流花4-1電纜和臍帶纜安裝技術(shù)及應(yīng)用

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(中海石油(中國)有限公司深圳分公司, 廣東 深圳 518067)

臍帶纜作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，是連接上部設(shè)施和水下生產(chǎn)系統(tǒng)之間的生命線[1-2]，研究其安裝技術(shù)對(duì)深水油氣田的開發(fā)有重要意義。

流花4-1油田位于中國南海珠江口盆地，距香港約215 km，海域水深260～310 m，是中海油有限公司第一個(gè)自營開發(fā)的水下項(xiàng)目。流花4-1油田采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)依托流花11-1油田現(xiàn)有設(shè)施進(jìn)行開發(fā)的總體開發(fā)方案，總布置見圖1。

圖1 流花油田總布置示意

流花4-1油田采用雙電潛泵采油，生產(chǎn)用電由“南海挑戰(zhàn)號(hào)平臺(tái)”提供，輸電線路采用3條14 km長(zhǎng)的多芯海底電纜，通過電纜分配器(SPDU)分配到各井口?；瘜W(xué)藥劑、控制信號(hào)、控制用電/液體等通過一條14 km臍帶纜從“南海挑戰(zhàn)號(hào)”輸送到流花4-1油田水下生產(chǎn)系統(tǒng)，通過水下臍帶纜終端分配器(SDU)輸送到各井口的水下控制模塊和中心管匯[3]。

1 流花4-1電纜和臍帶纜介紹

1.1 海纜附屬件布置

將電纜和臍帶纜統(tǒng)稱為海纜，見圖2。海纜包含以下附屬件：拖拉頭及懸掛點(diǎn)，J型護(hù)管對(duì)中器及抗彎器，浮筒，觸地點(diǎn)防磨保護(hù)套，錨定卡子，水下終端接口及水下終端。

圖2 電纜附屬件布置

由于水下系統(tǒng)的依托設(shè)施為半潛式平臺(tái)(FPS)，因此海纜分為靜態(tài)段和動(dòng)態(tài)段。錨定卡子左側(cè)為靜態(tài)段，右側(cè)為動(dòng)態(tài)段。

1.2 水下終端

電纜的水下終端為SPDU(subsea power distribution unit )，通過支架安放在防沉板上；臍帶纜的水下終端為UTH(umbilical termination head )，通過導(dǎo)向錐安放在SDU(subsea distribution unit)上，見圖3。在運(yùn)輸和安裝過程中，電纜連同SPDU存放在轉(zhuǎn)盤內(nèi)，防沉板放置在作業(yè)船甲板上；臍帶纜連同UTH存放在轉(zhuǎn)盤內(nèi)，導(dǎo)向錐放置在作業(yè)船甲板上。

圖3 水下終端示意

1.3 動(dòng)態(tài)纜及上部懸掛

海纜的動(dòng)態(tài)段是指從錨定卡子(holdbackclamp)到懸掛點(diǎn)(hang-off point)之間的部分，長(zhǎng)約600 m，通過安裝浮筒形成緩波(lazy wave)形狀，以適應(yīng)平臺(tái)的移動(dòng)，見圖4。

圖4 海纜動(dòng)態(tài)段形狀

安裝完成后，錨定卡子坐落到錨定結(jié)構(gòu) (holdback structure)的卡槽內(nèi),見圖5。其作用主要是在平臺(tái)偏離中心位置較遠(yuǎn)時(shí)，防止海纜靜態(tài)段向動(dòng)態(tài)段底部方向移動(dòng)。通過懸鏈線計(jì)算可得出錨定卡子處電纜所受最大軸向力為140 kN，臍帶纜為136 kN。

為防止上部電纜與平臺(tái)結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，并限制纜在波浪流作用下的運(yùn)動(dòng)，在平臺(tái)橫撐上安裝了J型護(hù)管(J-TUBE),見圖6。電纜穿過J型護(hù)管到達(dá)懸掛平臺(tái)。計(jì)算得電纜懸掛點(diǎn)所受最大軸向力188 kN，臍帶纜懸掛點(diǎn)所受最大軸向力174 kN。

圖5 錨定結(jié)構(gòu)

圖6 J型護(hù)管及懸掛平臺(tái)位置

1.4 海纜截面特性

電纜主要由聚乙烯外護(hù)套、兩層鋼絲鎧裝、聚乙烯內(nèi)護(hù)套、鋼絲填充/聚乙烯填充、三芯電纜構(gòu)成。臍帶纜主要由聚乙烯外護(hù)套、兩層鋼絲鎧裝、聚乙烯內(nèi)護(hù)套、鋼絲填充/聚乙烯填充、四芯信號(hào)纜及hose軟管構(gòu)成。主要物理特性見表1。

表1 電纜和臍帶纜的物理特性

2 安裝要求

依據(jù)廠家分析報(bào)告，電纜和臍帶纜在海底穩(wěn)定性足夠，無需任何處理；電纜懸跨需小于3.8 m,臍帶纜懸跨需小于2.3 m；海纜安裝誤差沿路由小于10 m，起始鋪設(shè)安裝精度5 m，靜態(tài)端安裝精度3 m。

3 分析模型

本次海纜安裝分析是通過OrcaFlex 9.4b完成的。OrcaFlex是一款非線性時(shí)域分析有限元軟件，在海洋工程中，主要應(yīng)用在剛性/柔性立管，海管/海纜，錨泊系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)和安裝分析中。軟件中有6D buoys, 3D buoys, vessels, tethers, winches, links等單元，使建模過程簡(jiǎn)單方便。通過設(shè)置海底土層、風(fēng)、浪、流的參數(shù)，可以將環(huán)境力加載到模型中，進(jìn)行有限元分析。

該分析模型主要包含F(xiàn)PS、工程船及吊機(jī)索具、海纜及水下終端、海纜各附件、水下設(shè)施。水深265～310 m，海水密度1 025 kg/m3，采用Airy波，流速隨水深線性遞減；海纜與土壤之間的摩擦系數(shù)取0.2；考慮安裝船吊機(jī)升沉補(bǔ)償效率為90%;海纜終端建為6D buoys，吊鉤為3D buoys，索具和海纜為線單元，海纜附件及其海纜段轉(zhuǎn)化為當(dāng)量截面；Morison方程計(jì)算線單元的水動(dòng)力載荷。

4 安裝控制參數(shù)

分析過程中需要考慮海況條件的可操作性，吊機(jī)能力，ROV飛行距離，海纜出船艉導(dǎo)向槽的角度，海纜及其附件力學(xué)限制條件等，根據(jù)制約因素確定每一步中的Layback值。

所謂Layback是指海纜安裝時(shí)，從船艉到觸地點(diǎn)之間的水平距離。它對(duì)海纜彎曲度、觸地點(diǎn)是否受壓、海纜海底穩(wěn)定性有重要影響。Layback最小值應(yīng)由海纜彎曲半徑和觸地點(diǎn)軸向受壓能力決定，最大值由觸地點(diǎn)最大軸向拉/壓力和出導(dǎo)向槽角度、ROV 飛行距離決定。

初始鋪設(shè)時(shí)，Layback值較小，應(yīng)控制在6～30 m，保證海纜終端不被拉離原始位置；離開終端200 m后，當(dāng)Hs=1～2 m時(shí)，可將Layback控制在30～100 m范圍內(nèi)。

5 海纜安裝所用關(guān)鍵設(shè)備

鋪設(shè)電纜、臍帶纜時(shí)，主工作船甲板布置圖見圖7。

圖7 甲板布置示意

工作船Southern Ocean，隸屬于Fugro TS MARINE公司，DP 2，是一艘性能優(yōu)越的多功能作業(yè)船。船長(zhǎng)136.60 m，型寬27.00 m，型深9.70 m。船左舷有250 t @ 10 m和75 t@ 35 m吊機(jī)各一臺(tái)，都具有升沉補(bǔ)償功能。船舷各有一臺(tái)102 kW工作級(jí)ROV，最大工作水深3 000 m，水平可作業(yè)半徑分別為350 m和600 m。

張緊器支撐結(jié)構(gòu)(Tensioner Support system)用來支持張緊器，前有導(dǎo)向斜槽，后有入水橋，尾部有可收縮/伸長(zhǎng)工作臺(tái)用于安裝海纜附屬件。

張緊器(tensioner)租借于Aquatic公司，型號(hào)為AQTT-10C-50，最大牽引力50 t，最大夾緊力1 520 kN，有4×3.5 m長(zhǎng)的履帶。

轉(zhuǎn)盤(carousel),轉(zhuǎn)盤最大裝載力20 000 kN， 最大轉(zhuǎn)速0.8 r/min。轉(zhuǎn)塔吊機(jī)最大承載力120 kN。轉(zhuǎn)塔的履帶傳送裝置最大牽引力150 kN，最大夾緊力350 kN，有2×2.5 m長(zhǎng)的履帶。此次鋪設(shè)是國內(nèi)首次選用轉(zhuǎn)盤存儲(chǔ)電纜，而非常見的滾筒形式。該轉(zhuǎn)盤外徑約20 m，高度約12 m，能容納2 000 t的海纜。本項(xiàng)目中，4根、14 km海纜重達(dá)1 900 t，采用該方式可一次性容納全部海纜，經(jīng)濟(jì)性較好。每條海纜可以完整存儲(chǔ)于轉(zhuǎn)盤內(nèi)，消除了常見滾筒方案中將海纜分為幾段，需海上安裝時(shí)進(jìn)行對(duì)接的缺點(diǎn)，節(jié)約海上作業(yè)時(shí)間，并降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

絞車有100 kN和300 kN兩種，主要作用是，在電纜首尾兩端轉(zhuǎn)移時(shí)，起牽引作用；并用于打撈和釋放引鏈。

平臺(tái)上的海纜端頭提拉設(shè)備(pull-in equipment)。由于平臺(tái)上，海纜懸掛平臺(tái)上方的主甲板空間狹小，沒有足夠的空間安裝15 t絞車，因此采用1×5 t小絞車用于回收引鏈，2×15 t絞手葫蘆進(jìn)行提拉作業(yè)的方案。

導(dǎo)向輪(overboarding sheave)用來引導(dǎo)打撈/釋放的引鏈。

偏轉(zhuǎn)器(deflector)。偏轉(zhuǎn)器放置在甲板上，用來控制轉(zhuǎn)盤和張緊器之間的電纜走向。

6 海纜海纜鋪設(shè)步驟

將海纜和上述設(shè)備裝船，固定好并調(diào)試完畢后，開始鋪設(shè),鋪設(shè)過程分為以下幾個(gè)步驟，見表2。

表2 海纜安裝步驟

6.1 SPDU / UTH起吊

1)將SPDU / UTH從轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)移到甲板，并連接至防沉板/導(dǎo)向錐上。

2)在吊機(jī)、絞車、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)塔各方配合下，使SPDU / UTH經(jīng)過張緊器，到達(dá)船艉。關(guān)閉張緊器并設(shè)置張緊器夾緊力為海纜最大允許夾緊力的80%。

6.2 SPDU / UTH入水并下放

1)按設(shè)計(jì)步長(zhǎng)分別進(jìn)行吊機(jī)索具釋放、絞車牽引繩釋放、電纜釋放等動(dòng)作，以保證SPDU尾部電纜形成懸連線，下放SPDU。

2)當(dāng)?shù)竭_(dá)水深50 m時(shí)，暫停下放，ROV解開絞車牽引繩。

3)繼續(xù)下放SPDU至距離海底20 m時(shí)，移船到目標(biāo)位置上方。

對(duì)于UTH，不同之處在于：由于UTH較輕，入水后使UTH從水平位置轉(zhuǎn)換成豎直位置，吊機(jī)索具成松弛狀態(tài)，UTH重量全部由臍帶纜承受。

6.3 SPDU / UTH著陸

1)當(dāng)SPDU / UTH距離海底約5 m時(shí)，吊機(jī)轉(zhuǎn)換為升沉補(bǔ)償模式(AHC),ROV協(xié)助調(diào)整SPDU首向，移船調(diào)整SPDU/ UTH至安裝位置正上方，下放吊機(jī)，SPDU著陸，速度應(yīng)小于0.5 m/s。

2)解開主索具，開始起始鋪設(shè)。注意應(yīng)盡量減少解除索具的時(shí)間，因?yàn)榇藭r(shí)Layback較小，作業(yè)船在風(fēng)浪流作用下不斷運(yùn)動(dòng)，有導(dǎo)致觸地點(diǎn)處發(fā)生嚴(yán)重?cái)D壓的風(fēng)險(xiǎn)。

6.4 起始鋪設(shè)、正常鋪設(shè)

一旦靜態(tài)端頭著陸，調(diào)整船艏向至受力最小方向，開始起始鋪設(shè)，通過控制電纜釋放長(zhǎng)度和移船距離，控制Layback在30 m范圍內(nèi)，保證海纜終端不被拉離原始位置。

當(dāng)鋪設(shè)200 m左右時(shí)，海纜與土壤摩擦力足夠大，即開始了正常鋪設(shè)，將Layback控制在30～100 m范圍內(nèi)。海況越好，Layback可取值越大，越利于鋪設(shè)。正常鋪設(shè)時(shí)，電纜釋放步長(zhǎng)與移船速度由控制臺(tái)作業(yè)監(jiān)督依據(jù)實(shí)際情況確定，正常鋪設(shè)速度為8～10 m/min。

注意，鋪設(shè)過程要不斷監(jiān)視Layback數(shù)值，觸地點(diǎn)附近纜形狀，張緊器拉力值，轉(zhuǎn)盤/轉(zhuǎn)塔/張緊器與移船速度，纜外表皮，纜長(zhǎng)度標(biāo)記，甲板上轉(zhuǎn)塔與張緊器之間纜的松弛度等。

6.5 附屬件安裝等

1)附屬件安裝。當(dāng)海纜上附屬件的安裝位置標(biāo)記到達(dá)船艉工作臺(tái)，停止鋪設(shè)，陸續(xù)進(jìn)行卡子、防磨保護(hù)套、浮筒的安裝。

2)海纜余量鋪設(shè)。由于流花4-1采購的海纜長(zhǎng)度含400 m余量，除去鋪設(shè)誤差后，富余纜長(zhǎng)度仍達(dá)近200多米，需進(jìn)行余量鋪設(shè)，以消耗富余纜長(zhǎng)。余量鋪設(shè)時(shí)，Layback減少至約50 m。

3)卡子進(jìn)入錨定結(jié)構(gòu)。通過減少Layback至約20～30 m，保證卡子在深水處仍保持豎直狀態(tài)，卡子的重量由海纜承受。當(dāng)卡子在水深270 m左右時(shí)，連接卡子上的索具到吊機(jī)，使卡子的重量由吊機(jī)承受。繼續(xù)移船鋪設(shè)，卡子漸漸由豎直狀態(tài)轉(zhuǎn)為傾斜狀態(tài)，并最終落入錨定結(jié)構(gòu)卡槽附近。

注意，該過程中需不斷監(jiān)視卡子附近纜的形狀，防止發(fā)生過彎情況；當(dāng)鋪設(shè)至錨定結(jié)構(gòu)附近時(shí)，需不斷對(duì)比觸地點(diǎn)附近長(zhǎng)度標(biāo)記與KP點(diǎn)差值，以便確切地計(jì)算出富余纜長(zhǎng)度，根據(jù)實(shí)際情況修改設(shè)計(jì)路由，以保證卡子能準(zhǔn)確落入錨定結(jié)構(gòu)卡槽內(nèi)。

4)動(dòng)態(tài)纜形成緩波狀。改變船艏向至作業(yè)船與平臺(tái)艉部平行(即與鋪設(shè)方向垂直)，使船艉靠近平臺(tái)，方便進(jìn)行電纜端部轉(zhuǎn)移工作；完成轉(zhuǎn)向后，移船增大Layback至約150 m，使安裝了浮筒的海纜段由垂直轉(zhuǎn)為波浪狀。

6.6 作業(yè)船與平臺(tái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)端頭交接

1)將動(dòng)態(tài)端頭即拖拉頭從轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)移到甲板。在船艉工作臺(tái)上，連接30te絞車?yán)K索到海纜上，該絞車作用是在下一步打開張緊器時(shí)承受水中懸空段海纜的重量。

2)緩慢起吊并向船艉移動(dòng)拖拉頭，使其經(jīng)過張緊器后，懸掛于船艉。

3)打撈從平臺(tái)J型護(hù)管釋放出來的回收鏈。連接回收鏈和拖拉頭，緩慢釋放吊機(jī)，下放拖拉頭至水深50～60 m，等待平臺(tái)回收引鏈和回收鏈。注意，下放拖拉頭時(shí)，需密切監(jiān)視海纜觸地點(diǎn)，避免與流花11-1現(xiàn)存水下設(shè)施發(fā)生碰撞。

4)平臺(tái)回收完引鏈后，作業(yè)船吊機(jī)索具受力為約1～2 t，切斷連接吊機(jī)與拖拉頭的索具，完成力的傳遞，動(dòng)態(tài)端頭移交給平臺(tái)。

6.7 提拉海纜至懸掛平臺(tái)

動(dòng)態(tài)端頭移交給平臺(tái)后，平臺(tái)繼續(xù)回收回收鏈，拖拉頭穿過J型護(hù)管，到達(dá)懸掛平臺(tái)。拆除拖拉頭，固定海纜到懸掛點(diǎn)上。潛水員固定抗彎器到J型護(hù)管。

按照ISO標(biāo)準(zhǔn)對(duì)海纜進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于高壓電纜芯和低壓信號(hào)纜芯，測(cè)試內(nèi)容包含絕緣電阻、直流電阻、時(shí)域反射測(cè)試(TDR) 等；對(duì)于Hose軟管進(jìn)行壓損測(cè)試、壓力測(cè)試等。

流花4-1油田開發(fā)項(xiàng)目的海纜安裝過程歷時(shí)19天，完成了3根電力電纜和1根電液混控臍帶纜共計(jì)56 kM的海纜海上鋪設(shè)、提拉固定和測(cè)試工作。

7 結(jié)束語

介紹流花4-1油田電纜和臍帶纜的形式、鋪設(shè)過程中需要的主要設(shè)備、安裝過程技術(shù)參數(shù)及限制條件，并對(duì)關(guān)鍵安裝步驟進(jìn)行詳細(xì)描述，以期為國內(nèi)其他項(xiàng)目海纜安裝，尤其是對(duì)我國南海深水油氣田的開發(fā)提供借鑒和參考，形成深水電纜和臍帶纜安裝的技術(shù)支持和知識(shí)儲(chǔ)備。

[1] 孫晶晶,劉培林,段夢(mèng)蘭,等.深水臍帶纜安裝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2011,40(12):1-5.

[2] 海洋石油工程設(shè)計(jì)指南編委會(huì).海洋石油工程設(shè)計(jì)指南:海洋石油工程深水油氣田開發(fā)技術(shù)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2011.

[3] 王春升.流花4-1油田開發(fā)可行性研究[R].北京：中海石油研究總院，2009.