工程设计对海上油气工程项目成本的影响

吕岩(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引言

近年来，我国石油与天然气资源对外依存度持续攀升，全球能源格局面临日趋复杂严峻的挑战，国家多次强调国内能源生产保障能力，加大油气资源勘探开发和增储上产力度。在新形势下，海上油气生产已成为国家能源增储上产的核心关键，在2022年国内原油总增产量中，海上原油占据50%以上，有效保障了国家能源安全[1]。

在海上油气开发总投资中，钻井、海上油气工程建设约占全部投资的95%以上，对应成本水平直接决定了海洋油气开发的经济性和可行性，因此，做好海上油气工程项目的成本优化具有重要意义。从短期来看，一方面对业主能提高油气田开发的经济性，有效降低单桶油成本；另一方面，对工程总包单位能提高企业自身竞争力，获取更多的油气工程开发订单，保障企业可持续、高水平发展。从长远看，降低海上油气工程项目建设成本，对加强海上油气资源开发的高效持续发展，有效保障国家能源安全具有重要作用。

影响海上油气工程建设总成本的因素众多，从详细设计、材料采办、陆地施工，再到海上安装及后调试等过程的每个环节都影响着工程项目总成本。但工程设计是整个项目全周期执行的关键因素，工程项目的一切工作始终都要围绕设计工作开展。工程设计不仅是指详细设计，同时也包括陆地建造工艺设计、海上施工工艺设计等，因此工程设计对工程项目的高质量执行起着决定性作用。本文旨在探讨工程设计工作对海上油气工程项目成本的影响，分别从详细设计、工艺设计及标准化设计进行总结讨论，为海上油气工程项目成本优化提供参考意见和优化方向。

1 国内海上油气工程开发现状及设计原则

目前，我国海上油气工程开发主要采取桩基固定式或海上漂浮式平台模式，考虑到我国已勘探可开发的油气资源主要集中在沿海大陆架和当前国内油气开发工程技术装备制造水平，国内海上油气开发主要以桩基固定式为主。其中，导管架平台是典型代表，其主结构为钢管焊接构成的桁架结构，在导管架腿部通过钢桩固定在海底。随着我国对南海深水油气田的开发，超大型深水导管架及移动式油气平台也正在不断增加，例如中国海油“海基一号”超大型深水导管架、“深海一号”浮式能源站。

工程设计要遵循以下原则：

(1)遵循国家现行的设计规范和国家批准的建设标准，以标准化设计为导向，并将可靠性设计、结构优化设计等设计方法论贯穿设计全生命周期；

(2)遵循资源利用合理、节能环保的总原则，严格遵守国家强制性工程建设技术标准的要求，注重“三新三化”的推广实施；

(3)遵循因势利导，经济与性能并重的原则，在实现工程产品功能要求的基础上，注重工程设计的经济性指标，将创新性工艺和方法应用在设计阶段，通过设计优化降低工程建设工期，降低工程投资成本。

相较于常规陆上工程，海上油气工程的设计难度和技术实施要求都更高，投入的成本也更多，尤其是在一些核心技术和高端装备方面，我国的科研人员还需进一步研究。在这样的背景下，更加需要深入研究如何从设计入手优化工程项目的整体成本。

2 海上油气工程项目成本构成

海上油气工程项目成本是指海上油气工程过程中所发生的全部成本，包括工程详细设计、工程材料设备采办、工程陆地建设、工程海上安装及海上连接调试等工作所对应的成本。

从成本科目维度来分，海上油气工程项目成本主要包括直接费和间接费，直接费包括工程材料费、工程直接费、措施费、项目管理费，间接费包括不可预见费、公司管理费、业主服务费及工程保险费，成本科目构成如图1所示。

图1 海上油气工程项目成本构成

本文讨论的成本优化主要针对直接费部分，通过优化降低人机料及大型资源的投入，实现项目成本的降低。

3 设计优化对海上油气工程项目成本的影响

3.1 结构轻量化优化设计

导管架平台的结构优化设计一般从尺寸、形状和拓扑三个层级开展，三个层级的优化难度和预期收益也是依次增加。

导管架主要的优化点包括：(1)大跨度钢结构优先考虑在导管架结构中应用，以便简化结构模型；(2)高强度钢可应用在受力较弱的部位，在保证结构强度的同时减小构件几何尺寸；(3)单/双斜腿多方案组合设计在导管架腿部应用，有利于后续平台运维的便利性及桩基稳定性；(4)优化飞溅区钢结构几何尺寸，加大壁厚保持强度要求，能大幅降低波浪力的影响[2]。

平台的主要优化点包括：(1)合理布局平台功能，力求简洁实用，避免冗余结构存在；(2)优化甲板布局，满足要求的前提下力求甲板面积最小；(3)在经济性可控的条件下，结构部件优先考虑使用高强度钢，既能满足强度，又可以减小平台重量；(4)优化建造工艺工序，降低生产投入，减少成本支出[2]。

随着海洋油气开发由浅水走向深水，大型/超大型深水导管架平台将被广泛应用。通过对深水导管架整体结构形式进行创新性合理优化及应用高性能高强钢作为原料，不仅能够提升结构物刚度、强度和安全性能，也能延长海上服役周期。同时由于结构优化会大幅减少钢材的使用量，工程投入成本也有效降低，经济效益提升明显。以我国南海深某300米级深水导管架平台项目为例，在保证导管架整体性能的前提下，创新性采用浮动式下水桁架及超大X撑结构设计方案，导管架结构水平层减少，大幅降低导管架的结构重量，低于往期临近海域200米级水深的导管架重量，且能应对百年一遇的恶劣海况，为整个工程节省钢材约3000 t以上，项目总成本优化上亿元[3]。

3.2 防腐技术优化设计影响

随着我国对深海油气资源的勘探开发，海洋工程结构的服役时间也逐渐增长。面对海水环境腐蚀的恶劣海况，海洋工程结构物的防腐设计要求越来越高。据有关统计，每年腐蚀损失约占国内生产总值的4%左右，统计数值远高于因自然灾害及各种生产安全事故导致的财产损失总和[4]。

行业内，由防腐涂层和阴极保护组合而成的复合水下防腐技术被广泛应用于海洋结构物的防腐作业，但随着深水油气的开发及平台服役时间拉长，原有的阴极保护措施已耗尽。因此，针对导管架平台的防腐开发新型牺牲阳极结构或新型的防腐保护系统对延长平台的服役时间，对降低海上油气工程开发建设及运维成本意义重大。

在传统梯形阳极的两侧增加两个翼，降低接水电阻，增加初期发生电流。通过试验对比，据此优化设计的阴极保护系统可以有效节约牺牲阳极的使用量，大幅降低牺牲阳极的水下安装工作量，有效降低海上安装工程成本[5]。

“深海一号”浮式生产平台防腐设计中将牺牲阳极和外加电流方案创新性组合成全新阴极保护系统，结合系统性的防腐管理措施，保障了半潜式平台服役期间30年不回坞的目标，降低了防腐工作量及后期的维护成本，助力工程项目降本增效[6]。

4 工艺设计对海上油气工程项目成本的影响

工艺设计是比详细设计对海上油气工程项目成本影响更直接的环节，好的工艺设计能大大提高施工工效，缩短施工工期，降低人机料的投入，进而降低工程总成本。同时，因工艺优化带来的局部工期缩短，通过不断累加也将缩短整个项目的执行工期，为海上油气田开发提前投产提供坚实保障，助力提升油气田开发的经济效益。

4.1 陆地建造工艺设计影响

现阶段海洋工程导管架平台等结构物的常规建造工艺为先将结构部分采用分段分片方式进行预制，然后在舾装车间进行预舾装，再将结构片置于场地总装垫墩或建造滑道上进行机械、配管、电气、仪表等专业的总装作业。在这种按专业顺序总装的常规建造工艺中，总装过程中往往会出现构件干涉或碰撞情况，导致部分干涉构件需重新施工修正，这不仅增加了二次有限空间作业的风险，也增加了工程项目支出成本[7-9]。为解决上述存在的问题，设计人员协同建造团队基于模块化设计理念，创造性探索出了适合海洋工程的一体化建造工艺。全新的一体化建造工艺将大部分建造工作均在车间预制阶段完成，保证甲板片的完备性，这将大大减少在总装现场的二次修复施工的工作量，进而实现了项目建造效率和经济性的双提升。

在南海某DPP钻采平台设计建造过程中，充分应用了一体化建造工艺，取得了良好的建造成果和经济效益。建造过程中组块空间总装工作量降低15.3%左右，节约工时14.2%，项目总工期提前26 d实现机械完工，累计节省成本近3000万元，新工艺的开发应用大幅提高了平台建造环节的经济效益[10]。

4.2 海上施工工艺设计影响

海上油气工程项目海上安装板块主要包括装船固定和海上安装两个主要施工阶段，需动用大型船舶机具完成相应施工，施工船组一般涉及主作业船(起重船、铺管船、水下多功能支持船等)、运输船、辅助施工船等，海上施工期间船组日费率高达百万级，总成本远高于详细设计和陆地建造阶段的成本，很大程度上决定了项目总成本水平。因此，能否通过设计合理的施工工艺缩短海上施工周期，是对海上安装板块成本优化的关键点。

4.2.1 装船固定阶段施工工艺分析

装船固定是指在陆地建造的海上油气工程结构物(如导管架或组块)通过一定的方式从陆地建造场地转移至运输船舶上并进行船上固定的过程。目前主要有吊装装船、滑移装船(牵引装船或拖拉装船)及SPMT(自行式模块运输车)装船。不同装船方式的分析对比[11]如表1所示。

表1 不同装船方式分析对比

装船固定是项目的关键节点，属于重大风险作业。在装船施工方案设计时需综合考虑结构物的特点、陆地建造情况、场地准备情况、天气、潮汐以及运输驳船情况等各种因素；要综合评估选择合适的装船方式，优化装船工期，降低装船固定阶段所需成本。

例如近年渤海海域油气工程开发项目，由于导管架及组块的结构吨位基本在5000 t以下，采用SPMT装船方式，不仅释放了场地的建造能力，也大幅缩短装船工期，有效节约了施工船组的待机时间，进而降低了装船阶段发生的项目成本。同时缩短了整个项目的执行工期，为项目提前投产提供了有力保障，远期经济收益也尤为可观。

4.2.2 海上阶段施工工艺分析

常规海上油气工程海上施工主要包括导管架、组块安装、海管海缆铺设等过程。其中，影响海上施工成本的关键点主要为导管架的下水及扶正工艺、组块安装工艺和海管焊接工艺。

4.2.3 导管架下水扶正工艺

导管架海上安装施工一般为吊装下水和滑移下水两种方式，两种方式的使用对比分析如表2所示。

表2 导管架不同下水方式分析对比

目前我国开发南海深水油气田使用的导管架主要在万吨级以上，海上安装如采用吊装下水，对浮吊船的能力要求过高，导致无船可用，或从国外调遣费用高昂的半潜式起重船。采用滑移下水方式大大节约了施工资源和工期，有效降低了项目开发投入成本。

导管架下水后扶正工艺的设计对有效项目降低成本也尤为关键。单钩注水扶正工艺是目前常规导管架下水扶正的主要方式，通过浮吊船的吊钩辅助，使海水逐渐注入导管架注水舱，通过浮力的变化调整导管架漂浮姿态，使其从水平横置状态逐渐调整到满足后续施工的竖直状态。但该扶正方式通常要求导管架自身具有一定的预留浮力，一般设计要求在总浮力的10%以上。为此，在设计阶段就需整体扩大导管架主腿和拉筋的尺寸，这样就额外增加了导管架体积和质量，增加了项目投入成本。为解决该难题，在某南海油气田开发项目中，创造性应用了单扒杆双钩扶正技术，在不改变浮吊船的前提下，此施工工艺设计去除了对导管架预留浮力的要求，大幅度降低了设计阶段导管架的总重量，粗略估算建造阶段减少用钢量500 t以上，降低建设投资成本近千万元，取得了明显的经济效益[12]。

(1)组块海上安装工艺

吊装安装和浮托安装是海洋平台组块海上安装的常见作业方式：吊装安装是指使用浮吊船上的起重机把组块从运输驳船上吊至导管架上落座的过程，该施工工艺受限于浮吊船的起重能力和工作空间跨距，通常能满足单重6000 t以内的单体组块安装；浮托法是指用驳船将组块整体运送至导管架上方落座的过程，其工作原理是通过驳船调载逐渐将组块下放至导管架支撑腿上，主要适用于万吨级及以上的大型组块。

目前针对大型组块，分块建造吊装也是一种可行方案。但分块建造吊装的工艺。一方面海上分块吊装工期会延长，另一方面因为分块建造的原因导致海上调试工作会增加，会大大延长海上施工工期，导致船舶资源投入大幅增加，项目成本也随之增加。相较而言，浮托安装工艺能够满足组块设计建造调试安装的整体性，大幅减少海上施工工作量，也无需使用紧缺的大型浮吊，具有耗时短、成本低等优点，目前在大型组块海上安装上已被广泛应用。实践证明能有效缩短海上施工周期，降低海上施工成本。

例如，在中国南海海域执行的某平台，浮托重量高达17247 t，采用浮托法安装，组块海上安装施工工期仅用了10 d，后续组块仅用18 d便实现了海上机械完工，大大降低了海上施工工期，节省了船舶资源和海上人机料成本的投入，同时也为项目提前投产创造了有利条件[13]。

(2)海管铺设工艺

海管铺设的工艺有很多种，其中S型铺管法(S-lay)和J型铺管法(J-lay)是目前应用最广泛的铺管工艺：S-lay是海管在沿船舶纵向布置的作业线上完成接长工作后通过托管架支撑下水，海管铺管的过程形态呈现“S”型。此铺管工艺的优点是铺设效率高，缺点是施工难度高，对铺管船、托管架及张紧器的能力要求高，而且“S”型的上弓段应力较大，操作不当易导致海管局部应力过大，甚至断管的可能。而J-lay铺管工艺是为了解决S-lay铺管过程中上弓段应力过大问题开发出来的。它通过J-lay塔沿竖直方向直接入水，海管铺管的过程形态呈现“J”型，完全消除了“S”型铺管法的上弓段问题。其优点是施工难度低，船舶及设备要求低，缺点是由于竖直方向的高度限制，导致铺管效率低[14]。

海管铺设施工工艺具有流水线作业特点，铺管船上的不同工作站依次完成上管、拉对中器、组对、焊接等，焊口检验和节点涂敷可与其他工序同步进行。通过海上施工总结发现，海管焊接效率是影响海管铺设效率的关键因素。实践发现，焊接效率既包含人机料的原因，也包含焊接工艺的影响。“人机料”的原因可以通过有效措施改善，而焊接工艺的开发是制约焊接效率的关键因素，因此开发设计高效的焊接方式是降低海管铺设工期，降低海管铺设施工成本的核心关键。例如，海油工程开发设计的一套适用于多规格海管焊接的全自动GMAW工艺，大幅提升海管焊接的质量和效率，并将成果成功应用于荔湾3-1、荔湾深水、丽水36-1、垦利10-1、平黄一期等海管项目，实现了海管焊接质量99.47%以上的合格率，焊接效率提升了3～4倍[15]。焊接效率的大幅提升节省了铺管船组的施工工期，有效降低了同期项目的海管施工船舶资源投入成本。

5 标准化设计对海上油气工程项目成本的影响

海上油气工程项目开发因海底地质结构的复杂化，通常不同项目的设计工作都是不同的个性化设计，这种针对性的设计能有效应对项目的特殊要求。但在油田群项目或某一特定海域项目群开发时，这种个性化设计却会带来大量的重复性设计工作，降低设计工作的效率。这种背景下就需要引入“标准化设计”的概念，针对某一区域油气田的共性，总结历史设计经验，制定统一的标准和模式，开展适用范围比较广泛的设计，形成通用的标准化设计文件，降低未来同类型项目的设计重复工作投入。同时，由设计标准化延伸到材料设备、建造施工工艺标准化，能够进一步降低工程项目建设成本。

5.1 详细设计标准化

海油工程近年来以渤海油田工程设施标准化设计为契机，大力推进标准化设计工作的建设，把工程设计标准化作为破解海洋工程离散型制造难题的发力点，系统形成“4+5”标准化设计成果，导管架平台的标准化设计成果在垦利6-1、渤中34-9等项目中得到充分应用，实现工程标准化设计从“不可能”到“普遍使用”的跨越，大幅提升渤海油田工程项目设计工作效率，综合提效约15%以上，下游业务提效25%以上，为我国海洋石油开发工程标准化建设开拓了新赛道。

标准化设计也为设计工作的信息化、数字化奠定了基础。近年来，海油工程自主开发的协同设计管理平台，实现了设计成果的协同共享，设计工作进一步提质增效，“海基一号”导管架数字孪生实现陆丰15-1油田全生命周期完整性管理的健康监测。这一系列的信息化、数字化模式给设计工作带来革命性变革，同时也降低了整个项目设计工作所耗工期，为后续海上油气工程开发项目降本提供了新的方向。

5.2 工艺工单标准化

建造工艺工单设计是否合理高效，直接决定了建造场地的建造工效水平，进而影响整个项目的建设工期和施工投入成本。工艺工单的标准化设计主要是指建造阶段依托详细设计的标准化定义，将建造环节的最小单元“工单”进行标准化定义，不同的建设项目按照标准工单将工作进行分解，车间按照工单进行批量化生产管理，能够大幅提升预制工作的工效和质量。随着将来标准工单的成熟应用，海上油气工程项目建造环节的施工全过程，能够逐步从制造工艺标准化向过程数据信息化、生产驱动数字化，产品制造智能化演变，从而大幅度提高生产效率和降低成本。

近年来，海油工程天津智能化制造基地创造国内海洋油气智能制造“零”的突破，实现预制作业环节提效10%～20%，整体工期缩短10%～15%，进一步提升了海上油气工程开发项目建造阶段的施工水平，有效降低了建造阶段的施工成本投入，并伴随着标准化推广应用，逐步向“黑灯工厂”迈进。

6 结语

工程设计是海上油气工程开发的关键核心，工程设计质量的高低直接决定了项目执行的成败。通过探讨分析可以看出，详细设计、工艺设计及标准化设计对项目成本都有直接影响，优秀的降本增效设计在项目群中推广应用后，能获得指数级增长的经济效益。本文为海上油气工程项目成本优化提供了指导方向，同时也为工程设计工作提供了经济性优化的参考建议。