海洋平臺(tái)倒伏井治理水下混凝土清理系統(tǒng)

艾明剛

(山東海盛海洋工程集團(tuán)有限公司， 山東 東營 257237)

0 引 言

早期的海洋平臺(tái)倒伏井治理技術(shù)措施有限，對(duì)廢棄井口未進(jìn)行油氣層封堵，且井口未在泥面以下4 m進(jìn)行切割，不能滿足現(xiàn)行《海洋石油安全管理細(xì)則》第85條關(guān)于永久性棄井的油氣層全封要求。隨著已有封井措施服役年限的增長，井口遭到破壞的可能性較大，發(fā)生地質(zhì)性溢油的風(fēng)險(xiǎn)高。為消除事故隱患，防止油氣泄漏，須對(duì)廢棄井口進(jìn)行清障并進(jìn)行重新封井作業(yè)。對(duì)比分析國內(nèi)封井工藝[1]，了解油水井封竄堵漏技術(shù)研究與應(yīng)用[2]，確定封井工藝需對(duì)水下混凝土進(jìn)行清理，充分曝露原封井帽位置后對(duì)其進(jìn)行拆除，并重新設(shè)置永久封井裝置。目前，國內(nèi)外現(xiàn)行工藝大多采用干式工作艙圍堰的方式，通過打下多根鋼管樁及大管徑鋼樁形成水下干式作業(yè)環(huán)境，鋼管樁的入泥深度不小于30 m，施工工程量大且作業(yè)難度大。鑒于此，本文介紹一種針對(duì)海洋平臺(tái)倒伏井治理水下混凝土清理系統(tǒng)(簡稱“清理系統(tǒng)”)，應(yīng)用多種工藝設(shè)備，能較好地解決治理過程中水下混凝土清理打撈、井口位置定位等問題，通過多種監(jiān)測(cè)手段的配合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)施工高效、安全環(huán)保的生產(chǎn)目標(biāo)，并介紹此清理系統(tǒng)在勝利埕島油田的實(shí)際應(yīng)用效果。

1 清理系統(tǒng)清理過程簡介

1.1 水下混凝土破碎

早期倒伏井治理封井技術(shù)主要采用混凝土澆筑的形式，治理完成后形成冠型混凝土層，混凝土層厚度不等、硬度較高，隨著其強(qiáng)度等級(jí)的提高，混凝土外表面出現(xiàn)裂縫的時(shí)間逐漸推遲，裂縫擴(kuò)展寬度和裂縫條數(shù)都隨之逐漸變窄和減少，易導(dǎo)致整體打撈難度大，且存在溢油風(fēng)險(xiǎn)。為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場打撈，需對(duì)混凝土層進(jìn)行整體破碎后分批次打撈，如圖1所示。為減小潛水員水下作業(yè)工作量，結(jié)合陸地破碎相關(guān)裝備并參考不同強(qiáng)度混凝土的靜態(tài)破碎試驗(yàn)[3-4]，利用高頻振動(dòng)錘夾持替打樁進(jìn)行水下混凝土破碎。施工作業(yè)面由水下轉(zhuǎn)移至水上，加快施工進(jìn)度、保障施工安全。

圖1 水下混凝土破碎施工示例

1.2 混凝土清理打撈

破碎完成后，混凝土層形成塊狀結(jié)構(gòu)，利用專用水下清障裝置，通過起重船舶的吊裝和牽引(見圖2)實(shí)現(xiàn)水下障礙物分批次打撈，過程中采用3D聲吶實(shí)時(shí)監(jiān)控代替水下潛水作業(yè)，可高效、安全地完成大面積水下障礙物清理工作。

圖2 水下混凝土打撈施工

1.3 遺棄隔水管打撈

完成混凝土層清理打撈后，利用高壓水噴沖裝置對(duì)隔水管進(jìn)行局部沖泥清理(見圖3)，使隔水管充分暴露，方便后期吊裝。

圖3 水下隔水管沖泥清理示例

2 在勝利埕島油田的實(shí)際應(yīng)用

清理系統(tǒng)于2020年5月建造完成，于2020年8月達(dá)到驗(yàn)收條件，并投入工程應(yīng)用。

按照中石化勝利油田分公司海洋采油廠的部署和生產(chǎn)安排，克服海況、地形錯(cuò)綜復(fù)雜等不利因素，利用該清理系統(tǒng)進(jìn)行施工作業(yè)，僅用120 d有效工期就完成施工任務(wù)，與建立干式工作艙圍堰的方式相比節(jié)省大量的成本。具體實(shí)施過程如下。

2.1 對(duì)施工區(qū)域進(jìn)行前期探摸調(diào)查

通過 MS1000 二維掃描聲吶和水下探摸找尋混凝土砼體位置，并確認(rèn)混凝土砼體邊緣區(qū)域。利用 Echoscope 3D 實(shí)時(shí)聲吶對(duì)混凝土砼體進(jìn)行有針對(duì)性的掃測(cè)，根據(jù)多波束、淺剖資料，確定3處裸露鋼管位置和尺寸，并對(duì)混凝土區(qū)域面積進(jìn)行再次確認(rèn)。對(duì)水下混凝土覆蓋層周圍進(jìn)行坐標(biāo)標(biāo)記。將采集的坐標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)入電子海圖圖譜進(jìn)行處理，并對(duì)下一步施工區(qū)域的半徑和振動(dòng)破碎點(diǎn)位進(jìn)行標(biāo)記。

2.2 劃分水泥清理區(qū)域

(1) 中心區(qū)：指倒伏井彎折點(diǎn)所屬核心區(qū)域，需對(duì)混凝土及障礙物進(jìn)行局部處理。(2)破碎區(qū)：指混凝土層破碎、障礙物清理的區(qū)域。

2.3 高頻振動(dòng)破碎網(wǎng)格圖編制和混凝土破碎

在施工區(qū)域路由圖上編制由邊長為2 m的正方形組成的振動(dòng)破碎網(wǎng)格圖，可通過GPS定位實(shí)現(xiàn)船舶、網(wǎng)格圖相對(duì)位置控制：施工船船舷側(cè)設(shè)置2 m 間隔符，并用白漆標(biāo)識(shí)，實(shí)現(xiàn)船舶相對(duì)于網(wǎng)格圖位置的控制；通過集成上述定位關(guān)系，完成施工位置在振動(dòng)破碎網(wǎng)格圖的定位。

在高頻振動(dòng)錘鋼纜上設(shè)置水下超短基線 (Ultra Short Base Line ，USBL )信標(biāo)，將前期海調(diào)資料提供的破碎點(diǎn)位布置圖作為施工依據(jù)。作業(yè)船就位于施工海域，吊起樁管(φ900 mm)立于舷邊內(nèi)(吊索具選用φ28 mm鋼絲繩+50 t 卸扣)。摘鉤后吊起打樁錘至樁頂，使打樁機(jī)的液壓夾具夾住樁管的上端部，將振動(dòng)錘夾具調(diào)整在錘體的中心位置。吊起水下振動(dòng)樁管，將樁管放置在施工區(qū)域上方，通過降落吊鉤將樁管下降至混凝土位置。按照已確定的位置標(biāo)記，將樁管緩慢放入水中，在 USBL 信標(biāo)的引導(dǎo)下， 將樁管放置于混凝土上方。樁管尖端到達(dá)混凝土，根據(jù)信標(biāo)操作員的指揮調(diào)整樁管與混凝土位置，保證打樁機(jī)、樁管處于垂直狀態(tài)。接通打樁機(jī)動(dòng)力源，進(jìn)行清理。

在實(shí)際過程中，按照矩陣式(排距為2 m、振點(diǎn)間距為2 m)從水下混凝土東北側(cè)邊緣向西、從上至下進(jìn)行外圍混凝土塊破碎，施工過程中通過浮式起重船移動(dòng)錨纜及 GPS 定位實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)。

2.4 水下混凝土打撈

水下清障裝置通過吊裝鎖具由起重船舶吊起放置在需清理的水下障礙物邊緣位置，然后將水下清理爬犁通過船底牽引纜與甲板上的1臺(tái)大噸位卷揚(yáng)機(jī)連接，由卷揚(yáng)機(jī)提供前進(jìn)動(dòng)力。觀察卷揚(yáng)機(jī)工作電流與水下3D聲吶實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面以判斷水下清理爬犁是否達(dá)到合適容量，當(dāng)其達(dá)到合適容量后，放松卷揚(yáng)機(jī)上的船底牽引纜，由起重船舶將其吊出水，將水下清理爬犁內(nèi)的水下清理障礙物釋放到船舶甲板，如此反復(fù)工作，達(dá)到清理水下大面積障礙物的效果。 圖4為水下清理爬犁結(jié)構(gòu)示例。

圖4 水下清理爬犁結(jié)構(gòu)示例

3 結(jié) 論

建造海洋平臺(tái)倒伏井治理水下混凝土清理系統(tǒng)，完成埕島油田 CACB6A 倒伏井組治理工程(混凝土清理)，節(jié)省浮式起重船臺(tái)班10個(gè)，節(jié)約費(fèi)用約40萬元人民幣。節(jié)省潛水臺(tái)班20個(gè)，節(jié)約費(fèi)用約20萬元人民幣。該方案是海洋平臺(tái)倒伏井治理水下混凝土清理的優(yōu)選方式，與干式工作艙圍堰相比，具有施工高效、安全環(huán)保、操作成本低、治理效果佳的優(yōu)點(diǎn)。工藝應(yīng)用分析表明，在混凝土破碎及清理環(huán)節(jié)，混凝土的破碎效率和清理效果還有較大的提升空間，包含設(shè)備的選型、機(jī)具的優(yōu)化配置等。隨著倒伏井治理環(huán)保要求的不斷提高，該水下混凝土清理系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用前景。