深水柔性軟管濕存后的回收工藝研究

劉書勝 周健偉 李國毅 李 俊 吳業(yè)旺 盧維強(qiáng)

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518067）

0 引言

深水油氣田的開發(fā)過程普遍采用基于水下井口和浮式生產(chǎn)裝置（Floating Production Unit，F(xiàn)PU）的水下生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)模式。水下生產(chǎn)系統(tǒng)以其高效、低成本等特點(diǎn)成為深水開發(fā)的首選。立管系統(tǒng)是連接水下靜態(tài)設(shè)施和水面動(dòng)態(tài)浮式生產(chǎn)裝置的中間媒介，是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的核心設(shè)施之一[1-2]。FSR立管系統(tǒng)用于連接水下鉆井中心的跨接管至浮式生產(chǎn)裝置（FPU），主要由連接FPU和鋼制站立立管間的柔性跨接軟管、鋼制站立立管頂部的浮體、一段鋼制站立立管和海床上的基座4個(gè)部分組成，其中浮體通常位于海面以下50 m～250 m水深，以降低表面風(fēng)、浪、流的影響。頂部柔性跨接軟管為1種無粘結(jié)柔性軟管，其主要作用是將流體從鋼制立管管柱輸送到表面終端FPU中[4]。FSR（Free standing Riser）立管系統(tǒng)主要應(yīng)用于海況較好的西非深水區(qū)塊油田開發(fā)項(xiàng)目，近年來也逐漸應(yīng)用于中等海況以及惡劣海況條件的巴西深水油田和墨西哥灣深水油田開發(fā)項(xiàng)目，世界上第1個(gè)FSR立管系統(tǒng)在2004年安裝于安哥拉海上深水油田，油田區(qū)域水深1180 m[3]。

1 項(xiàng)目介紹

1.1 項(xiàng)目背景

在某國外超深水油田退役項(xiàng)目中的FSR系統(tǒng)中的2條300 m長度的柔性跨接軟管在保護(hù)性拆除后臨時(shí)濕存在海床上，該文以采用單體工程船攜帶滾筒驅(qū)動(dòng)設(shè)備和TLS（Tiltable Lay System垂直鋪設(shè)系統(tǒng)）設(shè)備完成深水柔性跨接軟管保護(hù)性回收為例，討論了深水柔性軟管回收作業(yè)的設(shè)備選型和海上施工中的重點(diǎn)。

1.2 柔性跨接軟管

FSR系統(tǒng)中的柔性跨接軟管用于連接FPU和鋼制站立立管。跨接軟管的主要附件包括FPU端軟管接頭、用于軟管外皮保護(hù)的Uraduct（護(hù)套）、彎曲限制器（Vertebrae）、在位生產(chǎn)使用的摩擦懸掛卡具（Friction Clamp）、均勻分布在動(dòng)態(tài)段管體的浮子模塊、FSR站立立管端的防彎器和軟管接頭，如圖1所示。

2 施工設(shè)計(jì)

2.1 垂直鋪設(shè)系統(tǒng)擠壓力計(jì)算

表1為該項(xiàng)目所使用的垂直鋪設(shè)系統(tǒng)中4軌道張緊器擠壓力計(jì)算結(jié)果，用于柔性軟管保護(hù)性回收作業(yè)時(shí)VLS設(shè)備張緊器對軟管施加擠壓力設(shè)置，所有計(jì)算結(jié)果均以軟管本身設(shè)計(jì)最大抗擠壓能力值為基礎(chǔ)。

表1 鋪設(shè)系統(tǒng)擠壓力參數(shù)設(shè)置

2.2 水動(dòng)力分析

采用Orcaflex軟件對施工船舶、設(shè)備和動(dòng)態(tài)軟管及其附件進(jìn)行建模和水動(dòng)力分析，驗(yàn)證施工作業(yè)過程中產(chǎn)品的完整性，并且通過關(guān)鍵作業(yè)敏感分析，形成關(guān)鍵作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別管理，以下7條為施工所涉及的關(guān)鍵作業(yè)分析：1） 回收軟管首端離開海床。2）軟管首端甲板處理。3） 回收整條軟管離開海床濕存區(qū)域。4） 軟管首端通過TLS。5） 浮子段通過TLS船舷外工作平臺(tái)。6） 軟管末端通過TLS。7） 軟管末端甲板處理。

根據(jù)施工中涉及的關(guān)鍵作業(yè)步驟，通過Orcaflex軟件模擬給出作業(yè)要求和建議。計(jì)算分析文件中體現(xiàn)的主要信息和數(shù)據(jù)應(yīng)該包括以下6條：1） 關(guān)鍵作業(yè)限制的天氣條件及施工船舶艏向。2） 2)關(guān)鍵作業(yè)涉及的laytable（軟管鋪設(shè)/回收作業(yè)使用的計(jì)算分析表）。3） 整個(gè)施工作業(yè)中TLS系統(tǒng)最大回收張力。4） 關(guān)鍵作業(yè)中軟管極限彎曲半徑。5） 吊裝作業(yè)中索具最大受力情況。6） 關(guān)鍵作業(yè)步驟敏感性分析。

2.3 軟管濕存要求

由于動(dòng)態(tài)柔性跨接管上分布的浮子模塊會(huì)產(chǎn)生向上浮力，因此前期水下濕存階段使軟管的一端帶有配重鏈條，目的是使配重鏈條端在濕存過程中作為柔性跨接管最先著泥端的起始錨點(diǎn)以及克服浮子浮力作用。配重鏈條的質(zhì)量在濕存作業(yè)前期設(shè)計(jì)時(shí)需要通過軟件精準(zhǔn)計(jì)算。最后通過軟件對軟管濕存涉及的所有施工環(huán)節(jié)進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，保證施工安全可靠。

2.4 設(shè)備選型

超深水柔性軟管回收作業(yè)的主要設(shè)備為垂直鋪設(shè)系統(tǒng)。垂直鋪設(shè)系統(tǒng)大體上可以分為VLS（Vertical Lay System）鋪設(shè)系統(tǒng)和TLS（Tiltable Lay System ）鋪設(shè)系統(tǒng)2種。垂直鋪設(shè)系統(tǒng)從上到下主要包括服務(wù)吊機(jī)、末端處理A&R絞車系統(tǒng)、導(dǎo)向輪或者導(dǎo)向Gutter（托管器）、對中器、張緊器、首末兩端處理所需的甲板絞車系統(tǒng)以及月池輔助行吊系統(tǒng)等。VLS和TLS系統(tǒng)的主要差別在于前者通常安裝于工程船中的月池上方或者船尾，并且整體塔架通常為垂直不可傾斜設(shè)計(jì)；后者主要安裝于工程船的船舷側(cè)，并且整體塔架可以在小范圍內(nèi)調(diào)整角度，在航行時(shí)可以避開橋梁等限高結(jié)構(gòu)并且用于管纜倒纜、鋪設(shè)過程中[4]。從施工設(shè)計(jì)層面考慮，由于VLS系統(tǒng)在回收軟管的過程中軟管是從船中月池進(jìn)入張緊器，軟管動(dòng)態(tài)段安裝有大量浮子模塊后對整體懸鏈線產(chǎn)生較大影響，因此動(dòng)態(tài)段管體在浮子模塊影響下會(huì)產(chǎn)生上浮導(dǎo)致管體和月池船體發(fā)生碰撞因而存在損壞管子的風(fēng)險(xiǎn)[5]。而TLS系統(tǒng)為船舷側(cè)回收軟管，不涉及軟管回收過程中軟管動(dòng)態(tài)段影響管體導(dǎo)致管體和船體結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞的問題，施工設(shè)計(jì)更為友好。

圖1 典型的深水柔性動(dòng)態(tài)軟管系統(tǒng)附件組成示意圖

動(dòng)態(tài)軟管的特殊用途導(dǎo)致其長度通常較短，并且由于涉及一端有較長的彎曲限制器不便于通過艙口蓋存儲(chǔ)于卷纜盤，因此通常以滾筒形式交貨生產(chǎn)后以存儲(chǔ)在標(biāo)準(zhǔn)滾筒的形式交付，具有動(dòng)、復(fù)員效率高，對船舶存纜能力要求低等優(yōu)點(diǎn)。RHD（Reel Hub Drive）系統(tǒng)用于驅(qū)動(dòng)滾筒實(shí)現(xiàn)放、收纜作用。

3 海上施工

由于動(dòng)態(tài)柔性跨接管上分布浮子模塊會(huì)產(chǎn)生向上的浮力，因此前期水下濕存階段采取一端帶有配重鏈條的方式，目的是在濕存過程中克服浮子的浮力作用。配重鏈條的質(zhì)量在濕存作業(yè)前期設(shè)計(jì)時(shí)需要通過軟件精準(zhǔn)計(jì)算，驗(yàn)證濕存狀態(tài)下軟管是否滿足強(qiáng)度要求，避免損壞產(chǎn)品。下面以該項(xiàng)目軟管回收施工為例，作軟管回收作業(yè)的要點(diǎn)分析。

主要施工流程包括以下8點(diǎn)：1） 預(yù)調(diào)查柔性跨接管臨時(shí)濕存位置。2） TLS系統(tǒng)絞車初始化作業(yè)。3） 工程船吊機(jī)下放索具水下連接至軟管首端。4） 回收軟管離開海床。5） 軟管首端過TLS系統(tǒng)進(jìn)入滾筒。6） 在TLS工作平臺(tái)拆除軟管管體上的附件。7） 拆除末端配重鏈條并且回收至船舶甲板。8） 末端通過TLS系統(tǒng)回收至甲板。

3.1 預(yù)調(diào)查柔性跨接管臨時(shí)濕存位置

施工船舶到達(dá)海上油田作業(yè)現(xiàn)場，根據(jù)施工Checklist（檢查表），完成船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)和主要設(shè)備的校準(zhǔn)、測試以及通訊系統(tǒng)檢查。通過ROV（Remote Operated Vehicle，水下機(jī)器人）完成臨時(shí)區(qū)域軟管位置調(diào)查作業(yè)，確認(rèn)軟管的最終位置和整體狀況良好，檢查軟管首端拖拉頭和吊索具情況，管體上浮子、Uraduct（護(hù)套）、彎曲限制器、摩擦卡子、浮子模塊等附件狀態(tài)以及末端拖拉頭及吊索具和配重鏈條狀況。

3.2 TLS系統(tǒng)絞車初始化作業(yè)

打開TLS系統(tǒng)張緊器軌道，設(shè)備人員操作絞車釋放鋼絲繩，施工人員按照設(shè)計(jì)路由完成鋼絲繩的走線布置，并且在絞車鋼絲繩末端安裝索具。設(shè)備人員操作TLS系統(tǒng)頂部吊機(jī)，使鋼絲繩通過TLS系統(tǒng)頂部導(dǎo)向輪到達(dá)船舷外工作平臺(tái)，臨時(shí)固定鋼絲繩末端至工作平臺(tái)。

3.3 工程船吊機(jī)下放索具水下連接至軟管首端

施工船舶移船至軟管首端區(qū)域，通過船舶自帶AHC（主動(dòng)升沉補(bǔ)償，Active Heave Compensation）吊機(jī)下放打撈索具至海床上方，吊機(jī)啟動(dòng)主動(dòng)升沉補(bǔ)償，ROV水下連接吊機(jī)主鉤頭的打撈索具至軟管首端。

3.4 回收軟管離開海床

當(dāng)?shù)鯔C(jī)打撈索具并且將其至軟管首端后，施工船舶按照軟管濕存路由方向移船，AHC吊機(jī)同步回收軟管首端離開海床。按照計(jì)算分析laytable（軟管鋪設(shè)/回收作業(yè)使用的計(jì)算分析表） ，根據(jù)要求限定作業(yè)過程中的施工船舶l(fā)ayback（軟管著泥點(diǎn)位置到吊機(jī)鉤頭位置的水平投影長度）、船舶移動(dòng)距離以及吊機(jī)鋼絲繩回收長度。ROV輔助監(jiān)測軟管著泥點(diǎn)位置和軟管懸鏈線區(qū)域，直到軟管末端離開海床。施工人員通過ROV檢查軟管末端配重鏈條及連接索具，繼續(xù)回收至配重鏈條離開海床[6]。

3.5 軟管首端過TLS系統(tǒng)進(jìn)入滾筒

吊機(jī)回收整條軟管直至首端到達(dá)TLS系統(tǒng)船舷外工作平臺(tái)，甲板人員在工作平臺(tái)安裝拖拉網(wǎng)套至軟管首端后面管體，并連接甲板絞車鋼絲繩索具至軟管首端。初始化絞車配合船舶吊機(jī)向上回收軟管，當(dāng)軟管首端通過張緊器頂部后，關(guān)閉TLS系統(tǒng)對中器和張緊器4軌道。按照計(jì)算所需夾緊力設(shè)置張緊器，完成夾緊軟管，啟動(dòng)張緊器回收軟管，初始化絞車配合船舶吊機(jī)向上同步回收軟管，完成軟管首端通過TLS系統(tǒng)作業(yè)，如圖2所示。

甲板絞車配合吊機(jī)牽引首端通過甲板Underbender（壓管器）和導(dǎo)向托輥等設(shè)備后到達(dá)主甲板，固定軟管首端至滾筒內(nèi)部獨(dú)立隔層，啟動(dòng)RHD設(shè)備驅(qū)動(dòng)滾筒配合張緊器回收軟管，逐層盤管至滾筒內(nèi)側(cè)。

3.6 軟管管體上的附件在TLS工作平臺(tái)拆除

在軟管回收的過程中，涉及軟管管體上附件拆除，拆除附件的主要原因在于安裝有附件區(qū)域的軟管無法通過張緊器和TLS頂部導(dǎo)向Gutter（托管器）結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)場作業(yè)的過程中，當(dāng)軟管上的附件例如護(hù)套（Uraduct）、彎曲限制器（Vertebrae）、摩擦懸掛卡具（Friction Clamp）以及浮子模塊到達(dá)舷外工作平臺(tái)位置時(shí)，暫停回收作業(yè)，通過專用工具拆除以上附件后利用TLS工作平臺(tái)上方梁吊轉(zhuǎn)移至甲板存儲(chǔ)，繼續(xù)回收作業(yè)。TLS回收動(dòng)態(tài)軟管的優(yōu)勢在于TLS的firing line（作業(yè)線）和工作平臺(tái)均位于船舷外側(cè)，在回收至動(dòng)態(tài)段管體出飛濺區(qū)后，管體不會(huì)和船體發(fā)生嚴(yán)重干涉問題。下面以浮子拆除為例簡述作業(yè)步驟和注意事項(xiàng)。

當(dāng)浮子位置到達(dá)船舷外工作平臺(tái)位置后停止軟管回收作業(yè)，使用索具臨時(shí)固定軟管管體至平臺(tái)結(jié)構(gòu)，連接吊裝索具至浮子和工作平臺(tái)頂部梁吊鉤頭，甲板工作人員使用扭矩扳手拆除浮子外部緊固Strap（帶）和緊固螺栓。最后通過2臺(tái)梁吊分別將兩瓣浮子本體吊裝至甲板存儲(chǔ)。

拆除浮子外部本體后，檢查內(nèi)部抱卡緊固件的情況，必要情況下潤滑螺桿螺紋，安裝廠家提供的專用拉伸器至抱卡螺桿上，完成拉伸器和緊固件的匹配和預(yù)張緊工作。設(shè)置拉伸器拉伸數(shù)值，啟動(dòng)拉伸器完成緊固螺桿的張緊，松開鎖緊螺母后對拉伸器進(jìn)行泄壓，拆除拉伸器，甲板工作人員拆除內(nèi)部抱卡和緊固件。

3.7 拆除末端配重鏈條并回收至船舶甲板

當(dāng)軟管末端到達(dá)水面以下50 m～100 m深度位置后，AHC吊機(jī)下放打撈索具并且回收末端配重鏈條至主甲板；繼續(xù)回收軟管直到軟管末端到達(dá)船舷外工作平臺(tái)，在工作平臺(tái)安裝拖拉網(wǎng)套至軟管末端后面管體；連接TLS甲板絞車鋼絲繩至拖拉網(wǎng)套，連接AHC吊機(jī)索具至末端拖拉頭，打開張緊器和對中器，絞車配合船舶吊機(jī)向上回收軟管末端通過TLS系統(tǒng)，如圖3所示。

圖2 軟管首端回收通過TLS

圖3 末端通過TLS系統(tǒng)

3.8 末端通過TLS系統(tǒng)回收至甲板

吊機(jī)轉(zhuǎn)移末端通過TLS系統(tǒng)后，打開主甲板Underbender（壓管器）設(shè)備，RHD設(shè)備同步驅(qū)動(dòng)回收軟管，通過吊機(jī)和甲板絞車配合RHD設(shè)備回收末端到主甲板并臨時(shí)放置，固定末端至滾筒。

4 結(jié)語

該文通過對國外某超深水項(xiàng)目柔性軟管回收工藝方法的研究，介紹了主要施工設(shè)備，對比了VLS和TLS系統(tǒng)處理動(dòng)態(tài)軟管的優(yōu)缺點(diǎn)，得出了TLS在回收動(dòng)態(tài)軟管作業(yè)過程中更具有優(yōu)勢，同時(shí)介紹了基于TLS的施工設(shè)計(jì)和流程。整體施工方案可行，該成功經(jīng)驗(yàn)可為后續(xù)深水柔性動(dòng)態(tài)管纜安裝提供一定的參考。