錦州9-3油田CEPD平臺(tái)萬(wàn)噸級(jí)組塊極淺水海域浮托安裝技術(shù)

史云龍 郝寶齊 張延軍

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 天津 300452)

錦州9-3油田CEPD平臺(tái)萬(wàn)噸級(jí)組塊極淺水海域浮托安裝技術(shù)

史云龍 郝寶齊 張延軍

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 天津 300452)

錦州9-3油田CEPD平臺(tái)萬(wàn)噸級(jí)組塊浮托安裝作業(yè)水域中心水深僅8.9 m，若采用常規(guī)方案浮托安裝則面臨駁船觸底風(fēng)險(xiǎn)。為克服極淺水條件對(duì)大型組塊浮托安裝的挑戰(zhàn)，對(duì)該油田CEPD平臺(tái)組塊浮托安裝方案進(jìn)行了論證，詳細(xì)分析了方案實(shí)施的技術(shù)要點(diǎn)，采用水池模型試驗(yàn)方法對(duì)組塊浮托過(guò)程中駁船的觸底情況及淺水效應(yīng)對(duì)駁船運(yùn)動(dòng)特性的影響進(jìn)行了研究，并借鑒以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)采取了相應(yīng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)及輔助措施，成功解決了萬(wàn)噸級(jí)組塊極淺水海域浮托安裝的難題，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)海洋工程極淺水域高位浮托的突破，對(duì)后續(xù)淺水海域油田開(kāi)發(fā)以及新型導(dǎo)管架的設(shè)計(jì)具有重要借鑒意義。

錦州9-3油田；CEPD平臺(tái)；萬(wàn)噸級(jí)組塊；極淺水海域；浮托安裝；水池模擬試驗(yàn)；輔助措施

浮托法作為近年來(lái)海上平臺(tái)安裝的常規(guī)方法，具有成本低、作業(yè)時(shí)間短、起重能力大、適用范圍廣、操作方便安全、組塊陸地建造最大化等特點(diǎn)[1-3]。隨著平臺(tái)走向功能化、集約化，組塊的重量也隨之增加，組塊的浮托安裝對(duì)支持船舶提出了更高要求，尤其是極淺水海域大型浮吊無(wú)法進(jìn)入對(duì)應(yīng)海域作業(yè)，給組塊的安裝帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)[4]。

錦州9-3油田位于渤海遼東灣北部海域，中心位置處水深僅8.9 m，且該海域海床地貌成淺盆地形態(tài)，以平臺(tái)中心位置為最深處，向外圍發(fā)展水深逐步遞減到7.5 m。該油田主體區(qū)綜合調(diào)整項(xiàng)目CEPD平臺(tái)組塊重約11 000 t，選用海洋石油228駁船作為浮托安裝主作業(yè)船，該船長(zhǎng)180 m，型深12.75 m，總質(zhì)量1.8萬(wàn)t。受作業(yè)區(qū)域水深的影響，若采用常規(guī)方案浮托，在退船階段船尾的底部?jī)糸g隙僅0.57 m，無(wú)法滿足規(guī)范作業(yè)要求，易造成駁船觸底，且海底布置大量管線，碰撞可能導(dǎo)致駁船船體結(jié)構(gòu)和海底管線受損，從而引發(fā)系列安全問(wèn)題。針對(duì)上述難題，對(duì)錦州9-3油田CEPD平臺(tái)組塊浮托安裝方案進(jìn)行了論證，詳細(xì)分析了方案實(shí)施的技術(shù)要點(diǎn)，采用水池模型試驗(yàn)方法研究了組塊浮托過(guò)程中駁船的觸底情況及淺水效應(yīng)對(duì)駁船運(yùn)動(dòng)特性的影響，借鑒以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)采取了相應(yīng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)及輔助措施，最終成功解決了該油田CEPD平臺(tái)萬(wàn)噸級(jí)組塊極淺水浮托安裝的難題，順利完成了浮托安裝作業(yè)。

1 浮托安裝方案選擇

為攻克錦州9-3油田CEPD平臺(tái)大型組塊浮托安裝面臨的極淺水難題，開(kāi)展了多個(gè)方案的論證工作，主要包括：①組塊就位后利用拉力千斤頂進(jìn)行提升方案；②在浮托進(jìn)船前利用組塊支撐結(jié)構(gòu)處布置的液壓千斤頂進(jìn)行頂升方案；③海床疏浚方案；④傳統(tǒng)被動(dòng)式浮托方案。其中，方案①、②采用液壓千斤頂輔助安裝，系統(tǒng)控制復(fù)雜，不利于駁船強(qiáng)度控制，可靠性不高且存在較大安裝風(fēng)險(xiǎn)，安裝費(fèi)用高，甲板下方部分管線及電纜布置需要調(diào)整；方案③改變海床地貌，需要向國(guó)家申報(bào)，同時(shí)須對(duì)回淤情況進(jìn)行評(píng)估，存在工期不確定性風(fēng)險(xiǎn)。因此，最終選擇了方案④，即傳統(tǒng)被動(dòng)式浮托方案，無(wú)須對(duì)原始設(shè)計(jì)做任何更改，且傳統(tǒng)浮托安裝技術(shù)熟練、風(fēng)險(xiǎn)小、效率高、成本低，但采用該方案還須解決退船時(shí)底部間隙不足的技術(shù)難題。

為解決退船時(shí)底部間隙不足的難題，并使安裝定位滿足精度要求，在導(dǎo)管架設(shè)計(jì)中首次采用了一體式安裝和“抽芯”相結(jié)合的方案[5]，即建造階段導(dǎo)管架設(shè)計(jì)為臨時(shí)輔助框架連接的8腿導(dǎo)管架形式，框架在吊裝和打樁作業(yè)期間對(duì)兩邊的導(dǎo)管架進(jìn)行定位；海上打樁完成固定后將框架從兩邊的導(dǎo)管架之間抽出，結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換為2個(gè)獨(dú)立的4腿導(dǎo)管架，如圖1所示。這樣既解決了浮托退船時(shí)底部間隙不足的難題，又能精準(zhǔn)控制2個(gè)獨(dú)立4腿導(dǎo)管架之間的整體尺寸，為大型組塊超淺水浮托安裝的順利實(shí)施提供了條件。

圖1 錦州9-3油田CEPD平臺(tái)導(dǎo)管架輔助框架形式及拆解

2 方案實(shí)施技術(shù)要點(diǎn)分析

浮托安裝主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)在于進(jìn)、退船階段駁船的底部間隙、駁船與導(dǎo)管架樁腿的碰撞、系泊纜拉力等問(wèn)題，須確定駁船參數(shù)、駁船壓載、坐標(biāo)系及方向、環(huán)境參數(shù)等輸入條件，采用SACSA軟件對(duì)駁船模型、組塊、護(hù)舷模型、錨泊系統(tǒng)等逐一建模，對(duì)進(jìn)、退船階段進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并參照API標(biāo)準(zhǔn)[6-7]對(duì)碰撞載荷及系泊纜拉力進(jìn)行校核。模型中駁船與導(dǎo)管架的相對(duì)位置和坐標(biāo)如圖2所示。

圖2 駁船、導(dǎo)管架相對(duì)位置和坐標(biāo)

進(jìn)船階段。駁船以5.9 m的吃水(相對(duì)于平均海平面)進(jìn)入導(dǎo)管架槽口，此階段吃水較淺無(wú)須考慮底部間隙問(wèn)題，因此選取船首距導(dǎo)管架B軸10 m、船首距導(dǎo)管架A軸10 m、船首距導(dǎo)管架A軸38 m以及到達(dá)對(duì)接位置等4個(gè)階段進(jìn)行分析。在系泊纜和拖輪作用下，駁船進(jìn)入導(dǎo)管架槽口并到達(dá)對(duì)接位置，利用拖輪和限位護(hù)舷控制駁船的位置，以使組塊上插尖和導(dǎo)管架樁上的LMU接收器準(zhǔn)確對(duì)位。此過(guò)程中駁船護(hù)舷與導(dǎo)管架腿間的間隙為0.1 m，數(shù)值模擬結(jié)果顯示橫蕩護(hù)舷上的最大碰撞載荷出現(xiàn)在船首距導(dǎo)管架A軸38 m處的B3腿上，此時(shí)通過(guò)調(diào)整系泊纜的拉力來(lái)平衡環(huán)境載荷，以防止護(hù)舷承受過(guò)大載荷；而系泊纜的最大拉力出現(xiàn)在船首距導(dǎo)管架B軸10 m位置，最小安全系數(shù)為3.2。

退船階段。該海域水深較淺，且深度變化顯著，駁船退船工況選取5個(gè)階段進(jìn)行分析，分別為到達(dá)對(duì)接位置、船首距導(dǎo)管架A軸52.5 m、船首距導(dǎo)管架A軸38 m、船首距導(dǎo)管架A軸10 m、船首距導(dǎo)管架B軸10 m。退船階段吃水增加，最淺水深7.5 m，考慮1.9 m的潮位，設(shè)計(jì)水深9.4 m，設(shè)定駁船吃水8.4 m，此時(shí)駁船底部間隙滿足安全操作要求。將駁船拉出導(dǎo)管架槽口的操作主要借助船尾系泊纜和船尾拖輪來(lái)完成，直到駁船拖離導(dǎo)管架足夠的安全距離，退船作業(yè)完成。數(shù)值模擬結(jié)果顯示橫蕩護(hù)舷上的最大碰撞載荷出現(xiàn)在船首距導(dǎo)管架A軸10 m處的B3腿上，系泊纜最大拉力出現(xiàn)在船端距導(dǎo)管架A軸10 m處，此時(shí)系泊纜拉力最小安全系數(shù)為2.9。

通過(guò)碰撞載荷、系泊纜拉力校核計(jì)算，碰撞載荷均小于護(hù)弦承受最大載荷，系泊纜拉力最小安全系數(shù)均大于API RP 2SK[8]和GL Noble Denton 0031/ND[9-10]規(guī)范最小安全系數(shù)2.0的要求。此外，數(shù)值模擬計(jì)算顯示駁船垂蕩向下運(yùn)動(dòng)最大值出現(xiàn)在L3位置，為0.13 m，此時(shí)駁船底部間隙約為0.85 m，無(wú)觸底風(fēng)險(xiǎn)。

3 水池模擬試驗(yàn)

為了進(jìn)一步測(cè)試在風(fēng)、浪、流條件下駁船退船過(guò)程中船底和泥面之間的間隙，驗(yàn)證駁船是否存在觸底危險(xiǎn)并分析極淺水效應(yīng)對(duì)駁船運(yùn)動(dòng)特性和浮托作業(yè)影響，在上海交通大學(xué)海洋工程水池進(jìn)行了浮托安裝駁船水池模擬試驗(yàn)。運(yùn)用相似性準(zhǔn)則，按照1∶30的縮尺比建立駁船水池試驗(yàn)?zāi)Ｐ?如圖3所示。同時(shí)在船首和船尾方向L1、L2、L3、L4位置處(圖2)安裝拉力、加速度和位移傳感器，用于監(jiān)測(cè)駁船是否發(fā)生觸底。根據(jù)錦州9-3油田CEPD平臺(tái)區(qū)域的海域條件，試驗(yàn)時(shí)風(fēng)速取小于10.7 m/s，船首頂頭浪有效波高1.0 m、尾側(cè)浪有效波高0.75 m、橫浪有效波高0.50 m，海流小于1.26 m/s。

水池模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，在風(fēng)、浪、流等環(huán)境條件作用下，駁船運(yùn)動(dòng)非常平穩(wěn)，振蕩十分微小，肉眼甚至難以覺(jué)察到船體垂向運(yùn)動(dòng)，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中駁船垂蕩向下運(yùn)動(dòng)的最大值出現(xiàn)在駁船L2船尾位置處，為0.13 m，與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合。

對(duì)于極淺水效應(yīng)對(duì)駁船運(yùn)動(dòng)特性的影響，水池模擬試驗(yàn)結(jié)果表明：在極淺水條件下，駁船運(yùn)動(dòng)固有周期受水深影響十分敏感，其垂直方向上的運(yùn)動(dòng)如垂蕩、縱搖等的固有周期隨水深的減小而明顯增加；駁船在初始進(jìn)入導(dǎo)管架槽口時(shí)并不能保持平衡，而是具有一定的首向偏移角度，在風(fēng)、浪、流作用下平均最大偏移角度達(dá)到了18.5°；在各個(gè)浪向角條件下，駁船系泊纜的最大載荷隨著水深的減小而明顯增加。因此，在實(shí)際浮托作業(yè)過(guò)程中，應(yīng)盡量減少駁船在槽口的停留時(shí)間，應(yīng)對(duì)駁船首向偏移角度予以關(guān)注，通過(guò)調(diào)節(jié)系泊纜長(zhǎng)度、拖輪側(cè)推或頂推等方式使駁船保持規(guī)定的首向角度。

圖3 浮托安裝駁船水池試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

4 方案實(shí)施輔助措施

針對(duì)水池模擬試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的極淺水條件下駁船底部間隙較小、駁船對(duì)在槽口停留時(shí)間較為敏感以及船首偏移角度較大等問(wèn)題，借鑒以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)采取了相應(yīng)的輔助措施。

1) 將組塊在駁船上的組塊支撐結(jié)構(gòu)(DSU)設(shè)計(jì)成可移除的形式，當(dāng)海上風(fēng)浪較大導(dǎo)致駁船運(yùn)動(dòng)劇烈時(shí)，可以通過(guò)快速移除DSU來(lái)增加駁船在平臺(tái)槽口內(nèi)的上下間隙，避免損傷平臺(tái)和駁船觸底，為駁船安全退出提供重要保障。此外，CEPD平臺(tái)組塊總計(jì)4個(gè)滑靴，設(shè)計(jì)時(shí)考慮DSU切割后的下放問(wèn)題，將滑靴設(shè)計(jì)成局部700 mm凹槽形式，在浮托退船時(shí)為DSU下放預(yù)留空間，可直接將DSU下放至凹槽內(nèi)，這樣既能有效減少DSU切割后的下放時(shí)間，又可減少駁船在導(dǎo)管架槽口停留的時(shí)間。

2) 采用交叉纜進(jìn)船形式，同時(shí)在駁船兩側(cè)并靠?jī)伤胰剞D(zhuǎn)拖輪，更靈活精準(zhǔn)地控制駁船的運(yùn)動(dòng)和偏移。

3) 在組塊浮托安裝前進(jìn)行水深測(cè)量，確保浮托海域環(huán)境條件的時(shí)效性和可靠性；同時(shí)在駁船上預(yù)裝運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和水深監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)浮托過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為實(shí)施過(guò)程提供準(zhǔn)確、及時(shí)、有效的信息保證。

5 結(jié)束語(yǔ)

2014年9月16日，海洋石油228成功在水深只有8.9 m的目標(biāo)海域?qū)⒅剡_(dá)11 000 t的錦州9-3油田CEPD平臺(tái)組塊平穩(wěn)托放在導(dǎo)管架上，并成功完成退船作業(yè)。

錦州9-3油田 CEPD平臺(tái)組塊在渤海極淺水海域浮托安裝的成功實(shí)施，創(chuàng)造了浮托安裝作業(yè)最小水深記錄，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)海洋工程極淺水域高位浮托的突破,成功解決了大型組塊浮托水深限制的難題，對(duì)后續(xù)淺水海域油田開(kāi)發(fā)以及新型導(dǎo)管架的設(shè)計(jì)具有重要借鑒意義。

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(編輯：呂歡歡)

Technology for float-over installation of 10k-ton CEPD topsides in the ultra-shallow sea water of JZ 9-3 oilfield

Shi Yunlong Hao Baoqi Zhang Yanjun

(TianjinBranchofCNOOCLtd.,Tianjin300452,China)

The water depth of central operation area in JZ 9-3 oilfield where 10k-ton CEPD (central processing platform of D) topsides would be float-over installed is merely 8.9 meter. The risk of bottom touching with the barge could arise if conventional scheme of float-over installation is implemented. In order to overcome the challenge of heavy topsides float-over installation in ultra-shallow sea waters, we demonstrated the proposals of the CEPD topsides float-over installation, analyzed the key technical points for the implementation of the proposals in details, conducted pool test to understand the scenarios of bottom touching during topsides float-over installation and impact of ultra-shallow water on barge motion characteristics. Meanwhile, we adopted relative innovational design, experiences and assisting measures of the previous projects. The problem of 10k-ton topsides float-over installation in ultra-shallow sea waters was overcome, achieving the breakthrough of high position float-over in ultra-shallow waters in offshore engineering, which is significant to subsequent shallow water oilfield development and the design of new type jackets.

JZ 9-3 oilfield; CEPD platform; 10k-ton topsides; ultra-shallow sea water; float-over installation; pool test; assisting measure

史云龍，男，工程師，2006年畢業(yè)于太原科技大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造與自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，從事海洋平臺(tái)建造、技術(shù)管理等工作。地址：天津市塘沽區(qū)渤海石油路688號(hào)海洋石油大廈B座(郵編：300452)。E-mail:shiyl2@cnooc.com.cn。

1673-1506(2016)03-0144-04

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.03.023

U674.38

A

2015-11-19 改回日期：2016-02-22

史云龍,郝寶齊,張延軍.錦州9-3油田CEPD平臺(tái)萬(wàn)噸級(jí)組塊極淺水海域浮托安裝技術(shù)[J].中國(guó)海上油氣，2016,28(3)：144-147.

Shi Yunlong,Hao Baoqi,Zhang Yanjun.Technology for float-over installation of 10k-ton CEPD topsides in the ultra-shallow sea water of JZ 9-3 oilfield[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(3):144-147.