看其上部设施的简化程度。简易的含义不仅仅是结构简单、质量轻，更重要的是能采用低成本的施工船舶或钻井船完成海上安装。

《海上固定平台安全规则》和《海上无人驻守生产平台设计规范》中都明确规定简易平台不设置修井机，该要求主要借鉴墨西哥湾的经验。然而，我国海上油气田有其自身的特点，气井及自喷油井较少，设置修井机在一定程度上是必要的。因此，针对我国油气田生产作业实际情况和国内海上安装船的资源，对简易平台的概念开展本土化、拓展化和简易化研究是必要的。

2 简易平台设计基本原则

以上主要从功能和下部结构2个方面来定义简易平台。从根本上讲，功能是第一位的，但一个功能齐备的平台很难成为所谓的“简易平台”。只有从本质上对上部设施进行质量控制，使功能简单、工艺系统简化，尽量合理简化或取消公用系统等，才能真正实现平台的简易化。

2.1 总体设计

对平台上部设施进行简化是实现结构简化的前提，因此在总体设计时需考虑以下因素[6-7]：1) 注重设计、制造、安装及费用方面的管理，合理应用有关规范和标准，严格控制上部设施的质量；2) 甲板和悬臂的大小因结构简化而有一定的限度，在保证安全生产、操作、维修及逃生的前提下，应充分利用有限的甲板面积和空间合理布置；

3 ) 充分利用可依托的外部设施，尽量简化系统设计，一般只设置计量设备，不设置油气水处理设备，气、液通过海底管道输送至所依托的平台中；

4 ) 尽量不选用转动设备，设备仪表和阀门宜采用液压或电动型式。

2.2 结构设计

简易平台结构设计的原理、方法和手段与常规导管架平台并无区别，应用的标准和规范也相同，但需侧重考虑的内容有所不同。对于简易平台结构的设计，应着重考虑以下几个方面[2,8]。

2.2.1 设计基础参数选取

选取保守的设计参数势必导致结构简化和质量减轻无法实现。就重现期的确定而言，简易平台与常规平台相同，且均根据平台的设计寿命选择相应重现期的环境参数，因此需业主提供更为准确的产能和产量预测。

2.2.2 结构安装

简易平台结构的安装方式和施工周期是影响投资的关键因素。为避免采用海上大型浮吊产生较高的海上安装费，将结构的质量控制在可用小型起重船或钻井平台进行安装是一种行之有效的方法。有些简易平台采用水下连接和水下灌浆的安装方式，需综合考虑这些安装方式可能导致的施工天数增加。

2.2.3 节点连接设计

对于简易平台结构构件的连接，可采用非焊接方式，如螺栓连接等。为提高关键部位的可靠性，可同时采用2种连接方式。对于节点连接设计，应综合考虑安全性、经济性、施工难易程度和平台重复利用性。

2.2.4 附属结构设计

安装小型的附属构件不仅可以节省预制费，还能简化下部结构。例如，使靠船件、登船平台和直升机平台等（尤其是位于潮差段的登船平台）简单和小型化，可有效降低平台的荷载。

2.2.5 动力响应

在设计平台时，须对其结构的动力特性予以足够重视。由于简易平台结构的刚度较小，动力响应较明显。当固有周期≥3s时，应进行详细的动力响应分析[9]。

2.2.6 疲劳分析

由于平台结构的冗余度较小，因此需特别考虑简易平台疲劳分析。美国石油学会（American Petroleum Institute，API）推荐的做法对此提出更严格的要求。只有水深＜15m，结构自振周期＜2s时，才可采用简化疲劳分析方法[6]，一般在进行简易平台设计时都需进行详细的疲劳分析。

2.2.7 其他

在进行简易平台设计时，需控制安全裕量、考虑适度的强度储备，进行倒塌分析。例如，需进行可靠度分析，建议参照DNV Classification Notes NO.30.6 “Structural Reliability Analysis of Marine Structures”，采用一次二阶矩方法对构件、关键节点和平台体系承载力进行可靠度分析[9]，一般可靠度指标宜＞3.0[6]。

3 结 语

简易平台最初是指临时或短期性井口保护结构，其结构设计的原理、方法和手段与常规导管架平台并无区别，应用的标准规范也相同，总体上看，二者的区别仅在于强度储备的多少和冗余度的大小。因此，随着海洋工程技术不断发展，需重新认识简易平台的核心理念，即：

1 ) 简易平台是一个系统，贯穿于设计、建造和安装的整个过程；

2 ) 一个功能齐备的平台很难成为所谓的“简易平台”；

3 ) 功能简单和工艺系统简化，本质上对上部设施进行质量控制，即减重；

4 ) 低成本的海上安装是降低投资最有效的手段，而不仅仅是减少用钢量。

因此，简易平台是无法仅通过结构简化（尤其是下部结构简化）来实现的，而是要尽可能地简化上部工艺流程及设施，在确保小型结构的安全性和可靠性的前提下，使平台简易化、轻型化，以缩短项目建设周期和实现低成本的海上安装。

当前已有多座简易平台应用于渤海及涠洲海域，而国内对该方面的研究仍局限于40m水深以内的较浅水域[10-11]。墨西哥湾和北海的简易平台都是针对其所在海域及应用油田的特点形成的。我国南海的边际油田无论是环境特点还是油田的实际情况，都与墨西哥湾和北海有很多的不同。此外，随着油价不断变化和技术不断发展，简易平台概念已逐渐扩展。因此，为充分开发利用这些边际油田，必须有针对性地研发适用于我国南海的简易平台。

对此，可借鉴国内外一些简易平台及新型平台的概念（如四面体框架积木式平台、KUP平台、SSF平台和TRANSEVER平台[12]），采用模块化的理念将下部基座及其他部分分段模块化，类似于自升式钻井船围井及桁架式桩腿的设计理念[13]。除底座外，导管架其他部分均采用标准的模块型式，建造和安装可在海上分模块进行，以简化设计过程、提高建造效率，并实现平台下部设施的全部或部分再利用。综合而言，该结构具有建造容易、建造周期短、安装方便、拆迁简单、可重复利用和经济性好等优点，是应用于南海边际油气田开发的简易平台的研究方向之一。

[1] 《海洋石油工程设计指南》编委会.海洋石油工程边际油田开发技术[M].北京：石油工业出版社，2010.

[2] 张培生，谢彬.简易平台工程设计考察报告[R].北京：中国海洋石油总公司，1998.

[3] 王立忠.简易平台技术的研究[J].中国海洋平台，2006, 21 (2): 41-44.

[4] 国家经济贸易委员会.海上固定平台安全规则[M].北京：国家经济贸易委员会，2000.

[5] 国家发展和改革委员会.海上固定平台规划、设计和建造的推荐做法－工作应力设计法[M].北京：石油工业出版社，2004.

[6] 中海油研究总院.海上无人驻守井口平台设计规定[M].北京：中国海洋石油总公司，2013.

[7] 李宁.平台上部设施重量的控制[J].中国海上油气（工程），1990, 2 (6): 36-37.

[8] 李玉珊，刘杰铭，贾旭，等.简易平台研究—优化结构设计[J].中国海上油气（工程），1999, 11 (6): 9-12.

[9] 张婧，钱鹏，王庆丰，等.导管架平台的结构可靠性分析[J].船舶与海洋工程，2015, 31 (5): 29-33.

[10] 赵德廷.南海大气区简易平台专题研究[R].北京：中海石油工程设计公司，1994.

[11] 张艳芳.渤海海域简易平台结构研究[R].天津：海洋石油工程股份有限公司，2006.

[12] 谭越.百米水深简易平台[J].石油工程建设，2011, 37 (5): 6-9.

[13] 曹岭，顾杨飞，刘迪.自升式钻井平台围井建造精度管理[J].船舶与海洋工程，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

谢彬，男，教授级高工，硕士，1962年生。主要从事海洋工程的结构设计、研究和项目管理工作。