吸力錨與樁錨在深水浮式平臺系泊系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

汪智峰

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

海洋油氣浮式生產(chǎn)平臺系泊系統(tǒng)錨固基礎(chǔ)形式的選擇主要取決于海底土質(zhì)及平臺結(jié)構(gòu)形式，主要的錨固基礎(chǔ)形式有吸力錨、樁錨、重力錨等[1-2]。傳統(tǒng)重力錨、拖曳錨由于抓重比較小且不能抵御垂直負(fù)載，限制了各類系泊系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用；此外安裝過程易發(fā)生走錨，定位精度低、安全性也較差，因此難以滿足深水需求。針對我國南海的復(fù)雜情況，錨固基礎(chǔ)的選擇對我國海洋油氣資源的開發(fā)具有重要意義。

1 2種錨固基礎(chǔ)的應(yīng)用情況

根據(jù)不同海況、水深與地質(zhì)條件選擇合適的錨固基礎(chǔ)是至關(guān)重要的，依托目前南海在建的深水項(xiàng)目——流花16-2項(xiàng)目與陵水17-2項(xiàng)目，對海洋油氣生產(chǎn)平臺常用的2種錨固基礎(chǔ)的工程應(yīng)用進(jìn)行介紹。

1.1 吸力錨

吸力錨是一個(gè)上端封閉、下端開口的圓筒，適用于深水系泊系統(tǒng)。在吸力錨使用過程中要解決的關(guān)鍵問題包括吸力錨的可沉入性研究與吸力錨的承載性能研究[3]。

表1 我國在建典型深水項(xiàng)目錨固基礎(chǔ)情況

表2 各類浮式生產(chǎn)平臺吸力錨應(yīng)用案例

1.2 樁錨

樁錨在張力腿平臺的系泊系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，隨著水深的不斷增加，樁錨仍然可以作為系泊基礎(chǔ)，但應(yīng)用相對較少，主要原因是打樁錘的費(fèi)用和打樁作業(yè)的成本會隨著水深的增加而大幅度提高，另外樁錨的水平承載能力要遠(yuǎn)低于其豎直承載能力。

表3 各類浮式生產(chǎn)平臺樁錨應(yīng)用案例

2 2種錨固基礎(chǔ)安裝的關(guān)鍵設(shè)備

2.1 用于吸力錨安裝的吸力泵

吸力泵作為吸力錨安裝過程的關(guān)鍵設(shè)備，該設(shè)備分為ROV攜帶式和泵撬塊型水面控制式等2種類型。

1）ROV攜帶式系統(tǒng)。深水模式安裝吸力錨通常選用ROV攜帶式吸力泵系統(tǒng)[4]，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，則會影響貫入效率。

2）泵撬塊型水面控制式。隨著對深水工程技術(shù)的研究，通過對液壓系統(tǒng)的改進(jìn)及對相關(guān)結(jié)構(gòu)密封性的處理，使得泵撬塊的工作水深達(dá)到水下1500 m，而且可以從水上操控泵撬塊的各種動作，同時(shí)可以監(jiān)控泵撬塊本身的工作狀態(tài)。流花16-2項(xiàng)目采用了泵撬塊型水面控制式。吸力泵的型號為SAPS-008。吸力泵外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SAPS-008吸力泵結(jié)構(gòu)圖

2.2 用于樁錨安裝的打樁錘與導(dǎo)向架

2.2.1 打樁錘

按使用范圍分，有陸用、淺水用、深水用等3種系列打樁錘；按工作原理分，有單作用與雙作用等2種形式打樁錘[5]。打擊能量范圍從幾十千焦到4000 kJ。在陵水17-2項(xiàng)目中采用液壓打樁錘，這是一種以液壓能為驅(qū)動力，利用錘擊沉樁原理進(jìn)行海上樁基施工作業(yè)的工程設(shè)備。采用MENCK MHU-500將所有樁打入61 m和64 m的設(shè)計(jì)深度，如圖2所示。除打樁錘外，還有1套備用空壓機(jī)、1套備用臍帶纜滾筒及3套備用跨接管（打樁錘與臍帶纜滾筒之間），共同構(gòu)成樁錘系統(tǒng)。

圖2 MENCK MHU-500外觀圖

2.2.2 導(dǎo)向架

導(dǎo)向架主要是保證鋼樁的傾斜度和下錨鏈的方位要求，即對鋼樁進(jìn)行垂直和水平方向的導(dǎo)向。按照結(jié)構(gòu)的不同，分為液壓可打開式導(dǎo)向架、筒式導(dǎo)向架與翼板式導(dǎo)向架。在陵水17-2項(xiàng)目中采用液壓可打開式導(dǎo)向架，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 IHC 84FF液壓可打開式導(dǎo)向架

3 2種錨固基礎(chǔ)的安裝方法對比

3.1 吸力錨的安裝

3.1.1 流花16-2油田介紹

流花16-2油田采用FPSO海洋石油119浮式生產(chǎn)平臺，其中FPSO平臺布置于420 m水深位置，9條錨腿分3組均勻分布，每組系泊錨腿間隔120°。錨固基礎(chǔ)選用吸力錨，吸力錨直徑為5.5 m，總長為15.9 m，自由貫入深度為2.9～4.9 m，最終貫入深度為15 m，總質(zhì)量為121 t。

圖4 海洋石油119系泊系統(tǒng)平面布置圖

3.1.2 海上施工工藝

安裝船運(yùn)輸吸力錨到達(dá)作業(yè)海域后，下放2臺ROV，通過定位測量系統(tǒng)在海底測量標(biāo)記安裝位置。吸力錨通過吊機(jī)起吊并下放，到達(dá)海底后，吸力錨先靠自重自行插入海底；沉降平穩(wěn)后，采用ROV關(guān)閉泄放閥，通過吸力泵將吸力錨內(nèi)的水抽出，使其下降[6]。詳細(xì)的安裝工藝如下：1）海床預(yù)調(diào)查及吸力泵下放前檢查測試。2）組裝吸力泵和吸力錨，甲板操作液壓泵裝置（HPU）插入鎖銷。連接甲板測試動力系統(tǒng)單元至吸力泵本體，打開吸力泵插銷和排水閥。主吊機(jī)起吊吸力泵，吸力泵緩慢插入吸力錨頂部法蘭和吊耳板，切割一半甲板焊接固定。3）解除吸力錨全部海固，吊機(jī)起吊吸力錨。4）吊機(jī)擺至右舷，將吸力錨吊出甲板，緩慢下放，當(dāng)吸力錨頂部與甲板基本平齊時(shí)，設(shè)備人員拔掉連在吸力泵上的甲板動力單元的管線（快速插拔接頭），然后吊機(jī)繼續(xù)下放吸力錨至30 m水深處。記錄吊裝過程中吊機(jī)載荷。5）ROV對吸力錨的狀態(tài)進(jìn)行檢查。主要包括吸力錨吊裝索具、吸力泵鎖銷和閥門的狀態(tài)、吸力錨初始傾斜度和錨頭鏈狀態(tài)的檢查。6）吸力錨緩慢下放，調(diào)整與就位。吊機(jī)繼續(xù)下放吸力錨至距海床30 m的區(qū)域，調(diào)整船位將吸力錨移至安裝區(qū)域上方，并開啟吊機(jī)的升降補(bǔ)償功能。7）吊機(jī)下放吸力錨至離海底3 m處，ROV#2抓住吸力泵上的把手調(diào)整樁的艏向，以保證吸力錨的位置和方向處于可控范圍內(nèi)。ROV#1在吸力錨底部觀察觸泥情況。8）吊機(jī)繼續(xù)下放，吸力錨繼續(xù)完成自沉。當(dāng)達(dá)到自重貫入深度后，ROV#2將吸力錨頂部泄放閥關(guān)閉。ROV#2啟動吸力泵，下沉吸力錨，同時(shí)ROV#1移除在吸力錨頂部的索具。9）貫入過程ROV#2關(guān)注吸力泵面板上壓差數(shù)據(jù)和牛眼，ROV#1在一側(cè)觀察吸力樁入泥的深度。10）吸力錨持續(xù)貫入到目標(biāo)深度，完成吸力錨安裝。確認(rèn)吸力錨的位置、垂直度處于可控的允許誤差范圍之內(nèi)。

圖6 吸力錨水下貫入示意圖

圖7 半潛平臺系泊系統(tǒng)平面布置圖

3.2 樁錨的安裝

3.2.1 陵水17-2項(xiàng)目介紹

圖8 半潛平臺系泊系統(tǒng)樁錨基礎(chǔ)總體設(shè)計(jì)圖

陵水17-2氣田采用半潛式浮式生產(chǎn)平臺，采用4×4張緊式系泊系統(tǒng)，共有16根“鏈+聚酯纜+鏈”系泊纜均勻地布置在平臺四周。其中半潛平臺水深為1422 m，樁錨直徑為2.134 m，總長為65.5/68.5 m，自由貫入深度為10～14 m，最終貫入深度為61/64 m，樁錨總質(zhì)量為157/162 t。

3.2.2 海上施工流程

此次海上安裝作業(yè)使用的主要施工資源為：1條主作業(yè)船（配有400 t深水吊機(jī)，2臺3000 m級ROV），2條運(yùn)輸駁船和樁錨安裝的專用設(shè)備（打樁錘、導(dǎo)向架、船側(cè)懸掛平臺和打樁錘防扭裝置）等。采用的專業(yè)施工技術(shù)包括水下定位、錨樁水下扶正等。通過運(yùn)輸駁船進(jìn)行錨樁運(yùn)輸，主作業(yè)船在錨樁安裝位置就位后，運(yùn)輸駁船靠泊主作業(yè)船進(jìn)行錨樁起吊。樁錨安裝工藝如下：1）準(zhǔn)備工作及預(yù)調(diào)查。準(zhǔn)備工作包括ROV、導(dǎo)向架、打樁錘、運(yùn)輸駁船、主作業(yè)船。進(jìn)行海床坡度測量、導(dǎo)向架/樁位置的測量及錨點(diǎn)附近30 m以內(nèi)垃圾清理；安裝并校準(zhǔn)定位測量系統(tǒng)。2）提前在水下進(jìn)行LBL定位基陣安裝，由吊機(jī)下放導(dǎo)向架，2臺ROV監(jiān)測導(dǎo)向架的艏向和垂直度。通過ROV調(diào)整導(dǎo)向架的位置。3）作業(yè)船吊機(jī)將錨樁從運(yùn)輸駁船起吊。錨樁下放就位至導(dǎo)向架中心套筒頂部架喇叭口0.5 m上，通過ROV調(diào)整錨樁艏向，吊機(jī)下放錨樁沿著中心套筒喇叭口進(jìn)入導(dǎo)向架內(nèi)部。4）主作業(yè)船下放打樁錘，下放到距離錨樁5 m時(shí)停止，此時(shí)吊機(jī)開啟自動升降補(bǔ)償功能，樁錘以0.1 m/s的速度插入錨樁。5）打樁作業(yè)。當(dāng)錨樁頂部到達(dá)導(dǎo)向架頂部高度時(shí)，導(dǎo)向架自動打開，繼續(xù)打樁到打樁設(shè)計(jì)深度。6）回收打樁錘。在進(jìn)行下一打樁任務(wù)前，回收打樁錘至150 m水深。7）回收導(dǎo)向架。下放400 t吊機(jī)鉤頭至海底，用ROV將ROV鉤與導(dǎo)向架回收索具進(jìn)行連接，在打樁作業(yè)結(jié)束前，400 t吊機(jī)吊著導(dǎo)向架保持在距海床50 m處。并不斷調(diào)整船舶艏向，使回收過程中導(dǎo)向架與快速公接頭的位置與錨腿路由對齊。8）快速公接頭臨時(shí)放置于錨樁頂部。調(diào)整船舶位置及艏向，用100 t吊機(jī)將快速公接頭以0.1 m/s的速度放回錨樁頂部。9）移船至下一打樁位置。此時(shí)，100 t吊機(jī)吊著快速接頭濕存架在距離海床150 m處，400 t吊機(jī)吊著導(dǎo)向架在海床以上50 m處，樁錘被回收至150 m水深處的可傾斜的鋪設(shè)系統(tǒng)（TLS）中。保持導(dǎo)向架與快速接頭濕存架的最大間距。

圖9 打樁錘吊裝下放示意圖

4 2種錨固基礎(chǔ)的風(fēng)險(xiǎn)性和應(yīng)用對比

具體風(fēng)險(xiǎn)分析與應(yīng)對措施如表4所示。

表4 吸力錨和樁錨工程應(yīng)用中的風(fēng)險(xiǎn)性對比

5 結(jié)語

由于2種錨固基礎(chǔ)的工作原理和安裝工藝存在差異，因此在實(shí)際工程應(yīng)用中會因?yàn)槭┕りP(guān)鍵設(shè)備和施工作業(yè)的不同產(chǎn)生不一樣的施工風(fēng)險(xiǎn)。對2種錨固基礎(chǔ)在陸地建造、安裝資源配置、安裝效率等方面進(jìn)行分析對比總結(jié)，從而可以對吸力錨與樁錨2種錨固基礎(chǔ)的選擇和應(yīng)用有更好的理解?？傮w而言，吸力錨基礎(chǔ)形式在安裝風(fēng)險(xiǎn)、安裝效率及經(jīng)濟(jì)性方面均存在一定優(yōu)勢。