錦州9-3油田極淺水分體式導(dǎo)管架安裝方案分析

肖 輝,薄 昭

[中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300452]

0 引 言

隨著我國(guó)海洋石油事業(yè)的不斷發(fā)展，海上油田數(shù)量日益增多，海上油田開(kāi)發(fā)所面臨的條件也在日趨多樣化和復(fù)雜化[1-2]。現(xiàn)階段，渤海油田作為我國(guó)海洋石油開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的主陣地，在實(shí)現(xiàn)對(duì)其高效開(kāi)發(fā)的同時(shí)，更應(yīng)積極從中積累經(jīng)驗(yàn)，為我國(guó)海洋石油事業(yè)可持續(xù)發(fā)展增加技術(shù)儲(chǔ)備。

導(dǎo)管架常用的海上就位方式有立式吊裝下水安裝方法、平吊下水-漂浮-扶正安裝方法、滑移下水安裝方法和漂浮法安裝方法[3-6]。其中立式吊裝下水安裝方法有導(dǎo)管架體積小、適用水深淺和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，是渤海地區(qū)常用的導(dǎo)管架海上就位方式。

甲板組塊常用的海上就位方式有浮托法和吊裝。浮托法因具有海上調(diào)試時(shí)間短、整裝重量大和不依賴起重船資源的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于渤海油田中心平臺(tái)的組塊安裝作業(yè)[7]。但是浮托法組塊安裝方式的出現(xiàn)對(duì)導(dǎo)管架的設(shè)計(jì)提出了新的要求,即導(dǎo)管架的設(shè)計(jì)必須考慮浮托船舶進(jìn)退船對(duì)導(dǎo)管架槽口寬度和深度的要求。

本文以錦州9-3油田CEPD平臺(tái)導(dǎo)管架海上安裝為工程實(shí)例，介紹了極淺水分體式導(dǎo)管架立式吊裝方案的比選及優(yōu)化過(guò)程。由于該平臺(tái)導(dǎo)管架屬于極淺水分體式，故海上安裝方案設(shè)計(jì)難度較大，其成功投產(chǎn)是我國(guó)海洋石油開(kāi)發(fā)技術(shù)不斷提高的寫(xiě)照，更是我國(guó)海洋石油開(kāi)發(fā)的重要技術(shù)儲(chǔ)備。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

錦州9-3油田CEPD平臺(tái)為8腿8樁導(dǎo)管架中心井口平臺(tái)，水深8.9 m，屬于極淺水范疇，組塊操作重量約20 000 t，安裝重量約10 500 t，采用浮托法安裝。出于對(duì)浮托法在技術(shù)上和風(fēng)險(xiǎn)控制方面的考慮，導(dǎo)管架需具備40 m軸距槽口寬度和至少8.6 m水下空間。所以錦州9-3油田CEPD平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式由兩個(gè)獨(dú)立4腿導(dǎo)管架組成(如圖1所示)，工作點(diǎn)尺度為(14+40+14)×20 m，2軸和3軸中心間距40 m，其間無(wú)連接結(jié)構(gòu)。

由于該平臺(tái)兩個(gè)獨(dú)立4腿導(dǎo)管架相距40 m，樁腿豎直而且無(wú)過(guò)渡段設(shè)置，因此導(dǎo)管架的定位精度高低定了樁的相對(duì)位置是否準(zhǔn)確，也就決定了導(dǎo)管架能否與組塊順利完成對(duì)接。亦即，兩組樁的相對(duì)定位精度是選擇該導(dǎo)管架海上就位方式時(shí)必須考慮的因素。若偏差過(guò)大，將會(huì)對(duì)后續(xù)組塊設(shè)計(jì)、建造及安裝帶來(lái)諸多不便，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度、施工質(zhì)量和平臺(tái)安全[8]。這也是該項(xiàng)目與常規(guī)導(dǎo)管架的最大不同之處。因此，為錦州9-3油田CEPD極淺水分體式導(dǎo)管架選擇合適的結(jié)構(gòu)形式和安裝方法對(duì)于保證項(xiàng)目順利進(jìn)行和平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全意義重大[4，9]。

圖1 錦州9-3油田CEPD分體式導(dǎo)管架Fig.1 Split-jacket of JZ 9-3 CEPD

2 極淺水分體式導(dǎo)管架安裝方案比選

錦州9-3油田CEPD平臺(tái)導(dǎo)管架安裝設(shè)計(jì)難度在于它是極淺水分體式導(dǎo)管架。為更高效完成該導(dǎo)管架的安裝設(shè)計(jì)，本項(xiàng)目首先根據(jù)眾多已有的平臺(tái)安裝方案初步確定參考方案，再通過(guò)參考方案間的對(duì)比與優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)確定導(dǎo)管架安裝方案。

表1 極淺水分體式導(dǎo)管架安裝參考方案匯總

通過(guò)篩選、排查和分析已有平臺(tái)導(dǎo)管架安裝方案，結(jié)合錦州9-3油田CEPD平臺(tái)為極淺水分體式導(dǎo)管架的實(shí)際情況，本項(xiàng)目最終確定了五個(gè)參考方案進(jìn)行下一步分析研究。錦州9-3油田CEPD平臺(tái)中極淺水分體式導(dǎo)管架安裝參考方案描述及示意圖見(jiàn)表1。

分析研究導(dǎo)管架安裝參考方案是初步確定極淺水分體式導(dǎo)管架安裝方案的基礎(chǔ)。依據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際情況，確定導(dǎo)管架安裝方案需要考慮的主要分析因素包括：定位精度、技術(shù)成熟度、操作難度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、海上施工時(shí)間和經(jīng)濟(jì)性。錦州9-3油田CEPD極淺水分體式導(dǎo)管架5個(gè)安裝參考方案的主要因素分析見(jiàn)表2。

表2 參考方案分析因素對(duì)照表

通過(guò)對(duì)比優(yōu)選表2中5個(gè)導(dǎo)管架安裝參考方案，可初步確定錦州9-3油田CEPD平臺(tái)中極淺水分體式導(dǎo)管架的安裝方案?？紤]到定位樁相距約70 m，定位樁自身的定位精度難于保障，導(dǎo)管架就位后的精度不高；頂?shù)纂p層桁架方案中底部的桁架處于泥面位置，切除難度過(guò)大，不具備可操作性；頂部桁架方案需要使用雙船聯(lián)合作業(yè)，在吊點(diǎn)布局、桁架拆除、位移控制、導(dǎo)管架腿頂部切割處理方面存在較大難度，工期可控性差；濕托方案未有先例，技術(shù)成熟度低，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)合數(shù)值模擬后才能進(jìn)行實(shí)際項(xiàng)目操作，不滿足項(xiàng)目的工期限制。由于上述原因排除了方案一、方案三、方案四和方案五。

方案二(雙側(cè)獨(dú)立框架方案)有定位精度高、技術(shù)成熟度高、操作難度低以及經(jīng)濟(jì)性適中的優(yōu)點(diǎn)并伴有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較低和海上施工時(shí)間較長(zhǎng)的缺點(diǎn)。綜合分析方案二的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展，本項(xiàng)目研究認(rèn)為方案二從經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上都較為可行，且在后續(xù)設(shè)計(jì)過(guò)程中可以對(duì)其不足之處進(jìn)行優(yōu)化和改良，故錦州9-3油田CEPD平臺(tái)極淺水分體式導(dǎo)管架安裝方案將以方案二作為基礎(chǔ)。

分析造成方案二結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性低的原因是A軸和B軸外側(cè)的獨(dú)立框架的抗扭剛度過(guò)多地依靠主連接桿件的剛度和與主結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的剪切強(qiáng)度。通過(guò)各方案間的對(duì)比和優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可將方案一和方案五的整體框架引入方案二，使得兩個(gè)獨(dú)立的單片通過(guò)桁架連接成為空間框架(如圖2所示)，使其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到加強(qiáng)。錦州9-3油田CEPD極淺水分體式導(dǎo)管架的初步安裝方案為：在兩個(gè)獨(dú)立導(dǎo)管架中間設(shè)置空間桁架結(jié)構(gòu)，亦即在安裝階段導(dǎo)管架由三個(gè)各自獨(dú)立的結(jié)構(gòu)組合而成。分析造成方案二海上施工時(shí)間長(zhǎng)的原因是工作量較大，并非技術(shù)難度大。故本文將從產(chǎn)生海上施工工作量的每一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，從而減少海上施工時(shí)間，實(shí)現(xiàn)極淺水分體式導(dǎo)管架安裝方案的優(yōu)化。

圖2 錦州9-3油田CEPD導(dǎo)管架安裝(吊裝)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Mounted structure (lifting) schematic for JZ 9-3 CEPD jacket

3 極淺水分體式導(dǎo)管架安裝方案優(yōu)化

錦州9-3油田CEPD平臺(tái)極淺水分體式導(dǎo)管初步安裝方案確定后，方案的優(yōu)化工作將圍繞如何有效減少海上施工時(shí)間即海上安裝工作量展開(kāi)。

分析該項(xiàng)目中產(chǎn)生海上施工工作量較大且可優(yōu)化的內(nèi)容主要包括：拆除吊點(diǎn)，拆除水下臨時(shí)框架與主結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)，拆除水上臨時(shí)框架斜撐與主結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)和二次起吊臨時(shí)框架。本項(xiàng)目對(duì)以上內(nèi)容進(jìn)行了逐一分析，有效縮短了海上施工時(shí)間，優(yōu)化了極淺水分體式導(dǎo)管架安裝設(shè)計(jì)方案[10]。

3.1 拆除吊點(diǎn)

拆除吊點(diǎn)的工作量根據(jù)吊點(diǎn)位置的不同而不同。若吊點(diǎn)置于水面以上則需要進(jìn)行切除，原因在于其影響其他附屬結(jié)構(gòu)安裝。若吊點(diǎn)置于水面以下則可以免于拆除，從而節(jié)省大量時(shí)間。當(dāng)?shù)觞c(diǎn)置于水面以下時(shí)也衍生出掛鎖困難和脫扣困難的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)對(duì)工作量和費(fèi)用的綜合考慮，最終決定將吊點(diǎn)置于水下并引入鎖具平臺(tái)和液壓卡環(huán)以發(fā)揮其節(jié)約時(shí)間的優(yōu)勢(shì)。

3.2 拆除水下臨時(shí)框架與主結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)

拆除水下臨時(shí)框架與主結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)形成的工作量會(huì)因節(jié)點(diǎn)形式不同而不同。當(dāng)臨時(shí)框架對(duì)導(dǎo)管架的連接采用剛性連接時(shí)，其限位作用達(dá)到6個(gè)自由度約束，連接節(jié)點(diǎn)處需要進(jìn)行水下切割，工作量大且工序復(fù)雜；當(dāng)臨時(shí)框架對(duì)導(dǎo)管架的連接采用鉸接時(shí)，其限位作用只形成2個(gè)自由度約束，導(dǎo)管架就位后只需要進(jìn)行水下拔除即可，工作量會(huì)大幅減少?？紤]到臨時(shí)框架對(duì)導(dǎo)管架的限位作用使用2個(gè)自由度約束即可滿足要求，因此該項(xiàng)目引入與裙裝套筒類似的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)管架的限位約束。此方案既達(dá)到了面內(nèi)約束的功能，又實(shí)現(xiàn)了快速解脫，在減少海上施工時(shí)間的同時(shí)也降低了施工難度。考慮到泥沙進(jìn)入套筒有可能阻礙插尖端部的拔除作業(yè)，故在套筒內(nèi)灌注固態(tài)潤(rùn)滑脂，以降低拔除作業(yè)難度。

3.3 拆除水上臨時(shí)框架與主結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)

拆除水上臨時(shí)框架斜撐與主結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)形成的工作量與連接節(jié)點(diǎn)的形式有直接的關(guān)系。若連接節(jié)點(diǎn)用圓管連接則每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行兩個(gè)環(huán)形切割且需要后續(xù)的防腐作業(yè)；若引入與船體艙壁甲板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)類似的肘板結(jié)構(gòu)連接每個(gè)節(jié)點(diǎn)只需要一道直線切割以及少量防腐作業(yè)。經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬分析，肘板連接釋放的面外彎矩不對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能產(chǎn)生影響，于是本項(xiàng)目用與船體艙壁加強(qiáng)結(jié)構(gòu)類似的肘板結(jié)構(gòu)連接每個(gè)節(jié)點(diǎn)以減少切割和防腐工作時(shí)間。

3.4 二次起吊臨時(shí)框架

臨時(shí)框架起吊時(shí)可能會(huì)與主結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，破壞防腐涂裝，從而衍生出附加工作量。因此，本項(xiàng)目在臨時(shí)框架與主結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的一側(cè)增加了橡膠墊以規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，提高其可靠性，有效地規(guī)避了可能的海上額外施工量。

圖3 錦州9-3油田CEPD平臺(tái)Fig.3 JZ 9-3 CEPD platform

至此，本項(xiàng)目通過(guò)分析海上施工各環(huán)節(jié)，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)錦州9-3油田CEPD平臺(tái)極淺水分體式導(dǎo)管架安裝設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化。錦州9-3油田CEPD平臺(tái)(如圖3所示)的成功安裝和油田的順利投產(chǎn)有效證明了該方案的合理性及可行性。

4 結(jié) 語(yǔ)

導(dǎo)管架就位是海上平臺(tái)施工中非常重要的環(huán)節(jié)和步驟。本文以錦州9-3油田CEPD平臺(tái)為工程實(shí)例，對(duì)極淺水分體式導(dǎo)管架的安裝方案進(jìn)行了比選分析，并進(jìn)一步圍繞如何有效減少海上施工時(shí)間(海上安裝工作量)展開(kāi)了方案優(yōu)化分析，最終確定了該項(xiàng)目極淺水分體式導(dǎo)管架采用雙側(cè)獨(dú)立框架方案進(jìn)行海上安裝。該平臺(tái)的成功投產(chǎn)為我國(guó)海洋石油開(kāi)發(fā)中導(dǎo)管架的海上就位方式提供了一種新模式，對(duì)我國(guó)海洋石油技術(shù)發(fā)展起到了積極的促進(jìn)作用。

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