南海深水半潛式生產(chǎn)平臺限位與回接技術(shù)*
——以陵水17-2氣田“深海一號”能源站為例

汪智峰 葉永彪 林守強(qiáng) 楊學(xué)政 邱壕威 賀佛林 張 凱

(深圳海油工程水下技術(shù)有限公司 廣東深圳 518000)

隨著海上油氣田開發(fā)逐步走向深水，浮式生產(chǎn)平臺的應(yīng)用越來越廣泛，對應(yīng)的深水系泊系統(tǒng)也逐漸成為研究熱點(diǎn)[1-2]。當(dāng)前深水平臺多為浮式平臺，主要有浮式生產(chǎn)儲卸油裝置(FPSO)、半潛式生產(chǎn)平臺(SEMI)、單柱式平臺(SPAR)以及張力腿平臺(TLP)等4種[3-4]。半潛式生產(chǎn)平臺因其長、寬尺度相近，遭受的環(huán)境力方向性差別不大的特點(diǎn)，采用多點(diǎn)錨泊系統(tǒng)，即與被系泊浮式平臺有多個系泊連接點(diǎn)[5-6]。半潛式生產(chǎn)平臺作業(yè)性能優(yōu)良，海況適用性好，目前被廣泛應(yīng)用于巴西、北海、墨西哥灣等海域，其中在墨西哥灣海域服役的半潛式生產(chǎn)平臺的工作水深均達(dá)到了2 000米級，如Independence Hub半潛式生產(chǎn)平臺作業(yè)水深達(dá)2 438 m[7]。1995年，中國第一座半潛式生產(chǎn)平臺“南海挑戰(zhàn)號”在流花11-1油田投產(chǎn)，已服役二十余年；2021年，陵水17-2氣田半潛式生產(chǎn)平臺——“深海一號”能源站正式投入運(yùn)營，標(biāo)志著中國海洋工程制造業(yè)逐步向深水浮式生產(chǎn)平臺等高端裝備業(yè)進(jìn)軍[8]。由于中國現(xiàn)有浮式生產(chǎn)平臺主要以FPSO為主，錨泊系統(tǒng)主要采用錨鏈+鋼纜+錨鏈的形式，作業(yè)水深均在500 m以淺，國內(nèi)深水半潛式生產(chǎn)平臺海上安裝技術(shù)能力與工程經(jīng)驗(yàn)相對欠缺。

本文基于中國自主研發(fā)建造的首個十萬噸級深水半潛式生產(chǎn)儲油平臺——“深海一號”能源站的海上安裝問題，重點(diǎn)闡述深水半潛式生產(chǎn)平臺限位與回接關(guān)鍵技術(shù)，以期為中國南海深水油氣田浮式生產(chǎn)平臺的安裝提供借鑒。

1 “深海一號”能源站系泊系統(tǒng)概況

“深海一號”能源站位于陵水17-2氣田，所在海域水深約1 422 m。該平臺由上部組塊和船體兩部分組成，為四立柱半潛式生產(chǎn)儲油平臺[8]。平臺采用半張緊式系泊系統(tǒng)進(jìn)行錨固(圖1)，整個系泊系統(tǒng)位于以平臺為中心約2 000 m的半徑范圍內(nèi)，所

圖1 “深海一號”能源站系泊系統(tǒng)

在區(qū)域水深1 395～1 448 m。系泊系統(tǒng)由4組錨固系統(tǒng)構(gòu)成，每組4條系泊纜連接于4根錨基礎(chǔ)上，每組內(nèi)相鄰系泊纜之間夾角為4°。錨基礎(chǔ)采用打入式錨樁作為錨固方案，單根系泊纜由錨基礎(chǔ)-錨鏈-底鏈-下端聚酯纜-連接鏈-上端聚酯纜-連接鏈-平臺鏈組成[9-10]。

“深海一號”能源站系泊錨腿組成及技術(shù)參數(shù)見表1，可以看出聚酯纜在水中的單位長度質(zhì)量比在空氣中的單位長度質(zhì)量減輕了75%，聚酯纜在水中的單位長度質(zhì)量僅為錨鏈的2.6%，且強(qiáng)度質(zhì)量比大。深水系泊錨腿采用的聚酯纜由多股聚酯繩外加編織保護(hù)套組成，繩眼處及聚酯纜末端通過涂層包裹保護(hù)，外側(cè)紅色條紋用于監(jiān)測聚酯纜水下扭轉(zhuǎn)程度，繩眼處固定尾筒通過卸扣連接錨鏈。錨樁鏈和海底鏈之間采用水下快速連接器(Subsea Mooring Connector，SMC)連接，錨樁鏈通過卸扣與樁錨的吊耳連接。

表1 “深海一號”能源站系泊錨腿組成及技術(shù)參數(shù)Table 1 Component and technical parameters of mooring leg for “Deep Sea No.1” energy station

2 深水半潛式生產(chǎn)平臺限位與回接技術(shù)挑戰(zhàn)

2.1 十萬噸級大尺度半潛式生產(chǎn)平臺高風(fēng)險限位作業(yè)的挑戰(zhàn)

“深海一號”能源站主尺度為91.5 m × 91.5 m，排水量達(dá)10.5×104t。平臺濕拖至陵水17-2氣田現(xiàn)場后，由拖航模式轉(zhuǎn)換為限位模式，在前4根系泊錨腿回接完成前，平臺僅依靠4艘?guī)P功能的大馬力拖輪進(jìn)行控制，受風(fēng)、浪、流影響，平臺會產(chǎn)生較大運(yùn)動，一旦其艏向或位移超過設(shè)定的安全區(qū)域，則存在平臺與作業(yè)船發(fā)生碰撞的風(fēng)險。

2.2 南海惡劣天氣對平臺安全、快速回接作業(yè)的挑戰(zhàn)

“深海一號”能源站回接時，施工現(xiàn)場有4艘限位拖輪對平臺進(jìn)行限位，2艘主作業(yè)船進(jìn)行系泊錨腿的回接作業(yè)。平臺與船舶間的作業(yè)空間狹小，不同系泊錨腿回接時，限位拖輪與主作業(yè)船的船位均不相同，且主作業(yè)船需頻繁靠近平臺作業(yè)。因此，半潛式生產(chǎn)平臺回接對海上天氣的要求非常高?？紤]到南海惡劣天氣的潛在影響，“深海一號”能源站回接時，需要在1周內(nèi)完成前8根系泊錨腿的回接，以保證平臺及施工人員的安全。對系泊錨腿回接期間發(fā)生的潛在惡劣天氣，需提前進(jìn)行分析評估并制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。

2.3 深水聚酯纜打撈作業(yè)須防扭轉(zhuǎn)防拖拽的挑戰(zhàn)

“深海一號”能源站16根聚酯纜錨腿于2020年完成預(yù)鋪設(shè)并濕存在海底，平臺在2021年拖航至現(xiàn)場并完成測試后，作業(yè)船需將濕存于近1 500 m水深的聚酯纜錨腿打撈至水面。由于聚酯纜存在不耐磨、易受損等缺點(diǎn)，在施工過程中存在扭轉(zhuǎn)與纏繞的風(fēng)險，以及拖拽造成的外皮損傷等風(fēng)險；同時，聚酯纜在水中重量輕，易受底流影響，打撈、傳遞及回接過程工況復(fù)雜。

3 深水半潛式生產(chǎn)平臺限位與回接總體方案

3.1 總體實(shí)施方案設(shè)計

“深海一號”能源站于2021年2月5日濕拖至陵水17-2氣田現(xiàn)場，由于半潛式生產(chǎn)平臺回接作業(yè)處于南海冬季季風(fēng)期，海上氣象條件復(fù)雜多變，為保障半潛式生產(chǎn)平臺的安全，需要在最短時間窗口內(nèi)完成平臺16條系泊錨腿的回接，實(shí)現(xiàn)平臺的系泊定位。因此，制定了“HYSY291”與“HYSY681”雙作業(yè)船進(jìn)行錨腿回接的總體方案。

“HYSY291”船是中國第一艘大型深水錨系安裝船，總長109.4 m、型寬24 m、型深9.8 m，“HYSY681”船是具有國際先進(jìn)水平的大馬力深水三用工作船，總長93.4 m、型寬22 m、型深9.5 m。兩船均為DP2動力定位船，系柱拖力大于300 t，可搭載3 000 m級工作型ROV(水下機(jī)器人)，并配備了一系列錨系作業(yè)的專用設(shè)備，包括1套500 t錨系處理絞車系統(tǒng)、2套船尾800 t鯊魚鉗系統(tǒng)，1套700 t(“HYSY291”船)/750 t(“HYSY681”船)艉滾筒與2套軌道吊等。經(jīng)可行性評估，“HYSY291”船與“HYSY681”船在船舶性能和關(guān)鍵設(shè)備能力方面滿足“深海一號”能源站回接作業(yè)要求。

半潛式生產(chǎn)平臺16根系泊錨腿回接順序遵循如下原則：第一根系泊錨腿回接，主作業(yè)船位于上風(fēng)向位置；為確保平臺受力均衡，系泊錨腿回接順序采用對角原則；由于錨鏈輪海固向平臺內(nèi)側(cè)傾斜，因此單組系泊錨腿需從外向內(nèi)回接。

在進(jìn)行平臺系泊錨腿傳遞與回接作業(yè)時，通過4條大馬力限位拖輪分別在平臺東北、東南、西北、西南4個方位進(jìn)行限位，完成前4根錨腿回接后，可根據(jù)現(xiàn)場海況與半潛式生產(chǎn)平臺限位情況進(jìn)行綜合評估，解脫部分或全部限位拖輪。

3.2 總體安裝工藝流程

“深海一號”能源站限位與回接作業(yè)可劃分為4個階段：①平臺抵達(dá)現(xiàn)場后開始壓載，完成限位模式轉(zhuǎn)換及限位測試等準(zhǔn)備工作；②主作業(yè)船打撈濕存在海底的系泊錨腿，移船靠近平臺準(zhǔn)備進(jìn)行錨腿的傳遞；③主作業(yè)船與半潛式生產(chǎn)平臺配合，進(jìn)行錨腿的傳遞與回接作業(yè)；④使用半潛式生產(chǎn)平臺的錨機(jī)與止鏈器進(jìn)行16根聚酯纜錨腿的預(yù)張緊。限位及回接施工工藝流程如圖2所示。

圖2 “深海一號”能源站限位及回接工藝流程

4 深水半潛式生產(chǎn)平臺限位與回接關(guān)鍵技術(shù)

4.1 平臺限位索具預(yù)安裝及測試技術(shù)

“深海一號”能源站濕拖至陵水17-2現(xiàn)場后，平臺需要從拖航模式快速無縫銜接轉(zhuǎn)換為限位模式，之后立即進(jìn)行錨腿回接作業(yè)。由于平臺拖航索具與限位索具的配置不同，且限位索具無法在平臺濕拖至現(xiàn)場后進(jìn)行安裝，因此，限位索具須在平臺濕拖前進(jìn)行安裝，同時，限位索具的設(shè)計須滿足平臺濕拖至現(xiàn)場后方便快速地傳遞給限位拖輪的要求。

基于以上需求，研究了一套完整的半潛式生產(chǎn)平臺限位索具預(yù)安裝及測試技術(shù)：①在平臺4個立柱最外側(cè)EL+41.8 m位置各增設(shè)一個限位拖帶點(diǎn)，拖帶點(diǎn)工作載荷為1 960 kN；②按圖3、4所示進(jìn)行平臺限位索具的設(shè)計及配置，限位索具的設(shè)計須滿足平臺限位最大計算載荷要求，長度須滿足從拖帶點(diǎn)延伸至EL+59 m錨機(jī)甲板，并滿足限位索具海上傳遞時限位拖輪與平臺保持15～20 m安全距離的要求；③平臺濕拖前，完成限位索具的安裝，并使用平臺吊機(jī)進(jìn)行限位索具傳遞測試，確保吊機(jī)跨距滿足限位索具傳遞要求，且吊機(jī)移動范圍內(nèi)沒有干涉。

限位拖帶點(diǎn)、卸扣的安全工作載荷為1 960 kN

4.2 十萬噸級半潛式生產(chǎn)平臺限位技術(shù)

1) 平臺由拖航模式至限位模式的轉(zhuǎn)換。

平臺拖航采用濕拖方案，拖航時平臺吃水15 m，拖帶點(diǎn)在平臺基線以上14.4～18.0 m處。而限位模式下，平臺需調(diào)整吃水至33 m左右，拖帶點(diǎn)在平臺基線以上41.8 m處。從拖航模式轉(zhuǎn)換為限位模式，拖航的3條拖輪都需要先解脫，再更換拖帶點(diǎn)，重新帶拖。根據(jù)天氣情況及拖航的方向，設(shè)定主風(fēng)流為東北來向，自西向東拖帶移動，拖航模式到限位模式的轉(zhuǎn)換步驟如圖5所示。

圖4 “深海一號”能源站限位索具預(yù)安裝位置

圖5 “深海一號”能源站拖航模式與限位模式

2) 平臺限位計算分析。

平臺限位計算分析旨在計算不同海洋環(huán)境條件以及拖輪限位狀態(tài)下平臺的運(yùn)動與限位纜繩張力，以判斷平臺限位布置方案是否滿足系泊錨腿回接時的運(yùn)動接受標(biāo)準(zhǔn)。同時，通過計算分析，對限位拖輪的馬力及系柱拖力提出要求，以便進(jìn)行限位拖輪的選型。

錨腿回接順序確定后，采用Orcaflex建立模型，對前4條錨腿回接時平臺的限位工況進(jìn)行模擬和計算分析。其中風(fēng)浪方向從0～360°(取正北向?yàn)?°)，每30°進(jìn)行一次計算，有義波高Hs考慮2.0 m；第2～4條錨腿回接時考慮平臺向回接錨腿方向偏離-20、0與20 m。保守考慮，選取每條錨腿回接時的最惡劣海況，即風(fēng)浪方向?yàn)槭瓜尬煌陷啂Яψ畲蠓较?，且處于僅2條拖輪帶力狀況下的限位工況。

基于上述工況，計算得到不同錨腿回接時平臺限位所需最大合力及方位情況(表2)。根據(jù)平臺限位所需最大合力、平臺合力方位及錨腿回接方位，進(jìn)行限位拖輪艏向設(shè)計和系柱拉力的計算，結(jié)果表明，在有義波高Hs=2.0 m時，限位拖輪系柱拉力均滿足平臺限位要求。結(jié)合計算分析結(jié)果對平臺限位操作給出如下建議：當(dāng)海況較好時，所需拖輪系柱拉力較小，可將平臺向即將回接錨腿的方位偏移20 m，以利于作業(yè)船靠近平臺進(jìn)行錨腿的傳遞；當(dāng)海況較差時，所需拖輪系柱拉力增大，可將平臺位置控制在設(shè)計中心進(jìn)行錨腿回接。

另外，考慮南海冬季季風(fēng)惡劣天氣對平臺限位的影響，針對回接1條錨腿，回接2條錨腿與回接3條錨腿等不同應(yīng)急工況進(jìn)行了計算評估，給出了允許的極限海況、平臺中心偏移距離、限位拖輪位置與拉力等數(shù)值以及錨腿在水中狀態(tài)等。以回接2條錨腿時平臺限位計算分析為例，此情況下的極限工況為風(fēng)浪方向?yàn)槲髂?，Hs=5 m，風(fēng)速為20 m/s，海流流速為0.5 m/s。限位拖輪控制平臺東南、西北方向位移，平臺偏移不超過210 m，拖輪系柱拉力約為980～1 470 kN，錨腿在水中狀態(tài)良好。

表2 “深海一號”能源站限位計算分析結(jié)果Table 2 Calculation results of “Deep Sea No.1” energy station station-keeping

3) 平臺安全區(qū)域類型劃分與限位能力測試。

根據(jù)平臺限位計算，并結(jié)合作業(yè)船與平臺安全作業(yè)距離的要求，本次作業(yè)將平臺艏向偏移的±15°作為限位可作業(yè)區(qū)域，±15°至±20°作為警戒區(qū)域，超過±20°則通知相關(guān)方撤離。平臺橫向、縱向位移均設(shè)定為±20 m作為可作業(yè)區(qū)域，±20 m至±30 m為警戒區(qū)域，超過±30 m則通知相關(guān)方撤離。

為確保平臺限位作業(yè)的可靠性，保障海上作業(yè)安全，應(yīng)在平臺正式實(shí)施限位作業(yè)前，在設(shè)計的限位區(qū)域內(nèi)進(jìn)行限位測試，測試主要內(nèi)容包括：①保持平臺當(dāng)前艏向位置30 min，進(jìn)行控制能力測試，測試要求各拖輪發(fā)揮功率應(yīng)不大于50%；②在預(yù)定艏向上做向左、向右分別旋轉(zhuǎn)10°的艏向控制能力測試，艏向穩(wěn)定10 min，測試要求拖輪發(fā)揮功率應(yīng)不大于50%；③協(xié)調(diào)拖輪動作，使半潛式生產(chǎn)平臺橫向東、向西、向北與向南分別偏移20 m并保持10 min；④選擇某一拖輪在最大功率下，迅速停車,其他拖輪保持當(dāng)時狀態(tài)，測試平臺偏轉(zhuǎn)10°和平移20 m所需時間。當(dāng)以上限位測試結(jié)果滿足平臺正式限位的各項(xiàng)要求時，才允許進(jìn)行正式的限位作業(yè)。

4.3 深水聚酯纜錨腿打撈與回收技術(shù)

“深海一號”能源站16根聚酯纜錨腿于2020年完成預(yù)鋪設(shè)并濕存在水深近1 500 m的海床，濕存前在平臺鏈末端提前預(yù)裝了一套錨腿打撈索具。為防止聚酯纜錨腿在打撈過程中因受力發(fā)生扭轉(zhuǎn)，結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，本次作業(yè)采用84 mm小尺寸引鏈配合吉普賽輪替代錨系絞車進(jìn)行聚酯纜及錨鏈的打撈回收，開始打撈平臺鏈時，作業(yè)船下放引鏈至錨腿平臺鏈的濕存地點(diǎn)，使用ROV在海底輔助掛鉤連接。絞車持續(xù)回收平臺鏈至甲板，作業(yè)船同步沿鋪設(shè)路徑移船(圖6a，過程1～7直線路由為作業(yè)船開始打撈錨腿至平臺鏈完全回收至甲板的過程)。結(jié)合計算分析，當(dāng)平臺鏈全部離開海床時(過程1)，引鏈?zhǔn)芰ψ畲?；?dāng)平臺鏈頂端回收至水面時(過程7)，回收索具受力最大。在Hs=2.0 m時，引鏈最大載荷3 920 kN，回收索具最大載荷1 764 kN，均在索具的安全工作載荷范圍內(nèi)。此外，在錨腿打撈回接的開始階段，著泥點(diǎn)與入水點(diǎn)的水平距離可保持在不超過100 m，當(dāng)回收至錨腿著泥點(diǎn)進(jìn)入甩彎段時(過程3)，需要減小著泥點(diǎn)和入水點(diǎn)的水平距離至50 m，以減少聚酯纜在水中的懸鏈線長度并降低聚酯纜受底流影響發(fā)生擺動，避免聚酯纜在海床上產(chǎn)生拖拽，同時ROV在水下實(shí)時監(jiān)控錨鏈及聚酯纜的狀態(tài)。

平臺鏈回收后解除回收索具和打撈索具，重新連接引鏈和平臺鏈，作業(yè)船逐步向平臺靠近，并沿著錨腿濕存路由甩彎段切線移船拉直錨腿(圖6b)，此時錨腿在作業(yè)船船尾懸掛點(diǎn)至系泊錨腿與海床觸底點(diǎn)的水平投影最大距離為943 m，錨腿帶力1 270 kN，船體受錨腿拉力水平分力為72.5 kN，均在聚酯纜、錨鏈及作業(yè)船安全載荷范圍之內(nèi)，滿足作業(yè)條件。

圖6 “深海一號”能源站系泊錨腿水下打撈與拉直

由于16條聚酯纜系泊錨腿預(yù)鋪設(shè)濕存在海底的路由有所不同，因此需針對每條聚酯纜錨腿的回收設(shè)計移船方案。以西北側(cè)第4組錨腿為例，4條聚酯纜錨腿濕存在海底的路由如圖7所示，根據(jù)計算，對于#13、#14、#15錨腿，作業(yè)船回收平臺鏈至甲板前，著泥點(diǎn)可抵達(dá)甩彎段，在此情況下可采用切線移船進(jìn)行回收錨腿，直到甩彎段聚酯纜全部離開海床。對于#16錨腿，作業(yè)船回收平臺鏈至甲板時，著泥點(diǎn)仍未抵達(dá)甩彎段，如果直接拉直勢必造成聚酯纜在海底發(fā)生拖拽，此種情況下需使用引鏈和鯊魚鉗配合繼續(xù)回收平臺鏈約150 m直至著泥點(diǎn)抵達(dá)彎段，再采用切線移船使聚酯纜安全離開海床。

圖7 “深海一號”能源站#13～#16系泊錨腿預(yù)鋪設(shè)路由

5 結(jié)束語

陵水17-2氣田半潛式生產(chǎn)儲油平臺——“深海一號”能源站于2021年2月6日拖航至氣田現(xiàn)場，基于國內(nèi)自有錨系作業(yè)船“HYSY291”“HYSY 681”雙船進(jìn)行回接作業(yè)。2月17日順利完成了16根聚酯纜錨腿的回接作業(yè)，3月1日成功完成聚酯纜張緊與平臺精準(zhǔn)就位，平臺最大位移1.45 m@232.4°(偏離設(shè)計中心距離1.45 m，偏離方向 232.4°)，滿足接收標(biāo)準(zhǔn)，16條錨腿、錨樁、海底鏈、聚酯纜、卸扣、平臺鏈均狀態(tài)良好。

該平臺限位與回接作業(yè)的順利實(shí)施，驗(yàn)證了深水半潛式生產(chǎn)平臺限位與回接技術(shù)的可行性與可靠性。該技術(shù)的成功應(yīng)用填補(bǔ)了國內(nèi)海洋石油工程技術(shù)領(lǐng)域的空白，達(dá)到了世界同類工程技術(shù)的先進(jìn)水平，使中國初步建立了1500米級深水半潛式生產(chǎn)平臺的安裝技術(shù)能力、船舶裝備保證能力與施工組織能力，為今后中國南海深水浮式生產(chǎn)平臺的安裝提供了技術(shù)儲備和經(jīng)驗(yàn)借鑒，對中國南海深水油氣田的開發(fā)具有重要意義。