動(dòng)力定位起重船舷側(cè)輔助深水導(dǎo)管架安裝關(guān)鍵技術(shù)

邱 煒，崔廣亮，孟小雨，王 超，李啟寶，楊 杰

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

1 項(xiàng)目概述

海洋油氣資源豐富，在全球油氣資源總量中占比三成，因此，開展海洋油氣開發(fā)具有極高的能源戰(zhàn)略價(jià)值[1]。隨著海洋能源開發(fā)的逐步深入，近海及淺海大陸架油氣資源的探索與開發(fā)已趨于飽和，油氣資源開發(fā)重點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)向深海[2]。中國南海是我國近海中面積最大、水深最深的海區(qū)，平均水深達(dá)1 212 m，其地貌類型多樣，油氣資源儲(chǔ)量居中國四大海域之首，同時(shí)又是重要的國際航運(yùn)通道。對(duì)南海油氣資源的開發(fā)，具有獨(dú)一無二的資源價(jià)值與戰(zhàn)略意義[3]。

隨著國內(nèi)對(duì)海洋油氣的進(jìn)一步開發(fā)，針對(duì)海洋工程裝備的研究也逐步從淺海邁向深海。樁基式平臺(tái)又稱導(dǎo)管架式平臺(tái)，也在逐步由淺海轉(zhuǎn)向深海發(fā)展。樁基式平臺(tái)下部支撐為導(dǎo)管架，上部結(jié)構(gòu)為用于安裝生產(chǎn)設(shè)備與生活設(shè)施的平臺(tái)，具有穩(wěn)定性好、操作方便、技術(shù)成熟、甲板承載力較大等優(yōu)點(diǎn)[4]。導(dǎo)管架是由腿柱和若干連接腿柱用的連桿構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)[5]，隨著水深的增加，其總體尺寸與總質(zhì)量隨之增大，建造、運(yùn)輸、安裝難度也逐級(jí)遞增[6]。

深水大型導(dǎo)管架由于受限于自重及安裝水深，因而極少采用立式建造、裝船運(yùn)輸、吊裝方式安裝；其安裝多采用臨海場(chǎng)地臥式建造，而后拖拉裝載至駁船，再拖航至施工現(xiàn)場(chǎng)，最后滑移下水后扶正、坐底、就位[7]。導(dǎo)管架的建造、運(yùn)輸、安裝流程[8]分類見表1。

表1 導(dǎo)管架的建造、運(yùn)輸、安裝流程分類

本次施工的主作業(yè)船海洋石油201船是4 000 t級(jí)全回轉(zhuǎn)鋪管起重作業(yè)船，如圖1所示。該船按照工作性質(zhì)可劃分成兩種作業(yè)模式，即鋪管模式和起重模式。兩種模式不僅在軟件系統(tǒng)上存在很大差異，在硬件條件上也存在很大不同，兩種模式相互轉(zhuǎn)換過程中，耗時(shí)最長(zhǎng)、工作量最大的就是艉托管架的拆裝工作。本項(xiàng)目以陸豐14-4鉆采平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱陸豐14-4 DPP）導(dǎo)管架安裝為例，對(duì)海洋石油201船攜帶托管架工況下舷側(cè)輔助導(dǎo)管架扶正及鋼樁安裝進(jìn)行可行性技術(shù)研究。

圖1 海洋石油201船

2 船舶主要參數(shù)

按定位方式不同，導(dǎo)管架安裝的主作業(yè)船分為錨系船和動(dòng)力定位船兩類。動(dòng)力定位起重船作業(yè)適應(yīng)能力強(qiáng)，移船速度快，施工效率高，精就位能力強(qiáng)，是起重船舶的主流發(fā)展方向，導(dǎo)管架安裝從常規(guī)錨系船舶安裝轉(zhuǎn)向動(dòng)力定位船舶安裝已成必然趨勢(shì)[9]。同為海洋石油工程起重作業(yè)的旗艦船舶，藍(lán)鯨號(hào)為全回轉(zhuǎn)錨系起重船，海洋石油201船為動(dòng)力定位起重船，兩船主要船舶參數(shù)見表2。海洋石油201船具備DP3級(jí)動(dòng)力定位能力，配置有一套包括位置測(cè)量、艏向測(cè)量、環(huán)境測(cè)量和運(yùn)動(dòng)參考系統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)，艉設(shè)2臺(tái)4 500 kW全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，艏及舯設(shè)5臺(tái)3 200 kW伸縮式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器。通過動(dòng)力定位系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)感知外界風(fēng)、浪、流等擾動(dòng)變化，經(jīng)過計(jì)算后控制推進(jìn)器推力與力矩，實(shí)現(xiàn)船舶位置及艏向的保持[10]。

表2 藍(lán)鯨船與海洋石油201船參數(shù)

3 陸豐14-4鉆采平臺(tái)導(dǎo)管架

陸豐14-4 DPP位于中國南海珠江口盆地珠Ⅰ坳陷陸豐凹陷，距香港東南約216.0 km，距已開發(fā)的陸豐13-1平臺(tái)西北13.0 km，油田所在海域水深約144.3 m。陸豐14-4 DPP導(dǎo)管架是8腿12裙樁結(jié)構(gòu)，頂部水平層尺寸為64.0 m×18.0 m，底部水平層尺寸為80.0 m×70.0 m，高度為157.8 m，下水重力為156 500 kN，剩余浮力為12.7%。該導(dǎo)管架共設(shè)12個(gè)注水壓載艙室，注水壓載艙室布置在4條主腿上，每條主腿設(shè)置底艙、中艙、上艙3個(gè)艙室。陸豐14-4 DPP導(dǎo)管架鋼樁參數(shù)見表3，注水壓載艙室布置見圖2。

圖2 陸豐14-4 DPP導(dǎo)管架注水壓載艙室布置示意

表3 陸豐14-4 DPP鋼樁參數(shù)

4 舷側(cè)輔助導(dǎo)管架扶正

深水導(dǎo)管架扶正是一項(xiàng)施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)性較高的海上作業(yè)，一般分為吊機(jī)輔助注水扶正和自扶正兩種方式。吊機(jī)輔助注水扶正是指導(dǎo)管架下水后，通過按設(shè)計(jì)順序?yàn)閴狠d艙注水，在起重船吊機(jī)的輔助下，將導(dǎo)管架從水平漂浮狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷顟B(tài)的過程[11]。自扶正是指導(dǎo)管架下水后，通過導(dǎo)管架上預(yù)設(shè)的孔洞自動(dòng)充水至導(dǎo)管架基本豎直，而后吊機(jī)輔助注水至完全豎直的過程。扶正方式的選擇主要受導(dǎo)管架剩余浮力制約[12]，吊機(jī)輔助注水扶正的工作模式適用于導(dǎo)管架剩余浮力為10%～12%的情況；自扶正模式由水平到基本豎直的過程沒有吊機(jī)輔助，對(duì)導(dǎo)管架剩余浮力的要求較高，通常要求為15%。

扶正作業(yè)對(duì)環(huán)境條件要求較為嚴(yán)格，環(huán)境限制條件為：第一，最大平均風(fēng)速10 m/s；第二，最大表面流速1.5 kn；第三，最大有義波高1.5 m；第四，最大波浪周期9 s；第五，天氣窗口至少72 h。扶正施工總體流程[13]為：其一，起重船靠泊導(dǎo)管架，進(jìn)行控制纜連接及首部濕拖纜解除；其二，導(dǎo)管架扶正準(zhǔn)備，連接扶正索具及注水系統(tǒng)聯(lián)調(diào)；其三，導(dǎo)管架注水扶正；其四，坐底就位。

4.1 起重船靠泊導(dǎo)管架

4.1.1 靠泊方式選擇

綜合考慮陸豐施工海域風(fēng)、浪、流等環(huán)境因素影響，為有效減小海洋石油201船的運(yùn)動(dòng)，保證吊機(jī)穩(wěn)定，導(dǎo)管架扶正時(shí)海洋石油201船需要選擇頂流就位[14]。同時(shí)，不同于以往采取海洋石油201艉靠泊導(dǎo)管架的模式，本次靠泊采取海洋石油201船舷側(cè)靠泊導(dǎo)管架首部的模式，導(dǎo)管架位于海洋石油201船舷側(cè)，導(dǎo)管架縱軸與海洋石油201船主軸垂直，如圖3所示。

圖3 舷側(cè)靠泊示意

通過3條控制纜，連接導(dǎo)管架首部與海洋石油201船左舷舯、艉。控制纜連接完成后，解除導(dǎo)管架首部與拖輪連接的2條濕拖纜，完成導(dǎo)管架首部導(dǎo)向控制的轉(zhuǎn)移。

4.1.2 導(dǎo)管架濕拖力分析

導(dǎo)管架舷側(cè)扶正作業(yè)需要將導(dǎo)管架穩(wěn)定在相對(duì)于海洋石油201船的如圖3所示的位置，能否保持導(dǎo)管架位置是整個(gè)舷側(cè)扶正作業(yè)的關(guān)鍵。選取最大平均風(fēng)速10 m/s、最大表面流速1.5 kn的環(huán)境條件，通過MOSES軟件建立模型，對(duì)導(dǎo)管架進(jìn)行濕拖力計(jì)算分析，計(jì)算分析結(jié)果見表4。計(jì)算結(jié)果顯示，在導(dǎo)管架縱軸與流向、風(fēng)向都垂直的工況下，導(dǎo)管架濕拖力為1 632 kN。經(jīng)過校核，海洋石油201船兩根控制纜（控制纜1與控制纜3）可以提供垂向拖力1 176 kN，拖輪4能夠提供垂向拖力1 470 kN，海洋石油201船及拖輪4垂向拖力之和為2 646 kN，滿足導(dǎo)管架濕拖拖力的需求，由此可見海洋石油201船及拖輪4能夠保持導(dǎo)管架的相對(duì)位置，該靠泊方案具備可行性。

表4 導(dǎo)管架濕拖力分析

4.2 導(dǎo)管架扶正準(zhǔn)備

導(dǎo)管架扶正準(zhǔn)備工作包括導(dǎo)管架扶正索具連接和注水系統(tǒng)聯(lián)調(diào)兩部分。導(dǎo)管架扶正索具共4條，在導(dǎo)管架臥式建造完成時(shí)，扶正索具是預(yù)固定于導(dǎo)管架B軸面首部?jī)蓚?cè)的索具平臺(tái)上的，因此需要先依次解除4條扶正索具的固定，而后把它們掛于海洋石油201船主吊機(jī)4 000 t主鉤內(nèi)。扶正索具參數(shù)見表5。

表5 扶正索具參數(shù)

導(dǎo)管架12個(gè)壓載艙內(nèi)、外側(cè)對(duì)稱設(shè)有注水控制閥。內(nèi)側(cè)液壓注水控制閥在連接液壓管道后可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，外側(cè)手動(dòng)控制閥用于ROV的應(yīng)急注水操作。扶正索具連接完成后，連接注水系統(tǒng)液壓控制管道，進(jìn)行注水系統(tǒng)調(diào)試[15]。

4.3 導(dǎo)管架注水扶正

在吊機(jī)的輔助下，按壓載艙的設(shè)計(jì)注水順序，導(dǎo)管架以68個(gè)浮態(tài)逐步扶正。通過使用MOSES軟件進(jìn)行三維時(shí)域模擬，優(yōu)化導(dǎo)管架扶正運(yùn)動(dòng)軌跡，從結(jié)構(gòu)空間干涉與結(jié)構(gòu)受力兩方面對(duì)扶正過程進(jìn)行校核[16-17]。導(dǎo)管架扶正關(guān)鍵工況示例見表6[18]，導(dǎo)管架扶正現(xiàn)場(chǎng)見圖4。

表6 導(dǎo)管架扶正關(guān)鍵工況示例

圖4 導(dǎo)管架扶正現(xiàn)場(chǎng)

結(jié)構(gòu)空間干涉校核包括：第一，起重船吊機(jī)限制高度與跨距校核；第二，導(dǎo)管架與起重船安全間距校核；第三，導(dǎo)管架底部與海床間隙校核。結(jié)構(gòu)受力校核包括：其一，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核；其二，起重船吊機(jī)負(fù)荷校核（鉤頭力校核）；其三，吊點(diǎn)及索具強(qiáng)度校核；其四，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)穩(wěn)性校核。

4.4 導(dǎo)管架坐底就位

坐底就位是指導(dǎo)管架扶正后，將直立狀態(tài)的導(dǎo)管架移動(dòng)至設(shè)計(jì)位置，下放至海床，并將全部壓載艙100%注水的過程[19]。導(dǎo)管架坐底就位需要導(dǎo)航定位系統(tǒng)的引導(dǎo)。導(dǎo)航定位系統(tǒng)主要由DGPS、羅經(jīng)、兩臺(tái)全站儀及定位軟件組成。導(dǎo)管架注水扶正后，由架設(shè)在海洋石油201船舷側(cè)的兩臺(tái)全站儀觀測(cè)導(dǎo)管架上的兩個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，得出站點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的距離和角度值，經(jīng)過導(dǎo)航定位軟件解算后，在導(dǎo)航定位軟件上實(shí)時(shí)顯示導(dǎo)管架當(dāng)前的位置與方位，同時(shí)顯示與設(shè)計(jì)位置的偏差，而后通過調(diào)整海洋石油201船的位置及艏向來調(diào)整導(dǎo)管架的位置，當(dāng)導(dǎo)管架的位置與方位符合設(shè)計(jì)要求后，將管架下放至海底，打開全部壓載艙進(jìn)行100%注水，此時(shí)導(dǎo)管架坐底就位完成了。

5 舷側(cè)靠泊鋼樁安裝

導(dǎo)管架坐底完成后進(jìn)行鋼樁安裝。陸豐14-4DPP選用的鋼樁長(zhǎng)度長(zhǎng)、樁徑粗、重量大，鋼樁安裝過程中的起樁、插樁、打樁為導(dǎo)管架安裝的關(guān)鍵步驟，其中4根主樁的高精度安裝更是直接影響平臺(tái)水平度的關(guān)鍵技術(shù)[20]。

鋼樁安裝作業(yè)對(duì)環(huán)境條件要求略低于導(dǎo)管架安裝，環(huán)境限制條件為：其一，最大平均風(fēng)速10 m/s；其二，最大表面流速1.5 kn；其三，最大有義波高1.5 m；其四，最大波浪周期9 s。

海洋石油201艉部托管架共4節(jié)，日常鋪管作業(yè)多使用2～3節(jié)，拆裝一次托管架耗時(shí)約7d，需投入極高的經(jīng)濟(jì)成本及人力成本。本方案是在不拆除海洋石油201艉第1節(jié)托管架的情況下，采用雙船舷側(cè)靠泊的方式完成鋼樁安裝。鋼樁安裝順序?yàn)橄戎鳂丁⒑筝o樁，采用“插高打高”的模式，最后調(diào)平和灌漿。安裝過程中各工況的吊裝參數(shù)校核見表7。

表7 鋼樁安裝各工況吊裝參數(shù)校核

5.1 雙船靠泊

海洋石油201船完成導(dǎo)管架安裝后，需撤離導(dǎo)管架至滿足安全距離（500 m），船左舷掛碰球，載有鋼樁的駁船靠泊海洋石油201船左舷。考慮南海孤立波影響，船位選擇時(shí)，雙船避免在導(dǎo)管架東南方向就位，見圖5。

圖5 鋼樁安裝工況船位

5.2 鋼樁平吊、起樁

ROV完成水下調(diào)查，剪除導(dǎo)管架底部2條濕拖纜。起重船主吊機(jī)模式轉(zhuǎn)換，采用800 t吊鉤替換4 000 t主鉤。同時(shí)，在駁船艉部安裝導(dǎo)向柱，解除駁船上鋼樁固定，通過輔吊輔助，連接平吊索具。主吊機(jī)起吊，平移鋼樁至通道內(nèi)設(shè)計(jì)位置，而后拆除平吊索具，安裝吊樁器，連接起樁索具。起樁系統(tǒng)主要設(shè)備及工機(jī)具包括尾鉤、環(huán)形索具、錨鏈、止鏈器、滑輪組、絞車等，見圖6。主吊機(jī)起樁至鋼樁脫離駁船，完全豎直后，解除起樁系統(tǒng)，主吊機(jī)自左舷經(jīng)由艉托管架外側(cè)旋轉(zhuǎn)至右舷，準(zhǔn)備插樁工作。

圖6 起樁系統(tǒng)示意

鋼樁平吊起樁過程中，因起樁通道位于駁船近起重船側(cè)，為保證實(shí)際跨距滿足最小跨距的要求，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中稍松纜繩，利用起重船艉推排出流將駁船艉吹離，同時(shí)，起重船配合調(diào)載，保持右傾縮小變幅角度后完成外側(cè)鋼樁平吊。待鋼樁平吊入起樁通道后，吊機(jī)向外變幅。該作業(yè)方案簡(jiǎn)單高效，有效規(guī)避了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了極小跨距下的吊裝作業(yè)。

5.3 鋼樁插樁

起重船移船，ROV于水下導(dǎo)管架待插樁的裙樁套筒附近待命，配合主吊機(jī)開展鋼樁插樁工作。吊機(jī)下放，鋼樁入水至裙樁套筒之上，鋼樁中心對(duì)準(zhǔn)裙樁套筒中心后緩慢下放，鋼樁依托重力穿透防水隔板，準(zhǔn)確插入裙樁套筒后，順套筒緩慢下沉，在重力作用下插入海床，至自由入泥12.5 m。插樁完成后，主吊機(jī)配合吊樁器泄壓，完成吊樁器回收，見圖7。

圖7 插樁作業(yè)施工現(xiàn)場(chǎng)

5.4 鋼樁打樁

回收吊樁器后，進(jìn)行打樁錘的安裝。打樁錘分為錘體、動(dòng)力站、控制室三個(gè)模塊。吊機(jī)起吊打樁錘錘體，在ROV水下監(jiān)控輔助下，移動(dòng)錘體并套錘于鋼樁，驅(qū)動(dòng)打樁錘，克服樁側(cè)摩擦力與樁端阻力[21]，將鋼樁打入預(yù)定海床深度，隨后回收打樁錘。

6 結(jié)束語

陸豐14-4 DPP導(dǎo)管架于2021年4月順利完成了舷側(cè)安裝施工。舷側(cè)輔助深水導(dǎo)管架安裝技術(shù)的成功應(yīng)用，有效規(guī)避了海洋石油201船艉托管架的拆裝工作，壓縮了海上作業(yè)時(shí)間，為項(xiàng)目節(jié)約了大量施工成本。該技術(shù)為今后類似項(xiàng)目的施工積累了技術(shù)和施工經(jīng)驗(yàn)。