半潜式生产平台上部模块总体布置研究

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(中国船舶工业集团公司 第708研究所，上海 200011)①

传统的导管架平台和自升式平台由于其自重和工程造价随水深大幅度地增加，已不能适应深水油气田开发的需要。半潜式生产平台集井口平台、油气处理等功能于一身，与海底油气输送管线或浮式储卸装置组成海上油气开采和生产系统，尤其适用于深海油气田和边际油田的开发。经可行性研究，半潜式生产平台可以应用于南海深水油气田开发[1]。中国船舶工业集团公司第708研究所组建了项目组，以南海深水油气田开发为目标，研究了半潜式生产平台总体设计关键技术。本文针对半潜式生产平台上部模块的总体布置进行总结和分析。

1 半潜式生产平台概述

1.1 半潜式生产平台发展历程

1975年，美国Hamilton公司在英国北海的阿盖尔(Argyll)油田首次使用了半潜式生产平台“Deep Sea Pioneer”号，是由半潜式钻井平台改造而来[2]。早期的半潜式生产平台大都由半潜式钻井平台改造，采用双下浮体、四立柱、箱形上平台，如图1a所示。

1986年，第1座专门设计的半潜式生产平台GVA5000型投入北海贝尔莫尔(Balmoral)油田使用，平台型式采用4根圆形立柱、双浮箱、箱形甲板结构设计，船型与半潜式钻井平台无太大差别。

自1986年半潜式生产平台进入快速发展时期，为改善钻井平台双下浮体运动性能差，箱形甲板结构质量大，不利于油气设备布置等不足，出现了如图1b所示的半潜式生产平台，其结构特点为环形下浮体、四立柱、桁架式上平台。为进一步改善平台运动性能，随后又出现了深吃水型半潜式生产平台，其作业吃水一般大于27 m，如图1c所示。

近年来，国外一些设计公司开展了采用干式采油树的半潜式生产平台研究，提出了一系列新型的半潜式生产平台概念。较成熟的有美国FloaTEC公司提出的桁架式半潜式平台(Truss Semi)和可伸展吃水半潜式平台(Extendable Draft Semi)[3-4]，如图1d所示。但是，该类深吃水型半潜式生产平台目前还停留在概念设计阶段，尚未投入工程应用。

a 巴西P-19型半潜式平台

b 巴西P-55型半潜式平台

c Thunder Hawk半潜式平台

d 桁架式半潜式平台

1.2 半潜式生产平台船型特点与组成

半潜式生产平台由上部模块、立柱和下浮体组成，如图2所示。上部模块设置工艺处理、电站动力、生活楼、工作间等功能模块，通常为桁架式结构，可以有效地降低上部模块结构的质量，提高上部模块有效载荷，并且利于工艺处理设备通风，保障平台作业安全。下浮体提供主要浮力，沉没于水面以下，以减小波浪的绕动力。上部模块与下浮体之间由立柱连接，通常为4根、6根或8根[5]，具有小水线面的特性，以实现优良的耐波性，立柱间间隔适当距离，以保证平台稳定性。

图2 半潜式生产平台主要结构组成

2 上部模块总体布置的关键影响因素

2.1 水下集输方式

目前，半潜式生产平台适用于湿式采油方式，即将采油树置于海底，所有的井口作业均需在水下进行。水下集输方式主要有4种[6]：

1) 卫星井形式。单个卫星井直接回接到水面依托设施。

2) 丛式井+管汇。多个井分别通过跨接管回接到海底管汇。海底管汇再通过1根或多根立管回接到水面依托设施。

3) 集中式基盘/管汇[7]。多口井共用1个基盘和管汇。管汇再通过1根或多根立管回接到水面依托设施。

4) 综合开发形式。以上几种形式混合使用。

水下集输方式由油气田的地质油藏特点和开发策略确定，并直接影响立管系统的配置数量，同时对平台上部模块的布置有较大影响，如表1所示。

2.2 人工举升方式

适用于海上油气开采的人工举升方式主要有电潜泵、气举、射流泵、螺杆泵和水力活塞泵采油等。不同的人工举升方式需用到不同的地面设施，不同的设施所需的布置空间不同。海上油气开采需在满足油田开发要求的基础上，尽量选用设备体积小、质量轻、免修期长、适用范围宽的方式[8]。深海油气田开采应用较广泛的有电潜泵和气举采油，其对平台上部模块布置的影响如表2所示。

表1 水下集输方式对平台上部模块布置的影响

表2 人工举升方式对平台上部模块布置的影响

2.3 外输方式

海上油田原油的储存和外输方式主要有3种：

1) 在平台上设置储油舱，用穿梭油轮输送上岸。

2) 用海底管道将原油输送上岸。

3) 将原油存储到浮式储油装置(FSO)上，再用穿梭油轮输送上岸。

海上原油的储存和外输方案应根据油田的特点、环境条件、油田开发规划进行全面分析和研究。平台上是否设置储油舱，会影响平台主尺度、平台性能、总体布置。对于原油处理规模较大的生产平台，通常不在平台上设储油舱；而对于原油处理规模较小或用于凝析气田开发的生产平台，可以在平台上设置储油舱，例如中海油研究总院提出的带凝析油储存和外输功能的半潜式储油生产平台形式，成功解决了海上凝析气田少量凝析油的储存和外输问题。

2.4 修井作业模式

对于海上油气田开发，修井作业模式主要有2种：

1) 在平台上设置专门的钻/修井模块[9]。

2) 采用修井船或修井平台修井。

修井作业模式的选择需充分考虑修井作业要求、采油方式、修井费用等的影响。若考虑在平台上设置修井模块，需注意模块质量、模块布置所需空间、月池开口等对平台上部模块总体布置的影响。

3 半潜式生产平台上部模块总体布置

3.1 总体布置原则

半潜式生产平台相当于一座海上油气处理厂，上部模块不仅安装有油气工艺设备、机械转动设备，还居住有作业人员。因此，总体布置需考虑诸多因素，既要满足油气生产工艺的需要，又要满足平台总体性能的需要，应遵循如下基本原则：

1) 满足油气处理工艺要求，确保工艺流程合理顺畅。

2) 满足安全、健康、环保要求，按各生产设备设施的功能分区布置，合理划分危险区与非危险区。

3) 满足设备维护要求，设备间留有足够的操作、维修空间。

4) 满足平台的结构强度和稳性要求，载荷大的设备尽量靠近主支撑结构对称布置，大型设备尽量布置在下层甲板，以降低上部模块重心[10]。

5) 满足平台功能扩展要求，上层甲板预留空间，以满足油田后期开发需要。

6) 满足上部模块安装要求，各生产设施按设备功能和工艺流程集中布置于若干结构模块内。

7) 满足平台的经济性、合理性要求，尽可能紧凑布置，简化管系。

3.2 开发模式及平台功能确定

目标半潜式生产平台瞄准我国南海未来大规模油田开发，拟定所服务油田的开发模式为：湿式井口+半潜式生产平台+FSO+穿梭油轮，如图3所示。水下集输采用卫星井形式，所有生产井通过立管系统直接回接到平台上进行油气处理，处理合格后的原油经外输立管输送到浮式储油装置(FSO)上储存，再由穿梭油轮输送上岸。

图3 湿式井口+半潜式生产平台+FSO+穿梭油轮联合开发模式

目标半潜式生产平台主要功能定位为水下井口控制，油气开采，油气水处理，油气计量及外输，不考虑储油功能，平台上不设置修井模块，钻/修井通过钻井船/修井船完成。

3.3 总体布置方案

平台上部模块主框架结构设置3层甲板，分别为主甲板、下沉甲板和局部设置的中间甲板，下沉甲板与主甲板间距8 m。部分油气生产设备、电站动力设备和生活楼作为独立的模块结构坐落于主甲板之上。下沉甲板之下悬挂一层甲板，用以布置立管接口和管汇。

主甲板东侧布置200人生活楼，两艘救生艇悬挂于生活楼东侧，直升机甲板位于生活楼顶部，西南侧布置火炬系统。主甲板西侧及以上结构模块布置天然气压缩设备、生产水处理设备和燃气处理设备。主甲板中间及以上结构模块布置原油处理设备。生活楼西侧布置电站和热站，包括燃气透平发电机和热介质锅炉等设备。为隔离生活楼、电站动力等安全区域与油气生产危险区域，在原油处理模块和电站模块间设置A60防火墙。平台南北侧各设置一台吊机。

在生活楼西侧设置局部中间甲板，主要布置电气工作间，电气工作间分两层布置，下层位于下沉甲板上。下沉甲板南北两侧各设置两艘救生艇。下沉甲板中间布置公用气仪表气设备、冷却水设备等公用设备，西侧布置注水系统、高低压火炬系统等辅助工艺设备。

悬挂甲板中间主要布置生产管汇、注水管汇等大型集中管汇，南北两侧清管球收发装置，西侧布置原油外输设备、开式排放和闭式排放设备，东侧布置饱和潜水设备和立管系统辅助设备。甲板布置如图4～6所示。

图4 主甲板布置

图5 下沉甲板布置

图6 悬挂甲板布置

4 结语

我国南海蕴藏着丰富的油气资源，但我国在深海油气资源开发方面的技术相对薄弱，半潜式生产平台作为深海油气开采的重要依托，开发研究半潜式生产平台技术具有非常重要的意义。本文对深海半潜式生产平台上部模块的总体布置方案进行探讨，希望通过研究找出半潜式生产平台上部模块布置的特点和方法，为平台总体设计技术研究提供必要的支持，为同领域技术人员提供参考。

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[3] 姜哲，谢彬，谢文会.新型深水半潜式生产平台发展综述[J].海洋工程，2011,29(3):132-138.

[4] 王桂林，段梦兰，王莹莹，等.干式井口半潜式生产平台技术与应用[J].中国海洋平台，2010,25(5):11-14.

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