邊際油氣田新型立管系統(tǒng)的焊接與安裝

郭 慶，孫志廣，宋青武

（海洋石油工程股份有限公司，天津300461）

0 前言

海上油氣田開采成本高、開發(fā)難度大，邊際油氣田的開發(fā)問(wèn)題尤為突出[1-2]。位于我國(guó)東海海域的邊際油氣田具有埋藏深、地質(zhì)成因復(fù)雜等特點(diǎn)，如何突破常規(guī)開發(fā)模式，降低綜合開發(fā)成本，提高單井產(chǎn)能，延長(zhǎng)穩(wěn)產(chǎn)年限是其經(jīng)濟(jì)、有效開發(fā)的關(guān)鍵所在[3]。東海某邊際油氣田突破常規(guī)的勘探開發(fā)模式，采用已經(jīng)就位的某自升式鉆井船為測(cè)試裝置，依托已建平臺(tái)完成油氣回收，在國(guó)內(nèi)首次研發(fā)并成功實(shí)施了適用于邊際油氣田開發(fā)的百米水深級(jí)新型立管系統(tǒng)。

作為海面與海底連接通道的立管系統(tǒng)是油氣田開發(fā)工程建設(shè)中的重要組成部分，同時(shí)也是薄弱易損的構(gòu)件之一，其在油氣開發(fā)生產(chǎn)成本中占的比例也越來(lái)越大[4-7]。該新型立管系統(tǒng)主要有如下特點(diǎn)：

（1）由依托于自升式鉆井船樁腿的豎向鋼性立管和靜態(tài)軟管膨脹彎構(gòu)成，可以很好地滿足自升式鉆井船不定期撤離、平臺(tái)位移大的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)對(duì)自升式平臺(tái)改造影響小，安裝成本低。

（2）鋼性立管通過(guò)專用立管管卡與自升式鉆井船連接，底部設(shè)計(jì)成順應(yīng)樁靴型式，在解脫鋼性立管與軟管膨脹彎后，整根鋼性立管可以隨樁腿同步升降，滿足自升式鉆井平臺(tái)的不定期撤離需求。

（3）立管管卡充分考慮自升式鉆井船樁腿主結(jié)構(gòu)為垂直型桁架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)型結(jié)構(gòu)。管卡整體尺寸較小，滿足狹窄范圍內(nèi)安裝要求。

（4）鋼性立管主體位于自升式鉆井船樁腿主結(jié)構(gòu)內(nèi)，后安裝立管時(shí)對(duì)鉆井平臺(tái)的改動(dòng)量少。同時(shí)，后安裝立管的主要工作可在水面以上完成，避免了潛水作業(yè)，進(jìn)而節(jié)省大量的海上施工成本。

1 新型立管系統(tǒng)安裝作業(yè)特點(diǎn)

在以往工程項(xiàng)目中，立管的安裝大都在導(dǎo)管架陸地預(yù)制時(shí)進(jìn)行，或者在導(dǎo)管架海上安裝后、組塊安裝前進(jìn)行安裝[8]。東海某油氣田采用的新型立管系統(tǒng)的安裝是利用自升式鉆井船樁腿現(xiàn)有下放潛水泵的滑道，將接長(zhǎng)后的立管沿滑道逐段焊接下放至水下，最后通過(guò)懸掛支撐裝置及管卡實(shí)現(xiàn)縱向及橫向限位固定。隨著深海石油天然氣的開發(fā)，立管長(zhǎng)度逐漸增加[9]，而示例油氣田采用的新型立管總長(zhǎng)132.3 m，在工程實(shí)施和設(shè)計(jì)上國(guó)內(nèi)外尚無(wú)經(jīng)驗(yàn)可循。其在海上焊接及安裝作業(yè)中的難點(diǎn)有：

（1）現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)空間狹小。

自升式鉆井船下放立管的滑軌間距570mm，立管直徑323.9mm，立管與滑道的滑軌間隙僅120mm。立管組對(duì)、焊接、無(wú)損檢驗(yàn)、防腐、安裝活動(dòng)管卡等作業(yè)均在此空間內(nèi)進(jìn)行，操作難度非常大。

（2）立管底部彎頭組對(duì)、焊接困難。

立管底部有2個(gè)彎頭和1個(gè)法蘭需要進(jìn)行組對(duì)、焊接作業(yè)，尺寸約3 m×3 m。因立管下放滑道內(nèi)部空間無(wú)法通過(guò)該部件，立管底部彎頭需下放至主甲板反面進(jìn)行組對(duì)焊接?，F(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)中從主甲板至船底搭設(shè)腳手架和組對(duì)焊接作業(yè)平臺(tái)，預(yù)制4個(gè)臨時(shí)管卡和斜撐抱在樁腿上，利用倒鏈和臨時(shí)斜撐緩慢調(diào)整進(jìn)行組對(duì)、焊接作業(yè)。

（3）立管預(yù)制精度要求高。

為保證立管能夠順利下放，立管管卡需保證在同一直線上，預(yù)制誤差應(yīng)小于3mm。施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)每一道工序均嚴(yán)格把關(guān)，全部工序必須由現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)工程師、質(zhì)量控制工程師及施工領(lǐng)隊(duì)共同見證與測(cè)量確認(rèn)，方可進(jìn)行下一步工作，以最大程度減少誤差。

（4）立管吊裝和下放風(fēng)險(xiǎn)大。

立管接長(zhǎng)管段最長(zhǎng)達(dá)到25 m，需在甲板扶正并吊裝至下放滑道內(nèi)，甲板人員通過(guò)倒鏈扶正，并利用吊帶和倒鏈臨時(shí)支撐后進(jìn)行組對(duì)焊接下放。在此作業(yè)中，若出現(xiàn)任何一方?jīng)]有同步，均可能對(duì)立管或立管下放滑軌造成損傷。

2 新型立管海上安裝作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)

立管海上安裝作業(yè)考慮因素眾多，例如立管的尺寸和質(zhì)量、安裝船的費(fèi)用，安裝海域的環(huán)境條件以及安裝周期等[10]。示例油氣田立管海上安裝作業(yè)天氣條件為風(fēng)力小于15節(jié)、浪高小于1.5 m、海底流速低于1 m/s及海底可見度大于0.5 m。

2.1 立管海上安裝作業(yè)方案

立管海上安裝作業(yè)使用主作業(yè)船舶攜帶飽和潛水以及結(jié)合平臺(tái)空氣潛水完成，其主要作業(yè)方案如圖1所示。

圖1 立管安裝作業(yè)方案示意

2.2 立管焊接安裝

2.2.1 最下端立管焊接安裝

最下端立管是由3段直管體、2個(gè)彎頭組成的空間型彎頭立管，受船體施工作業(yè)空間影響，無(wú)法通過(guò)滑軌直接下放整個(gè)空間型彎頭。將空間型彎頭改造成兩段L形立管（一段水平L狀立管，一段豎直L狀立管），并將其和底部法蘭一起下放至船底焊接平臺(tái)進(jìn)行焊接連接。安裝方案如下：

（1）標(biāo)記L形立管彎頭焊接截面，確認(rèn)彎頭朝向，保證焊接作業(yè)后立管彎頭朝向正確。

（2）配置鎖具，設(shè)置尾繩，如圖2所示。

（3）順序起吊L形彎管，沿樁腿及船體之間的空間下放。

（4）立管彎頭下放過(guò)程中，沿主甲板向下搭設(shè)的懸梯或腳手架，牽引尾繩，協(xié)助立管彎頭下放至船底焊接平臺(tái)。同理下放另一段彎管及法蘭頭至船底焊接平臺(tái)。

（5）利用導(dǎo)鏈、吊帶將兩段L形立管彎頭及法蘭頭進(jìn)行組對(duì)及位置固定。

（6）第一段立管直管段進(jìn)行索具布置及尾繩設(shè)置，索具布置如圖3所示。

（7）吊機(jī)起吊立管，甲板人員協(xié)助扶正立管，在立管上設(shè)置尾繩，并且將尾繩通過(guò)D-ring，牽拉尾繩調(diào)整立管姿態(tài)，同時(shí)在立管下端的甲板上鋪墊一層20mm厚膠皮作為立管下端防撞措施。

圖2 立管彎頭吊裝

圖3 立管直管段吊裝

圖4 導(dǎo)鏈與吊帶布置

圖5 止擋器示意

（8）吊機(jī)將立管轉(zhuǎn)移至滑軌位置。

（9）沿滑軌下放立管，直至立管最下端管卡位于走道上方約1.5 m高度位置。

（10）初步安裝另一半管卡，對(duì)立管進(jìn)行橫向限位（立管上焊接管卡位于樁腿外側(cè)，因此需要在樁腿內(nèi)側(cè)安裝管卡）。

（11）拆除尾繩，下放立管。

（12）立管最下端管卡下放至主甲板止擋器位置時(shí)，甲板人員協(xié)助對(duì)管卡吊點(diǎn)進(jìn)行吊帶與導(dǎo)鏈連接，導(dǎo)鏈上端可通過(guò)合適長(zhǎng)度的吊帶與樁腿拉筋連接，如圖4、圖5所示。

（13）吊機(jī)緩慢減小吊裝載荷，將立管質(zhì)量轉(zhuǎn)移至吊帶與導(dǎo)鏈上。

（14）調(diào)節(jié)導(dǎo)鏈長(zhǎng)度，繼續(xù)下放立管，直至立管下方端頭到達(dá)船底下方焊接平臺(tái)。

（15）通過(guò)調(diào)整導(dǎo)鏈長(zhǎng)度，采用對(duì)管器組對(duì)立管直管段下方端頭與彎管段端頭。

（16）點(diǎn)焊，將直管段下方端頭固定于彎管段端頭。

（17）嚴(yán)格執(zhí)行焊接程序進(jìn)行立管直管端頭與彎管上端頭組對(duì)，實(shí)施第一道焊口焊接。

（18）調(diào)整兩段L形彎頭的對(duì)接端口，嚴(yán)格執(zhí)行焊接程序進(jìn)行第二道焊口焊接。

（19）調(diào)整法蘭端頭位置，與下方L形彎頭進(jìn)行端口對(duì)接，嚴(yán)格執(zhí)行焊接程序進(jìn)行第三道焊口焊接。

（20）無(wú)損檢驗(yàn)。

（21）防腐作業(yè)。

（22）吊機(jī)緩慢起吊，帶緊鋼絲繩，將立管直管段與彎頭質(zhì)量轉(zhuǎn)移至吊機(jī)。

（23）拆除導(dǎo)鏈與吊帶。

（24）打開主甲板處止擋器合頁(yè)。

（25）吊機(jī)下放立管，將該段立管最上端管卡坐在止擋器上。

2.2.2 直管段立管焊接安裝

兩節(jié)海管于平臺(tái)水平焊接接長(zhǎng)組成一段直管，直管段立管通過(guò)吊機(jī)轉(zhuǎn)移至滑軌位置進(jìn)行下放。在主甲板止擋器位置進(jìn)行上下兩段立管焊接，完成焊接、檢驗(yàn)及防腐作業(yè)后，吊機(jī)起吊整段立管，合上止擋器，繼續(xù)下放立管。如此往復(fù)，完成直管段下放焊接安裝。

2.3 立管管卡緊固及后處理

各段立管下滑安裝過(guò)程中，為保證下滑順利，在走道處進(jìn)行管卡抱緊時(shí)，僅將螺母與備母旋進(jìn)螺栓桿，保持螺栓末端露出一個(gè)螺紋。因此整段立管的管卡需要在水下進(jìn)行緊固。該項(xiàng)工作需要甲板人員安裝水面至主甲板范圍的管卡，空氣潛水實(shí)施50 m以淺的水深范圍內(nèi)的管卡，飽和潛水安裝50 m以深的管卡。

3 安裝作業(yè)難題及解決方案

3.1 立管下放滑軌變形

清理完成立管下放滑軌上的海生物后，空氣潛水和甲板工作人員對(duì)下放滑軌間距進(jìn)行勘察，發(fā)現(xiàn)立管下放滑軌存在局部變形，變形部位滑軌間距小于設(shè)計(jì)值570mm。立管下放作業(yè)存在很大風(fēng)險(xiǎn)。具體變形位置為：①主甲板以上至走到一層位置（約2.5 m）間距為 552～554mm；②水下 EL（-14 m）至EL（-17 m）位置間距為 553mm；③水下 EL（-19 m）位置左側(cè)滑軌焊縫部位錯(cuò)位2～3mm。

解決方案：充分考慮施工現(xiàn)場(chǎng)工機(jī)具條件，對(duì)管卡翼板頂部進(jìn)行修正，2個(gè)25mm板于近滑軌側(cè)做削薄處理，縱向8mm，橫向單個(gè)板挖孔16mm，橫向共計(jì)32mm，誤差要求單側(cè)縱向-3～0mm、單側(cè)橫向-0.3～0.3mm范圍內(nèi)，如圖6所示，確保立管下放作業(yè)順利完成。

圖6 立管管卡修改示意

3.2 立管起吊扶正

為提高施工效率，兩節(jié)立管在甲板上焊接接長(zhǎng)成一段立管，然后整根吊裝至滑軌進(jìn)行安裝。接長(zhǎng)后的管立管段最長(zhǎng)約25m，在沒(méi)有翻管器的情況下，很難將接長(zhǎng)管由水平狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為豎直狀態(tài)下放。因此設(shè)置3種方案起吊扶正立管。

（1）方案1。在甲板立管末端設(shè)置立管限位槽，如圖7所示，木塊高度能夠覆蓋立管上端即可，在立管末端下方墊20mm厚木板與50mm厚膠皮，以防止立管扶正時(shí)損傷立管末端以及立管在吊裝過(guò)程中晃動(dòng)。

（2）方案2。在立管末端安裝管卡，利用銷軸穿過(guò)吊裝卡的吊耳，并與兩側(cè)提前設(shè)置的底座吊耳進(jìn)行配合，固定立管末端。起吊立管時(shí)，末端立管將繞銷軸旋轉(zhuǎn)，從而保護(hù)立管末端不受損傷，扶正后再由甲板人員解除銷軸及管卡，方案2如圖8所示。

（3）方案3。利用平臺(tái)上的2臺(tái)吊機(jī)配合，將接長(zhǎng)立管由水平翻轉(zhuǎn)為豎直狀態(tài)，如圖9所示。

圖7 立管起吊扶正方案1示意

3.2 直管段立管焊接位置變化

在立管焊接下放作業(yè)過(guò)程中，焊前均需將管卡臨時(shí)固定在懸掛支撐裝置，再進(jìn)行焊接接長(zhǎng)，且每根接長(zhǎng)管焊口位置相對(duì)于管卡支撐位置都不一樣，導(dǎo)致整根立管焊接接長(zhǎng)的位置不斷變化，每一道焊口預(yù)制均需搭設(shè)腳手架，工作量巨大且不易操作。

圖8 立管起吊扶正方案2示意

圖9 立管起吊扶正方案3示意

解決方案：通過(guò)調(diào)整每段接長(zhǎng)管的長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整焊口位置，最終在不增加焊口的情況下將所有接長(zhǎng)管的位置調(diào)整至主甲板以上1.2～3 m。所有組對(duì)、焊接作業(yè)均可在同一個(gè)工作點(diǎn)完成，如圖10所示。

圖10 立管分段示意

4 結(jié)論

（1）成功運(yùn)用新型百米水深級(jí)立管系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)邊際油氣田勘探開發(fā)一體化，降低了勘探開發(fā)綜合成本，為后續(xù)東海海域邊際油氣田的短期快速開發(fā)工程方案提供新的思路。

（2）新型立管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施國(guó)內(nèi)外尚無(wú)成功應(yīng)用工程項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，其預(yù)制精度、吊裝和下放等作業(yè)難度非常大。示例油氣田新型立管系統(tǒng)的成功安裝與應(yīng)用對(duì)后續(xù)類似項(xiàng)目具有重要的借鑒意義。

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