南中國海浮式生產(chǎn)設(shè)施系泊系統(tǒng)及安裝關(guān)鍵技術(shù)

馬 超，高 原， 王杰文

(深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518067)

0 引 言

根據(jù)不同海域的海況條件，目前浮式生產(chǎn)儲卸油裝置(FPSO)主要采用單點-轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)、多點-伸展系泊系統(tǒng)以及動力定位(DP)系統(tǒng)三種方式，其中以單點系泊系統(tǒng)(SPM)的應(yīng)用最為普遍。單點和多點的系泊方式將FPSO連接在單個或多個點上，而動力定位系統(tǒng)系泊方式是靠FPSO本身穩(wěn)定位置。在沒有風(fēng)向效應(yīng)影響的海況下，如東南亞、西非海域，或具有高度定向性的環(huán)境下，如巴西海洋的特定區(qū)域等，F(xiàn)PSO可以采用多點系泊的方式；在受風(fēng)向效應(yīng)影響較大的海域，如在墨西哥灣、南中國海等，須采用FPSO可以根據(jù)風(fēng)向進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)塔系泊，使環(huán)境載荷影響最小[1]。目前在西非、墨西哥灣、巴西海域等地區(qū)已經(jīng)實現(xiàn)了超過千米水深的系泊系統(tǒng)安裝的成功案例，其核心技術(shù)一直被國外公司壟斷[2]。經(jīng)過在南中國海十幾年的工程實踐積累，我國目前已經(jīng)掌握水深300 m以內(nèi)的系泊系統(tǒng)安裝技術(shù)。本文結(jié)合南中國海浮式生產(chǎn)設(shè)施系泊系統(tǒng)安裝的工程實踐總結(jié)了深水系溝系統(tǒng)安裝的特點和關(guān)鍵技術(shù)。

1 南中國海浮式生產(chǎn)設(shè)施系泊系統(tǒng)

1.1 浮式生產(chǎn)設(shè)施系泊系統(tǒng)類型

目前南中國海的FPSO全部為內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點系泊，其設(shè)計單位主要是APL、SOFEC和SBM三家公司。內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)由系泊錨點、錨腿和內(nèi)轉(zhuǎn)塔式浮筒三部分組成，內(nèi)轉(zhuǎn)塔式浮筒通過錨腿與錨點連接構(gòu)成FPSO系泊的整套系泊系統(tǒng)。上述三家公司的系泊浮筒分別如圖1～3所示。多點系泊設(shè)施如圖4所示。

圖2 SOFEC型系泊浮筒Fig.2 SOFEC mooring buoy

圖3 SBM 型系泊浮筒Fig.3 SBM mooring buoy

圖4 多點系泊設(shè)施Fig.4 Spread mooring facility

1.2 浮式生產(chǎn)設(shè)施系泊錨腿的基本結(jié)構(gòu)及對比

截至本文成文時，在南海服役過的浮式生產(chǎn)設(shè)施系泊系統(tǒng)共計11套，其中現(xiàn)役9套，退役2套。系泊錨腿主要由錨鏈和錨纜組成。根據(jù)不同的設(shè)計理念和實際需求，錨纜和錨鏈的長度和組合形式略有不同。各種系泊系統(tǒng)的錨腿組成如表1所示。

表1 系泊錨腿組成

2 系泊系統(tǒng)安裝技術(shù)

2.1 系泊系統(tǒng)安裝工藝

系泊系統(tǒng)安裝主要分為安裝前預(yù)調(diào)查、正式安裝和完工后調(diào)查三個階段，其關(guān)鍵安裝工藝流程如圖5 所示。

2.2 系泊系統(tǒng)安裝關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 定位技術(shù)

定位技術(shù)主要用于錨點安裝位置和艏向的確定以及調(diào)整鏈長度測量。其中長基線(LBL)定位的水下安裝定位或測距的精度較高；超短基線(USBL)定位的定位精度較低，其安裝定位精度取決于水面定位精度和船載USBL定位精度。LBL水下定位原理和系泊錨點處布置分別如圖6和圖7所示。

2.2.2 錨點的安裝技術(shù)

目前南中國海的系泊系統(tǒng)錨點有抓力錨、樁錨和吸力錨三種，其安裝需要的主作業(yè)船、關(guān)鍵設(shè)備以及安裝步驟均各有不同，具體如表2所示。

圖5 系泊系統(tǒng)安裝工藝流程Fig.5 Flow chat for mooring system installation

圖6 LBL水下定位原理Fig.6 LBL underwater positioning principle

圖7 LBL在系泊錨點處布置圖Fig.7 Layout of LBL around the mooring anchor

表2 系泊系統(tǒng)錨點安裝所需的關(guān)鍵船舶、設(shè)備和安裝步驟

2.2.3 系泊錨腿鋪設(shè)技術(shù)

完成系泊錨點安裝后，需進(jìn)行系泊錨腿鋪設(shè)。系泊錨腿主要由錨鏈和錨纜構(gòu)成，按所需施工資源可將其安裝分為使用專業(yè)錨系處理船鋪設(shè)和使用浮吊船安裝兩種模式。采用專業(yè)錨系處理船鋪設(shè)時，通常將錨鏈裝入作業(yè)船的錨鏈艙，鋪設(shè)時錨鏈直接從錨鏈艙鋪設(shè)；因錨系處理船甲板面積相對較小，無法布置柔性鋪設(shè)設(shè)備，需將錨纜導(dǎo)入大絞車進(jìn)行鋪設(shè)，此方法在倒纜時易損壞錨纜外皮，需要特別注意。使用浮吊船鋪設(shè)時，需在其甲板上安裝止鏈器，將錨鏈放在浮吊船甲板上，通過浮吊船吊機(jī)和止鏈器配合鋪設(shè)錨鏈；通過滾筒驅(qū)動裝置鋪設(shè)錨纜，如滾筒驅(qū)動張力不夠，可配置張緊器輔助鋪設(shè)。

2.2.4 錨點預(yù)張緊技術(shù)

錨點為抓力錨時，預(yù)張緊的作用是使其達(dá)到設(shè)計入泥深度并驗證是否滿足設(shè)計拉力要求；錨點為吸力錨或樁錨時，預(yù)張緊的作用是驗證其是否滿足設(shè)計拉力要求并拉直入泥的錨鏈。張緊有兩種方法：一是水下張緊器(Stev-tensioner)對角張緊(見圖8)，此方案適合對角均勻分布的系泊系統(tǒng)；二是施工作業(yè)船利用其系柱拉力逐一張緊錨點(見圖9)，如主作業(yè)船的系柱拉力不足，可在其前方加輔助拖輪串行張緊。

圖8 對角張緊錨點Fig.8 Tensioning two diagonal anchor points

圖9 單獨張緊錨點Fig.9 Tensioning one anchor point

2.2.5 調(diào)整鏈切割長度測量計算技術(shù)

調(diào)整鏈切割計算是系泊系統(tǒng)安裝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其目的是補(bǔ)償錨點安裝位置誤差以及錨纜、錨鏈的制造誤差，保證整個系泊系統(tǒng)每根錨腿的有效長度一致，受力均衡。

圖10 調(diào)整鏈切割計算Fig.10 Cutting and calculation of adjustment chain

如圖10所示，a是調(diào)整鏈末端距離單點中心的理論長度，此數(shù)據(jù)由設(shè)計階段理論模擬計算得出；b是調(diào)整鏈末端距離單點中心的實際長度，此數(shù)據(jù)在安裝階段由水下定位系統(tǒng)測量得出，則需切割的調(diào)整鏈長度計算公式為c=a-b。

2.2.6 系泊系統(tǒng)回接技術(shù)

SBM型單點系泊浮筒在其頂部有臨時浮筒，臨時浮筒上的回接通道設(shè)有臨時掛點，將系泊腿提拉至單點浮筒止鏈器后，釋放臨時浮筒，系泊浮筒下沉至設(shè)計水深。SOFEC型浮筒是在浮筒止鏈器上方安裝掛鉤作為錨腿回接索具臨時掛點，將系泊腿分步交叉提拉至單點浮筒的止鏈器。APL型浮筒回接分為水面、水中和海底三種形式。水面回接是在施工船上將其中任意兩簇上錨纜回接到單點浮筒上，最后一簇上錨纜上端與單點浮筒連接，上錨纜另一端固定在施工船上，然后吊裝浮筒入水，回收最后一簇的配重鏈至甲板與上錨纜連接；水中回接是將浮筒注水或者在浮筒底部增加配重使浮筒懸浮在指定深度，由潛水員連接上錨纜與單點浮筒，如采用快速接頭，可用水下機(jī)器人(ROV)輔助連接。海底回接是浮筒注水壓載至海底，由潛水員連接上錨纜與單點浮筒，錨纜連接完畢后注氣排水使單點浮筒上浮至設(shè)計位置[3]。

多點系泊系統(tǒng)的系泊錨腿與浮式生產(chǎn)設(shè)施回接時，在浮式生產(chǎn)設(shè)施的每個回接點位置都配有絞車或絞車通道，通過絞車將錨鏈拉入浮式生產(chǎn)設(shè)施的止鏈器完成回接。

2.3 系泊系統(tǒng)安裝作業(yè)問題及處理方案

系泊系統(tǒng)實際工程安裝過程中最難解決的是錨點安裝過程中出現(xiàn)的問題。本節(jié)主要結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，給出相關(guān)問題的推薦處理做法。

2.3.1 抓力錨溜錨

抓力錨安裝張緊后的最終位置決定系泊錨腿的長度，如發(fā)生溜錨現(xiàn)象，系泊錨腿就會過短，導(dǎo)致FPSO在極限工況時系泊錨腿將全部離開海底泥面，使抓力錨承受垂向力，影響抓力錨處土壤的穩(wěn)定性，甚至?xí)?dǎo)致抓力錨移位或拔出。所以安裝時要嚴(yán)格控制抓力錨的最小安裝半徑，如果抓力錨就位張緊后發(fā)現(xiàn)最終位置在最小安裝半徑之內(nèi)，則須回收并重新安裝。

2.3.2 吸力錨無法貫入至設(shè)計深度

吸力錨無法繼續(xù)貫入海底地層有兩種可能：一是遇到硬質(zhì)地層，即使增加吸力泵壓力至吸力錨的最小壓潰壓力，仍然無法繼續(xù)貫入；二是在安裝過程中不斷頂升和下沉，或吸力泵吸力超過土體破壞強(qiáng)度，導(dǎo)致吸力錨內(nèi)部土體被破壞，內(nèi)外形成回路，吸力泵雖有流量卻無法形成負(fù)壓繼續(xù)貫入吸力錨。以上問題的解決方案是通過吸力泵向吸力錨注水反向頂出，并在吊機(jī)的配合下，將吸力錨拔出移至其他位置繼續(xù)安裝。

2.3.3 樁錨無法打入至設(shè)計深度

樁錨是利用打樁錘的液壓動力將其打入海底的。因其本身的設(shè)計特點，樁錨不具備回收的特性，如果在打樁過程中出現(xiàn)拒錘無法繼續(xù)貫入的情況，只能更換能力大的打樁錘，繼續(xù)打樁使其貫入至設(shè)計深度。

2.3.4 移位后錨點位置選擇

錨點在原位置安裝失敗后，需要選擇新位置安裝。安裝位置改變后有兩種解決方案。一是新位置選擇在原路由上沿著原錨點遠(yuǎn)離單點中心位置，抓力錨二次張緊時可能進(jìn)入第一次安裝破壞地層的區(qū)域，導(dǎo)致第二次安裝的失敗，所以在選擇新位置時需保證其距第一次位置足夠遠(yuǎn)，還要兼顧調(diào)整鏈的預(yù)留長度，如長度不夠不能選用此方案。二是在原下放位置的圓周上向左或向右偏移，一般建議偏移在1°～3°之間，如偏移過小會受第一次安裝錨點破壞的地層影響，如果偏移過大則影響整個錨系的受力平衡。

3 深水系泊系統(tǒng)安裝技術(shù)展望

3.1 深水系泊系統(tǒng)安裝特點

考慮到深水條件下吊機(jī)吊重的衰減，同時為了避免水下吊裝索具和系泊錨腿纏繞的問題，吸力錨或樁錨需帶著錨頭鏈單獨安裝(見圖11)，后續(xù)鋪設(shè)錨鏈或錨纜通過水下快速接頭與錨頭鏈連接(見圖12)，或通過水下輔助連接工具與錨頭鏈連接(見圖13和圖14)。

圖11 錨鏈臨時懸掛在吸力錨上Fig.11 Mooring chain hang on suction pile temporarily

圖12 快速接頭Fig.12 Fast connector

圖13 輔助安裝支架Fig.13 Installation aid

圖14 使用輔助液壓工具水下連接Fig.14 Subsea connection by hydraulic installation aid

3.2 深水系泊系統(tǒng)安裝區(qū)別于淺水的主要特點

目前國際上公認(rèn)的深水是指超過500 m的水深。商業(yè)飽和潛水還無法達(dá)到這個深度，因此所有水下施工作業(yè)均需ROV完成，且需多樣的ROV介入工具協(xié)助水下施工。深水安裝錨點和調(diào)整鏈長度測量需要使用LBL定位系統(tǒng)，同時還需考慮吊機(jī)鋼絲繩自身的重量，深水吊機(jī)能力衰減大，需要更大的吊機(jī)。深水的錨鏈和錨纜長度增加，需要更大鋪設(shè)能力的止鏈器和柔性鋪設(shè)系統(tǒng)。為了減少系泊系統(tǒng)自身的重量，深水系泊系統(tǒng)通常選用高強(qiáng)度柔性纜替代金屬材質(zhì)錨纜。

4 結(jié) 語

南中國海深水區(qū)蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源，錨泊形式的FPSO、浮式生產(chǎn)儲油裝置(FPS)、張力腿平臺(TLP)和單柱式平臺(SPAR)等浮式生產(chǎn)設(shè)施將在南中國海的深水油氣田開發(fā)之中廣泛應(yīng)用。為了加快深水系泊系統(tǒng)安裝技術(shù)能力建設(shè)，我國在南中國?，F(xiàn)有的淺水系泊系統(tǒng)安裝作業(yè)中已經(jīng)前瞻性地采用了深水安裝模式，成功實現(xiàn)ROV攜帶吸力泵安裝吸力錨技術(shù)、DP船攜帶打樁錘安裝樁錨技術(shù)、專業(yè)錨系處理船安裝抓力錨及錨鏈和錨纜鋪設(shè)技術(shù)、LBL測量調(diào)整鏈技術(shù)和用快速接頭連接系泊錨腿技術(shù)。這些方法完全適用于深水系泊系統(tǒng)安裝作業(yè)，為深水浮式生產(chǎn)設(shè)施的系泊系統(tǒng)安裝做了相應(yīng)的技術(shù)儲備。

[1] 薛士輝，李懷亮，胡雪峰.內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點系泊系統(tǒng)及安裝工藝介紹[J].中國造船，2008,51(S2):243.

[2] 王桂林，段夢蘭，王瑩瑩，等.西非深水油氣田開發(fā)狀況及其發(fā)展趨勢[J]. 石油工程建設(shè), 2010,36(2)：18.

[3] 劉貞飛，高原，王杰文.南海FPSO單點系泊系統(tǒng)類型與安裝方式比較[C].海洋石油工程技術(shù)論文(第七集)，2015：734.