番禺油田海底水下基盤更換方案設(shè)計與安裝實踐

楊天笑 陳捷俊 陳 池 陳 峰

(中海石油(中國)有限公司深圳分公司)

番禺油田海底水下基盤更換方案設(shè)計與安裝實踐

楊天笑 陳捷俊 陳 池 陳 峰

(中海石油(中國)有限公司深圳分公司)

南海番禺油田由于基盤管線壁厚最薄處僅有5 mm,有發(fā)生泄漏的風(fēng)險,決定對其進(jìn)行更換。對多種基盤更換方案進(jìn)行了詳細(xì)論證,最終采用在舊基盤側(cè)安裝新基盤的實施方案;對新基盤結(jié)構(gòu)形式及關(guān)鍵部位進(jìn)行了設(shè)計和分析,確定了新基盤的位置,解決了新基盤的安裝問題。番禺油田水下新基盤安裝施工的成功,不僅避免了原油泄漏造成的經(jīng)濟(jì)損失,而且消除了原油泄漏對附近海洋環(huán)境污染的安全隱患,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和一定的社會效益。

水下基盤;更換;結(jié)構(gòu)形式;基盤位置;安裝施工;番禺油田

1 工程背景

自2003年商業(yè)生產(chǎn)以來,南海番禺油田水下基盤一直使用至今。2010年水下檢測顯示,基盤管線壁厚最薄弱處僅有5 mm,有發(fā)生泄漏的風(fēng)險。由于此基盤為PY4-2/5-1兩個平臺與FPSO之間輸送原油的唯一通道,雖其本身有各自管線,中間有隔離閥分開,但是此隔離閥已存在內(nèi)漏,若基盤上任意一管線發(fā)生泄漏,則整個油田將全部停產(chǎn)。2012年,該油田擴(kuò)產(chǎn),新平臺建成,番禺作業(yè)區(qū)計劃利用新平臺接入海管時全油田停產(chǎn)的機(jī)會,實施舊基盤的更換,為此開展了海底水下基盤更換方案研究與安裝施工作業(yè),取得了很好的效果。番禺油田水下基盤更換工程是第一個國內(nèi)獨立承擔(dān)的水下技術(shù)項目,其水下基盤結(jié)構(gòu)如圖1所示,基盤管線穿過基盤主梁結(jié)構(gòu),利用管道支架與主梁固定,其中基盤、中水浮筒、FPSO分布如圖2所示。PY4-2/5-1平臺海底管線中含水原油經(jīng)PLEMA和PLEMB再通過跨接管到達(dá)水下基盤,后通過2條φ304.8 mm柔性立管輸送至“海洋石油111”FPSO上?；P與FPSO的水平距離為160 m,柔性立管中間設(shè)有中水浮筒,與FPSO的水平距離為130 m,另有1條海纜布置在柔性立管中間。中水浮筒距泥面55 m,通過錨鏈連接在海底的樁基上。柔性立管經(jīng)過中水浮筒后,在樁基的水下基盤側(cè)對柔性立管進(jìn)行固定,以保證柔性立管的穩(wěn)定性。據(jù)估算,柔性立管對水下基盤的最大作用力為37 k N,海纜對水下基盤的最大作用力為12 k N。

圖1 番禺油田水下基盤結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 番禺油田基盤、中水浮筒、FPSO分布平面圖

2 新基盤更換方案研究

2.1 更換方案選擇

對PY4-2/5-1水下基盤的更換,經(jīng)過研究提出以下3種方案:方案1保留原基盤,將新基盤坐在原基盤上;方案2拆除原基盤,原位安裝新基盤;方案3保留原基盤,在其附近安裝新基盤。

對上述各方案的施工工作量、資源需求以及技術(shù)可行性等因素進(jìn)行了詳細(xì)研究,對比結(jié)果見表1。經(jīng)充分研討,最終確定選擇方案3,即整體保留原水下基盤,重新設(shè)計、建造一個新基盤,安裝在原基盤附近的位置,將柔性立管從著泥點以后偏轉(zhuǎn)角度與新基盤對接,并將海纜從原水下基盤上拆卸后移位至新水下基盤上,重新實現(xiàn)番禺4-2油田供電海纜在新基盤上從動態(tài)纜向靜態(tài)纜的過渡;需要回收原跨接管,再重新設(shè)計新跨接管。

表1 番禺油田基盤更換方案綜合對比

2.2 新基盤結(jié)構(gòu)設(shè)計

新基盤在功能設(shè)計上需要滿足2個要求:一是在水下為番禺4-2和番禺5-1油田外輸海管與“海洋石油111”FPSO相連的柔性立管的連接提供基礎(chǔ);二是為番禺4-2油田外輸海纜的動態(tài)向靜態(tài)過渡提供基礎(chǔ)。

經(jīng)過分析與研究[1],最終確定新基盤結(jié)構(gòu)如圖3所示。新基盤主要由帶有裙板的防沉板、主梁結(jié)構(gòu)、海纜托架及海纜卡箍等構(gòu)成,為了滿足功能需要,相應(yīng)的附件有吊點、土工織物等。

圖3 番禺油田新基盤設(shè)計圖

2.2.1主梁結(jié)構(gòu)尺寸的確定

老基盤主梁為H900的工字鋼,小梁為H300工字鋼,為提高裙板順利插入土層及提高在位穩(wěn)性的儲備能力,主梁內(nèi)部灌有M30的水泥漿。新基盤主梁結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計時主要考慮以下兩方面因素:一是提高整體框架的剛度,保證基盤在施工工況下可以應(yīng)對極端工況;二是管道可以穿過大梁腹板,固定形式要簡單,易執(zhí)行。經(jīng)計算分析確定主梁仍采用H900的工字梁,通設(shè)裙板,但取消灌漿操作,以提高基盤的在位穩(wěn)定性,尺寸為9.2 m×7.2 m,新基盤主梁結(jié)構(gòu)形式見圖4。從后期的分析結(jié)果來看,若將梁格改為統(tǒng)一的H588或H440工字梁,重量上節(jié)省并不顯著,但在位情況下,管道的末端荷載(錨固)的彎矩較大,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度存在應(yīng)力集中問題。

圖4 水下新基盤主梁結(jié)構(gòu)形式示意圖

2.2.2防沉裙板設(shè)計

老基盤設(shè)計中將管道四周及工字梁內(nèi)部灌以泥漿進(jìn)行配重,以提高基盤的在位穩(wěn)性,但基盤底板被混凝土覆蓋,且沒有設(shè)置排氣筒,勢必會對防沉裙板的初始入泥帶來不利的影響。新基盤通過防沉裙板將荷載均勻地分布在海床上,使得沉降量最小,同時板上開排水孔,一方面可以利于防沉裙板貫入沙層,另一方面也有利于座底后超空隙水壓力的消散,提高承載力。

新老基盤位置更換后,荷載也有所變化,整體來說較老基盤小。另外,由于質(zhì)量降低,造成穩(wěn)性系數(shù)的折減,防沉裙板個數(shù)也有變化。最終結(jié)合管道端荷載,通過增加裙板的方式提高了在位穩(wěn)定性,滿足了規(guī)范設(shè)計要求。經(jīng)計算新基盤防沉板布置2 m× 2 m,結(jié)構(gòu)干重43 t。

防沉裙板基礎(chǔ)采用12 mm厚鋼板焊接而成,并根據(jù)番禺油田松散的粘滯砂土參數(shù),進(jìn)行了防沉板基礎(chǔ)的承載能力校核,同時也校核了底板的強(qiáng)度[2]。新基盤坐底后,防沉裙板要承受環(huán)境荷載、管道質(zhì)量等荷載,在保證承載力的同時,要確保結(jié)構(gòu)在海底的安全性,同時也應(yīng)滿足在位穩(wěn)性要求。經(jīng)計算分析,均滿足要求。

2.2.3海纜托架設(shè)計

海纜托架為番禺4-2油田供電海纜在水下實現(xiàn)動靜過渡(圖5),從FPSO轉(zhuǎn)塔經(jīng)中水浮筒到水下基盤上的海纜托架固定,最后轉(zhuǎn)入靜態(tài)纜。在設(shè)計上,采用了GB8162 20#鋼的φ60 mm的管結(jié)構(gòu)構(gòu)成,海纜托架底托為φ273 mm管剖開預(yù)制,海纜在托架上的固定設(shè)計了4個海纜卡箍(圖6),承載設(shè)計載荷49 k N。電纜托架的扇形支撐主要是為了在管線鋪設(shè)過程中使其落入既定軌道內(nèi),可省去潛水員作業(yè),通過ROV即可完成操作。

圖5 番禺油田水下基盤海纜托架三維圖

圖6 番禺油田海纜托架卡箍連接形式圖

2.2.4吊點設(shè)計

更換基盤前期設(shè)計中,考慮過將老基盤拆除,這樣利于管線布置,也可減少海上施工的碰撞風(fēng)險。但后期評估過程中除了考慮平臺停產(chǎn)壓力以外,還要考慮吊點的強(qiáng)度不足(原吊點形式為主板插到工字梁腹板處,腹板焊接處應(yīng)力集中,且吊點主板平面外抗彎儲備能力不強(qiáng))。因此,新基盤設(shè)計對吊點做了一些調(diào)整,吊點形式采取了筒體形式,主板插入筒體,這樣可以將吊裝荷載通過筒體分散到各個主梁上,受力路徑明確,吊點儲備強(qiáng)度盈余。

2.2.5土工織物設(shè)計

番禺油田海域內(nèi)底流較為嚴(yán)重,測試數(shù)據(jù)表明100年重現(xiàn)期的底流速度能達(dá)到1.49 m/s,且第一層土體主要成分為松散的粘滯沙土[3]。對于淺層基礎(chǔ)來說,沖刷產(chǎn)生的作用力很大,為保證防塵板基礎(chǔ)的長期穩(wěn)定性,不因底流沖刷而發(fā)生傾覆,導(dǎo)致動態(tài)立管與海纜系統(tǒng)失效,專門在防沉板周邊設(shè)計了防沖刷土工織物,其結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 番禺油田水下基盤外延土工織物結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 新基盤位置確定

柔性立管需要調(diào)整到新的基盤上,以實現(xiàn)含水原油能暢通地輸送到FPSO。新基盤位置依據(jù)柔性海管長度、移位后柔性管端部管件的受力和柔性管本身的最小彎曲半徑限制及與底部固定錨鏈的干涉限制來確定。為了確定柔性立管移位路由,柔性立管移位校核過程中充分考慮了FPSO以及中水浮筒的水動力響應(yīng),使用Dean Stream軟件模擬波浪條件(采用最大波高和譜峰周期的組合),并假設(shè)波浪流同向作用于船首,柔性立管和海纜部分附著有20 mm海生物,柔性立管不同部分考慮不同彎曲剛度。通過對柔性立管水動力學(xué)分析,最終得到了新建基盤4-2法蘭位置(-100.56 m,-121.76 m)和5-1法蘭位置(-94.99 m,-126.11 m)以及柔性立管在新水下基盤接頭處的最大彎矩(77.4 k N)、柔性立管最小彎曲半徑(1.25 m)、柔性立管在水下基盤卡箍處的最大張力(48.7 k N)等參數(shù)。番禺油田新基盤和柔性主管移位后的路由見圖8。

圖8 番禺油田新基盤和柔性立管移位后的路由

對于PY4-2/PY54-1平臺供電海纜是否需要從原基盤調(diào)整到新基盤上,取決于移位后柔性立管與海纜是否會發(fā)生干涉。分析結(jié)果表明,未移位的海纜會與PY5-1平臺發(fā)生明顯的干涉,海纜需要移位。經(jīng)計算,海纜重力基礎(chǔ)卡子到基盤段長度為32.5 m時,近向生存工況(抵御百年臺風(fēng),波浪和流向角227°,FPSO偏移32 m、方向227°, 1根錨鏈破斷,內(nèi)部海水介質(zhì))未發(fā)現(xiàn)干涉。為了更全面的校核分析結(jié)果,還進(jìn)行了近向操作工況(重現(xiàn)期依據(jù)API RP 1713,波浪角227°、百年波,流向角227°、10年流,FPSO偏移18～20 m,方向227°,錨鏈無破斷,內(nèi)部油介質(zhì))的校核,也未發(fā)現(xiàn)干涉。

另外,考慮到安裝過程中的誤差,針對海纜在重力基礎(chǔ)卡子到基盤卡子段長度進(jìn)行了敏感性分析,計算顯示32 m的情況會發(fā)生干涉,33 m的情況不會發(fā)生干涉,所以海纜在新基盤的安裝位置要確保重力基礎(chǔ)卡子到基盤卡子段長度在32.5～33.0 m之間。

3 安裝施工效果

在布置新基盤時,考慮以中水浮筒為中心,將新建基盤繞中水浮筒布置,旋轉(zhuǎn)角度約為40°,距離吸力錨較原基盤相等或較近位置安裝;2根柔性立管及動態(tài)海纜拆除并安裝到新的基盤上;安裝新跨接管連接PLEM和新基盤。

在安裝新基盤時,首先對舊基盤的土工織物在新基盤安裝時可能涉及的干涉處進(jìn)行切除清理。由于南海海況較為復(fù)雜,為保證新基盤的水下安裝順利進(jìn)行,需在舊基盤附近放置安裝引導(dǎo)框架,使用動力定位支持船的升沉補(bǔ)償?shù)鯔C(jī)將新基盤慢慢放入水中,到達(dá)泥面以上2 m左右時開始移船,水下機(jī)器人同時進(jìn)行觀察;當(dāng)達(dá)到預(yù)定位置時,吊機(jī)慢慢放勾,使新基盤入泥,吊機(jī)讀數(shù)慢慢下降至零,新基盤達(dá)到自重入泥,成功實現(xiàn)了新基盤的精確定位安裝。

番禺油田在未更換舊基盤的情況下生產(chǎn)至2012年,2013年年初開始實施棄置;新基盤安裝后,油田可持續(xù)生產(chǎn)至2020年經(jīng)濟(jì)壽命結(jié)束。實踐證明,番禺油田于2012年對舊基盤及時實施更換,不僅避免了原油泄漏造成的巨額經(jīng)濟(jì)損失,而且消除了原油泄漏對附近海洋環(huán)境與海洋生物造成巨大危害的安全隱患,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和一定的社會效益。

[1] 崔書杰.井口平臺的新型水下基盤結(jié)構(gòu)及其模型分析[J].石油工程建設(shè),2006,32(4):37-39.

[2] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/ T700-2006碳素結(jié)構(gòu)鋼[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2007.

[3] 李振君,李曉玲.南海東部油田高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)開發(fā)實踐[J].中國海上油氣(地質(zhì)),2002,16(2):125-131,136.

(編輯:葉秋敏)

The pipeline ending terminal replacement engineering feasibility study and installation in Panyu oilfield

Yang Tianxiao Chen Jiejun Chen Chi Chen Feng

(Shenzhen Branch of CNOOC Ltd.,Guangdong,518067)

The old PLET pipeline in Panyu oilfield, South China Sea,is only 5mm in wall thickness and has the risk of leakage,so it is decided to replace it with a new pipeline ending terminal (PLET).A final implementation plan is made and a new PLET will be installed by the side of the old one after several replacement plans are well-studied.It analyzes and designs the structural style and the key part of the new PLET so that its position is confirmed and installation problems are solved. The success of new subsea PLET installation in Panyu oilfield leads to a result of preventing not only from economic loss of the crude oil leakage but also from potential safety hazard to marine environment pollution,which is remarkably beneficial to the economy and the society.

pipeline ending terminal;replacement; structural style;PLET position;installation;Panyu oilfield

2013-11-21改回日期:2014-12-06

楊天笑,男,工程師,現(xiàn)主要負(fù)責(zé)組織、協(xié)調(diào)開展海上油氣田關(guān)鍵設(shè)施和水下設(shè)施運(yùn)營期的維護(hù)和維修工程等工作。地址:廣東省深圳市蛇口太子路1號新時代廣場8樓(郵編:518067)。E-mail:tyang1@126.com。