ROV搭載吸力泵安裝大型吸力錨方案設(shè)計(jì)與實(shí)踐

馬 超

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司 廣東深圳 518067）

ROV搭載吸力泵安裝大型吸力錨方案設(shè)計(jì)與實(shí)踐

馬 超

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司 廣東深圳 518067）

以珠江口盆地番禺4－2／5－1油田項(xiàng)目為目標(biāo)，基于ROV（遙控潛水器）搭載吸力泵安裝大型吸力錨的特點(diǎn)，對(duì)吸力錨頂部布置、吸力錨閥門設(shè)計(jì)、吸力泵選型及接口設(shè)計(jì)、吸力錨裝船固定和安裝索具設(shè)計(jì)等進(jìn)行了研究，提出了吸力錨安裝工藝流程及相關(guān)問題處理方案?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐效果表明，ROV搭載吸力泵模式安裝大型吸力錨技術(shù)與國(guó)外已有的單獨(dú)安裝吸力錨案例相比節(jié)省了在水下連接錨鏈和吸力錨的工序和時(shí)間，達(dá)到了世界同類工程技術(shù)的領(lǐng)先水平，為未來同類型吸力錨的水下安裝提供了有效的設(shè)計(jì)和安裝經(jīng)驗(yàn)。

ROV搭載吸力泵；大型吸力錨安裝：方案設(shè)計(jì)；工藝流程；番禺4－2／5－1油田

海洋石油勘探和開發(fā)正在逐步走向深水和超深水，深水油氣開發(fā)主要設(shè)施有TLP平臺(tái)、Spar平臺(tái)、半潛式平臺(tái)和FPSO［1］，這些設(shè)施的錨泊系統(tǒng)主要有抓力錨、樁錨和吸力錨［2－4］。與抓力錨相比，吸力錨具有可以承受垂向張力、安裝定位精度高的優(yōu)點(diǎn)；與樁錨相比，吸力錨具有安裝費(fèi)用低，可以回收重復(fù)利用的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，吸力錨還可應(yīng)用于深水基盤、管匯等水下結(jié)構(gòu)物的樁基結(jié)構(gòu)，因此在深水油氣田開發(fā)中的應(yīng)用將越來越廣泛［5－6］。

“海洋石油111”FPSO位于珠江口盆地番禺4－2／5－1油田，水深105 m，原單點(diǎn)系泊系統(tǒng)因已達(dá)到10年設(shè)計(jì)壽命，需要更換包括吸力錨在內(nèi)的整個(gè)系泊系統(tǒng)，新安裝的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命為20年，比原設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)10年［7］。新吸力錨直徑7．5 m、高13．2 m、質(zhì)量150 t，尺寸和質(zhì)量分別是舊吸力錨的1．25、1．67倍。原吸力錨安裝方案為采用泵橇塊模式安裝，因泵橇塊體積龐大，安裝和回收時(shí)須施工人員爬到吸力錨上端，耗時(shí)費(fèi)力，且泵橇塊控制纜在水下容易與ROV臍帶纜纏繞，施工風(fēng)險(xiǎn)高。為了解決上述問題，在新吸力錨安裝中提出了采用ROV搭載吸力泵的技術(shù)方案，即泵橇塊與ROV合為一體，ROV為泵橇塊提供液壓動(dòng)力，無須施工人員爬到吸力錨上正常安裝和回收泵橇塊，而且泵橇塊與ROV共用一條控制纜?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，本文提出的ROV搭載吸力泵安裝大型吸力錨的技術(shù)方案解決了臍帶纜水下纏繞問題，節(jié)省了在水下連接錨鏈和吸力錨的工序，提高了施工效率，為未來同類型吸力錨的水下安裝提供了有效的設(shè)計(jì)與安裝經(jīng)驗(yàn)。

1 安裝方案設(shè)計(jì)

1．1 設(shè)計(jì)流程

吸力錨是一種筒體結(jié)構(gòu)，其上端密封下端開放，安裝時(shí)利用吸力泵將吸力錨內(nèi)部水抽出，利用負(fù)壓力原理將其貫入海底泥面。本文提出的ROV搭載吸力泵安裝吸力錨的方案設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 ROV搭載吸力泵安裝大型吸力錨的方案設(shè)計(jì)流程Fig．1 Design flow chart of large size suction anchor installation by ROV equipped with pump

1．2 吸力錨頂部布置

如圖2所示，吸力錨的3個(gè)吊點(diǎn)把吸力錨上部分為3個(gè)120°的扇形區(qū)域：區(qū)域1用于放置連接錨鏈；區(qū)域2用于單獨(dú)布置排水閥門，便于ROV操作，吸力錨經(jīng)海水飛濺區(qū)時(shí)通過排水閥排出氣體及接觸海底泥面自沉入泥時(shí)排出內(nèi)部水分；區(qū)域3用于布置ROV介入結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)設(shè)備。

ROV介入結(jié)構(gòu)包括ROV機(jī)械手固定結(jié)構(gòu)、首向控制支架、首向控制支架接口和吸力泵接入口。ROV機(jī)械手固定結(jié)構(gòu)位于ROV介入接口左右兩側(cè)，吸力錨安裝時(shí)主ROV機(jī)械手抓緊此結(jié)構(gòu)，防止ROV和吸力錨之間相對(duì)移動(dòng)。首向控制支架固定安裝在ROV底部，支架上的公接頭與吸力錨介入接口對(duì)接，用于控制吸力錨首向。出海施工前，須做首向控制支架與吸力錨介入接口的陸地測(cè)試，以確保首向控制精度。首向控制支架接口位于吸力錨邊緣的2個(gè)吊耳中點(diǎn)處，給ROV水下與吸力錨對(duì)接作業(yè)預(yù)留足夠空間，接口為喇叭口型。吸力泵接入口位于ROV七功能機(jī)械手的有效工作半徑之內(nèi)，以保證機(jī)械手能夠安裝吸力泵接頭。

圖2 吸力錨頂部布置Fig．2 Layout of suction top

吸力錨數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)設(shè)備包括傾斜監(jiān)測(cè)、壓力監(jiān)測(cè)和位置監(jiān)測(cè)。傾斜監(jiān)測(cè)設(shè)備采用牛眼監(jiān)控吸力錨的傾斜角度；壓力監(jiān)測(cè)采用可測(cè)量正負(fù)壓力的壓力表監(jiān)控吸力錨安裝過程中吸力錨內(nèi)部的壓力；位置監(jiān)測(cè)的定位信標(biāo)筒位于吸力錨上，布置在ROV可介入的位置，但須提前做位置校準(zhǔn)和換算。吸力錨頂部最終布置見圖2。

1．3 吸力錨閥門設(shè)計(jì)

根據(jù)吸力錨上部閥門的功能要求［8］，若吸力錨閥門孔徑過小，會(huì)造成吸力錨下放過程經(jīng)過飛濺區(qū)時(shí)排出筒內(nèi)氣體的速度變慢，導(dǎo)致吸力錨搖擺幅度增加，下放速度變慢，從而增加了吸力錨與船舶碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，且吸力錨到達(dá)泥面后的自沉速度慢也會(huì)增加吸力錨的傾斜風(fēng)險(xiǎn)；而吸力錨閥門孔徑過大，則會(huì)降低吸力錨上部蓋板的強(qiáng)度，同時(shí)閥門的尺寸增加，也不利于水下ROV操作閥門。因此，必須根據(jù)吸力錨的尺寸合理選擇閥門的大小和形式。

1．4 吸力泵選型及接口設(shè)計(jì)

吸力泵系統(tǒng)分為ROV攜帶式和泵橇塊型水面控制式2種。深水模式安裝吸力錨通常選用ROV攜帶式吸力泵系統(tǒng)，同時(shí)考慮壓力和流量這2個(gè)主要技術(shù)參數(shù)，其中吸力泵的最大壓力一般要達(dá)到吸力錨設(shè)計(jì)貫入壓力的2倍；而吸力泵流量要滿足設(shè)計(jì)推薦值，若吸力泵流量過小，將會(huì)影響貫入效率。

吸力泵接口尺寸是根據(jù)吸力錨貫入需要的排水量和貫入壓力而確定，吸力錨接口形式是根據(jù)所選用吸力泵的形式和吸力而定。一般情況下，如果吸力錨安裝壓力較低，則采用直接插入式接口；如果吸力錨安裝壓力較高，則在吸力泵接口上開槽，使吸力泵公接頭上的J－型桿與吸力錨上的吸力泵母接頭牢固連接，以保證吸力泵增加壓力時(shí)其公接頭不脫落，如圖3所示。

圖3 吸力泵公接頭插入吸力泵母接頭Fig．3 Pin and box joints of suction pump

1．5 吸力錨裝船固定及安裝索具設(shè)計(jì)

吸力錨立著放在運(yùn)輸船或施工船上，在吸力錨下面加裝一層H－型鋼的底座，增加接觸面積，以滿足運(yùn)輸船舶甲板局部和整體強(qiáng)度的要求。同時(shí)，采用有限元模擬軟件ANSYS替代簡(jiǎn)化算法對(duì)筋板進(jìn)行校核，并結(jié)合施工海域的海況條件設(shè)計(jì)出最簡(jiǎn)單的裝船固定方案，如圖4所示。

圖4 吸力錨裝船固定方案Fig．4 Scheme of suction anchor fastened on deck

安裝吸力錨一般需要3條吊裝鋼絲繩均勻分布，3條鋼絲繩分別通過ROV卸扣與吸力錨吊點(diǎn)相連接，通常在3條吊裝鋼絲和吊機(jī)吊鉤之間還要增加1條錨鏈，便于ROV在水下轉(zhuǎn)動(dòng)吸力錨，從而使吸力錨達(dá)到設(shè)計(jì)的首向，提高施工效率。此外，如果考慮在吸力錨安裝過程帶著下錨鏈一起安裝，則索具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮下錨鏈對(duì)吸力錨重心的影響，否則在實(shí)際施工時(shí)將很難控制吸力錨的傾斜度。

2 安裝工藝流程及相關(guān)問題處理方案

2．1 安裝工藝流程

采用ROV搭載吸力泵安裝吸力錨需要2臺(tái)ROV。ROV1固定在吸力錨上，負(fù)責(zé)操作吸力泵排出吸力錨內(nèi)部水分，同時(shí)監(jiān)測(cè)吸力錨的傾斜度和內(nèi)部負(fù)壓力；ROV2在泥面附近監(jiān)測(cè)吸力錨的入泥深度。吸力錨安裝主要工藝流程如圖5所示。

圖5 ROV搭載吸力泵安裝大型吸力錨工藝流程Fig．5 Process of large size suction anchor installation by ROV equipped with pump

2．2 相關(guān)問題處理方案

吸力錨安裝設(shè)計(jì)的理論壓力基于地質(zhì)取樣，而地質(zhì)取樣是以某點(diǎn)為參考的，沒有普遍性。實(shí)際安裝過程中可通過貫入壓力曲線中的理論和設(shè)計(jì)值對(duì)比［9－10］，得出地質(zhì)條件，為后續(xù)的設(shè)計(jì)和安裝提供參考。吸力錨貫入壓力曲線對(duì)照如圖6所示，其中許用壓力是使吸力錨內(nèi)部本體破壞的壓力，吸力錨安裝時(shí)的實(shí)際壓力需時(shí)刻控制在此壓力范圍之內(nèi)；理論壓力是指根據(jù)地質(zhì)取樣計(jì)算的吸力錨安裝所需壓力的理論值，其曲線與縱軸的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)為理論自沉深度；實(shí)際壓力是實(shí)際測(cè)得壓力，其曲線與縱軸的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)為實(shí)際自沉深度。

圖6 吸力錨貫入壓力曲線對(duì)照Fig．6 Comparison of suction anchor embedment pressure curve

從圖6可看出，吸力錨貫入深度1．5～11．7 m時(shí)，實(shí)際貫入壓力均大于理論壓力，證明實(shí)際地質(zhì)比理論地質(zhì)要硬，需要給吸力泵施加高于理論壓力值的壓力才能使吸力錨貫入海床。吸力錨貫入深度為11．7～13．0 m時(shí)，實(shí)際貫入壓力均小于理論壓力，證明實(shí)際地質(zhì)比理論地質(zhì)要軟，此時(shí)施加給吸力泵的壓力小于理論壓力值即可使吸力錨正常貫入海床。吸力錨貫入深度為2．5～3．5 m時(shí)，實(shí)際貫入壓力接近許用壓力，吸力泵的壓力不能再增大，需要嚴(yán)密監(jiān)控吸力錨頂部壓力表數(shù)值，以免吸力錨壓力過大壓潰筒體，對(duì)吸力錨造成損壞，此時(shí)可操作吸力泵反向打水，頂升吸力錨，再加壓貫入吸力錨，疏松吸力錨周圍的土壤，減少阻力，繼續(xù)貫入可以突破受阻的地質(zhì)層。

此外，還可根據(jù)吸力錨貫入設(shè)計(jì)和許用壓力曲線解決以下問題：①貫入過程中偏移角度超過設(shè)計(jì)角度?？赏ㄟ^吊機(jī)配合，向扶正吸力錨的方向帶力，繼續(xù)操作吸力泵貫入吸力錨，不斷糾正吸力錨垂直方向的偏轉(zhuǎn)角度。②最后階段無法貫入至設(shè)計(jì)深度。在實(shí)際安裝過程中可能出現(xiàn)反復(fù)升降后無法繼續(xù)貫入，有2種可能：一是吸力錨因遇到硬質(zhì)底層，即使增加吸力泵壓力，仍無法繼續(xù)貫入吸力錨；二是吸力錨內(nèi)部本體被破壞，形成內(nèi)外回路，吸力泵無法形成負(fù)壓繼續(xù)貫入吸力錨。此時(shí)可考慮通過吸力泵向吸力錨注水頂出吸力錨，將吸力錨移至其他位置繼續(xù)安裝。

3 項(xiàng)目實(shí)施效果

按照上述吸力錨的安裝方案設(shè)計(jì)和安裝施工工藝流程，使用ROV搭載吸力泵對(duì)番禺4－2／5－1油田項(xiàng)目總共9個(gè)吸力錨進(jìn)行了水下安裝，經(jīng)過合理有序的水下施工，所有的吸力錨均達(dá)到設(shè)計(jì)貫入深度，吸力錨的首向也滿足設(shè)計(jì)要求，證實(shí)了ROV搭載吸力泵安裝大型吸力錨的設(shè)計(jì)方案和施工工藝是合理有效的。

4 結(jié)束語

采用ROV搭載吸力泵模式安裝大型吸力錨的技術(shù)在國(guó)內(nèi)還沒有先例，番禺4－2／5－1油田項(xiàng)目是在國(guó)內(nèi)首次成功應(yīng)用，該項(xiàng)目吸力錨安裝過程中直接與系泊錨鏈連接整體下放，與國(guó)外已有的單獨(dú)安裝吸力錨相比節(jié)省了在水下連接錨鏈和吸力錨的工序和時(shí)間，因此可以說該項(xiàng)目采用ROV搭載吸力泵安裝大型吸力錨的技術(shù)處于世界同類工程技術(shù)的領(lǐng)先水平，它的成功實(shí)施為同類型吸力錨的水下安裝提供了有效的設(shè)計(jì)和安裝經(jīng)驗(yàn)。

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Schematic design and practice of large－size suction anchor installation by pump－equipped ROV

MA Chao
（COOEC Subsea Technology Co．Ltd．，Shenzhen，Guangdong518067，China）

Based on the particularities of large－size suction anchor installation by pump－equipped ROV（remotely operated vehicle），studies were conducted on the installation aids on top of the suction anchor，suction anchor valve design，suction pump selection and interface design，suction anchor sea fastening，as well as lift rigging design for PY4－2／5－1 oilfield in Pearl River Mouth Basin．Meanwhile the suction anchor installation scheme and procedure were put forward，as well as solutions to related technical issues．The field practice proved that the method of installation by pump－equipped ROV was used domestically，which saved time and workload of subsea mooring and suction anchor connection compared with existing cases of independent suction anchor installation abroad．This method has taken the lead in similar engineering technologies worldwide and provided significant experiences of both schematic design and implementation for future subsea installation of similar suction anchors．

suction pump－equipped ROV；large－size suction anchor installation；schematic design；technological process；PY4－2／5－1 oilfield

TE42

A

馬超．ROV搭載吸力泵安裝大型吸力錨方案設(shè)計(jì)與實(shí)踐［J］．中國(guó)海上油氣，2017，29（5）：161－165．

MA Chao．Schematic design and practice of large－size suction anchor installation by pump－equipped ROV［J］．China Offshore Oil and Gas，2017，29（5）：161－165．

1673－1506（2017）05－0161－05

10．11935／j．issn．1673－1506．2017．05．023

馬超，男，工程師，2007年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)，獲學(xué)士學(xué)位，主要從事系泊系統(tǒng)安裝方面的技術(shù)和管理工作。地址：深圳市南山區(qū)蛇口工業(yè)六路1057號(hào)科技大廈B座2樓（郵編：518067）。E－mail：machao＠m(xù)ail．cooec．com．cn。

2016－07－08 改回日期：2016－10－08

（編輯：呂歡歡）