深水非受限樁基海上精準就位技術研究與應用

王浩宇 于文太 魏佳廣 黃山田

（海洋石油工程股份有限公司）

隨著淺海油田相繼進入產(chǎn)量遞減階段，走向深海已經(jīng)成為我國海洋油氣開發(fā)的重要戰(zhàn)略方向。 我國南海海域水深在500 m 以上的深水區(qū)約占海域總面積的75%，初步估計石油地質儲量約占我國油氣資源總量的三分之一，是未來油氣資源的重要增長點［1］。近年來，中國南海深水油氣勘探取得了一系列重大突破，荔灣3-1 氣田群、流花油田群及陵水氣田群等被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)。

隨著水深的增加，常規(guī)導管架平臺技術性和經(jīng)濟性逐漸降低，深水浮式平臺在經(jīng)濟性和可靠性方面擁有顯著優(yōu)勢。 樁基作為深水浮式平臺的關鍵組成部分， 其安裝精度對浮式平臺的在位性能影響巨大。 區(qū)別于淺水支撐平臺，深水浮式平臺的樁基安裝設有導向和限位結構，處于自由狀態(tài)，因此通過對深水非受限鋼樁超精準就位關鍵技術的研究，可以有效解決其精準就位的“卡脖子”問題，保障浮式平臺在位性能，是我國“走向”深水的關鍵，也是加快建設海洋強國的必由之路。

1 深水海洋平臺樁基應用概述

目前，深水新型采油平臺分為張力腿式平臺（TLP）、單筒式平臺（SPAR）、半潛式平臺（SEMI）和浮式生產(chǎn)平臺（FPSO）四大類（圖1）。

圖1 深水新型采油平臺的類型

TLP 平臺是一種垂直系泊的順應式平臺，其主要原理是首先在海底貫入樁基， 張力筋腱連接平臺和海底的鋼樁，通過平臺自身浮體，使得TLP平臺始終圍繞一個平衡位置運動；SPAR 平臺在總體上是一個龐大的直立圓柱體， 依靠浮力支撐水面上的設備，通過側向懸鏈線錨系固定，錨系的海底段與樁基或吸力錨相連接［2］；SEMI 平臺的主體結構由上船體、立柱、下浮體和斜撐結構組成，其定位系統(tǒng)主要有錨泊定位和動力定位， 因錨泊系統(tǒng)具有投資少、使用及維修方便等特點，是目前該平臺采用的主要定位方式［2］；FPSO 平臺類似于大型油輪的形狀，其通過單點系泊固定到海底，系泊錨鏈上端連接可旋轉單點結構， 下端連接樁基或吸力錨。

由此可見，樁基是目前深水平臺應用最為廣泛的結構，自由狀態(tài)下深水樁基的精確就位技術將會廣泛應用在南海深水各個項目。 目前的流花16-2 油田群FPSO 平臺、 陵水17-2 氣田群SEMI平臺均采用了樁基與錨鏈錨泊相連的形式。

2 深水樁基精準就位仿真研究

2.1 參數(shù)設定及建模

樁基在深水中下放和就位過程采用OrcaFlex軟件進行仿真模擬，用于研究和確定不同就位精度下， 環(huán)境條件的影響和作業(yè)天氣窗口的選取。該軟件可提供全三維非線性有限元時域分析，在樁基的超精就位模擬過程中，所需模型和邊界條件主要包括海域環(huán)境（風、浪、流及環(huán)境溫度）、施工設備和機具（作業(yè)船舶）、輔助安裝機具（起樁器、就位導向）等［3］。

2.1.1 環(huán)境參數(shù)

環(huán)境參數(shù)的設定包括空氣、水深、海水密度、浪高及海流等。 本次深水非受限樁基超精準就位計算分析依托“浮式生產(chǎn)裝置及水下生產(chǎn)系統(tǒng)安裝關鍵技術研究與應用”課題，以流花16-2 油田群開發(fā)項目為數(shù)據(jù)采集與研究應用對象。

流花16-2 油田群位于中國南海， 水深范圍390～410 m，海水密度1 025 kg/m3，典型浪高范圍0.5～2.5 m，典型波浪周期范圍5～14 s，海流剖面如圖2 所示；深水樁基的安裝作業(yè)通常在30 d 內(nèi)完成。根據(jù)API RT 2T（第三版）的建議：深水浮式平臺安裝的作業(yè)周期若超過7 d 且小于30 d 時，則應考慮十年一遇的環(huán)境條件。 對于南海開闊海域，在OrcaFlex 建模設置邊界條件時，還應考慮開闊海域孤立波的影響，流花16-2 油田孤立波分布統(tǒng)計見表1。

圖2 南海流花16-2 油田海流剖面圖

表1 南海孤立波分布統(tǒng)計

2.1.2 船舶參數(shù)

選取“藍鯨號”作為主作業(yè)船，船舶主要參數(shù)如下：

總長 293.2 m

型寬 50.0 m

型深 20.4 m

設計吃水 8.9 m

結構吃水 12.8 m

總重 64 110 t

主鉤 7500 t×2

輔鉤（全回轉） 1 600 t

舷吊 50 t

甲板載荷 10 t/m2

定位錨 8 t×10，12 t×2

錨纜規(guī)格 φ76 mm×2600 mm

船舶的RAO （Response Amplitude Operator）值可計算船舶在水中的運動響應［3］，其本質是由水文環(huán)境引發(fā)的船體運動函數(shù)。 船艏/船艉的RAO值采用MOSES 軟件計算，船舶坐標系采用笛卡爾坐標系。 在該坐標系中， 船體的重心COG 為x=98.75 m、y=0.00 m、z=11.96 m。 在OrcaFlex 運動分析中，考慮了0、45、90、135、180°波向的波浪荷載，對波浪和流向載荷的角度定義如圖3 所示。

圖3 坐標系及角度定義規(guī)則示意圖

2.1.3 樁基及誤差參數(shù)

樁基參數(shù)選取流花16-2 可行性研究方案中，TLP 平臺恒外徑2 743 mm、變壁厚的樁身截面作為分析對象，其各部分的參數(shù)見表2。

表2 樁基參數(shù)

2.1.4 數(shù)值建模

模型采用笛卡爾坐標系，x軸原點位于船頭中心，以基準海平面作為z軸的原點。 在OrcaFlex模擬鋼樁精就位環(huán)境條件的影響時，選取了兩種典型作業(yè)工況， 即船體與主扒桿成40°角和180°角（按圖3 定義）進行分析。

2.2 海洋環(huán)境對鋼樁精就位的影響分析

2.2.1 流速對樁基安裝的影響分析

通過OrcaFlex 模擬分析在兩種扒桿角度工況下流速對鋼樁的影響如圖4、5 所示。 由圖4、5可見， 水流流速對鋼樁的平動范圍基本沒有影響，而對樁體的傾斜度有顯著影響（隨著流速的增加，樁體的傾斜度越來越大）。在工程設計中，為保證樁基安裝滿足傾斜度的要求，要合理選擇施工窗口的水流流速。

圖4 流速對鋼樁位移（晃動幅值）的影響

圖5 流速對鋼樁傾斜度的影響

2.2.2 波浪對樁基安裝的影響分析

在兩種典型工況中，波浪對樁基安裝的影響主要考慮浪高和波浪周期的影響。 圖6、7 分別描述了浪高對樁基位移和傾斜度的影響。 由圖6、7可見，樁基位移敏感性和傾斜度隨波高的增加而增加，相關性幾乎是線性的。

圖7 浪高對鋼樁傾斜度的影響

圖8、9 分別描述了波浪周期對樁基位移和傾斜度的影響。 由圖8、9 可見，波浪周期對樁基位移和傾斜角的影響都挺大，隨著波浪周期的增加，樁基位移和傾角均呈指數(shù)型增加。

圖8 波浪周期對位移（晃動幅值）的影響

圖9 波浪周期對鋼樁傾斜度的影響

2.3 深水樁基安裝天氣條件

在4 種深水半潛平臺中，TLP 平臺對樁基就位的精度要求最高，以滿足張力筋腱的在位性要求。 筆者以TLP 平臺樁基為例，確定和選取深水樁基安裝作業(yè)的天氣條件。通常TLP 平臺樁基就位的精度要求見表3。

表3 TLP 平臺樁基就位精度要求

考慮到在工程作業(yè)過程中，會有船體操控、機械振動等產(chǎn)生的樁基位移、傾斜誤差疊加的因素，為保證樁基最終的就位精度， 給施工作業(yè)一些冗余誤差量， 取海洋環(huán)境影響樁基就位最大允許誤差的0.7 倍［4］。 由圖7 可以得出，流速為1.6 m/s時，樁基最大傾角約為0.7°。

綜合分析圖6～9 中浪高、波浪周期對樁基傾斜角和位移的敏感性得出：樁基的傾斜角和最大晃動位移隨波浪周期的增加呈指數(shù)型增大，當波浪周期大于11 s 后，樁基的傾斜角和最大晃動位移開始顯著增大；在波浪周期9 s 以下時，樁基的傾斜角和晃動值都處于比較穩(wěn)定的趨勢。 最后將最大波浪周期限定在9 s，浪高為2.5 m 時，樁基晃動位移約為0.4 m，傾斜角約為0.25°，樁基晃動幅值首先達到允許誤差值（0.6 m）的0.7 倍。 綜上所述，我國南海海域適合深水自由態(tài)樁基超精準就位的天氣窗口條件列于表4。

表4 南海海域鋼樁精就位的天氣窗口條件

3 深水非受限樁基超精準就位方案設計

3.1 長基線輔助定位方式

長基線輔助定位（Long Base Line，LBL）是目前世界上海洋工程作業(yè)公司廣泛采用的方式,尤其在西非、墨西哥灣等深水海域普遍應用［5］。具體操作流程如下：

a. 在鋼樁就位之前，根據(jù)水下機器人（ROV）預調(diào)結果和鋼樁就位坐標，按圖10a 布設LBL 陣列，每個陣列安裝4～5 個信標［6］。

b. LBL 基陣信標可安裝于信標架上， 由主作業(yè)船吊機下放至海底。 在下放信標架的過程中，應用USBL（Ultra-Short Baseline，超短基線定位系統(tǒng)）實時提供信標架位置，水下作業(yè)ROV 對信標架位置做最終調(diào)整，將信標架安裝于設計位置［6］。

c. LLBL 基陣布設結束后，基于數(shù)據(jù)采集，綜合計算基陣中的絕對位置進行校準，再在鋼樁設計安裝位置四周布設浮標（圖10b），用于鋼樁超精準安裝就位時的觀測、參照和引導。

圖10 LBL 陣列與鋼樁就位浮標示意圖

d. 鋼樁安裝時，將鋼樁垂直度測量儀安置在鋼樁頂部， 鋼樁在入水下放的過程中全程進行ROV 監(jiān)控。 當樁基下降至距離海床3 m 時，再準確測量LBL 基陣中鋼樁的位置［7］。

e. 調(diào)整船舶和吊機位置，當鋼樁位于設計位置上方時，下放鋼樁至海床表面。 若鋼樁滿足就位精度要求，則下放鋼樁至入泥3 m，此時復測鋼樁的垂直度和就位精度； 若不滿足設計要求，則將鋼樁提出泥面， 繼續(xù)進行樁基精就位作業(yè)，直至滿足就位精度和垂直度， 則吊機逐漸放松，使鋼樁達到自由入泥深度［7］。

3.2 鋼樁超精就位輔助結構設計

根據(jù)地質調(diào)查， 有的海域以砂質土層為主，不利于鋼樁的自由入泥。 以我國南海為例，海床下方6～10 m 為沙土層， 該土層的樁基摩擦角為27°左右，樁基的自由入泥通常比較淺，有時無法滿足自由站立的最小入泥要求。 因此，針對難以入泥的砂質地質條件，設計了自由態(tài)樁基的輔助安裝結構，以保證樁基的自由入泥深度，滿足自由站立的條件。

針對樁基分布較為集中的平臺，例如TLP 平臺和FPSO 錨樁陣列， 可設計整體基盤式輔助就位結構。 以TLP 平臺為研究目標，整體式輔助就位基盤如圖11 所示， 該基盤可輔助TLP 平臺所有的樁基安裝作業(yè)。 在定位基陣中，首先將整體輔助就位基盤精準就位，再將樁基插入到基盤套筒中，待樁基貫入到設計深度后，再將整體基盤回收。

圖11 整體式輔助就位基盤示意圖

針對樁基分布較為分散的平臺，例如單點系泊錨樁，可設計單樁基座式樁基輔助就位結構（圖12），該結構為單根樁基精準就位輔助裝置，在安裝時，也是先將基座精準就位于定位基陣中，待樁基安裝完畢后將基座回收。

圖12 單樁基座式輔助就位結構示意圖

4 試驗驗證

為了驗證深水非受限樁基超精準就位安裝技術的可行性，在流花16-2 油田群開發(fā)結構物安裝項目FPSO 錨系安裝時，對HYSY119 吸力錨中的7#錨進行水下超精確就位試驗驗證：安裝誤差要求由原來的5.0 m 提高到0.6 m。

LBL 基陣保障作業(yè)的信標最少4 個，本次作業(yè)的吸力樁高15.9 m， 貫入海底前獲取位置時，可能存在定位LBL 信標與基陣通訊遮擋的情況。因此，在原設計LBL 基陣中擴充1 個信標，即應用5 個信標組成海底基陣，以確保海試階段有足夠的冗余測量數(shù)據(jù)。

基陣采用高2 m 的支架布設，在樁基定位階段至少能與基陣內(nèi)的4 個信標通視，保證精確定位作業(yè)順利實施。如圖13 所示，CO14、CO9、CO8、LBLCO8 和LBLCO9 這5 個信標組成了吸力樁定位基陣。 LBL 基陣布設結束后，進行基陣校準，然后在樁基頂部安裝樁基定位設備，用于確定樁基在基陣中的相對位置。

圖13 基陣布設效果界面

樁基超精準就位安裝技術海試中的主要施工流程如下：

a. 吊機提升錨樁并通過飛濺區(qū)，下放樁基至水下30 m；

b. 調(diào)整船位， 將錨樁移至安裝目標區(qū)上方，吊機開啟升降補償；

c. 吊機繼續(xù)下放錨樁至距離海床3 m 處，水下定位調(diào)整至LBL 定位模式；

d. 通過LBL 定位信標獲取位置數(shù)據(jù)， 水下ROV 2#觀察樁基姿態(tài)，ROV 1#在樁基底部觀察觸泥情況；

e. 樁基持續(xù)下放自沉（2.9～4.9 m），記錄樁基自沉深度；

f. 使用吸力泵將錨樁貫入設計深度。

最后，測量樁基最終的傾斜度和位置誤差列于表5。

表5 7#樁基精就位測量結果

5 結束語

隨著國家深水開發(fā)戰(zhàn)略的推進、海油集團公司走向國際，挺進深海策略的實施，深水海洋平臺將會如“雨后春筍”。 深水非受限樁基海上超精準就位技術依托“浮式生產(chǎn)裝置及水下生產(chǎn)系統(tǒng)安裝關鍵技術研究與應用”課題，結合OrcaFlex軟件，模擬多個工況的鋼樁運動敏感性，分析水文環(huán)境對樁基超精準就位的影響，為海上施工天氣窗口的選取提供理論依據(jù)和技術支持。 同時，研發(fā)應對不同地質條件的輔助結構，并依托流花16-2 FPSO 項目，驗證了超精準就位方案的可行性， 為后續(xù)深海平臺的開發(fā)奠定理論基礎，為深水浮式平臺的安裝提供有效的技術支撐。