海上大型组块一体化海洋油气田工程模式

海上大型组块一体化海洋油气田工程模式

海洋石油在世界能源中发挥着重要作用。目前,世界上已发现的海上油气田约1600个,已有约600个油气田投产,产量达到约12亿t/a,占世界石油总产量的三分之一。在我国,海洋石油工业发展近30年,共发现海上油气田约150个,已建成海上油气田85个。30年前,我国海洋油气产量仅为9万t油气当量,2010年,已超过5000万t油气当量,年平均递增(以1995年为基础年)17.83%,远高于陆上油气产量的增长(陆上为0.9%)海洋原油产量占我国原油产量的比重,从1990年的1.05%提高到2003年的14.4%,天然气的这一比例从1995年的2.1%提高到2003年的12.8%。可见,在我国实行石油多元化战略中,海洋油气业的地位越来越重要,未来,海洋石油工业将是我国国民经济发展不可缺少的巨大动力。因此,开发海洋石油,提升海洋油气田工程建设速度是当务之急。1浮吊资源利用方案海上油田的工程建设是一项复杂的工作,包括钢结构预制、导管架建造、组块建造(包括结构焊接、设备就位、管道连接等)、海上运输及安装调试等多个方面。海上安装具有设施重量大、要求精度高、受环境影响大等特点,因此,对于海上油田工程建设来说,海上施工资源的有效利用是一个关键因素。目前,我国海上油田的建设,基本上囊括了国内海洋工程界的所有大型船舶,其中,最为紧张的是钻井船和浮吊资源。一个油田的建成投产需要钻井船完成油井的钻井、完井作业,也需要浮吊资源完成采油生产平台的海上安装、海管铺设等工作。因此,在施工资源有限的情况下,如何最大化地优选利用资源是首要考虑和解决的问题。其关键是减少施工资源的利用频率、提高资源的使用效率。海上安装方式有3类:一是自安装法,即,建造好的设施靠自身能力进行海上安装;二是吊装法,即,用具有浮吊功能的施工资源将建造好的设施直接吊起来安装到海上,若设施重量超过了浮吊能力,就需要将设施分块进行吊装;三是浮托法,不借助其他举升装备,仅使用运输驳船依靠浮力完成大型构筑物海上的安装。浮托法的应用突破了浮吊吊装能力的限制,可在陆地上实现整个平台(生活楼、火炬臂、修井机与组块)的整体建造,大大提高了海上结构物一次安装的规模和重量。目前,我国海上油田的建设普遍采用分块吊装模式。由于海上安装作业中还包括生活楼、修井机、火炬臂等多个模块的安装,即便在较好的气候窗口,中心组块的整个海上安装时间一般会持续1~2个月,在冬季海上恶劣作业环境下的作业周期会更长。分块吊装的中心平台海上安装周期长,海上连接调试的工作量大,且施工中所使用的浮吊、驳船、拖轮数量多,占用了大量的施工资源;而一体化安装的浮托法具有成本低、耗时短、受其他因素的制约少,且起重能力较大等特点,优势明显。因此,海上大型组块一体化整体设计、建造、安装模式是一种值得推广的海洋石油开发建设的工程模式。2综合设计、施工和安装模式2.1浮托法组块的布置整体设计是指平台上部工程系统和下部结构的一体化设计,包括上部的工艺、公用系统、机电仪、舾装专业的一整套地面设施到结构基础建筑构架的设计,可实现系统流程的走向合理、大型设备的集约布置、生活楼舾装在组块上的整体布局,并为后续的建造、安装创造有利条件。浮托法安装模式起重能力大,安装重量可从2000t到30000t。因此,在组块设计时,不需要考虑组块大型浮吊等吊装机具的吊装能力和计划窗口问题,可以更合理地布置井口区域、工艺和公用设备、生活楼以及火炬臂等,从而使设备的布置乃至整个组块的设计达到最优化。设计人员更加关注功能的实现,避免了由于结构分块制约、工艺被迫切断制约和吊重制约可能带来的界面错误。2.2主体结构的“梯次”建造模式组块的整体建造模式,是指主体结构采用“梯(阶梯)次”顺序的建造模式、组块两翼悬跨部分采用“模块化”的建造模式,从而较好地解决了整体建造中进度互相制约的问题。组块的整体建造方案包括生活楼、飞机甲板、修井机、火炬臂等设施的整体建造实施。整体建造首要解决的是生活楼的建造进度问题,若大型组块的建造周期为10个月,生活楼的建造周期为6个月,根据经验,开工后2个月开始空间组对,再2个月后组块结构整体成型,从而基本具备了生活楼高空组对的起点,剩余的6个月可满足生活楼的建造周期。如此,组块与生活楼的整体建造从工期上成为可能。主体结构采用“梯次”建造解决了组块上生活楼建造的“生根”基础。对于两翼部分采用的“模块化”建造模式,意味着从传统的结构片预制、空间组对、设备底座安装、设备安装就位、电仪安装、管道安装等需要在立面空间交叉进行的工作,改为统一组装成一个模块,利用地面空间进行组装成型,从而大大缩短了海上作业时间。总之,主体结构的“梯次”建造模式与两翼“模块化”的安装模式能够充分利用有限的滑道资源,大大缩短空间组对时间,使得组块在较短的周期内完成整体建造,且具有较好的陆地完工状态。同时,也大大提高了吨钢材加工效率。2.3整体建造和海上施工的经济效益海上平台整体建造后,工艺系统、公用系统、污水系统等各系统可在陆地上进行调试,甚至可以完成整体联调,大大减少了海上的工作量。海上连接调试周期的减少可节约大量的拖轮、飞机、海上支持船舶、海上居住平台、燃料油、滑油、投产物料以及人员服务等费用,而且,油田早日投产还可以产生一定的经济效益。由于整体建造后的生活楼在陆地得到完善和调试,因此,海上安装完成后可立即投入生活支持。不仅减少了生活楼的海上连接工作量,同时,解决了生活支持船的问题,节约了大量费用。整体建造安装后的修井机在出海后,可利用平台已有设施立即投入海上生产井的完井作业,可节约钻井船资源,一定程度上缓解了钻井船的紧张。并且,整体建造方案使项目管理注意力集中于组块建造场地的“一点”,避免了分块建造模式的多点建造、装船与运输,实现了整体建造、整体装船、整体运输和整体安装,较好地解决了施工资源紧张的问题。整体建造方案使在陆地上完成整体调试成为可能,平台的陆地调试完全像浮式生产储油装置(FPSO)的“海上零调试”一样,使整个组块成为了一个“海上工厂”,海上安装就位后立即投入使用,可尽早地把油田从建设阶段转为投产,以实现工程项目利益最大化。2.4气候窗口组块一体化安装模式,是指大型的综合平台(包括组块本身、生活楼、修井机、火炬臂等平台设施)实现一次性完整安装,改变了分块吊装、分块连接、整体调试的海上作业模式,并为“海上零调试”创造了条件。目前,一体化安装作业需要的气候窗口约为2~3d。对于渤海湾,即便在最恶劣的天气环境,15d内利用一个气候窗口就可以一次性完成平台的全部安装作业。因此,一体化安装减少了对安装窗口的依赖。浮托法一体化安装在国内最早应用于赵东油田以上采用浮托法安装的6个大组块,重量从6500t到11000t,合计安装时间仅用了8d,与吊装法安装相比,合计节约了约1年时间。目前,荔湾3-1CEP超大型平台正在建设中,重量达30000t,拟采用浮托法整体安装。6个大型组块的成功安装,为我国未来深水项目的开发打下了坚实的基础。3双驳船浮托法技术我国海域特别是远海、深海等海域蕴藏着丰富的油气资源,对这些资源的大力开发是解决能源需求快速增长和陆上资源匮乏的一个重要方向。海洋石油的开发是高科技和高投入,开发的经济有效性及投资周期均依赖于建造、安装周期。同时,深海开发存在长距离海上运输、安装、海上联合调试到投产前的一系列问题,大型平台的浮托安装是解决这一系列问题的关键所在。大型平台浮托法设计高度取决于驳船等装备资源,应针对特定的平台尺寸、重量分布及安装的海域来选择适宜的浮托驳船。驳船的装船调载能力、运输稳定性、总强度和浮托操作吃水范围是选择的关键指标,当平台无直接对应的浮托驳船,需新建或改造驳船以适应深海开发的需要。针对目前深水技术所应用的张力腿式平台,尤其是顺应塔式、深吃水立柱(SPAR)式双驳船的浮托法技术正是为解决上述深水开发的问题应运而生。所谓双驳船浮托法技术(见图2),首先,单驳船把组块运送到深水油田所在离岸较近的位置,利用两条下水驳船把组块支撑起来,然后,航行到油田位置再进行浮托法的对接安装,当组块达到设计位置时,双驳船撤出现场。在国外,采用双驳船浮托法施工的项目已经成功实施,如,康菲公司在水深5.3m、浪高1m的海域整体安装的井口综合平台,其重量1360t,浮托安装费用约3百万美元,与吊装等安装方式相比,节约了18万美元;另外,墨菲/泰克尼布公司(Murphy/Technip)在水深1330m的海域采用双驳船浮托法安装的平台,组块重量为3954t,其SPAR结构的直径为32.3m,已于2006年11月份完成了海上安装。目前,双驳船的浮托法技术正在世界上兴起,其具有费用优势,且解决了深水平台所必需的“跨越”安装问题,将是我国走向深海开发的降低成本的最好借鉴。为保护海洋环境,防止对海洋环境造成有害影响,以及为避免妨碍海洋主导功能的使用,海上构筑物达到使用寿命后须从海上拆除(弃置)。到十二五末,我国海洋将有约200座构筑物达到设计寿命。双驳船浮托法弃置(见图3)可保证弃置作业整体一次性完成,该方法海上作业时间短,且对船舶的选用