一种适用于渤海组块标准化结构设计的方法与流程

1.本发明涉及组块结构技术领域，具体为一种适用于渤海组块标准化结构 设计的方法。


背景技术：

2.渤海油田已经具备50多年的开发经验，组块结构设计技术体系完备，技 术成熟，但目前的开发模式是针对每个具体的项目，采办、设计、建造、安 装各个环节按部就班地依次完成，在设计环节中，常规组块针对的是确定区 域，根据确定的平台场址环境条件、总体布置、设备设施配置、钻井方式、 生活楼配置、施工资源、安装方案进行设计，项目初期，需要确认各项设计 基础，才能进行后续设计，如果设计基础发生变化，还需要重新进行计算校 核，甚至重新设计，造成工作的反复。这些常规做法没有依靠对技术体系的 总结、提炼、固化，达到简化项目运作流程，最大程度提高工程建设效率的 目的。
3.环境条件是组块结构设计初期需要确定的内容，传统项目都有确定的场 址，环境条件较为固定，可直接作为设计基础使用。组块上承担的各种荷载 是组块结构设计的另一项重要内容，对于组块结构设计的荷载输入数据，传 统设计过程中，在早期阶段按照统一均部荷载来考虑，较为粗糙，或者等待 其他专业设计成果，给出确定的重控信息，然后完成结构设计，这样按部就 班的流程又需要相对较长的工期，无法适应目前油田快速开发的节奏。对于 组块底层甲板标高，由具体海域的环境条件决定，通常基于确定区块的环境 数据给出，斜撑生根位置也可能受到影响。对于组块的各类节点，通常按照 非管节点进行设计，按照荷载的大小考虑筋板的数量，1～3组不等。
4.标准化是实现这一目的的手段，以往项目也曾做过标准化的尝试，但这 些项目都是在局部区域内，针对的都是确定的油田区域，在水深和环境条件 相近的条件下做的区域标准化，总体布置和钻井方式也是基于较高的一致性， 其设计成果在整个渤海海域内适应性不强，同时不确定的组块规模也限制了 组块的适应性。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种适用于渤海组块标准化结构设计的方法，以 解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种适用于渤海组块标准化结 构设计的方法，该设计方法包括以下步骤：
7.步骤一：确定用于组块标准化设计的环境基础数据，基础数据包括环境 载荷，环境载荷为风、波浪、流、冰和地震的环境参数；
8.步骤二：研究渤海海域在役平台甲板使用功能和初步油气处理布置；
9.步骤三：研究渤海海域在役平台各类荷载，通过研究渤海海域在役平台 甲板功能布置，将作用在组块上的各类荷载明确为确定性荷载和不确定荷载；
10.步骤四：综合研究组块标准化设计使用的环境条件和在役平台底层甲板 标高；
11.步骤五：确定组块在位分析的工况选择；
12.步骤六：根据油气处理的相应流程、布置和正向重控，研究建造资源和 安装方案，通过分析常用驳船和浮吊资源，结合组块重量、跨距、设备布置 等因素，规划准化吊装组块的吊装方案和标准化组块的浮托方案；
13.步骤七：对设计成果进行适应性分析，考虑标准化组块的适应性，明确 其重量重心的可调整范围。
14.更进一步地，所述步骤一中环境载荷中的地震参数为组块标准化结构设 计的主要控制参数，波浪参数、风参数和冰参数为组块标准化结构设计的次 要控制参数。
15.更进一步地，所述步骤二中的组块上设置有修井机、钻机模块、生活楼、 工艺流程设备和活载荷设备。
16.更进一步地，所述步骤三中静载荷包括修井机、钻机模块和生活楼处的 载荷，工艺流程设备和活载荷设备为不确定载荷，不确定载荷安装均布载荷 输入。
17.更进一步地，所述工艺流程设备在甲板根据功能能够划分为钻井甲板设 备区域和生产甲板设备区域，活载荷设备在夹板上根据功能能够划分为夹层 和底层甲板设备区域、井口区域和卸货区域，钻井甲板设备区域、生产甲板 设备区域夹层、底层甲板设备区域、井口区域和卸货区域的均布载荷分别设 置为24kn/m2、17kn/m2、14kn/m2、9.6kn/m2和24kn/m2。
18.更进一步地，所述步骤四中设计立柱调整段来适应整个渤海区域的环境 条件，此区域内的立柱使用同样材质，不使用过渡段设计，不设计任何斜撑 生根位置，即可直接使用，也可以在后期油田开发时做适应性调整。
19.更进一步地，所述步骤五的工况包括静力工况和地震工况，静力工况综 合考虑静力工况综合考虑操作波流、极端波流、操作弱冰、操作强冰、极端 弱冰、极端强冰六类工况，地震工况综合考虑弱震强度水平、弱震韧性水平、 强震强度水平、强震韧性水平四类工况，其中强震韧性水平工况使用时程分 析来降低强震对组块结构设计的影响。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
21.该适用于渤海组块标准化结构设计的方法，提供了一种可以覆盖整个渤 海海域的组块标准化结构设计方法，可以提高设计效率和质量，同时按此方 法设计出来的组块具备标准化的结构形式、杆件设置和节点形式，是采办、 建造、安装各个环节标准化的基础，可实现组块结构批量化建造和安装，能 有效降低人力投入、缩短项目周期，全面降低工程投资费用。
附图说明
22.图1为本发明标准化组块研究和设计流程图；
23.图2为本发明的组块结构设计流程；
24.图3为本发明的荷载分类示意图；
25.图4-a为本发明的四腿小型井口组块a类结构示意图；
26.图4-b为本发明的四腿小型井口组块b类结构示意图；
27.图4-c为本发明的四腿中型井口组块a类结构示意图；
28.图4-d为本发明的四腿中型井口组块b类结构示意图；
29.图4-e为本发明的四腿中型井口组块c类结构示意图；
30.图4-f为本发明的八腿大型井口组块a类结构示意图；
31.图4-g为本发明的八腿大型井口组块b类结构示意图；
32.图4-h为本发明的八腿大型井口组块c类结构示意图；
33.图4-i为本发明的八腿大型中心组块a类结构示意图；
34.图4-j为本发明的八腿大型中心组块b类结构示意图；
35.图4-k为本发明的八腿大型中心组块c类结构示意图；
36.图5为本发明的立柱调整段示意图。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、
ꢀ“
右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关 系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述， 并不是指示或暗示所指的装置或元件所必须具有特定的方位、以特定的方位 构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
39.此外，应当理解，为了便于描述，附图中所示出的各个部件的尺寸并不 按照实际的比例关系绘制，例如某些层的厚度或宽度可以相对于其他层有所 夸大。
40.应注意的是，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一 旦某一项在一个附图中被定义或说明，则在随后的附图的说明中将不需要再 对其进行进一步的具体讨论和描述。
41.本发明要解决的技术问题是提供一种可以覆盖整个渤海海域的标准化组 块主结构设计方法，可以缩短前期开发方案周期，提高设计效率和质量，同 时按此方法设计出来的组块具备标准化的结构形式、杆件设置和节点形式， 是采办、建造、安装各个环节标准化的基础，可实现组块结构批量化建造和 安装，能有效降低人力投入、缩短项目周期，全面降低工程投资费用。
42.为达到以上目的，研究渤海组块特点和基础参数，找出组块分类的关键 因素，开展专题研究，对组块进行标准化和系列化分类。研究的基础包括渤 海组块标准化和系列化分类，及导管架、生活楼、模块钻机和修井机标准化 和系列化研究与应用。
43.如图1-图5所示，本发明提供一种技术方案：一种适用于渤海组块标准 化结构设计的方法，该设计方法包括以下步骤：
44.步骤一：确定用于组块标准化设计的环境基础数据，基础数据包括环境 载荷，环境载荷为风、波浪、流、冰和地震的环境参数，环境载荷中的地震 参数为组块标准化结构设计的主要控制参数，波浪参数、风参数和冰参数为 组块标准化结构设计的次要控制参数；
45.步骤二：研究渤海海域在役平台甲板使用功能和初步油气处理布置，组 块上设置有修井机、钻机模块、生活楼、工艺流程设备和活载荷设备；
46.步骤三：研究渤海海域在役平台各类荷载，通过研究渤海海域在役平台 甲板功能
布置，将作用在组块上的各类荷载明确为确定性荷载和不确定荷载， 静载荷包括修井机、钻机模块和生活楼处的载荷，工艺流程设备和活载荷设 备为不确定载荷，不确定载荷安装均布载荷输入，工艺流程设备在甲板根据 功能能够划分为钻井甲板设备区域和生产甲板设备区域，活载荷设备在夹板 上根据功能能够划分为夹层和底层甲板设备区域、井口区域和卸货区域，钻 井甲板设备区域、生产甲板设备区域夹层、底层甲板设备区域、井口区域和 卸货区域的均布载荷分别设置为24kn/m2、17kn/m2、14kn/m2、9.6kn/m2和 24kn/m2；
47.步骤四：综合研究组块标准化设计使用的环境条件和在役平台底层甲板 标高，设计立柱调整段来适应整个渤海区域的环境条件，此区域内的立柱使 用同样材质，不使用过渡段设计，不设计任何斜撑生根位置，即可直接使用， 也可以在后期油田开发时做适应性调整；
48.步骤五：确定组块在位分析的工况选择，工况包括静力工况和地震工况， 静力工况综合考虑静力工况综合考虑操作波流、极端波流、操作弱冰、操作 强冰、极端弱冰、极端强冰六类工况，地震工况综合考虑弱震强度水平、弱 震韧性水平、强震强度水平、强震韧性水平四类工况，其中强震韧性水平工 况使用时程分析来降低强震对组块结构设计的影响；
49.步骤六：根据油气处理的相应流程、布置和正向重控，研究建造资源和 安装方案，通过分析常用驳船和浮吊资源，结合组块重量、跨距、设备布置 等因素，规划准化吊装组块的吊装方案和标准化组块的浮托方案；
50.步骤七：对设计成果进行适应性分析，考虑标准化组块的适应性，明确 其重量重心的可调整范围。
51.具体实施过程中研究组块对渤海不同区域环境条件适用性。渤海海域范 围较广，环境条件复杂，组块坐落在导管架上处于海洋环境中，各区域水深 变化较大，还受到风、波浪、流、冰和地震等各种环境条件的作用，要实现 组块的标准化，就需要满足组块对渤海海域环境条件的适应性，即组块结构 设计的环境条件要考虑风、波浪、流、冰和地震等各项环境荷载。通过整理 渤海海域以往项目以及相关规范中的环境参数，发现组块对水深的适应性较 好，通过分析渤海各区域环境条件特点，其特点是风、波浪和流参数较为集 中，冰荷载在渤海不同区域区别较大，整体看风、波浪、流和冰的作用对组 块设计影响较小，地震荷载对组块结构设计更为控制。实现了组块结构对渤 海各种环境条件的适应性，进而论证了渤海组块标准化可以用一套环境数据 进行设计，满足既能覆盖渤海海域，又不会耗费过多材料的要求。
52.组块为了满足油田开发功能需要，配置的各项设备设施的荷载是组块主 结构标准化设计时的重要输入数据，通过研究渤海海域在役平台甲板功能布 置，将作用在组块上的各类荷载明确为确定性荷载和不确定荷载，对于修井 机、钻机模块、生活楼等确定性荷载按照相应的标准化成果数据输入，对于 根据工艺流程确定的设备设施，活荷载等不确定荷载按照均布荷载输入。
53.对于不确定荷载按照均不荷载输入，均布荷载的取值是通过研究渤海海 域在役平台各类荷载，针对不同功能区域的甲板，确定不同的均布荷载如下 表所示，既满足了平台设计的荷载输入需求如表1所示，又增加了组块标准 化成果的适应性。
54.表1
55.不同功能甲板区域均布荷载取值
钻井甲板设备区域24kn/m2生产甲板设备区域17kn/m2夹层和底层甲板设备区域14kn/m2井口区域9.6kn/m2卸货区域24kn/m2走道和斜梯区域4.8kn/m256.对于组块的底层甲板标高，通过设计立柱调整段来适应整个渤海区域的 环境条件，此区域内的立柱使用同样材质，不使用过渡段设计，不设计任何 斜撑生根位置，即可直接使用，也可以在后期油田开发时做适应性调整。
57.根据研究确定的组块系列类别，按照平台总图、组块重控、甲板功能设 置，同时考虑附属构件的设置要求，完成组块基于重控和均布荷载两种计算 模型的搭建；按照研究确定的环境基础数据，形成环境载荷输入文件；对主 结构进行在位分析和施工分析，在环境基础数据研究基础上，确定组块在位 分析的工况选择，静力工况综合考虑静力工况综合考虑操作波流、极端波流、 操作弱冰、操作强冰、极端弱冰、极端强冰六类工况，地震工况综合考虑弱 震强度水平、弱震韧性水平、强震强度水平、强震韧性水平四类工况，其中 强震韧性水平工况使用时程分析来降低强震对组块结构设计的影响。
58.对于组块的建造场地，通过分析潜在场地施工资源、场地建造能力、与 渤海区域的距离等条件，确认组块标准化类别的建造可行性；对于组块的安 装方案，通过分析公司常用驳船和浮吊资源，结合组块重量、跨距、设备布 置等因素，规划8类标准化吊装组块的吊装方案和3类标准化组块的浮托方 案。基于各类平台的总图布置和较为确定的工艺流程下，根据确定的重控条 件按照传统设计流程进行设计，在位工况正向重控与均布荷载工况配合进行 设计，安装工况基于正向重控进行设计，保证了组块标准化成果更好的适应 性；基于以上各项研究设计出的标准化组块成果，考虑标准化组块的适应性， 明确其重量重心的可调整范围。
59.图1中一种标准化组块结构研究和设计方法包括以下步骤：
60.收集确定的设计基础。论证渤海组块标准化用一套环境数据进行设计， 满足既能覆盖渤海海域，又不会耗费过多材料的要求，并确定组块主结构设 计使用的环境条件。导管架计算模型依托导管架标准化的研究成果，大型荷 载(如生活楼、钻/修井机等)依托模块钻机和修井机标准化的研究成果，总 图布置根据组块标准化分类得到的各类组块的总体布置图，正向重控则是由 各相关专业依据总体布置图和平台规模进行估算，由结构专业进行汇总，供 主结构设计使用。
61.研究不确定的基础。通过使用均布荷载来适应总图设备设施区域化布置， 与正向重控设计方法配套使用，解决总体区域化布置造成的荷载不确定。对 于各类计算需要考虑的荷载取值，考虑基于均布荷载和正向重控的取值问题， 用于主结构设计。对于底层甲板标高，依托在役平台的环境条件，研究渤海 区域的环境条件，给出底层甲板标高的通用取值，并在此位置附近的立柱区 域设置调整段，增加结构的适应性。通过分析潜在场地施工资源、场地建造 能力、与渤海区域的距离等条件，确认组块标准化类别的建造可行性，对11 类标准化组块给出推荐的建造场地及滑道资源。通过分析公司常用驳船和浮 吊资源，结合组块重量、跨距、设备布置等因素，规划8类标准化吊装组块 的吊装方案和3类标准化组块
的浮托方案。
62.主结构设计。依据总图的设备布置、轴线布置和外形轮廓进行结构规划， 同时初步规划各类组块的陆地建造、海上安装方案，选择合适的工况组合进 行计算分析，根据计算结果调整初步规划的结构，最终确定各类组块的主结 构尺寸和材料规格。
63.图2是标准化组块结构设计流程，包括以下步骤：1、结构方案的研究。 综合考虑均布荷载、正向重控、安装方案(吊装平台的浮雕能力、进船方向 等、浮托平台的安装方向)、工况选择、结构附件重量估算等问题以后；2、 根据功能、布置、面积、荷载等因素确定结构主尺度、主梁、立柱等主结构； 计算软件的选择3、确定结构计算使用的软件，包括常规海洋结构设计软件 sacs和用于地震时程分析的usfos软件；4、结构计算。基于之前步骤的研究 成果，确认各个计算分析需要考虑的工况组合，完成静力、地震、装船、拖 航、吊装或浮托等分析，其中静力和地震等在位分析需要把组块和导管架模 型合并，模拟平台整体受力状态及可能面临的环境条件，装船、拖航、吊装 或浮托计算也需要和相应的施工方案匹配；基于各项研究确定的设计基础， 完成标准化组块结构设计，考虑组块的适应性，在标准化设计基础上明确重 量重心的可调整范围。
64.图3是组块荷载分类示意图。不同于传统设计方法中的各种确定性荷载， 本发明为了使成果能够适应渤海区域，设计基础有些不确定的部分，通过将 结构设计需要的荷载进行分类，确定荷载按照确定的方式进行输入，不确定 荷载用均布荷载的方式进行设计。
65.表2为标准化组块分类表。对于每一类组块，都需要按照前述的研究思 路和设计流程完成主结构设计，并编制相应成果。
66.表2
[0067][0068]
图4是设计完成的11种标准化组块三维模型图。
[0069]
图5是立柱调整段示意图，其中数据使用通用数据符“x”进行代替，可 以根据具体情况进行调整。
[0070]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而 言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行 多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附实施例及其等同物限定。