移动式海洋平台的模块连接标准化研究

余 捷，于 超，孙海防，翟 东，仝英利

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司 天津 300452)

0 引 言

可移动平台是一种可在不同井位间移动并进行作业的海上多功能平台，具有安装费用低、可重复利用、搬迁方便的特点[1]。可移动平台模块化是根据通用化、系列化、组织化的设计和生产原则，通过优化设计、简化结构，将平台设备设施根据其功能进行分割和整合从而实现模块功能单元化、平台目标多样化，以满足不同用户多样化的作业需求[2]。但现有模块化设计中各模块单元接口众多，模块与平台间连接需求不同，工艺流程连接类型不同，仪表、通信、电气、安全等接口没有统一设计和连接标准，无法有效实现平台与各模块以及各模块间的通用性及快速连接安装的需求。因此，需要通过模块连接标准化研究和设计实现更加高效的模块标准化拼装和模块内设备的调换，使平台能够利用自有吊装设备经搭积木的总装过程将不同的单元进行高效有序的总装、快速简易的改装，以满足不同业务的需求，降低装备投资及后期运维改造成本[3-6]。

1 功能模块梳理

为了满足多样化作业需求，以模块安全性、可操作性、合理性和对应性为原则[7]，通过对现有可移动平台的功能进行梳理，将平台设备设施划分为液压举升、伴生气回收、热注、酸化压裂4个功能模块。

①液压举升修井机作业对象为平台的井口区，非 作业工况的支持平台主要为液压举升修井机设备提供存储的空间。液压举升修井机主体由下底座、上底座、操作平台、悬臂梁等组成，设置2套滑移装置，通过可锁紧的液压装置推动，使液压举升修井机整体可以在下滑轨上横向移动，钻台可以在上滑轨上纵向移动，保证修井机可以覆盖作业平台的任意一个井位。液压举升模块布置如图1所示。

图1 液压举升模块布置图 Fig.1 Layout of hydraulic lifting module

②伴生气回收是将油气集输工艺过程中的油气分离和原油稳定等环节所得到的油田伴生气进行进一步加工。伴生气回收模块主要包括预处理模块(伴生气脱酸橇)、增压模块、净化模块(伴生气脱水橇)、胺液再生橇、分子筛再生橇、伴生气液化橇、混合制冷压缩机橇、冷却剂储存橇、LNG储罐橇等，模块布置如图2所示。

图2 伴生气回收模块布置图(单位：m) Fig.2 Layout of associated gas recovery module

③热注采油技术是通过向油层提供热能提高油层岩石和流体的温度，减小油层渗流阻力，以达到更好地开采稠油和高凝油的目的。该模块主要包括蒸汽锅炉、大型储罐、压缩机、海水提升泵等，模块布置如图3所示。

图3 热注模块布置图(单位：m) Fig.3 Layout of heat injection module

④酸化压裂模块的流程主要包括酸化和压裂两部分，酸化作业流程为淡水通过压裂泵对目标井进行替酸，合格浓度酸液通过压裂泵增压后进入目标井进行挤酸操作，之后淡水经压裂泵对目标井进行顶替；压裂作业中前置液经压裂泵增压通过汇管汇总后持续进入目标井进行压裂造缝，支撑物通过混砂橇与压裂用的胶液均匀混合后经压裂泵和汇管进入目标井。酸化压裂模块包括：压裂泵橇、混砂橇、混配橇、化添橇、酸液罐、砂罐、高压软管滚筒、砂堆场等，模块布置如图4所示。

图4 酸化压裂模块布置图(单位：m) Fig.4 Layout of acidizing and fracturing module

本文根据这4个功能模块相关设备设施进行模块连接标准化设计。

2 功能模块连接标准化设计

2.1 工艺流程连接类型

液压举升、伴生气回收、热注、酸化压裂4个功能模块与上部组块间的物流连接类型以管道为主，而管道之间连接方式分法兰连接、螺纹连接、焊接、承插连接、粘结连接、卡压连接、热熔连接、沟槽(卡箍)连接、压缩连接、电熔连接、卡套式连接。在海洋石油行业中又以法兰连接、螺纹连接、焊接为主，由于功能模块具有多次更换的特点，为便于后期拆卸[8]，不采用焊接方式，螺纹连接多在低压工况下，GC1等级压力管道适用管径不大于6.67cm，GC2等级压力管道适用管径不大于20cm，GC3等级压力管道适用管径不大于40cm，适用范围受限较多。因此，各功能模块工艺流程连接类型选择法兰连接。

2.2 模块与平台连接形式

各功能模块接口通用形式有以下4处：①各功能模块与组块接口管线均用法兰连接，此处压力等级低，均为平面法兰；②各功能模块与组块接口配对法兰及垫片均由组块提供；③关于海水、淡水系统需提供ASME B16.5 150LB 16Mn WN-RF GALV法兰，公用气、消防水系统需提供ASME B16.5 150LB 16Mn NPT-RF GALV；④各功能模块与组块的管线接口界面应在上甲板以上500mm高处预留法兰+盲板。

各模块由于功能差异与平台连接必须采用差异化设计的连接形式有以下几处：①液压举升模块，该模块应预留排放槽的位置；该模块进入基础平台泥浆舱的开排管线采用12in(304.8mm)，布置在顶层甲板的防喷器储能器与BOP相连的12根液压管线采用1in(25.4mm)，为防喷器、储能器供仪表气的管线采用2in(50.8mm)；②伴生气回收模块，该模块中MDEA再生重沸器和再生加热器使用导热油，功率为750kW，导热油主体设置到基础平台，导热油进出口管线，由基础平台方负责设计和出料单，该模块经过组块部分的海水排海管采用6in(152.4mm)；③热注模块，为了消除热应力和平台间位移的影响，该模块海水原油、生产水、高温蒸汽和氮气管线与作业平台连接处，采用2个几字型膨胀弯设计，经过组块部分的排海管线采用8in(203.2mm)；④酸化压裂模块，为了消除脉冲抖动和平台间位移的影响，与作业平台连接处采用2个几字形膨胀弯设计，经过组块部分的返排液去拖轮通岸接口采用4in(101.6mm)。

2.3 仪表连接设计

液压举升、伴生气回收、热注、酸化压裂4个功能模块不单独设置火气系统，各模块与所有火气探测报警设备连接设计均采用点对点的方式，通过接口接线箱接至上部组块火气系统，如图5所示。

图5 各功能模块与火气系统连接示意图 Fig.5 Schematic diagram of connection between functional modules and fire and gas system

各功能模块在电控间均设置一套专用控制系统，当相应模块出现异常情况时，把关断反馈信号发送至作业平台的中控系统；当作业平台出现异常情况时，各功能模块专用控制系统接受作业平台的关断信号，具体连接形式如图6所示。

图6 各功能模块专用控制系统与作业平台中控系统连接示意图 Fig.6 Schematic diagram of connection between special control system of each functional module and central control system of operation platform

2.4 通信连接设计

各功能模块与上部组块和生活楼共用一套通信系统，其中包括公共广播/报警系统采用PA/GA SYSTEM；自动电话系统采用PABX SYSTEM；局域网系统采用LAN SYSTEM；工业监控系统采用CCTV SYSTEM。

2.5 安全连接设计

以模块的安全性、可靠性、合理性为前提，同时考虑经济性[9-10]，根据各功能模块消防安全实际需求进行安全接口差异化设计，具体设计如下：①液压举升模块，消防水系统20cm管接头2路，流量300m3/h，需求压力950kPaG；②伴生气回收模块，消防水系统26.7cm管接头2路，流量580m3/h，需求压力950kPaG，淡水系统6.7cm接口2路，用于洗眼站，流量20m3/h，需求压力200kPaG，干粉灭火系统提供3000kg干粉充装量用于LNG和NGL罐区的消防保护；③热注模块，消防水系统13.3cm管接头 2路，流量180m3/h，需求压力950kPaG，淡水系统6.7cm接口1路，用于洗眼站，流量5m3/h，需求压力200kPaG；④酸化压裂模块，消防水系统26.7cm管接头2路，流量430m3/h，需求压力950kPaG，淡水系统2in(50.8mm)接口1路，用于洗眼站，流量5m3/h，需求压力200kPaG。

3 各模块与平台连接安装方案

为了缩短拆装时间，各功能模块采用模块化设计，且按照工艺流程进行布置，模块间通过管线连接，并充分考虑安装、拆除、维修空间[11]，针对液压举升、伴生气回收、热注、酸化压裂模块分别设计一套与平台连接的安装方案。

3.1 液压举升模块安装方案

①高压泥浆泵橇(包括柴油机、泥浆泵、灌注泵、柴油罐)、泥浆池橇(包括泥浆池、搅拌器、混合泵、混合漏斗等)、电气间与平台采用螺栓连接，在支持平台甲板上预留橇块安装底座。

②液压举升装置的滑轨与支持平台甲板采用焊接型式或螺栓连接型式，液压举升滑移模块与滑轨利用棘爪及卡板实现对接，既保证了强度要求，又能够满足丛式井的作业要求。

3.2 伴生气回收模块安装方案

①压缩机属于大型振动设备，其位于平台主受力腿柱，且下方需布置能够抑制其振幅的结构梁，为了保证连接可靠性，且考虑到支持平台安装多种设备的通用性，需要在结构梁上焊接设备安装垫板，将压缩机等高振动设备通过螺栓或焊接与垫板进行连接。

②其他橇块类设备通过钢制底座将橇内设备进行集成，随后将橇块底座与平台连接，安装前应校核下方结构梁的强度。

③LNG储罐橇主要包括41个储罐，由于其数量多、单体尺寸大，为了减少占地面积、便于吊装运输，将储罐布置于钢结构内，并分3层布置，每层层高约5m。LNG储罐橇受风面积较大，为了抵御海上恶劣天气的影响，结构梁与支持平台通过满焊连接。

④设备装船前，伴生气回收各模块通过陆地码头大型吊装设备完成吊装安装，设备到达作业海域后，其内部吊装作业通过支持平台自身吊机实现物资、人员、设备维修等吊装作业。

3.3 热注模块安装方案

①蒸汽锅炉为大型振动设备，位于平台主受力腿柱，且下方需布置能够抑制其振幅的结构梁，为了保证连接可靠性，且考虑到支持平台安装多种设备的通用性，需要在结构梁上焊接设备安装垫板。

②海水提升泵安装在支持平台海水提升泵区，支持平台应为其预留护管、扬水管挂点及安装支座，顶部安装吊耳及滑道，以便于海水提升泵后续的检修及换泵作业。

③大型储罐、压缩机等橇块通过钢制底座将橇内设备进行集成，随后将橇块底座与平台连接，安装前应校核下方结构梁的强度。

④设备装船前，热注各模块通过陆地码头大型吊装设备完成吊装安装，设备到达作业海域后，其内部吊装作业通过支持平台自身吊机实现物资、人员、设备维修等吊装作业。

3.4 酸化压裂模块安装方案

①压裂泵橇为大型振动设备，数量较多，位于平台主受力腿柱，且下方需布置能够抑制其振幅的结构梁，为了保证连接可靠性，并考虑到支持平台安装多种设备的通用性，需要在结构梁上焊接设备安装垫板。 ②混砂橇、混配橇、化添橇、酸液罐、砂罐等橇块通过钢制底座将橇内设备进行集成，随后将橇块底座与平台连接，安装前应校核下方结构梁的强度。

③高压滚筒橇安装在支持平台船舷边，其支撑结构框架与平台主结构固定。

④设备装船前，酸化压裂各模块通过陆地码头大型吊装设备完成安装，设备到达作业海域后，其内部吊装作业通过支持平台自身吊机实现物资、人员、设备维修等吊装就位。

4 结 语

在当前低油价的形势下，降本增效是海洋石油发展的主要目标。可移动平台在向着低租金、多功能、模块化、根据需求快速变装的方向发展。本文根据实际需求将平台设备设施分为液压举升、伴生气回收、热注模块和酸化压裂4个模块，标准化连接设计包括：工艺流程连接类型均采用法兰连接；模块与平台连接形式部分采用差异化连接；仪表、通信连接采用标准通用化设计；安全连接由于消防需求的不同且考虑经济性，故采用差异化设计。本文根据功能模块的标准化设计成果同时对4个功能模块的安装方案进行了设计，保障功能模块安装过程安全、有序、便捷地进行。

对模块接口的标准化连接设计和安装方案设计能够进一步提升模块建造质量，减少装备建造工期，降低工程成本，提升模块安装、拆卸、搬运的便利性和可靠性，促进模块化可移动平台向更高分离度和更合理的方向发展。■