深水浮式生產設施系泊錨腿維修技術及實踐

王德洋

中海石油（中國）有限公司深圳分公司深水工程建設中心，廣東深圳 518000

1 “南海勝利”號FPSO系泊系統(tǒng)簡介

隨著海上油氣鉆探開發(fā)不斷向深水邁進，浮式生產設施被廣泛應用。為保證生產設施在開發(fā)和生產過程中不發(fā)生較大移位，每個浮式生產設施都擁有一套系泊系統(tǒng)。目前，常用的系泊系統(tǒng)有擴展式錨泊系統(tǒng)、多點系泊、單點系泊[1]和動力定位系統(tǒng)，系泊系統(tǒng)根據其使用的年限或被系泊的平臺在服役期是否會經常變換地點又可分為永久性系泊與可移動性系泊系統(tǒng)[1]。

“南海勝利”號為服役于流花11-1油田的一座浮式生產儲卸油裝置（FPSO），由SOFEC設計，入ABS級，采用永久式內轉塔單點系泊系統(tǒng)，于1996年投產，作業(yè)水深約300 m，為國內首座深水FPSO系泊系統(tǒng)。2006年系泊錨腿因臺風受損，2007年完成修復后延壽至2017年，目前已服役20余年。

“南海勝利”號FPSO系泊系統(tǒng)由10根均布系泊錨腿組成，單根錨腿的最大系泊力為6 000 kN，通過油輪船體前部空洞內的轉塔機構與船體相連。對于系泊系統(tǒng)的每一根錨腿，主要由ACT鏈、上鋼纜、下鋼纜、配重鏈、躺地纜（直徑114 mm）和抓力錨六部分組成，整個單點系泊的鋼纜與錨鏈之間通過各自的索接頭和無檔鏈環(huán)與相應的連接板、三角板連接，并最終連接到海底的抓力錨上，其中在上下鋼纜連接處有一個中水浮筒連接到三角板上。中水浮筒直徑4.06 m，高度3.48 m，在空氣中質量15 720 kg，凈浮力為257.5 kN；抓力錨的寬度為9.656 m，高度7.579 m，每個錨的質量約40 000 kg；三角板每個質量約1 160 kg，每個連接板質量約856 kg。FPSO單根系泊錨腿結構形式如圖1所示。

圖1 單根系泊錨腿結構示意

“南海勝利”號FPSO系泊系統(tǒng)在水下運行了20余年，水下部件腐蝕老化嚴重，且在近3年遭遇了三次強臺風襲擊，在2020年8月強臺風“妮妲”過后出現個別錨腿斷絲數量增加、躺地纜扭曲等，為及時消除潛在的重大安全隱患，中海石油深圳分公司在FPSO不解脫、不停產條件下完成受損錨腿的應急維修工作。整個系泊錨腿的維修主要包括系泊錨腿懸浮鏈段及海床鏈段更換，維修過程中，系泊錨腿的成功解脫和回接屬國內深水首次，本文將對“南海勝利”號FPSO系泊錨腿解脫和回接過程的關鍵技術進行介紹，以便為類似的作業(yè)提供參考和借鑒。

2 FPSO系泊錨腿解脫/回接技術方案

“南海勝利”號FPSO系泊系統(tǒng)是永久性單點系泊系統(tǒng)，10根錨腿均勻分布，當FPSO圍繞艏部轉塔發(fā)生位置變化時，每根錨腿的受力狀態(tài)也隨之發(fā)生變化，因此，為確保在臺風季、季風季節(jié)不出現因“缺腿”導致的FPSO系泊安全問題，系泊錨腿解脫/回接作業(yè)具有連續(xù)性、不可重復性等特點。由于在進行懸浮鏈段鋼纜更換時，系泊錨腿解脫/回接作業(yè)過程中FPSO需保證單點艙底部水密蓋板位于水線上方（即FPSO吃水小于6 m），且空氣潛水、ROV、鋼纜更換等作業(yè)對現場浪高、風速等也有嚴格要求，所以系泊錨腿解脫/回接作業(yè)受多重時間窗口限制，具有階段可行性特點。因此，要完成此次作業(yè)，進行科學模擬、技術分析、精準現場控制、作業(yè)預調查與后調查等至關重要。

根據檢查，“南海勝利”號FPSO系泊錨腿因近3年遭遇了三次強臺風襲擊，外層鋼絲在腐蝕和應力作用下開始斷裂，2018年8月再次承受強臺風1號、2號、9號襲擊，錨腿出現不同程度的受損加重，主要為2號、9號錨腿鋼纜斷絲，1號錨腿躺地纜打扭。根據整個系泊錨腿維修所涉及的兩種作業(yè)內容，本項目主要就更換2號懸浮鏈段鋼纜、1號海床鏈段鋼纜時，系泊錨腿解脫/回接作業(yè)進行模擬分析與方案設計。

“南海勝利”號FPSO系泊錨腿解脫/回接技術方案的思路：第一，更換懸浮鏈段作業(yè)以“南海勝利”號FPSO為作業(yè)起點，通過空氣潛水配合將ACT鏈解脫下放，然后作業(yè)船HYSY291由ROV輔助將ACT鏈回收，之后解脫ACT與FPSO纜繩之間的連接，隨即沿錨腿方向依次進行上鋼纜、中水浮筒、下鋼纜回收。回收作業(yè)結束后，沿反方向依次進行系泊錨腿的鋪設、回接。第二，更換海床鏈段作業(yè)以作業(yè)船為作業(yè)起點，通過ROV配合將1 100 m躺地纜與345 m配重鏈之間的三角板回收、解脫，而后下放345 m配重鏈，隨即進行躺地纜回收、躺地纜更換、索接頭制作、更換后的躺地纜鋪設、345 m配重鏈回收、系泊錨腿回接作業(yè)。

2.1 系泊錨腿解脫/回接模擬、技術方案分析

本項目采用OrcaFlex軟件對本次FPSO系泊錨腿解脫/回接作業(yè)進行全程模擬、技術分析，比較直觀明確地模擬、分析每一個關鍵作業(yè)步驟的機具設備、鋼纜等的受力狀態(tài)，有利于對現場作業(yè)的把控與調整。在OrcaFlex的輔助下，虛擬呈現了作業(yè)船舶HYSY291在回收、鋪設以及船舶小角度艏向調整等作業(yè)時的情景，具體見圖2、圖3。

圖2 中水浮筒下放模擬圖

圖3 船舶艏向調整模擬

在本次作業(yè)模擬中，應用OrcaFlex建立了包含FPS0、HYSY291、系泊錨腿、吊機、絞車索具等機構在內的整體模型，再輸入作業(yè)時間段所對應的環(huán)境數據，進而得到整個作業(yè)過程的模擬分析結果。流花11-1油田“南海勝利”號FPSO作業(yè)區(qū)域水深295 m，潮汐變化范圍-1.06～+1.62 m，根據南海海域波浪統(tǒng)計數據中波高與周期的變化規(guī)律，在進行作業(yè)時，要考慮常規(guī)的波高與周期變化范圍，通常情況下波高在0.5～3 m之間浮動，周期為5～15 s，具體波高與周期關系見表1。在流花11-1油田作業(yè)區(qū)域，孤立波是一種非常規(guī)的常見波浪流，孤立波會形成瞬時強流對作業(yè)區(qū)域產生強烈沖擊。這種孤立波通常在夏季與秋季容易形成，且來流方向在正北的75°～155°之間，通常，孤立波是在天氣實際狀況較好時形成的，最大有義波高小于2 m，水深、孤立波與基流的相互關系見表2。

表1 波高與周期的變化關系

表2 水深與孤立波、基流的變化關系

系泊錨腿解脫/回接過程分析，采用數值模型[2]進行波浪模擬，始終以最大波高及最大孤立波的影響來模擬整個海況（但模擬分析不包含風速），該模擬分析針對作業(yè)過程中可能出現的最壞情況，所以分析結果比常規(guī)情況有較大安全空間。在整個模擬分析中，通過輸入環(huán)境參數、作業(yè)機具位置和系泊錨腿位置的狀態(tài)參數等來取得每個施工步驟中作業(yè)機具、系泊錨腿的受力狀態(tài)。通過模擬輸出結果可以有效地調整與評估作業(yè)時所選擇的索具與各個作業(yè)設備的大概行程等。模擬分析保證了作業(yè)的成功率，同時為一些不可調整的關鍵步驟準備工作提供有力的指導與保障，對作業(yè)過程中保證鋼纜不被扭曲變形也起到至關重要作用。具體模擬分析輸出受力過程可參見圖4、表3。

表3 模擬分析輸出具體受力值

圖4 模擬分析輸出受力過程關系

2.2 系泊錨腿解脫/回接施工機具技術選型

系泊錨腿解脫/回接作業(yè)過程需要的作業(yè)船只多，風險較高，由于此次作業(yè)涉及到FPSO在“缺腿”狀態(tài)的系泊穩(wěn)性以及空氣潛水、限位船舶及主作業(yè)船對風浪的要求，一般海浪有義波高不超過2.5 m為宜[2]。因此系泊錨腿解脫/回接作業(yè)對時間窗口要求非常嚴格，在南海海域的臺風季與季風季除特殊緊急情況不建議進行類似作業(yè)。

為更好地掌控與完成作業(yè)，增強作業(yè)抗風險能力，主作業(yè)船必須擁有DP動力定位系統(tǒng)，等級要求二級以上[3]。除穩(wěn)性之外最重要的是主作業(yè)船的施工能力要得到有效保障，其中吊機、工作絞車、輔助絞車、ROV等都要滿足設計能力。限位船舶與空潛支持船雖然不在關鍵作業(yè)路徑上，但是這兩種輔助作業(yè)船直接決定作業(yè)的安全性與可行性[4]。根據本次工作需求，系泊錨腿解脫/回接作業(yè)選用了HYSY291作為主作業(yè)船，HUAMING、HUAFA作為限位船[4]，HUAPENG（華鵬） 作為空氣潛水支持船（DSV）。作業(yè)船舶技術參數見表4～表6。

表4 主作業(yè)船HYSY291

表5 限位船HUAFA

表6 限位船HUAMING

3 系泊錨腿解脫/回接現場作業(yè)精準控制

按時間軸推進，懸浮鏈段更換[4]系泊錨腿解脫/回接的現場主要作業(yè)流程為：打開ACT鏈止鏈器、ACT鏈下放、ACT鏈傳遞、ACT鏈回收、上鋼纜回收、中水浮筒回收、下鋼纜回收、新下鋼纜鋪設、中水浮筒下放、新上鋼纜鋪設、ACT鏈傳遞、ACT鏈回收鎖緊。由于在作業(yè)過程中，水上作業(yè)涉及主作業(yè)船、FPSO、限位船及空氣潛水支持船，水下作業(yè)囊括ROV、空氣潛水及各種鎖具、鋼纜、錨鏈等元素，因此想要精準、高效、安全地完成作業(yè)任務，必須要有精準的控制系統(tǒng)及定位系統(tǒng)，在作業(yè)控制過程中要有嚴格的程序把控、統(tǒng)一指揮，并嚴格執(zhí)行。

按時間軸推進，海床鏈段更換系泊錨腿解脫/回接的現場主要作業(yè)流程為：回收1 100 m躺地纜與345 m配重鏈之間的三角板、解脫下放345 m配重鏈、回收躺地纜、更換躺地纜、制作索接頭、鋪設更換后的躺地纜、回收345 m配重鏈、回接系泊錨腿。相比于懸浮鏈段的更換作業(yè)，海床鏈段更換時作業(yè)船與FPSO、限位船之間的距離較遠，沒有相互碰撞風險。雖然作業(yè)元素較少，但作業(yè)仍需精準把控、統(tǒng)一指揮。

3.1 FPSO與主作業(yè)船、空潛支持船、限位船的位置控制

此次作業(yè)通過應用水面差分GPS定位系統(tǒng)[2]、中央控制通訊系統(tǒng)、ROV水下精準定位及空氣潛水水下觀察等多種技術手段進行現場控制[4]。中央控制通訊系統(tǒng)建立各作業(yè)船舶實時通訊，由作業(yè)船為作業(yè)主線進行作業(yè)任務推進，向各作業(yè)船舶發(fā)出指令，統(tǒng)一調度指揮，保證作業(yè)按程序進行，避免了不必要的交叉作業(yè)等帶來的風險。同時通過水面定位系統(tǒng)，在作業(yè)船上可以實時監(jiān)控各作業(yè)船位置、ROV水下定位，使主作業(yè)船為其作業(yè)指令的制定提供精準信息，使所有參與作業(yè)的相關方對作業(yè)任務及整體情況都有直觀的全局了解。水面、水下及作業(yè)程序的精準控制保證了此次作業(yè)高效、順利完成。水面定位系統(tǒng)見圖5，ROV水下作業(yè)情況見圖6。

圖5 作業(yè)水面定位系統(tǒng)顯示屏圖示

圖6 ROV水下作業(yè)情況

3.2 孤立波的監(jiān)測與警示

在流花11-1油田，作業(yè)區(qū)域孤立波[5]是一種非常規(guī)的常見波浪流，孤立波會形成瞬時的強流對作業(yè)區(qū)域產生強烈沖擊，在系泊錨腿解脫時進行ACT傳遞或回收傳遞時，主作業(yè)船的ROV需在水下進行鎖具掛鉤，主作業(yè)船的工作絞車索具會釋放下水，同時空氣潛水支持船處于帶纜FPSO狀態(tài)，在這個作業(yè)環(huán)節(jié)，不僅主作業(yè)船與FPSO、空氣支持船之間的距離很?。ㄋ矔r最小距離不足20 m），水下索具、錨鏈、ROV也是多方聚集，如果孤立波在這個環(huán)節(jié)突然襲來，可能會引起船舶之間的碰撞或水下各部分之間的纏繞，存在很大的安全隱患，因此必須進行孤立波的監(jiān)測與警示[5]。

多年來，人們對孤立內波的危害程度了解不深，由于其形成具有臨時性、不確定性，人們很難做出經驗上的判斷，所以在作業(yè)期間必須要全程進行孤立波的監(jiān)測。本次作業(yè)指定其中的一艘作業(yè)船舶在來流的上游2 n mile左右進行實時監(jiān)測，一旦有孤立波來襲，監(jiān)測船舶立即通報各作業(yè)船舶，以便回收ROV，并讓各作業(yè)船舶（尤其是主作業(yè)船與限位船）調整船位等以減輕孤立波帶來的影響，避免險情發(fā)生。孤立波的實時監(jiān)測為系泊錨腿解脫/回接作業(yè)提供了有效的安全保障。

4 系泊錨腿解脫/回接作業(yè)的預調查與后調查

系泊錨腿解脫/回接作業(yè)為水下作業(yè)內容，與常規(guī)的海洋工程作業(yè)相比有更大的未知性、不確定性。作業(yè)本身受FPSO吃水時間窗、天氣時間窗限制，具有階段可行性、連續(xù)性、不可重復性等特點。因此在進行現場作業(yè)之前進行現場預調查可有效地掌握系泊錨腿在解脫前的最新狀態(tài)，為作業(yè)前的準備、作業(yè)中可能遇到的困難、與預計作業(yè)偏差的估計等都提供了最新的信息。預調查通過ROV進行水下觀測，將需要更換鋼纜的系泊錨腿整體檢查一遍，以確定是否有異常情況存在。通過預調查，可以在現場系泊錨腿解脫作業(yè)前掃除水下未知狀態(tài)的安全隱患，為現場作業(yè)的順利開展奠定了堅實的基礎。

在系泊錨腿解脫/回接作業(yè)完成后，采用ROV沿鋼纜鋪設方向進行全程檢查并記錄[5]，以檢驗作業(yè)結果，確保在作業(yè)過程中新更換的鋼纜沒有發(fā)生扭曲、斷絲等人力無法監(jiān)測的作業(yè)損傷。作業(yè)后調查方案的制定與實施有效地保證了作業(yè)結果，為零損傷完成新鋼纜的更換、零遺留隱患提供了有效保障。

5 結束語

流花11-1油田“南海勝利”號FPSO系泊錨腿應急維修作業(yè)已順利完成。此維修項目通過模擬計算、精準控制，使系泊錨腿解脫/回接工作零反工、零事故。整個系泊錨腿維修的兩大作業(yè)內容（懸浮鏈段更換及海床鏈段更換）的實際作業(yè)時間比原計劃減少30%左右，有效節(jié)省了船舶機具等作業(yè)費用，同時此次作業(yè)是在FPSO不解脫、不停產的條件下進行的，真正做到了在有效保證油田作業(yè)區(qū)不減產的情況下消除重大作業(yè)隱患。

FPSO永久式內轉塔單點系泊系統(tǒng)錨泊錨腿的解脫、回接和鋼纜更換在國內深水尚屬首次，此次錨泊錨腿的解脫/回接作業(yè)在技術方案制定、設備技術選型、現場精準控制等方面精于管理，敢于創(chuàng)新，取得了一定的經驗，可為日后國內深水浮式生產設施錨泊錨腿的維修提供有價值的參考。