海洋石油平臺(tái)鋼樁內(nèi)水泥清理裝置研究及試驗(yàn)

薄昭，戴國(guó)華，金秋，李翔云，梁鵬，胡振國(guó)

(1.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司,天津 300459；2.海洋石油工程股份有限公司,天津 300461)

0 前言

隨著我國(guó)海洋石油工業(yè)不斷發(fā)展，許多海洋石油平臺(tái)因接近使用壽命、用海矛盾和環(huán)境問(wèn)題等需要進(jìn)行棄置拆除。渤海油田勘探開發(fā)近40年，已進(jìn)入穩(wěn)定開發(fā)期，海上平臺(tái)新舊交替，面臨棄置的海上生產(chǎn)設(shè)施逐漸增多。海洋石油平臺(tái)的棄置不僅關(guān)系到用海矛盾的解決和環(huán)保責(zé)任的擔(dān)當(dāng)，而且關(guān)系到渤海油田新項(xiàng)目的開發(fā)。

在近海石油和天然氣領(lǐng)域，海上平臺(tái)棄置已成為一個(gè)非常重要的課題，涉及法律、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和環(huán)境等多方面。海洋石油平臺(tái)的棄置技術(shù)涉及排泥、切割、吊裝和運(yùn)輸?shù)?。目前，渤海油田工程棄置尚處于起步階段，隨著海洋石油平臺(tái)棄置數(shù)量日益增多，需要對(duì)平臺(tái)棄置新技術(shù)、新方法、新工藝等方面加強(qiáng)研究。

1 研究背景

錦州20-2氣田棄置項(xiàng)目是渤海油田目前最大的整裝棄置項(xiàng)目，涉及錦州20-2氣田MNW、BOP、MUQ、NW和MSW五座平臺(tái)的棄置。《海上油氣生產(chǎn)設(shè)施廢棄處理管理暫行規(guī)定》(發(fā)改能源[2010]1305號(hào))和《海洋石油平臺(tái)棄置管理暫行辦法》要求鋼制固定平臺(tái)拆除在領(lǐng)海內(nèi)海域需要拆除至泥面以下4 m。項(xiàng)目中，MNW、BOP、MUQ和MSW平臺(tái)可以將內(nèi)切割設(shè)備通過(guò)鋼樁下放至泥面以下4 m處將導(dǎo)管架鋼樁切割后進(jìn)行吊裝拆除。但是錦州20-2NW平臺(tái)因?yàn)殇摌秲?nèi)有水泥灌注，導(dǎo)致棄置技術(shù)難度增大和棄置工程費(fèi)用增加。

錦州20-2NW平臺(tái)是一座簡(jiǎn)易井口平臺(tái)(如圖1所示)。平臺(tái)為獨(dú)腿三樁導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，采用單根立柱加斜撐形式支撐上部模塊，立柱直徑為3.5 m?；A(chǔ)為等距分布的3根裙樁，腿直徑為1.3 m，裙樁直徑為1.06 m，距離立柱中心10 m。隔水套管3根，直徑為508 mm。導(dǎo)管架和組塊在陸地預(yù)制并連接，完成后整體吊裝至駁船拖運(yùn)到安裝現(xiàn)場(chǎng)，導(dǎo)管架樁為水下樁。

圖1 錦州20-2NW平臺(tái)結(jié)構(gòu)

若錦州20-2NW平臺(tái)鋼樁內(nèi)無(wú)水泥灌注，則可以采用海洋石油平臺(tái)棄置常用的內(nèi)排泥、內(nèi)切割設(shè)備直接將鋼樁在泥面以下4 m處進(jìn)行切割,如圖2(a)所示。但是潛水員下水探摸發(fā)現(xiàn)，3個(gè)水下樁鋼樁內(nèi)都有水泥灌注,如圖2(b)所示，導(dǎo)致內(nèi)切割設(shè)備無(wú)法正常使用。

圖2 錦州20-2NW平臺(tái)鋼樁示意

錦州20-2NW平臺(tái)鋼樁內(nèi)有水泥灌注,雖然可通過(guò)外切割等方法解決，但是都會(huì)造成施工難度增大，工程費(fèi)用增加。在曹妃甸某棄置項(xiàng)目和渤中某棄置項(xiàng)目中也曾遇到類似問(wèn)題，都造成了工期延后、費(fèi)用增加的問(wèn)題。因此，研制一種將海洋石油平臺(tái)鋼樁內(nèi)水泥破碎的裝置迫在眉睫。

2 技術(shù)分析

目前，國(guó)內(nèi)外水泥破碎清理的方法主要有爆炸破碎、機(jī)械破碎、水射流破碎和熱力破碎4種。爆炸破碎在實(shí)踐中是普遍適用和最有效的方法，但是由于國(guó)家管控嚴(yán)格，在工程上無(wú)法實(shí)現(xiàn)。機(jī)械破碎分為鉆機(jī)破碎、破碎鎬式破碎和共振破碎。破碎鎬式破碎和共振破碎較難實(shí)現(xiàn)海上應(yīng)用，鉆機(jī)破碎適用尺寸較小，需要對(duì)每個(gè)項(xiàng)目定制鉆頭。高壓水射流破碎是指利用超過(guò)20 MPa水壓的細(xì)水射流來(lái)破碎水泥、巖石的一種技術(shù)。熱力破碎是利用熱脹冷縮使巖體剝落或酥碎的方法。不同水泥破碎方法的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)及應(yīng)用情況如表1所示。

表1 水泥破碎方法對(duì)比

通過(guò)對(duì)比分析不同水泥破碎方法的技術(shù)成熟度、清理效率、設(shè)備成本和是否適用于水下環(huán)境(如表2所示)，可知爆炸破碎由于管控嚴(yán)格，不可行；破碎鎬法效率低，不可行；共振破碎不適用于水下作業(yè)環(huán)境，不可行；熱力破碎技術(shù)不成熟，不可行；鉆機(jī)破碎由于成本較高，不可行。高壓水射流破碎技術(shù)成熟，清理效率高且能作業(yè)于水下環(huán)境。因此，基于高壓水射流技術(shù)的破碎方法較適用于鋼樁內(nèi)水泥的清理。

表2 水泥破碎方法可行性對(duì)比

高壓水射流的破碎工作原理：水經(jīng)過(guò)高壓泵加壓形成高壓水，然后輸送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)噴射出高速水流，作用于混凝土表面，高速水流鉆入混凝土表面的微孔中，速度轉(zhuǎn)化成壓力，當(dāng)壓力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土被破碎。

3 設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

結(jié)合海洋石油平臺(tái)棄置作業(yè)環(huán)境為水下和空間小的特點(diǎn)，研制基于高壓水射流技術(shù)的導(dǎo)管架鋼樁內(nèi)水泥清理技術(shù)。高壓水射流式水泥清理方案中采用高壓水作為工作介質(zhì)，水經(jīng)過(guò)高壓泵加壓形成高壓水，并將高壓高速的水流作用于水泥表面，高速水流鉆入水泥表面的微孔中，速度轉(zhuǎn)化成壓力，當(dāng)壓力大于水泥的抗拉強(qiáng)度時(shí)，水泥就被破碎。

該技術(shù)具有工作效率高、環(huán)保無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)。該設(shè)備在施工作業(yè)中能夠形成穩(wěn)定可靠、全覆蓋的高壓水射流，快速完成導(dǎo)管架鋼樁內(nèi)水泥層的清理工作。整套設(shè)備能夠在海洋船舶及石油平臺(tái)環(huán)境使用，是適用于海水流體介質(zhì)的、滿足導(dǎo)管架鋼樁內(nèi)排水泥用途的、能夠高效穩(wěn)定運(yùn)行的成套設(shè)備。該設(shè)備還具有操作維修方便、安全可靠等特點(diǎn)，能夠在海上船舶、平臺(tái)等場(chǎng)所以及雨雪天氣環(huán)境下正常使用。

(1)整體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由高壓水泵、潛水泵、合流塊、樁內(nèi)水泥清除設(shè)備(包括高壓水噴嘴)、液壓動(dòng)力單元、液壓控制臺(tái)、角度顯示裝置、供氣動(dòng)力單元以及各部分之間連接管線構(gòu)成。各部分之間的連接關(guān)系如圖3所示，各部分作用如下：

圖3 高壓水射流式水泥清理設(shè)備系統(tǒng)組成

①高壓水泵將潛水泵提供的低壓水轉(zhuǎn)化成高壓水并提供給清理系統(tǒng)；

②潛水泵為高壓水泵提供水源；

③合流塊將多臺(tái)高壓水泵的輸出合并為一路輸出；

④樁內(nèi)水泥清除設(shè)備是樁內(nèi)水泥清除作業(yè)的執(zhí)行裝置；

⑤液壓動(dòng)力單元為樁內(nèi)水泥清除設(shè)備的動(dòng)作提供動(dòng)力；

⑥液壓控制臺(tái)將液壓動(dòng)力單元的液壓動(dòng)力分成多路，可分別控制樁內(nèi)水泥清除設(shè)備支腿伸縮和噴頭旋轉(zhuǎn)；

⑦角度顯示裝置顯示噴頭旋轉(zhuǎn)的角度；

⑧供氣動(dòng)力單元為樁內(nèi)水泥清除設(shè)備的氣舉功能提供壓縮空氣；

⑨高壓水管線為樁內(nèi)水泥清除設(shè)備輸送高壓水；

⑩液壓管線為樁內(nèi)水泥清除設(shè)備輸送高壓液壓油；

(2)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)用于驅(qū)動(dòng)噴頭旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)齒輪傳動(dòng)和滑環(huán)驅(qū)動(dòng)噴頭旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備對(duì)鋼樁內(nèi)部水泥層高效全覆蓋的噴射。噴頭旋轉(zhuǎn)角速度可通過(guò)液壓控制臺(tái)上的節(jié)流閥調(diào)節(jié)。根據(jù)液壓系統(tǒng)流量與噴頭旋轉(zhuǎn)角速度之間的關(guān)系，控制旋轉(zhuǎn)噴頭的速度。

噴頭旋轉(zhuǎn)的角度能夠通過(guò)角度指示系統(tǒng)顯示。角度指示系統(tǒng)安裝在密封裝置中，可防止海水滲入對(duì)設(shè)備造成損壞。角度指示系統(tǒng)具有斷電記憶和角度隨時(shí)清零的功能?？刂萍b箱至設(shè)備之間配長(zhǎng)160 m的數(shù)據(jù)線，用于傳輸角度指示系統(tǒng)的信號(hào)。數(shù)據(jù)線上配有專用水密接頭。

(3)格柵結(jié)構(gòu)

格柵系統(tǒng)位于噴頭的周圍，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，可阻止大塊水泥塊進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，便于將破碎后的水泥塊通過(guò)氣舉系統(tǒng)排出，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 格柵結(jié)構(gòu)

格柵中間的空隙尺寸按照破碎后能夠順利氣舉的最大水泥塊的尺寸設(shè)計(jì)。

(4)氣舉系統(tǒng)

為保持水下破碎工作持續(xù)高效，設(shè)置氣舉系統(tǒng)，在高壓水將水泥破碎后及時(shí)將破碎的水泥塊排出。根據(jù)設(shè)備的總體布局，氣舉管設(shè)計(jì)成Y形,氣舉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。主管內(nèi)徑為205 mm，外徑為219 mm。分管內(nèi)徑為145 mm，外徑為159 mm。

圖5 氣舉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

氣舉管供氣參數(shù)要求：供氣流量不低于25 m/min，供氣壓力不低于2 MPa。

(5)試驗(yàn)驗(yàn)證

按照設(shè)計(jì)方案建造高壓水射流式水泥清理設(shè)備。為進(jìn)一步證明該裝置可以有效清理導(dǎo)管架鋼樁內(nèi)水泥，在碼頭場(chǎng)地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)模擬海洋石油平臺(tái)真實(shí)環(huán)境，在鋼樁內(nèi)灌入水泥。待水泥凝固后在鋼樁內(nèi)灌注海水模擬水下環(huán)境。最后,用吊車將該裝置吊起后吊入鋼樁內(nèi)進(jìn)行鋼樁內(nèi)水泥清理作業(yè)。高壓水射流式水泥清理設(shè)備如圖6所示。

圖6 高壓水射流式水泥清理設(shè)備

碎后并排出系統(tǒng)的水泥塊如圖7所示，可以達(dá)到預(yù)計(jì)破碎效果。試驗(yàn)證明，基于高壓水射流技術(shù)的海洋平臺(tái)鋼樁內(nèi)清理設(shè)備能有效地將鋼樁內(nèi)水泥擊碎，效果良好。

圖7 破碎后排出系統(tǒng)的水泥塊

4 結(jié)論

(1)基于高壓水射流技術(shù)的水泥破碎技術(shù)適用于清理海洋石油平臺(tái)導(dǎo)管架鋼樁內(nèi)水泥。

(2)所設(shè)計(jì)并研制的高壓水射流式水泥清理設(shè)備能夠有效清理海洋石油平臺(tái)導(dǎo)管架鋼樁內(nèi)水泥。