（石油与天然气工程专业论文）胜利海上边缘区块fpso生产系统研究.pdf

s t u d i e so nt h ef p s op r o d u c t i o ns y s t e mo fo f f s h o r em a r g i n a l f i e l d sa ts h e n g l io i l f i e l d at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo f e n g i n e e r i n gm a s t e r c a n d i d a t e ：w a n gm i n s u p e r v i s o r ：p r o f f e n gy o n g x u n a n dx u z h i g a n g c o l l e g eo fp i p e l i n ea n dc i v i le n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo f p e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：_ 雄 日期：矽年乡月2 歹日日期：矽年乡月2 7 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日觏：越 | 年岁只2 穹b ：日强：凹年多月强日 摘要 胜利埕岛油田经过1 0 多年的开发，已建成井口平台1 0 0 多座，海底管线1 5 0 多公 里，海底电缆近2 0 0 公里，建成了以中心一号、二号平台为中心的埕岛油田主体区域海 上油气集输系统，以及以c b 3 0 a 为中心的埕岛油田东区海上油气集输系统。随着胜利 埕岛海上油f f l 勘探开发不断深入，主力区块以外还发现了大量边缘区块，这些区块与主 力区块距离一般在5 k m 以上，且储量较低。如果采用常规模式丌发，在技术和经济性上 都存在较大的团难。因此，充分考虑到目前埕岛油田开发过程中遇到的这些团难，经过 广泛的调研，本文提出采用小型f p s o 对这些边缘区块进行丌发的方案，从而减少工程 投资。 本文针对胜利海上边缘区块的特点，主要进行了以下几方面的研究：( 1 ) 对小型 f p s o 上的油气处理工艺、天然气的利用以及甲板的设备布置的研究。( 2 ) 根据设计处 理量及油气物性，完成原油及天然气的处理系统、放空系统、热媒系统的工艺计算和设 备选型。( 3 ) 进行埕岛油田边缘井单井平台结构设计。单井平台结构设计包括下部桩基 础、导管架结构、上部组块，计算内容包括了整个平台的静力分析及结构自振特性分析。 ( 4 ) 基于图论中连通图加权中心的概念，本文建立了f p s o 选址优化模型，确定了f p s o 的最佳系泊位置。建立了以管网总长度最小为目标的管线拓扑优化模型，采用图论中求 连通图最小生成树的k r u s k a l 算法求解。( 5 ) 利用p i p e p h a s e 软件对优化管网进行了 水力和热力模拟计算，校核管网的水力和热力条件是否满足相关要求。 关键词：集输管网；f p s o ；简易平台；优化 s t u d i e so nt h ef p s op r o d u c t i o ns y s t e mo fo f f s h o r em a r g i n a lf i e l d sa t s h e n g l io i i f i e l d w a n gm i n ( o i la n dn a t u r eg a se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f f e n gy o n g x u na n dx uz h i g a n g a b s t r a c t a f t e rt e ny e a r so fd e v e l o p m e n ta ts h e n g l ic h e n g d a oo i l f i e l d s ，m o r et h a n10 0w e l l h e a d p l a t f o r m ，15 0k ms u b m a r i n ep i p e l i n ea n dn e a r l y2 0 0 k ms u b m a r i n ec a b l eh a v eb e e nb u i l t c h e n g d a of i e l dh a v eb u i l tt h em a i nr e g i o n a lo f f s h o r eo i la n dg a sg a t h e r i n gs y s t e mw i t hz xi ， i ip l a t f o r m c e n t r i c ，a n dt h ee a s t e r no f f s h o r eo i la n dg a sf i e l dg a t h e r i n gs y s t e mw i t h c b 3 0 a c e n t r i c a s w i t ht h ed e e p e n i n go fc h e n g d a oo i l f i e l d s e x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n t ，a l o to fm a r g i n a lf i e l d sh a v eb e e nf o u n do u t s i d et h em a i nr e g i o n a l t h e s em a r g i n a lf i e l d sa r e m o r et h a n1o k mf r o mt h em a i nr e g i o n a la n dl o w e rr e s e r v e s i fu s i n ga g e n e r a ld e v e l o p m e n t m o d e ，t h et e c h n i c a la n de c o n o m i cp r o b l e m se x i s to nb o t h t h e r e f o r e ，g i v e nt h ec u r r e n t d i f f i c u l t i e se n c o u n t e r e di nt h ed e v e l o p m e n to fc h e n g d a oo i l f i e l d s ，a f t e re x t e n s i v er e s e a r c h ，a s m a l ls c a l ef p s oh a sb e e np r o p o s e df o rd e v e l o p i n gt h e s em a r g i n a lf i e l d si nt h i sp a p e r ， w h i c hc a nr e d u c et h ee n g i n e e r i n gi n v e s t m e n t t h eo f f s h o r em a r g i n a lf i e l d so fs h e n g l ic h e n g d a oo i l f i e l d si ss t u d i e di nt h i sp a p e r ，a n d t h ef o l l o w i n gf i v ea s p e c t sa r em a i n l yi n v o l v e d ：( 1 ) s t u d i e dt h eo i la n dg a sp r o c e s s i n g t e c h n o l o g y ，t h eu s eo f n a t u r a lg a sa n dt h ee q u i p m e n t l a y o u to nt h ed e c ko ft h ef p s o ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nc a p a c i t ya n do i la n dg a sp r o p e r t i e s ，t h ep r o c e s sc a l c u l a t i o no fo i l a n dn a t u r a lg a sp r o c e s s i n gs y s t e m ，v e n t i n gs y s t e m ，h e a tm e d i u ms y s t e m sa n de q u i p m e n t s e l e c t i o nh a v e b e e nc o m p l e t e d ( 3 ) t h es i n g l ew e l lp l a t f o r ma r c h i t e c t u r ef o rt h eo f f s h o r e m a r g i n a lf i e l d s ，h a sb e e nd e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h el o w e rp a r to fp i l ef o u n d a t i o nt o p s i d ej a c k e t s t r u c t u r e t h es t a t i ca n a l y s i sa n dv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep l a t f o r mh a v e b e e n c o m p l e t e d ( 4 ) b a s e do nt h ew e i g h t e dc e n t e rc o n c e p to fc o n n e c t e dg r a p hi ng r a p ht h e o r y ，t h e o p t i m i z a t i o nm o d e lo ff p s o l o c a t i o nh a sb e e nb u i l t ，a n dt h eb e s tf p s om o o r i n gl o c a t i o nh a s b e e nd e t e r m i n e d at o p o l o g yo p t i m i z a t i o nm o d e lw i t ht h eo b j e c t i v eo fm i n i m i z i n gt h et o t a l l e n g t ho fp i p eh a sb e e ne s t a b l i s h e d ，a n db e e ns o l v e db yt h ek r u s k a la l g o r i t h m ( 5 ) u s i n gt h e p i p i e p h a s es i m u l a t e dt h eh y d r a u l i ca n dt h e r m a lc o n d i t i o n so ft h en e t w o r k ，a n dc h e c k i n g w h e t h e rt h eh y d r a u l i ca n dt h e r m a lc o n d i t i o n sm e e tt h er e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：o i lg a t h e r i n ga n dt r a n s f e r r i n g ；f p s o ；s u m m a r yp l a t f o r m ；o p t i m i z a t i o n 目录 第一章前言1 1 1 研究背景及目的1 1 2 国内外海上边缘区块开发现状1 1 2 1 海上边缘区块特点1 1 2 2 海上边缘区块开发模式1 1 2 3 国内海上边际油田开发现状2 1 3 主要研究内容和重点4 第二章海上边缘区块简易平台设计5 2 1 简易平台结构设计5 2 2 海洋环境资料6 2 3 荷载及荷载组合8 2 3 1 荷载计算8 2 3 2 荷载汇总1 0 2 4 结构分析软件1 l 2 4 1 概述1 l 2 4 2 结构分析软件简介1 1 2 4 3 平台结构分析1 2 第三章边缘区块小型f p s o 研究1 4 3 1f p s o 生产甲板平面布置1 4 3 1 1 平面布置原则1 4 3 1 2 平面布置及说明1 5 3 1 3 各区布置及设施1 6 3 1 4 设备的选取及参数的确定1 9 3 2 浮式储油装置的上艺系统设计2 0 3 2 1 工艺流程设计2 0 3 2 2 设计条件2 1 3 2 3 设备选取与计算2 8 第四章集输管网的优化研究3 8 4 1 优化算法介绍3 8 4 2 管网模型建立3 9 4 2 1f p s o 的选址4 0 4 2 2 海底管网布置优化4 2 4 3 集输管网优化4 3 4 3 1 平台基础数据4 4 4 3 2 管网优化计算4 5 4 3 3 集输管网的水力热力状况4 6 第五章结论4 9 参考文献5 0 致谢5 2 中国石油大学( 华东) t 程硕i j 学位论文 第一章前言 1 1 研究背景及目的 胜利埕岛海上油田自1 9 9 3 年币式丌发至今已有1 0 多年的历史，已建成井组及单井 平台9 9 座，海底管线1 5 0 多公里，海底电缆近2 0 0 公里，建成了以中心一号、二号平 台为中心的埕岛油田主体区域海上生产油气集输系统，以及以c b 3 0 a 为中心的埕岛油 田东区海上生产油气集输系统。埕岛油田主体区域的井组及单井平台产出的油气经加热 计量后通过海底管道混输至中心平台处理外输。随着胜利埕岛海上油田勘探开发不断深 入，主力区块以外的油井( 包括试采单井) 如何实现连续生产或合理利用，成为一个亟 待解决的问题。 这些油井的水深一般在1 6 - - - 2 0 米水深之间、与中心平台的距离通常在1 0 k m 以上。 如果依靠无人值守的固定式平台和海底管线输送进入集输系统的方式束开发，一方面会 使整个集输系统回压偏高，另一方面长距离的海底管线、海底电缆的建设费用非常高， 这就导致了边缘区块开发的经济效益较差，因此通过这种方式对边缘区块进行开发在技 术和经济性上都缺少可行性。若不建造海底集输管道，而采用有储罐平台的固定式平台 和拉油的方式生产，则会因建造平台的工程投资较高，使一些小储量的区块失去了开采 价值。 该项目针对胜利海上边缘小区块生产系统进行研究，提出采用小型浮式生产储油装 置( 1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 吨级) 进行开发，并对该装置上的油气处理工艺、天然气的合理利 用以及甲板设备布置进行研究。通过研究，最大限度地降低该装置在使用过程中的风险， 对于加快油田开发，具有重要的现实意义。 1 2 国内外海上边缘区块开发现状 1 2 1 海上边缘区块特点 边际油田通常是指由于各种原因( 距离、地质条件、油气价格等) ，采用常规方法 ( 固定平台，油气输送管线) 开发没有足够经济效益的油田。【1 1 多数边际油田都是远离 现有的基础设施的边缘区块。随着对石油需求的不断增长，这些区块的开发显得非常重 要。在目前条件下，这些油田只能靠采用先进的技术及合理的丌发模式来开发。 1 2 2 海上边缘区块开发模式 1 、大跨度井 随着钻井技术快速的发展，钻井的跨度也在不断增加，使得许多位于已开发油田平 第一章前言 台附近的小油田，可以通过从平台上钻大跨度井方式进行开发。1 2 】 西非安哥拉的c a c o 与g a z e l a 两个油田，可采储量仅为8 0 1 0 4 m 3 ，如果采用常规 的固定平台来开发，那么基本没任何经济效益可言。而采用大跨度井开发，其投资大大 减少，使其具备了开发价值。南海的西江2 4 1 油田，在上世纪8 0 年代就已被发现，但 由于地质储量仅4 0 0 多万吨，不具备单独开发的价值。直到1 9 9 6 年，通过与国外石油 公司合作，从8 k m 以外的西江2 4 3 平台上钻一口大跨度井来对其进行开发。这口大跨 度井的钻井成本不到2 0 0 0 万美元，整个投资仅用了半年多的时间就全部收回。如果用 水下生产系统或建造井口平台对该油田进行丌发，预计所需费用将分别超过5 0 0 0 万或 7 0 0 0 万美元。p 】可见，大跨度井在节约油田开发投资方面有着巨大的优势，对储量有限、 经济效益不高的边缘区块的开发是一种有效的开发方法。 2 、“三一”开发模式 所谓“三一”开发模式，即对距离以开发油田较近的边际油田，用一座简易平台( 海 底井口) 、一条海底管线、一条海底电缆，将其生产的油气送入该己开发油田的开发模 式，这是一种开采边际油气田的常用模式。上世纪八十年代，英国在北海油田使用简易 平台和和海底管道对一些位置较偏远的小油田进行开发，获得了较好的经济效益。随着 这些年海底采油技术和简易平台技术的发展，这种开发模式的优点变得日益明显，在各 国的海上油田开发中或得了越来越多的应用。1 4 】据报道，仅在1 9 9 8 年仅在北海海域就有 1 4 个油田采用海底井口开发。西非加蓬的p i n g o n i n 油田，储量仅6 4 万吨原油，采用海 底井口采油，将采出的油气输送到邻近的生产装置，投资仅2 0 0 0 万美元。由此可见， 应用“三一”模式开发边际油气i l l 有着相当广阔的发展前景。【5 】 3 、蜜蜂式开发模式 可移动生产装置包括浮式生产储油装置，半潜浮式生产平台以及自升式生产平台。 这类装置可以重复使用，在一个油田开发完毕后，移动到下一个油田继续生产，这就大 大降低了油田的开发投资。所谓蜜蜂式丌发方式，就是利用可移动式生产装置的这一特 点，对距离己开发油田较远的、无法依托已开发油田的较小的、孤立的边缘区块，采用 可移动式的，集生产、移动、动力、储油、外输、生活为一体的小型生产装置的开发模 式。像蜜蜂一样，采完一个区块，可以移动到另一个区块采油。该装置的投资可在多个 油田开发中回收，该模式的研究已经取得了初步成果。【6 】 1 2 3 国内海上边际油田开发现状 2 中国石油大学( 华东) _ t 程硕一f ：学位论文 目前国内在渤海的渤中、锦州、埕岛油田，南海的西江、惠州油田均有对边缘区块 的丌发案例。通过各种新的开发理念和技术，降低生产设施的投资和运行成本，许多原 本没有足够经济效益的边缘区块重新具备开发价值。1 7 l 8 】 例如位于渤海中部海域的勃中3 4 3 油田和勃中3 4 5 油田，水深约2 0 m ，探明地质 储量不足3 0 0 1 0 4 m 3 ，是渤海湾两个小的边际油田，为了降低了油刚的丌发费用，这两 个油盱1 采用了两腿三桩结构的轻型平台。勃中3 4 3 油田和勃中3 4 5 油f 日就采用了“三 一”开发模式，将其生产的油气分别输送到临近的已开发的勃中3 4 2 和勃中3 4 4 油田， 降低了油田的总体投资及操作费用，大大提高了油田的经济效益，使勃中3 4 3 和勃中3 4 5 这样的储量较低的小边际油田具备了开发价值。1 9 】【1 0 1 1 1 1 】 目前，随着胜利浅海油田的不断开发，主力区块以外的油井( 包括试采单井) 如何 实现连续生产或合理利用，是一个亟待解决的问题，这些油井的水深一般在1 6 2 0 米 水深之间、与中心平台的距离通常在1 0 k m 以上。如果依靠无人值守的固定式平台和海 底管线输送进入集输系统的方式来开发，一方面会使整个集输系统回压偏高，另一方面 长距离的海底管线、海底电缆的建设费用非常高，这就导致了边缘区块开发的经济效益 较差，因此通过这种方式对边缘区块进行开发在技术和经济性上都缺少可行性。【1 2 l 埕岛油田目前有许多与中心平台的距离在1 0 k m 以上的边缘区块，而其中大多数储 量较低。如采用常规方式单独开发，需敷设长距离的海底管道或建立带有储罐的固定平 台，基本没有经济效益可言，故这些区块都属于边际油田。埕岛油田其它大多数边缘区 块尚未开发。 目前，埕岛油田各边缘区块的年产能约为1 5 1 0 4 t 。根据边缘区块的产能不同，埕 岛油田采用了两种开发方式： ( 1 ) 对于产能较大的边缘区块采用建造固定平台，使用油驳拉油生产的方法，以 避免敷设海底管道造成的巨大投资和过高的井1 2 1 回压，如c b 2 4 6 、c b 3 2 和c b g 4 。1 1 3 】这 种开发方式的缺点就是需要建造储罐平台，且平台只能用于一个区块的开发，不可重复 利用。对于产能不高的区块，该方式仍然不太经济。 ( 2 ) 对于产能较低的边缘单井，通过在部分油轮上增设简单的气液分离装置，将 其改造为采油轮的办法，对其进行开发。这种开发方式虽然投资很低，但存在着处理工 艺简单、不能持续生产以及安全性不高等问题。 目前，埕岛油田边缘区块的这两种开发方式都存在各自的缺点，使得边缘区块的大 规模的开发受到了很大的限制。 第一章前言 埕岛油田目前建成了以中心一号、二号平台为中心的埕岛油田主体区域海上生产油 气集输系统，以及以c b 3 0 a 为中心的埕岛油田东区海上生产油气集输系统。但是这三 座中心平台主要的功能是对个卫星平台的来液进行处理及外输，不具备钻大跨度井对边 缘区块进行开发的能力。 埕岛油田的很多边缘区块距离集输系统较远，储量较低，且系统本身的输送量已接 近饱和，各井口的回压较高。若采用“三一 开发模式，很难满足集输管道的水力要求。 因此，考虑到目前在胜利海上边缘区块的丌发过程中遇到的这些问题，我们认为针 对这种边缘小区块的合理开发，采用小型的可移动的生产储油装置即f p s o ，配套小的 单井井口平台解决单井的采油问题。从减少工程投资，降低采油成本，提高油田经济效 益角度来看，这是浅海边际油田开发的一种经济有效的方式。 1 3 主要研究内容和重点 l 、本文的主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 对国内外边际油田开发模式和技术进行调研，讨论小型f p s o 应用于埕岛油 田边缘区块开发的可行性。 ( 2 ) f p s o 甲板系统的平面布置研究：确定f p s o 的油气处理方法和方式，完成原 油及天然气的处理系统、放空系统、热媒系统的设计等。 ( 3 ) 将埕岛油田c b 8 0 8 、c b 8 1 1 、c b 8 1 2 、c b 8 4 、c b 8 0 3 、c b 8 0 4 、s h 8 、s h 8 0 1 、 s h 8 1 0 等9 个边缘区块联合开发，建立起一个生产系统。确定系统开发方案，建立整个 生产系统的优化模型。 ( 4 ) 基于图论的拓扑理论，利用v c 6 0 编程，通过计算机程序对生产系统进行优 化。 2 、研究重点 本文的研究重点有两个：一是对f p s o 的工艺计算和布局，各模块在使面积有限的 主甲板上能够合理的布置，达到最佳的安全性和操作性；二就是建立整个生产系统的优 化模型，编制出能够对海底管线路由、管道直径、f p s o 系泊位置等参数进行优化，能 获得最佳优化目标的程序。 4 中困厶油大学( o 芦东) 工程硕上学位论文 第二章海上边缘区块简易平台设计 目前我国浅海及极浅海油f 只开发中，大部分固定平台采用的都是导管架式结构，导 管架固定平台为海上油田的丌发建设起了重大作用。导管架平台技术比较成熟、安全可 靠，但因其投资较高，使其无法在边缘区块的开发中广泛使用。因此，许多科研机构都 投入了大量资源积极开发研究适用于边缘区块开发的、能够有效降低投资的小型平台， 如简易浮式生产装置、桶型基础平台、单立柱平台等。目前，在国外边际油阳的开发中， 已经有多种形式的轻型平台投入使用，其中较为有代表性的是轻型单立柱支撑平台形 式。由于结构和设施简单并且可以在岸上完成大部分的预制工作，采用轻型单立柱平台 可以大幅地节省投资，而且可以缩短平台的安装周期降低施工难度，这一优势在海上施 工受到气候影响大的埕岛油田显得尤为明显。【1 4 】 针对类似胜利埕岛油罔的开发条件，胜利油田勘察设计研究院于2 0 0 2 年启动了浅 海新型单立柱支撑平台研制项目，研制适用于边际油田开发的单立柱支撑平台，并2 0 0 4 年2 月1 9 同已顺利投入运行。该研究项目依托胜利埕岛油田c b 2 7 1 水下三桩塔式支撑 单立柱平台工程，完成了单立柱平台的结构优化选型、单立柱平台的优化设计、水下桩 与单立柱水下连接关键技术、单立柱平台的动冰力模型试验、单立柱平台的海上现场测 试等研究工作。该项目研制的水下三桩塔式支撑单立柱平台，具有较好的抗振和抗冰性 能，使得该平台具有良好的适应性，与胜利浅海环境条件相似的油f f l ，均可采用，这使 得浅海边缘区块的开发成本大大降低，具有重要的现实意义。 2 1 简易平台结构设计 本课题参照c b 2 7 1 单立柱平台的结构设计，单井平台的结构由单立柱、塔式支撑框 架、水下桩、上部平台组成。考虑到9 个单井平台距离不远，水文地质条件相近，为了 节约投资并加快建造速度，本课题中的9 个单井采用相同的上部结构设计。该平台的塔 式支撑框架的三个面均为直立面，水平面为等边三角形，导向管位于三角形的顶点，单 立柱偏心布置，位于三角形底边的中点；塔式支撑框架用钢管与单立柱连为一体。 上部甲板采用独柱帽式结构，由一根立柱、甲板、梁格和斜撑组成。井口隔水管位 于单立柱中间，由单立柱对井口结构进行保护，井口隔水管不再承受海洋环境荷载。井 口结构与单立柱在平台甲板处采用柔性连接，对井口位移进行一定的限制。平台结构见 图2 1 第一二章 海卜边缘区块简易平台设计 ho 却o o o 广 1 图2 - 1 平台结构图 f i 9 2 1 s t r u c t u r ed i a g r a mo f t h ep l a t f o r m 2 2 海洋环境资料 ( 1 ) 水深和潮位 平均水深( 黄海平均海平面) ：1 1 1 m 校核高水位( 5 0 年重现期) ：3 0 8 m 设计高水位：1 4 9 m 设计低水位：- 0 7 0 m 黄海平均海平面：0 0 0 m 校核低水位：- 2 3 3 m ( 2 ) 波浪( 5 0 年重现期) 校核高水位最大可能波高6 4 m 对应波浪周期8 6 s 设计高水位最大可能波高4 7 m 对 应波浪周期8 6 s 。 ( 3 ) 海流 本海区潮流的运动形式为往复流，表层潮流的平均最大流速最大，在大、中、小潮 时均大于相应的中层和底层，平均最大流速最大值为8 9 c m s ，而平均最大流速的最小值 出现在小潮期的底层，为4 0 c m s ，平均最大流速由表层到底层依次减小；最大可能流速 6 中国“油人学( 华东) 1 二程顾 ：学位论文 方面，表层的流速最大，为1l o c m s ，而最大可能流速的最小值却出现在中层，最小值 为7 9 c m s 。各层涨、落潮流的主流向方面，各层之间方向相差非常小，相差仅几度，变 化范围为2 8 3 0 2 8 5 0 ，各层的主流向均为e s e w n w 向。 ( 4 ) 风速 a 风况 强风向：n w n n w 和n n e e n e 两个方向范围 常风向：s ( f ：l o 8 ) s s e ( f = 7 2 ) 和e n e ( f = 7 3 ) 。累年 6 级风( v 1 0 8 m s ) 的平均日数为1 3 7 天，其中1 1 月份出现天数最多，为1 4 5 天，7 月份最少，为8 天。累年 8 级风( v 1 7 2 m s ) 的平均同数为1 5 7 天，其中1 0 月份出现天数最多，为2 3 天，7 月份最少，为0 7 天。 b 风速( m s ) 见表2 1 。 表2 - 1 设计风速 t a b l e 2 1 d e s i g nw i n dv e l o c i t y 弋期 1 0 0 年 5 02 01 052 时距 年 年 l 二午；f 十分钟 2 9 o2 8 02 6 82 6 72 4 82 2 3 二分钟3 1 03 0 。o2 8 72 7 52 6 52 3 9 一分钟 3 1 6 3 0 52 9 22 8 02 7 02 4 3 ji 秒钟 3 4 53 3 6 3 2 23 0 8 2 9 8 2 6 8 ( 5 ) 海冰 设计冰厚4 5 c m 极限抗压强度2 2 4 4 k p a 冰速0 5 2 m s 1 0 3 m s ( 6 ) 海生物 平均海平面以下的构件考虑l o c m 的海生物附生。 ( 7 ) 地震 按a p i b 谱计算，地面运动水平加速度o 2 9 。 ( 8 ) 腐蚀和磨损 飞溅区的构件腐蚀裕量：3 m m 飞溅区定义标高：- 2 2 6 m 一- - 4 6 1 m 第二章海上边缘区块简易j f 台设计 ：1 m i l l 4 m - - - - 1 9 3 m 的荷载主要包括： ( 4 ) 地震荷载 单立柱平台的荷载组合条件见表2 2 。 表2 - 2 荷载组合条件 t a b l e 2 1t h ec o n d i t i o n so fl o a dc o m b i n a t i o n 荷裁丁况蕊皱组台 l , 水- j l - , m - 最尺i ；i n 荷故l 授段甑水f z ) i ：水一i 氏一淹一最小+ 爱1 + 赫较l 2 段丽承j 3 波浓+ j 【一流一最多、- i ；订荷拔l 段陔低水位) | 波i 炙。；4 一流一最小t 琏赢药找 阪 幺弼水位) 5 地；蔓一最，、露 荷绒授 戋低水也) 2 3 1 荷载计算 2 3 1 1 固定荷载 固定荷载包括平台结构的重量和在摸个作业形式下不变化的任何永久设备和附属 结构的重量。固定载荷应包括：( 1 ) 平台结构在空气中的重量还包括适当的桩、水泥浆 和压在的重量；( 2 ) 永久安装到平台的设备和附属结构的重量；( 3 ) 作用在水面以下的 结构上的静水力，包括外压力和浮力；( 4 ) 海生物重量。【1 5 】 2 3 1 2 风荷载 作用在平台上的风荷载按下式计算 f=k k ：e o 彳 ( 2 1 ) 式中：七一风载荷形状系数； 七，一海上风压高度变化系数； 异一基本风压值，e o = 伽0 8 义 的波浪力f ，当d l 0 2 时， ( 2 2 ) p 一海水密度，( k g m 3 ) ； 一惯性力系数，取2 0 ； d 一圆形构件直径； “一垂直于物体轴线的水质点相对于物体的速度分量( m s ) ； 西一垂直于物体轴线的水质点相对于物体的加速度分量( m s 2 ) 。 2 3 1 4 流荷载 当只考虑还留作用时，圆形构件单位长度上的海流载觏可按下式计算： 厶：昙c 。u ； ( 2 3 ) 式中：c d 一阻力系数，取1 2 ； p 一海水密度，( 磁m 3 ) ； a 一单位长度构件垂直于海流方向的投影面积，( m 2 m ) 。 2 3 1 5 海冰荷载 在寒冷地区，冰可能成为平台的控制载荷。并可以以单层冰、重叠冰、冰脊或冰山 的形式存在，在我国海域一般分为单层冰和重叠冰。海冰会挤压立柱，产生垂直于立柱 的冰荷载。目前有多种计算海冰荷载的方法，但是各种方法的计算结果有着较大的差异， 本文采用计算公式的是式2 4 ： 尸= m k i k 2 r 。b h ( 2 4 ) 式中：m 一桩柱形状系数，对圆截面柱取0 9 ； 9 第_ 二章海i ：边缘区块简易甲台设计 k 。一局部挤压系数，该系数影响因素较多，一般取1 5 3 0 。鉴于单 立柱平台的特殊性，在平台初步设计阶段没有参考工程数据时 取3 0 k ，一冰与结构接触系数，取o 4 5 ； 尺。一冰块试样的极限抗压强度，( k n m 2 ) ； b 一桩柱宽度( 或直径) ，( m ) ； h 一冰层厚度计算，取0 4 5 ； 2 3 1 6 地震荷载 平台的地震载荷主要为地震惯性力和动水压力，当平台按但质点体系计算 时，平台甲板处水平地震惯性力b 可按下式计算： p ，= c k ，砌g( 2 - 5 ) 式中：c 一综合影响系数，取0 5 ： k ，一水平地震系数，设计烈度8 度时，取0 2 一相应于平台计算方向自振周期为m 动力放大系数； g 一重力加速度； m 一位于平台甲板处得质量， ( 蝇) 。 地震时任意方向细长构件的水下部分所受到的动力水压尸应按下式计算： p = c k h f l ( c 。一1 ) v y s i n2 妒( f ，)( 2 - 6 ) 式中：c 、k 、同上所述； v 一浸水部分的构件体积，m 3 ； c ，一惯性力系数，对圆形构件可取2 0 ； y 一流体的容重，k n m 3 ； q g ( i ，) 一地震的振动方向f 与构件，之间的夹角。 2 3 2 荷载汇总 根据以上计算方法，初步计算作用于单立柱平台上的和在值汇总与表2 3 中 l o 中国石油人学( 华东) t 程颂十学位论义 表2 3 作用于单立柱平台荷载汇总 t a b l e 2 3s u m m a r yo ft h el o a da c t i n go nt h ep l a t f o r m 、弋 f 叠 盘t _ 水f - ( 心，) 之f 幺缏瓜f ? ，( ( q - 物 3 1 5 23 1 5 2 i 吨j j i 爨扳3 4 53 4 5 l ：2 0 32 3 8 波澳j2 6 l1 9 3 水流，j9 2 7 36 8 6 8 冰力2 5 3 72 5 3 7 澎! ，j 1 2 2 3 51 2 2 3 5 地镀力 抽水”力6 8 2 36 8 2 3 一f ，j 1 4 2 61 6 3 9 从表2 2 中可以看出，在各种荷载中，冰荷载要比其他水平荷载要大得多，冰荷载 在水平方向起着主要作用。组合荷载工况应考虑所有可能的最不利的荷载组合，包括结 构自重、设备自重、设备操作自重、操作或荷载等。对于甲板上的移动设备，应考虑不 同作业位置与其他荷载的最不利组合，因此，最不利荷载为冰荷载+ 风荷载+ 流荷载。 2 4 结构分析软件 2 4 1 概述 导管架结构在位分析就是指平台安装就位后，在整个生命周期内，对平台承受自重 载荷、设备载荷、操作载荷、风载荷、波浪和流载荷、冰载荷、地震载荷和意外载荷等 各种载荷工况进行分析，以保证导管架满足指定标准规范的要求。目前海洋平台导管架 的整体设计一般遵循a p ir p2 a 最新版的要求进行设计，局部构件的设计一般依据a i s c 和a p ir p2 a 最新版的推荐做法。 导管架在位分析主要包括：静力分析、动力分析、地震分析、疲劳分析、基桩分析、 波浪拍击分析等。 2 4 2 结构分析软件简介 在本平台的设计中，所有结构分析工作都使用由美国e d i 公司开发研制的s a c s ( s t r u c t u r a l a n a l y s i sc o m p u t e rs y s t e m ) 软件进行，s a c s 程序是专用于海洋 结构工程的静动力结构分析系统。该系统功能齐全，方法先进，便于使用，是国际上比 第二章海上边缘区块简易 台设计 较先进的被普遍使用的海工结构分析软件。本设计采用的s a c s 程序具有比较完整的功 能。【1 6 】 2 4 3 平台结构分析 2 4 3 1 静力分析 静力分析包括操作t 况分析和极端工况分析。 操作工况是指平台j 下常操作条件下可能承受的最不利的载荷组合，一般定义为平台 承受固定载荷和相应于平台的最大( 或最小) 火灾和相组合的作业环境条件。作业环境 条件应代表平台现场的湿度的恶劣条件，他们不是一定是在超过要求时平台中止作业的 限制条件。对于中国近海的固定平台，一般取一年一遇的环境条件作为操作条件。 极端工况是指平台正常操作天剑下可能承受的最不利载荷组合，一般定义为平台承 受固定荷载和相对于与极端条件组合的最大( 最小) 活荷载组合的设计环境条件。平台 在承受给设计环境时，平台上的正常生产活动己中止，但平台在该设计条件下应具备满 足规范要求的结构强度和刚度，以保证结构的安全和完整性。 除了地震荷载外的环境荷载，应考虑不同的荷载工况同时出项的概率进行合理的组 合，在适用的场合，地震荷载应作为单独的环境荷载条件作用在平台上。 2 4 3 2 动力分析 动力载荷是由对周期性激励的响应，或由对冲击的反作用而作用在平台上的载荷。 对平台的激励可能是由波浪、风、地震、冰或机械振动引起的。 当设计海况在接近平台的自振频率的频率范围包含有显著的波能时，则需要对固定 平台进行动力分析。a p ir p2 a 中规定，但结构自振周期大于3 s 或水深大于1 2 0 m 时，需 考虑波浪的动力影响，故对于本设计，可不进行动力分析。 2 4 3 3 地震动力分析 结构中的地整理是由地面运动而引起的，而这个力的大小取决于结构物及基础的刚 度。与其他大多数环境力不同，地震力一般是随结构刚度变小而减小，而刚度变小是由 于结构或基础的费弹性屈服和屈曲所引起的。本设计中地震动力计算选用a p i - b 谱进行 谱反应计算，地震水平加速度系数为0 2 9 ，计算取前1 5 个振型。地震工况下杆件及管节 点冲剪许用应力增大7 0 。 2 4 3 4 结果分析 经过s a c s 软件的对本平台结构的计算分析，分析结果表明，本平台结构在各设计工 1 3 第三章边缘区块小型f p s o 研究 第三章边缘区块小型f p s o 研究 浮式生产储油装置( f p s o ) 属于可移动生产装置的一种，它具有适应水深范围广、可 重复使用和具有储油能力的特点，对远离大陆、铺设海底管道成本过高的油田丌发有着 明显的优势。i 馏】因此f p s o 是海洋油气开发模式中较经济的海洋工程形式之一。由于 f p s o 这些独特的优点而备受世界石油公司青睐，丌始大规模的应用。【1 9 】 目前国内投入使用的f p s o 基本都是载重量在3 力吨以上的大型f p s o ，适于大型 海上油气田的开发。而对于储量有限的边缘小区块，大型f p s o 明显是不经济的。小型 浮式生产储油装置主要是指载重吨位为5 1 0 3 t 2x1 0 4 t 的f p s o ，主要在周边没有工程 设施而采用独立全海式开发模式的小规模油田上使用。它的投资较少、设施简单且建造 周期比较短，易于国产化。但也存在储油量小、油田生产能力有限、油气处理流程简单， 抵抗风浪能力较差的缺点。因此，小型f p s o 是比较适合在近海边际油田的开发使用。 1 2 0 1 目前投入使用的小型f p s o 根据外形可以划分为两类船型f p s o 和非常规 f p s o 。 小型船型f p s o 是2 0 世纪9 0 年代出现的，其载重量不足1 1 0 4 t ，具有常规f p s o 所具有的功能，这种f p s o 船体部分使用另外三用工作船的船体，加装了内砖塔是单点 系泊系统，并有辅助动力定位系统，具有自航能力，如水晶洋号( c r y s