深水臍帶纜安裝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

孫晶晶，劉培林，段夢(mèng)蘭，，張九菊，胡顯偉，桂 津

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京102249；2.海洋石油工程股份有限公司海洋工程技術(shù)中心，天津300451；3.復(fù)旦大學(xué)，上海200433） ①

深水臍帶纜安裝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

孫晶晶1，劉培林2，段夢(mèng)蘭1，3，張九菊3，胡顯偉1，桂 津2

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京102249；2.海洋石油工程股份有限公司海洋工程技術(shù)中心，天津300451；3.復(fù)旦大學(xué)，上海200433）①

對(duì)臍帶纜安裝技術(shù)特點(diǎn)作了介紹，包括與主平臺(tái)的回接技術(shù)、臍帶纜終端的下放技術(shù)。結(jié)合國(guó)內(nèi)外臍帶纜安裝技術(shù)應(yīng)用的水深情況作了相應(yīng)的分析和對(duì)比，提出我國(guó)在深水臍帶纜安裝過程中所面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向。

深水；油氣田；臍帶纜；張緊器；斜槽；發(fā)展現(xiàn)狀

水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜是電纜（動(dòng)力纜或信號(hào)纜）、光纜（單?；蚨嗄９饫|）、液壓或化學(xué)藥劑管（鋼管或軟管）的組合，整個(gè)系統(tǒng)包括深水臍帶纜終端、上部臍帶纜終端、連接部件。臍帶纜是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分之一，主要作用是為水下生產(chǎn)系統(tǒng)提供電氣液壓動(dòng)力、化學(xué)注入通道，同時(shí)為上部模塊控制信號(hào)以及水下生產(chǎn)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)傳輸通道。2002—2008年，在全球634個(gè)海上油氣開發(fā)項(xiàng)目中，超過500m的深水項(xiàng)目占48%，超過1 500m的超深水項(xiàng)目占22%，其中深海油氣生產(chǎn)約占海洋油氣生產(chǎn)的30%［1］，成為未來(lái)油氣資源爭(zhēng)奪的主戰(zhàn)場(chǎng)。臍帶纜作為深水油氣田開發(fā)的關(guān)鍵部分，其安裝技術(shù)必將走向深水領(lǐng)域。我國(guó)海洋石油的開采正向深水發(fā)展，因此掌握深水臍帶纜安裝的關(guān)鍵技術(shù)

1 臍帶纜安裝技術(shù)特點(diǎn)

臍帶纜上端連接生產(chǎn)平臺(tái)上的控制單元，下端連接海底終端，傳輸上部平臺(tái)的控制信號(hào)至水下各功能組件，例如海底管匯、水下采油樹等。因此，臍帶纜安裝過程分幾個(gè)階段進(jìn)行。

1.1 臍帶纜鋪設(shè)技術(shù)

將鋪設(shè)設(shè)備按照設(shè)計(jì)圖紙中施工圖的要求布置、固定，將臍帶纜鋪設(shè)機(jī)具裝上船并與船體固定。臍帶纜的鋪設(shè)可以分為起始、正常、終止3個(gè)階段。在鋪設(shè)過程中應(yīng)保證臍帶纜的曲率和張力。鋪設(shè)方式分為滾筒式鋪設(shè)和退扭架式鋪設(shè)［2］，如圖1～2所示。

圖1 滾筒式鋪設(shè)

圖2 退扭架式鋪設(shè)

1.1.1 鋪設(shè)準(zhǔn)備

1） 臍帶纜開始鋪設(shè)前，需要按照設(shè)計(jì)在施工船上布置臍帶纜鋪設(shè)設(shè)備，并做好設(shè)備的檢查調(diào)試。

2） 潛水員檢查臍帶纜護(hù)管情況，檢查海底情況。

3） 從頂部穿1根牽引鋼絲到臍帶纜護(hù)管內(nèi)。

1.1.2 起始鋪設(shè)

1） 施工船舶就位。

2） 臍帶纜終端頭在甲板上做好防水處理后，連接拖拉索具，放入水中。

3） 潛水員在水下將臍帶纜護(hù)管內(nèi)的牽引繩與拖拉索具連接好。

4） 用吊機(jī)或絞車?yán)殠Ю|護(hù)管另一端的牽引繩，直到把臍帶纜終端頭抽出。

5） 預(yù)留出適宜臍帶纜連接的長(zhǎng)度。

6） 在水上、水下固定住臍帶纜。

7） 沿著臍帶纜設(shè)計(jì)路線鋪設(shè)。

1.1.3 正常鋪設(shè)

將臍帶纜和鋪設(shè)設(shè)備裝船，按要求布置并做好固定和設(shè)備的檢驗(yàn)調(diào)試，開始正常鋪設(shè)，在鋪設(shè)過程中要注意控制臍帶纜鋪設(shè)速度，監(jiān)控臍帶纜入水角度和張力，通過張緊器和剎車系統(tǒng)控制鋪設(shè)張力和入水角度。移船過程中，定位系統(tǒng)引導(dǎo)臍帶纜鋪設(shè)到設(shè)計(jì)路線中。

1.1.4 終止鋪設(shè)

1） 鋪設(shè)臍帶纜到終點(diǎn)后，潛水員下水檢查臍帶纜護(hù)管情況，并清理管口。

2） 臍帶纜端部要綁一些浮球。

3） 潛水員在水下將臍帶纜護(hù)管內(nèi)的牽引繩與拖拉索具連接好。

4） 將臍帶纜放到水里，通過浮球保持臍帶纜在水中的曲率。

5） 用吊機(jī)或絞車?yán)殠Ю|護(hù)管另一端的牽引繩，直到臍帶纜頭抽出。

6） 預(yù)留出適宜臍帶纜連接的長(zhǎng)度。

7） 在水上、水下固定住臍帶纜。

1.2 與主平臺(tái)回接技術(shù)

臍帶纜連接到重力基座或是導(dǎo)管架平臺(tái)時(shí)，必須拉入到專用通道，該通道就是I／J－Tube。I／JTube一端用塞子塞緊，防止水滲入進(jìn)去造成腐蝕。臍帶纜與主平臺(tái)連接時(shí)所用的I／J－Tube回接方法［3］是：當(dāng)鋪管船到達(dá)平臺(tái)附近時(shí)，用深水遙控機(jī)器人ROV（Remotely Operated Vehicle）對(duì)海床和I／J管入口進(jìn)行可視化檢查，考察I／J管的物理?xiàng)l件和海床條件以及I／J管的路線剖面。平臺(tái)上的絞車牽引纜索沿著I／J－Tube下放，使其在鋪管船甲板上與臍帶纜的一端連接好，平臺(tái)上的絞車收回牽引纜索。當(dāng)牽引纜索在I／J管喇叭口的擋板處時(shí)，要用很大的張力才能通過。平臺(tái)絞車將臍帶纜拉起直到臍帶纜懸掛頭到達(dá)平臺(tái)鋪板標(biāo)高處，連接于平臺(tái)上控制終端。如圖3所示。

圖3 主平臺(tái)回接技術(shù)

1.3 終端下放技術(shù)

臍帶纜終端UTA（Umbilical Termination Assembly）下放通常采用“雙子法”安裝［4］，UTA定位非常關(guān)鍵，UTA的下放順序如圖4～9所示。

1） 定位船到達(dá)指定位置或區(qū)域，將絞車鋼索一端吊至鋪管船，以便連接臍帶纜終端（UTA），定位船絞車鋼索連接到臍帶纜終端以后，再使臍帶纜連接好臍帶纜終端，然后用“A”型架將臍帶纜終端提起。

2） 傾斜“A”型架，使臍帶纜終端移出甲板，然后通過鋪管船上中心絞車?yán)|線與定位船鋼索協(xié)調(diào)釋放，下放臍帶纜終端，直到臍帶纜終端進(jìn)入水中。

3） 繼續(xù)下放臍帶纜、鋼索和中心絞車?yán)|線，直到臍帶纜終端下降至500m水深處，中心絞車停止釋放纜線，利用深水遙控機(jī)器人剪斷中心絞車?yán)|線。

4） 臍帶纜終端載荷全加至定位船鋼索上，完成張力轉(zhuǎn)換，這樣定位船就能確定臍帶纜終端的下降方位。

5） 繼續(xù)下降臍帶纜終端，當(dāng)?shù)竭_(dá)離海床50m處時(shí)，利用定位裝置確定臍帶纜終端的方位。

6） 定位完成以后，繼續(xù)釋放臍帶纜終端，直到臍帶纜終端下放到海床上，完成臍帶纜終端的下放工作之后，便開始正式鋪設(shè)臍帶纜的工作。

圖4 船舶就位

圖5 連接UTA

圖6 下放UTA

圖7 ROV切斷纜繩

圖8 下放UTA至海底10m處

圖9 UTA到達(dá)目標(biāo)位置

1.4 飛行就位連接技術(shù)

臍帶纜終端下放到目標(biāo)位置后，終端與水下生產(chǎn)設(shè)施相連接的部分是飛線（flying leads）。飛行就位（fly－to－place）技術(shù)是一個(gè)無(wú)人操作的連接系統(tǒng)，用來(lái)連接柔性管線或臍帶纜，完成油田內(nèi)部水下各個(gè)設(shè)備之間的連接，例如采油樹、管匯、管線終端以及立管基座。近年來(lái)飛線的連接遇到很多困難，主要是由于對(duì)扣板（stabplate）質(zhì)量過大，由于水深的增加，飛線本身的質(zhì)量和剛度都增加了。因此，近幾年的安裝趨勢(shì)發(fā)生了變化，可以把飛線看作是短的臍帶纜［5］。安裝過程是應(yīng)用支撐架（如圖10所示），用“八字形”的存儲(chǔ)安排，把飛線放到海底幾個(gè)連接點(diǎn)之間。當(dāng)從海底拉起飛線接頭時(shí)，ROV繞過對(duì)扣板到達(dá)連接點(diǎn)。對(duì)于鋼管飛線，部署架應(yīng)足夠大以適應(yīng)它的彎曲半徑。飛線連接海底布局如圖11。

圖10 飛線支撐架

圖11 飛線連接海底布局

2 臍帶纜安裝所用關(guān)鍵設(shè)備

臍帶纜的鋪設(shè)過程需要專用鋪管船、定位船、滾筒、張緊器、斜槽和深水遙控機(jī)器人（ROV）等安裝設(shè)備。

2.1 滾筒／轉(zhuǎn)盤

滾筒／轉(zhuǎn)盤是安裝所必須的設(shè)備，用來(lái)存儲(chǔ)和下放臍帶纜，滾筒／轉(zhuǎn)盤的尺寸決定了存儲(chǔ)的臍帶纜的長(zhǎng)度，而臍帶纜的最小彎曲半徑和鋪設(shè)長(zhǎng)度也是滾筒直徑設(shè)計(jì)和選擇的依據(jù)。滾筒由電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，供給臍帶纜的正常鋪設(shè)。在滿足臍帶纜尺寸要求的同時(shí)，要重視滾筒／轉(zhuǎn)盤材料選擇和裝置的固定［6］，避免滾筒過重導(dǎo)致滾筒／轉(zhuǎn)盤下沉或是出現(xiàn)意外的移動(dòng)。

2.2 張緊器

張緊器是臍帶纜鋪設(shè)系統(tǒng)的核心部分之一。當(dāng)將臍帶纜通過斜槽垂直放入水中前，由張緊器夾緊以提供其所需要的張力。張緊器［7－11］是衡量臍帶纜鋪設(shè)能力的關(guān)鍵設(shè)備，一般的鋪設(shè)船張緊能力都能達(dá)到3 000kN以上，大型的鋪設(shè)船更是在5 000kN以上。一方面，張緊器能起到固定臍帶纜的作用；另一方面，張緊器還能控制臍帶纜張力，使得鋪設(shè)船在波動(dòng)或是風(fēng)浪的作用下，臍帶纜的張力能保持在允許值范圍內(nèi)，避免臍帶纜超過許用應(yīng)力而破壞。

2.3 斜槽

把臍帶纜系統(tǒng)安裝到船上時(shí)，臍帶纜自船上垂入水中通過斜槽［12］，斜槽是一個(gè)剛性圓弧形的支撐導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，以確保臍帶纜在入水時(shí)彎曲半徑要大于最小彎曲半徑，保證臍帶纜的性能不被破壞，如圖12所示。

圖12 臍帶纜安裝系統(tǒng)中的斜槽

在深水安裝中，對(duì)斜槽的尺寸有一定的要求。設(shè)計(jì)斜槽半徑時(shí)要考慮臍帶纜對(duì)斜槽的接觸壓力，在超深水安裝時(shí)斜槽的半徑應(yīng)更大一些。

圖13給出了斜槽半徑、安裝臍帶纜的水深以及臍帶纜質(zhì)量之間的關(guān)系曲線。斜槽半徑的設(shè)計(jì)要限制臍帶纜和斜槽之間的相互作用力以及鋼管中的內(nèi)壓，斜槽的半徑取決于安裝載荷和臍帶纜擠壓力。

圖13 斜槽半徑、水深和臍帶纜質(zhì)量關(guān)系曲線

2.4 ROV

ROV系統(tǒng)工作范圍廣泛，從視覺檢查到非常復(fù)雜的操作，再到精細(xì)的管線連接，為深海臍帶纜的安裝系統(tǒng)提供遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的能力。例如：監(jiān)測(cè)處地點(diǎn)的位置，UTA下放準(zhǔn)確定位，對(duì)“飛行就位”技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供監(jiān)測(cè)等。ROV在海上石油開發(fā)、海洋科學(xué)研究、海底礦藏勘探、海底打撈救生以及軍事應(yīng)用等方面正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

2.5 絞車

收放絞車是臍帶纜鋪設(shè)過程中牽引臍帶纜沿著I／J－Tube到達(dá)浮式平臺(tái)或是導(dǎo)管架平臺(tái)的關(guān)鍵設(shè)備，它具有控制、動(dòng)力一體化的功能，能夠非常穩(wěn)定地進(jìn)行負(fù)重轉(zhuǎn)換，保證臍帶纜較平緩地拉至平臺(tái)上。牽引力的轉(zhuǎn)換是全自動(dòng)進(jìn)行的，所需時(shí)間短，且具有自動(dòng)張緊的功能。

3 臍帶纜安裝技術(shù)進(jìn)展

目前，巴西國(guó)家石油公司、BP、?？松梨?、殼牌、道達(dá)爾等多家國(guó)際石油巨頭已擁有深水油氣勘探開發(fā)的核心技術(shù)。墨西哥灣地區(qū)BP、TotalFinaElf、Marathon Oil三大公司對(duì)King’s Peak、Aconcagua、Camden Hills油田進(jìn)行臍帶纜安裝，3塊區(qū)域的水深為100～2 000m，其所應(yīng)用對(duì)扣鉸接技術(shù)［13］（Stab and Hinge Over）減少了主臍帶纜終端與臍帶纜對(duì)接的安裝時(shí)間。臍帶纜的安裝技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了近3 000m水深，國(guó)外一些安裝公司安裝臍帶纜的水深情況如表1。

表1 國(guó)外油田臍帶纜安裝水深

我國(guó)海洋石油開發(fā)與國(guó)外仍存在很大差距。我國(guó)雖然已經(jīng)具備了300m水深以內(nèi)的海洋油氣自主開發(fā)能力，但深海油氣勘探、開發(fā)和生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)和裝備仍比較落后，還不具備提供成套深海高端裝備的經(jīng)驗(yàn)。陸豐22－1海水油田位于中國(guó)南海，水深333m，臍帶纜和軟管的安裝船為海鷹號(hào)，并與挪威合作完成了海上臍帶纜的安裝。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界海洋油氣生產(chǎn)幾乎占海陸油氣總和的50%，其中深海油氣生產(chǎn)約占海洋油氣生產(chǎn)的30%。因此，臍帶纜安裝技術(shù)向深水領(lǐng)域發(fā)展必將成為新的發(fā)展方向。

4 結(jié)語(yǔ)

臍帶纜鋪設(shè)是深海油氣田開發(fā)過程中不可缺少的一步，臍帶纜就像神經(jīng)一樣控制著整個(gè)系統(tǒng)。盡管我國(guó)在該領(lǐng)域與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)之間存在較大差異，但經(jīng)過技術(shù)創(chuàng)新、裝備海洋化改造、技術(shù)先易后難、重點(diǎn)突破的漸進(jìn)過程，困難將被攻克。

［1］ 廖謨圣，楊本靈.世界石油設(shè)備發(fā)展的新特點(diǎn)及機(jī)遇與挑戰(zhàn)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2007，36（9）：1－6.

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Present Situation and Tendency of Deepwater Umbilical Cable Installation Technology

SUN Jing－jing1，LIU Pei－lin2，DUAN Meng－lan1，3，ZHANG Jiu－ju3，HU Xian－wei1，GUI Jin2
（1.China University of Petroleum，Beijing102249，China；2.Offshore Engineering Technology Center，Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin300451，China；3.Fudan University，Shanghai 200433，China）

Umbilical cable for subsea production system is the combination of electric cables（power cable or signal cable），optical cables（single mode or multimode fiber optic cable）and hydraulic or chemical pipes（steel pipe or hose）.The system includes deepwater umbilical cable terminal，the upper part of the umbilical cable terminal，connected components.Therefore，this article does all aspects of the characteristics on umbilical cable installation technology，including technology of backing to the main platform，lowing umbilical cable termination.We make analysis and comparison of installing technology of different water depths at home and abroad，and put forward challenges we will face and developped direction of the umbilical cable installation.

deepwater；oil and gas fields；umbilical cable；tensioner；chutepresext stitution

1001－3482（2011）12－0001－05

TE953

A

2011－03－31

國(guó)家油氣重大專項(xiàng)“深水安裝技術(shù)及安裝機(jī)具研究”資助項(xiàng)目（2008ZX05056－03）

孫晶晶（1986－），女，遼寧錦州人，碩士研究生，主要從事安全檢測(cè)與監(jiān)測(cè)研究，E－mail：sunjingjh＠163.com。尤為重要。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外臍帶纜安裝的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)的研究，可形成深水臍帶纜安裝的技術(shù)支持能力，建立相關(guān)的知識(shí)儲(chǔ)備，為我國(guó)深水油氣田開發(fā)提供技術(shù)的指導(dǎo)。