海上大型組塊一體化海洋油氣田工程模式

海上大型組塊一體化海洋油氣田工程模式

海洋石油在世界能源中發(fā)揮著重要作用。目前,世界上已發(fā)現(xiàn)的海上油氣田約1600個,已有約600個油氣田投產(chǎn),產(chǎn)量達(dá)到約12億t/a,占世界石油總產(chǎn)量的三分之一。在我國,海洋石油工業(yè)發(fā)展近30年,共發(fā)現(xiàn)海上油氣田約150個,已建成海上油氣田85個。30年前,我國海洋油氣產(chǎn)量僅為9萬t油氣當(dāng)量,2010年,已超過5000萬t油氣當(dāng)量,年平均遞增(以1995年為基礎(chǔ)年)17.83%,遠(yuǎn)高于陸上油氣產(chǎn)量的增長(陸上為0.9%)海洋原油產(chǎn)量占我國原油產(chǎn)量的比重,從1990年的1.05%提高到2003年的14.4%,天然氣的這一比例從1995年的2.1%提高到2003年的12.8%?？梢?在我國實(shí)行石油多元化戰(zhàn)略中,海洋油氣業(yè)的地位越來越重要,未來,海洋石油工業(yè)將是我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可缺少的巨大動力。因此,開發(fā)海洋石油,提升海洋油氣田工程建設(shè)速度是當(dāng)務(wù)之急。1浮吊資源利用方案海上油田的工程建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作,包括鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制、導(dǎo)管架建造、組塊建造(包括結(jié)構(gòu)焊接、設(shè)備就位、管道連接等)、海上運(yùn)輸及安裝調(diào)試等多個方面。海上安裝具有設(shè)施重量大、要求精度高、受環(huán)境影響大等特點(diǎn),因此,對于海上油田工程建設(shè)來說,海上施工資源的有效利用是一個關(guān)鍵因素。目前,我國海上油田的建設(shè),基本上囊括了國內(nèi)海洋工程界的所有大型船舶,其中,最為緊張的是鉆井船和浮吊資源。一個油田的建成投產(chǎn)需要鉆井船完成油井的鉆井、完井作業(yè),也需要浮吊資源完成采油生產(chǎn)平臺的海上安裝、海管鋪設(shè)等工作。因此,在施工資源有限的情況下,如何最大化地優(yōu)選利用資源是首要考慮和解決的問題。其關(guān)鍵是減少施工資源的利用頻率、提高資源的使用效率。海上安裝方式有3類:一是自安裝法,即,建造好的設(shè)施靠自身能力進(jìn)行海上安裝;二是吊裝法,即,用具有浮吊功能的施工資源將建造好的設(shè)施直接吊起來安裝到海上,若設(shè)施重量超過了浮吊能力,就需要將設(shè)施分塊進(jìn)行吊裝;三是浮托法,不借助其他舉升裝備,僅使用運(yùn)輸駁船依靠浮力完成大型構(gòu)筑物海上的安裝。浮托法的應(yīng)用突破了浮吊吊裝能力的限制,可在陸地上實(shí)現(xiàn)整個平臺(生活樓、火炬臂、修井機(jī)與組塊)的整體建造,大大提高了海上結(jié)構(gòu)物一次安裝的規(guī)模和重量。目前,我國海上油田的建設(shè)普遍采用分塊吊裝模式。由于海上安裝作業(yè)中還包括生活樓、修井機(jī)、火炬臂等多個模塊的安裝,即便在較好的氣候窗口,中心組塊的整個海上安裝時間一般會持續(xù)1~2個月,在冬季海上惡劣作業(yè)環(huán)境下的作業(yè)周期會更長。分塊吊裝的中心平臺海上安裝周期長,海上連接調(diào)試的工作量大,且施工中所使用的浮吊、駁船、拖輪數(shù)量多,占用了大量的施工資源;而一體化安裝的浮托法具有成本低、耗時短、受其他因素的制約少,且起重能力較大等特點(diǎn),優(yōu)勢明顯。因此,海上大型組塊一體化整體設(shè)計(jì)、建造、安裝模式是一種值得推廣的海洋石油開發(fā)建設(shè)的工程模式。2綜合設(shè)計(jì)、施工和安裝模式2.1浮托法組塊的布置整體設(shè)計(jì)是指平臺上部工程系統(tǒng)和下部結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì),包括上部的工藝、公用系統(tǒng)、機(jī)電儀、舾裝專業(yè)的一整套地面設(shè)施到結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)建筑構(gòu)架的設(shè)計(jì),可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)流程的走向合理、大型設(shè)備的集約布置、生活樓舾裝在組塊上的整體布局,并為后續(xù)的建造、安裝創(chuàng)造有利條件。浮托法安裝模式起重能力大,安裝重量可從2000t到30000t。因此,在組塊設(shè)計(jì)時,不需要考慮組塊大型浮吊等吊裝機(jī)具的吊裝能力和計(jì)劃窗口問題,可以更合理地布置井口區(qū)域、工藝和公用設(shè)備、生活樓以及火炬臂等,從而使設(shè)備的布置乃至整個組塊的設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)化。設(shè)計(jì)人員更加關(guān)注功能的實(shí)現(xiàn),避免了由于結(jié)構(gòu)分塊制約、工藝被迫切斷制約和吊重制約可能帶來的界面錯誤。2.2主體結(jié)構(gòu)的“梯次”建造模式組塊的整體建造模式,是指主體結(jié)構(gòu)采用“梯(階梯)次”順序的建造模式、組塊兩翼懸跨部分采用“模塊化”的建造模式,從而較好地解決了整體建造中進(jìn)度互相制約的問題。組塊的整體建造方案包括生活樓、飛機(jī)甲板、修井機(jī)、火炬臂等設(shè)施的整體建造實(shí)施。整體建造首要解決的是生活樓的建造進(jìn)度問題,若大型組塊的建造周期為10個月,生活樓的建造周期為6個月,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),開工后2個月開始空間組對,再2個月后組塊結(jié)構(gòu)整體成型,從而基本具備了生活樓高空組對的起點(diǎn),剩余的6個月可滿足生活樓的建造周期。如此,組塊與生活樓的整體建造從工期上成為可能。主體結(jié)構(gòu)采用“梯次”建造解決了組塊上生活樓建造的“生根”基礎(chǔ)。對于兩翼部分采用的“模塊化”建造模式,意味著從傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)片預(yù)制、空間組對、設(shè)備底座安裝、設(shè)備安裝就位、電儀安裝、管道安裝等需要在立面空間交叉進(jìn)行的工作,改為統(tǒng)一組裝成一個模塊,利用地面空間進(jìn)行組裝成型,從而大大縮短了海上作業(yè)時間?？傊?主體結(jié)構(gòu)的“梯次”建造模式與兩翼“模塊化”的安裝模式能夠充分利用有限的滑道資源,大大縮短空間組對時間,使得組塊在較短的周期內(nèi)完成整體建造,且具有較好的陸地完工狀態(tài)。同時,也大大提高了噸鋼材加工效率。2.3整體建造和海上施工的經(jīng)濟(jì)效益海上平臺整體建造后,工藝系統(tǒng)、公用系統(tǒng)、污水系統(tǒng)等各系統(tǒng)可在陸地上進(jìn)行調(diào)試,甚至可以完成整體聯(lián)調(diào),大大減少了海上的工作量。海上連接調(diào)試周期的減少可節(jié)約大量的拖輪、飛機(jī)、海上支持船舶、海上居住平臺、燃料油、滑油、投產(chǎn)物料以及人員服務(wù)等費(fèi)用,而且,油田早日投產(chǎn)還可以產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。由于整體建造后的生活樓在陸地得到完善和調(diào)試,因此,海上安裝完成后可立即投入生活支持。不僅減少了生活樓的海上連接工作量,同時,解決了生活支持船的問題,節(jié)約了大量費(fèi)用。整體建造安裝后的修井機(jī)在出海后,可利用平臺已有設(shè)施立即投入海上生產(chǎn)井的完井作業(yè),可節(jié)約鉆井船資源,一定程度上緩解了鉆井船的緊張。并且,整體建造方案使項(xiàng)目管理注意力集中于組塊建造場地的“一點(diǎn)”,避免了分塊建造模式的多點(diǎn)建造、裝船與運(yùn)輸,實(shí)現(xiàn)了整體建造、整體裝船、整體運(yùn)輸和整體安裝,較好地解決了施工資源緊張的問題。整體建造方案使在陸地上完成整體調(diào)試成為可能,平臺的陸地調(diào)試完全像浮式生產(chǎn)儲油裝置(FPSO)的“海上零調(diào)試”一樣,使整個組塊成為了一個“海上工廠”,海上安裝就位后立即投入使用,可盡早地把油田從建設(shè)階段轉(zhuǎn)為投產(chǎn),以實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目利益最大化。2.4氣候窗口組塊一體化安裝模式,是指大型的綜合平臺(包括組塊本身、生活樓、修井機(jī)、火炬臂等平臺設(shè)施)實(shí)現(xiàn)一次性完整安裝,改變了分塊吊裝、分塊連接、整體調(diào)試的海上作業(yè)模式,并為“海上零調(diào)試”創(chuàng)造了條件。目前,一體化安裝作業(yè)需要的氣候窗口約為2~3d。對于渤海灣,即便在最惡劣的天氣環(huán)境,15d內(nèi)利用一個氣候窗口就可以一次性完成平臺的全部安裝作業(yè)。因此,一體化安裝減少了對安裝窗口的依賴。浮托法一體化安裝在國內(nèi)最早應(yīng)用于趙東油田以上采用浮托法安裝的6個大組塊,重量從6500t到11000t,合計(jì)安裝時間僅用了8d,與吊裝法安裝相比,合計(jì)節(jié)約了約1年時間。目前,荔灣3-1CEP超大型平臺正在建設(shè)中,重量達(dá)30000t,擬采用浮托法整體安裝。6個大型組塊的成功安裝,為我國未來深水項(xiàng)目的開發(fā)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。3雙駁船浮托法技術(shù)我國海域特別是遠(yuǎn)海、深海等海域蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源,對這些資源的大力開發(fā)是解決能源需求快速增長和陸上資源匱乏的一個重要方向。海洋石油的開發(fā)是高科技和高投入,開發(fā)的經(jīng)濟(jì)有效性及投資周期均依賴于建造、安裝周期。同時,深海開發(fā)存在長距離海上運(yùn)輸、安裝、海上聯(lián)合調(diào)試到投產(chǎn)前的一系列問題,大型平臺的浮托安裝是解決這一系列問題的關(guān)鍵所在。大型平臺浮托法設(shè)計(jì)高度取決于駁船等裝備資源,應(yīng)針對特定的平臺尺寸、重量分布及安裝的海域來選擇適宜的浮托駁船。駁船的裝船調(diào)載能力、運(yùn)輸穩(wěn)定性、總強(qiáng)度和浮托操作吃水范圍是選擇的關(guān)鍵指標(biāo),當(dāng)平臺無直接對應(yīng)的浮托駁船,需新建或改造駁船以適應(yīng)深海開發(fā)的需要。針對目前深水技術(shù)所應(yīng)用的張力腿式平臺,尤其是順應(yīng)塔式、深吃水立柱(SPAR)式雙駁船的浮托法技術(shù)正是為解決上述深水開發(fā)的問題應(yīng)運(yùn)而生。所謂雙駁船浮托法技術(shù)(見圖2),首先,單駁船把組塊運(yùn)送到深水油田所在離岸較近的位置,利用兩條下水駁船把組塊支撐起來,然后,航行到油田位置再進(jìn)行浮托法的對接安裝,當(dāng)組塊達(dá)到設(shè)計(jì)位置時,雙駁船撤出現(xiàn)場。在國外,采用雙駁船浮托法施工的項(xiàng)目已經(jīng)成功實(shí)施,如,康菲公司在水深5.3m、浪高1m的海域整體安裝的井口綜合平臺,其重量1360t,浮托安裝費(fèi)用約3百萬美元,與吊裝等安裝方式相比,節(jié)約了18萬美元;另外,墨菲/泰克尼布公司(Murphy/Technip)在水深1330m的海域采用雙駁船浮托法安裝的平臺,組塊重量為3954t,其SPAR結(jié)構(gòu)的直徑為32.3m,已于2006年11月份完成了海上安裝。目前,雙駁船的浮托法技術(shù)正在世界上興起,其具有費(fèi)用優(yōu)勢,且解決了深水平臺所必需的“跨越”安裝問題,將是我國走向深海開發(fā)的降低成本的最好借鑒。為保護(hù)海洋環(huán)境,防止對海洋環(huán)境造成有害影響,以及為避免妨礙海洋主導(dǎo)功能的使用,海上構(gòu)筑物達(dá)到使用壽命后須從海上拆除(棄置)。到十二五末,我國海洋將有約200座構(gòu)筑物達(dá)到設(shè)計(jì)壽命。雙駁船浮托法棄置(見圖3)可保證棄置作業(yè)整體一次性完成,該方法海上作業(yè)時間短,且對船舶的選用