新型干树钻采储平台的运输和安装

朱为全,陈国龙,高 巍,王春升,许 鑫,石 云,王 晋

(1.北京高泰深海技术有限公司，北京 100029；2.中海油研究总院有限责任公司，北京 100028)

0 引 言

深水浮式生产平台技术在20世纪80年代处于初期研发阶段，从20世纪90年代开始进入产业化工程应用阶段，至目前已发展了四代，即第一代浮式生产储卸油装置(Floating Production Storage and Offloading，FPSO)、第二代半潜式生产平台、第三代张力腿平台(Tension Leg Platform，TLP)和第四代深吃水立柱式平台(Spar)。Spar作为继TLP之后的新一代主力深海生产平台[1-2]，被广泛应用于世界各深水区域的油气田开发中。

随着海洋油气开发水深的不断增加和离岸距离越来越远，海上油气田开发的总成本也大幅增加，对深水浮式生产平台“钻-采-储-运”综合能力和安全可靠性的要求也不断提高。美国油气工业界研究组织DEEPSTAR于 2003—2005年对墨西哥湾深水油气田开发项目进行统计研究，结果表明，对于特定的深水油气田开发总成本而言，平台的船体部分和上部组块部分成本占总成本比例(约15%～16%)相对较小，而钻井部分的成本则高达40%。另外，水下系统、立管系统和油气外输海底管线成本所占比例也大幅提高。最佳的深水浮式平台应有效地降低钻井、完井和修井部分的成本以及水下系统、立管系统和油气外输海底管线的成本，而不一定具有最低的平台本身成本。基于此，提出一种新型的深水立柱式Spar钻井生产储卸油(Spar Drilling Production Storage Offloading,SDPSO)平台概念，该平台能够显著提高深水工程技术方案的灵活度并降低深水油田开发总成本。同时，SDPSO平台的可移动性和综合钻井生产储卸油能力也能够使许多深水边际油田具有更好的商业开采价值，并使SDPSO平台成为早期生产系统的选择方案。SDPSO平台具备完整的深水钻完井能力、干树采油生产作业能力，适用于中小型深水和边际油田的开发。其主体内部空间可以用来存储生产出的原油，从而节省深水油田开发的总体建设成本。SDPSO平台结构对立管等设施提供良好保护。SDPSO平台整体重心低于浮心，具有无条件稳性特征，其运动响应固有周期远离波浪主要能量范围且对水深变化不敏感，适合在深水和超深水海域使用[3]。

本文针对目标海域环境特点，介绍SDPSO平台的主尺度与安装方案，对SPDSO平台的主要安装步骤进行分析，包括拖拉装船、干拖运输、船体浮卸、船体扶正等。图1 为SDPSO平台示例。

图1 SDPSO平台示例

1 基本信息

1.1 船体基本信息

SDPSO平台目标服役海域为西非某海域，平台总长为182 m，空船质量约28 008 t，具体尺度如表1所示。

表1 SDPSO平台主尺度 m

目标安装运输船装载能力为50 000 t，型宽为42.00 m，总长为221.60 m，基本信息如表2所示。由于SDPSO船体直径为40 m，与安装运输船型宽接近，SDPSO总长超过安装运输船甲板长度，用于浮卸的临时浮筒没有安装位置，且安装运输船在远洋运输中的稳性存在挑战，因此需要对目标安装运输船进行改造以适应SDPSO船体运输要求。

表2 安装运输船基本信息 m

续表2 安装运输船基本信息 m

在目标安装运输船左舷和右舷各添加4个舱室，舱室宽为7 m、长为24 m、高为8.44 m。具体改装效果如图2所示。

图2 目标安装运输船改造效果

1.2 安装方式

SDPSO船体采用场地建造、拖拉装船、整体运输、浮卸、扶正和组块吊装的方式进行安装。安装运输船运送SDPSO船体至目标港口外进行压载作业。安装运输船压载至指定吃水后，SDPSO自浮并在拖船牵引下偏移出安装运输船，随后被拖航至码头岸边进行系泊固定。在岸边起重机辅助下，SDPSO船体旋转以将未安装的螺旋侧板进行安装。在合适的作业天气窗口SDPSO船体在拖船的拖带下拖航至作业地点进行扶正作业。

SDPSO船体扶正后回接3根系泊缆，运输固定压载的矿砂船就位，连接软舱与矿砂船，将铁矿砂输送至软舱中。在具体作业时铁矿砂需要均匀分布在4个软舱内，体积不超过舱容的2/3。

当固定压载完成安装后平台回接另外6根系泊缆，完成系泊系统的安装。系泊缆回接完成后进行组块安装，组块可采用双船浮托安装或分块吊装进行安装。

在SDPSO的安装过程中船体拖拉装船、整体运输、浮卸、船体扶正为关键步骤。

2 装船分析

2.1 目标码头信息

安装运输船装船吃水范围D计算方法[4]为

D=Dd+D1-D2-De+Dt

(1)

式中：Dd为安装运输船型深；D1为安装运输船滑道高度；D2为陆上滑道高度；De为码头标高；Dt为码头潮位变化范围。

建造场地码头高程为5.30 m，陆上滑道高度为1.00 m，安装运输船滑道高度为1.20 m，安装运输船型深为13.30 m。码头潮位变化范围为1.22～4.42 m。最终，安装运输船装船吃水范围为9.42～12.62 m。

2.2 平台拖拉装船分析

针对SDPSO船体拖拉装船的载荷步进行装船分析。装船分析需要对安装运输船最小吃水状态(见图3)、最大吃水状态(见图4)进行稳性计算和总纵强度校核。

图3 目标安装运输船最小吃水状态分析模型

图4 目标安装运输船最大吃水状态分析模型

拖拉装船分析要求SDPSO船体在各个载荷步中，运输船的横稳心高应大于1 m，各个装载步骤具体分析结果如图5所示。分析结果显示，在装载过程中安装运输船稳性满足要求。

图5 最小和最大吃水状态SDPSO船体装船稳性分析结果

在整个装载过程中安装运输船船体总纵强度需要满足许用要求。在安装运输船最小吃水状态和最大吃水状态下各个载荷步对应的剪力和总纵弯矩校核如图6和图7所示。计算结果显示，在整个装载过程中最大剪力为5 003 t，远小于静水许用剪力；最大总纵弯矩为-215 037 t·m，远小于静水许用弯矩，在整个SDPSO拖拉装船过程中船体总纵强度满足要求。

图6 目标安装运输船最小吃水状态剪力与弯矩分析结果

图7 目标安装运输船最大吃水状态剪力与弯矩分析结果

3 运输分析

3.1 稳性分析

运输稳性包括完整稳性和破舱稳性，具体要求参照DNV GL-ST-N001[5]规范：(1)完整稳性。校核风速为100 kn，要求稳性范围不小于36.00°，面积比不小于1.40，初稳心高不低于1.00 m。(2)破舱稳性。校核风速为50 kn，破舱后初稳心高不低于1.00 m。

安装运输船远洋运输吃水为9.0 m，完整稳性校核结果如表3所示。

表3 安装运输船在风速为100 kn时完整稳性校核结果

破舱情况如图8所示。破舱稳性校核结果如表4所示，计算结果显示破舱稳性满足要求。

注：⊗代表破损舱室图8 破损舱室示例

表4 安装运输船破舱稳性校核结果

续表4 安装运输船破舱稳性校核结果

3.2 运动分析

SDPSO船体在拖拉装船后进行绑扎固定，安装运输船通过调节压载至拖航吃水后完成准备工作，开始远洋运输。远洋运输分析海况如下：

(1)有义波高Hs=9.0 m，谱峰周期Tp=10.8 s，提升因子γ=5.0；

(2)有义波高Hs=9.0 m，谱峰周期Tp=12.7 s，提升因子γ=2.4；

(3)有义波高Hs=9.0 m，谱峰周期Tp=16.4 s，提升因子γ=1.0。

针对上述海况进行运动分析，SDPSO船体重心位置运动分析主要结果如表5所示。

表5 SDPSO船体运动分析主要结果

4 浮卸分析

目标安装运输船将SDPSO船体运输至作业地点邻近港口进行浮卸作业。SDPSO平台的浮卸作业分为10步，每一步需要对安装运输船船体浮态与稳性进行计算。在浮卸作业过程中要求安装运输船初稳心高不低于0.15 m；在浮卸完成后SDPSO船体可以自由漂浮且初稳心高不低于1.00 m。

在安装运输船运输过程中临时可移动船体自身浮箱于船尾改造舱室上方，使其位于SDPSO螺旋侧板的间歇处。同时，SDPSO船体底部焊接临时浮箱以增强其横向稳性，临时浮箱位于螺旋侧板的间歇处。

具体计算结果如表6所示。安装运输船的最低横稳心高为0.50 m，满足要求。

表6 浮卸浮态与稳性

5 扶正分析

SDPSO扶正过程如图9所示。

图9 SDPSO船体扶正过程

SDPSO扶正过程分为13步，需要分析的内容包括各个步骤对应的SDPSO船体浮态与稳性、压载方案、总纵强度。SDPSO船体扶正过程浮态与稳性如表7所示。在整个扶正过程中横纵稳心高均大于0.15 m。当接近竖直状态时，SDPSO平台实际稳心高是较大的。

表7 SDPSO船体扶正过程浮态与稳性

续表7 SDPSO船体扶正过程浮态与稳性

SDPSO船体扶正过程剪力、弯矩曲线如图10所示。在整个过程中最大剪力为7 187 t，最大弯矩为360 238 t·m。

图10 SDPSO船体扶正过程剪力与弯矩分析结果

6 结 论

SDPSO 是一种新型浮式平台，集钻-采-储-卸四大功能于一体，可以大幅节约深水油田开发成本，同时其具有优良的安全可靠性、深水钻完井能力、储卸油能力等优点，非常适合于西非深水油气田开发。

简要分析SDPSO船体运输安装的主要工况。分析结果显示：目标运输船拖拉装船满足相关要求；考虑到服役于目标海域的SDPSO主尺度超出目标运输船的甲板长度和宽度，对其进行改造以满足稳性和浮卸作业要求；SDPSO船体扶正满足相关要求。

SDPSO安装设计涉及多个环节，安装资源和目标海域的场地条件都是影响最终方案的重要因素，在初始设计阶段应对其予以充分的重视。