受限海域海底管道鋪設(shè)施工方法

田 震，王欣東，柴昕辰，李 斌，孟祥偉

(海洋石油工程股份有限公司 天津300461)

我國海上油氣資源豐富，近年來海洋石油開發(fā)速度較快，尤其是渤海地區(qū)，油田密集程度逐年增加。海底管道作為海上油氣田的重要設(shè)施之一，鋪設(shè)里程和復(fù)雜程度也不斷增大。密集的油田設(shè)施給新建海底管道的鋪設(shè)帶來較大困難，使得海管鋪設(shè)施工海域受限。對于在受限海域如已存海上平臺間鋪設(shè)的海底管道，通常需要導(dǎo)管架綁樁腿起始鋪設(shè)或偏鋪，然后進(jìn)行搬管作業(yè)；若已存海底設(shè)施較多無作業(yè)空間進(jìn)行拋錨時(shí)還需要進(jìn)行平臺帶纜，作業(yè)復(fù)雜程度較高，對施工天氣窗口的要求也較高[1-4]。本文以渤海秦皇島32-6 油田擴(kuò)容項(xiàng)目為例，從理論計(jì)算到現(xiàn)場實(shí)際施工方面，詳細(xì)闡述了受限海域海底管道鋪設(shè)施工的整個(gè)流程及關(guān)鍵技術(shù)，相關(guān)工作可為后續(xù)類似項(xiàng)目提供一定借鑒。

1 項(xiàng)目背景

秦皇島32-6 油田位于渤海灣的中北部，西北距京塘港約20 km。CEPL 平臺處水深19.3 m，WHPF平臺處水深19.7 m，該油田范圍內(nèi)年平均水深約20.0 m。根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)的要求，計(jì)劃通過提液擴(kuò)容來增加油田產(chǎn)量，因此需要在2 個(gè)已存平臺間增鋪新的海底管道(海管)。由CEPL 平臺至WHPF 平臺新建海管總長約0.9 km，主要參數(shù)如表1 所示。

秦皇島32-6 油田開發(fā)時(shí)間較早，起始端(CEPL平臺)已存設(shè)施較多，新鋪設(shè)海管與已存海管存在交叉，且起始點(diǎn)(Tie-in)距離CEPJ 平臺火炬臂較近，海管施工期間還有生活支持船在CEPJ 平臺附近進(jìn)行支持，作業(yè)空間十分受限。本次施工的主作業(yè)船為匯眾301 船，起始鋪設(shè)時(shí)匯眾301 船的左后方拋錨區(qū)域受限，且新建平臺CEPL 在海管鋪設(shè)之前已施工完畢，這給起始纜繩的布置也帶來了較大困難。為了在受限海域順利完成海管鋪設(shè)，需要改變船舶拋錨方式或借助于其他輔助措施。CEPJ 平臺附近投產(chǎn)油氣田較多，且距離較近的FPSO 隨時(shí)準(zhǔn)備進(jìn)行外輸作業(yè)，輔助措施如增加大馬力拖輪、分段鋪設(shè)、外輸作業(yè)避讓等難以實(shí)現(xiàn)，需重點(diǎn)考慮改變拋錨方式。

2 鋪設(shè)方案分析

2.1 起拋錨程序

對于錨系鋪管船，受限海域進(jìn)行海管鋪設(shè)的主要難點(diǎn)在于工作錨的布設(shè)，需在保持安全距離的情況下有效施工。應(yīng)該注意的是，按照規(guī)范要求，在整個(gè)施工期間工作錨的錨點(diǎn)距已有海底管道或電纜不小于200 m，在向前移錨和拋錨過程中，錨纜距已建海底管道或電纜垂直距離應(yīng)不小于5 m(或水深的1/2)。秦皇島32-6 油田擴(kuò)容項(xiàng)目的起始端和終止端為典型的受限海域，且受限區(qū)域較大，有必要對工作錨的布設(shè)流程進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2.1.1 前期準(zhǔn)備工作

按照主作業(yè)船總監(jiān)或船長的指令，主作業(yè)船在適合的拖輪拖帶下到達(dá)設(shè)計(jì)位置。起始布錨作業(yè)的前期準(zhǔn)備工作如下所述：①拋錨作業(yè)前召開班前會，將作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)和防范措施貫徹到位，尤其對于近平臺作業(yè)，做好多方協(xié)調(diào)溝通工作；②使用吊機(jī)將錨頭纜和浮筒吊起下放，拖輪撈起漂浮纜，將錨頭纜和其拋錨絞車滾筒上的鋼絲繩進(jìn)行連接，然后將錨頭纜盤到拖輪滾筒上；③主作業(yè)船不斷釋放錨纜；④拖輪將工作錨提至甲板。

2.1.2 布錨作業(yè)步驟

準(zhǔn)備就緒后，按照安裝設(shè)計(jì)的起始錨位圖進(jìn)行布錨作業(yè)，主作業(yè)船的工作錨布置如圖1 所示，主要流程如下：①拖輪向指定錨點(diǎn)方向行進(jìn)，根據(jù)懸鏈線計(jì)算，在拋錨過程中監(jiān)控并保持錨纜具有適合的張力；②錨機(jī)手應(yīng)檢查錨絞車顯示的張力并對拖輪發(fā)出相應(yīng)指令，通過定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢查拖輪的船位，若需要則對艏向作出調(diào)整，需要注意的是，主作業(yè)船的水手長在定位系統(tǒng)輔助下直接指揮拖輪作業(yè)；③由于此次施工海域存在較多管纜，故需安裝DP 浮筒進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)錨纜放出的長度恰好等于設(shè)計(jì)安裝DP 浮筒的距離時(shí)，拖輪暫時(shí)停止進(jìn)車并保持錨纜張力，此時(shí)在主作業(yè)船的舷側(cè)錨纜上進(jìn)行DP 浮筒安裝；④拋錨過程中，錨纜釋放的長度和所帶的張力應(yīng)實(shí)時(shí)進(jìn)行檢查，同時(shí)保持錨機(jī)班長、水手長、拖輪船長、定位人員進(jìn)行持續(xù)溝通，當(dāng)拖輪到達(dá)指定位置時(shí)準(zhǔn)備拋錨；⑤在下錨過程中保持拖輪有向前運(yùn)動趨勢直到錨著底，釋放錨頭纜和浮筒；⑥主作業(yè)船將錨纜逐漸加大到設(shè)定工作載荷以測試是否溜錨；⑦錨穩(wěn)定后，定位工程師對拋錨位置坐標(biāo)進(jìn)行記錄，依上述步驟直到按照錨位將所有工作錨部署完畢。

2.1.3 移錨程序

當(dāng)一個(gè)錨位的錨纜不能提供足夠張力或角度不合適時(shí)，需要進(jìn)行移錨，移錨程序如下所述：確定下一錨點(diǎn)的坐標(biāo)并在拖輪定位管理系統(tǒng)上顯示，然后拖輪將按照錨機(jī)班長指令起錨；主作業(yè)船放松需要起錨的錨纜，拖輪在指定錨點(diǎn)就位，將漂浮纜撈起，并回收錨頭纜和浮筒；拖輪錨絞車?yán)^續(xù)收錨頭纜并增加張力使錨能夠離底；繼續(xù)回收錨頭纜，直到工作錨提至甲板；當(dāng)工作錨被拖輪固定好后，錨纜將以一定張力由主船卷入錨機(jī)滾筒，錨纜回收過程中，拖輪應(yīng)保持其艏向倒車至距主船合適距離附近，避免錨纜兜底或與水下設(shè)施干涉；按照安裝DP 浮筒的方式依次在主作業(yè)船舷側(cè)或拖輪甲板將DP 浮筒解除；DP 浮筒解除后，拖輪進(jìn)車赴新錨點(diǎn)進(jìn)行布錨作業(yè)。

2.2 起始鋪設(shè)方案

根據(jù)新設(shè)計(jì)海管路由的特點(diǎn)，選擇在CEPL 平臺起始鋪設(shè)。受限于狹窄的施工空間，采用匯眾301 船左后方CEPJ 平臺帶纜、綁樁腿起始鋪設(shè)的方式進(jìn)行起始鋪設(shè)，起始鋪設(shè)錨位圖如圖2 所示。

圖2 起始鋪設(shè)錨位示意圖Fig.2 Anchor pattern for pipeline laying initiation

由于CEPJ 平臺為老平臺，故需要校核帶纜樁腿(B4 樁腿)的強(qiáng)度。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境條件和鋪設(shè)張力情況，選擇帶纜張力為80 t 進(jìn)行校核，結(jié)果顯示CEPJ導(dǎo)管架B4 樁腿整體強(qiáng)度及局部強(qiáng)度均滿足施工要求。由于近平臺交叉作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)較高，故需進(jìn)行錨泊分析以判斷是否存在危險(xiǎn)工況，整體錨位的錨泊分析結(jié)果如表2 所示。由表2 可知，起始鋪設(shè)錨位下CEPJ 平臺帶纜破損時(shí)錨纜張力仍滿足安全使用需求(最大為214 t，小于安全規(guī)范載荷279.7 t)。

表2 平臺帶纜破斷工況下最大張力(t)Tab.2 Maximum line tension of mooring lines tied to platform in damage condition(ton)

根據(jù)CEPL 平臺相對于CEPJ 平臺的位置，選擇在 CEPL B1 樁腿綁扎起始纜，起始纜規(guī)格為54 mm×85 m，交叉點(diǎn)提前處理，連接示意圖如圖3所示。本次海管鋪設(shè)的鋪設(shè)張力為25 t，底部張力為21.4 t，因此按照32 t 張力校核CEPL B1 樁腿強(qiáng)度，結(jié)果滿足規(guī)范要求[5]。

圖3 起始纜連接CEPL B1樁腿示意圖Fig.3 General arrangement for initiation rope connected to CEPL B1 leg

起始鋪設(shè)流程主要包括前期準(zhǔn)備和起始鋪設(shè)。為保證起始鋪設(shè)順利進(jìn)行，在海上施工正式開展前需要完成以下準(zhǔn)備工作：路由上存在的交叉點(diǎn)提前處理或保護(hù)好，施工前再次確認(rèn)保護(hù)措施的完好性，從圖2 中可以看出，本次起始鋪設(shè)區(qū)域存在2 處交叉點(diǎn)，需在起始鋪設(shè)前用水泥壓塊進(jìn)行保護(hù)；按照安裝設(shè)計(jì)要求確認(rèn)所有海管鋪設(shè)相關(guān)物料、機(jī)具已存放在鋪管船甲板，并按照作業(yè)需求提前擺放在合適的位置；掌握施工海域的氣象資料，根據(jù)氣象資料確認(rèn)天氣窗口滿足起始鋪設(shè)工期的要求，尤其對于本項(xiàng)目中海管距離較短的情況，充分利用一次天氣窗口完成鋪設(shè)作業(yè)，以降低近平臺作業(yè)的時(shí)間和風(fēng)險(xiǎn)；確認(rèn)作業(yè)線焊接、檢驗(yàn)、涂敷等關(guān)鍵設(shè)備就位完畢，并已連接調(diào)試完畢，避免出現(xiàn)設(shè)備待機(jī)的狀況；確認(rèn)甲板及作業(yè)線海管傳輸系統(tǒng)調(diào)試完畢，作業(yè)線支撐滾輪及托管架滾輪完好并調(diào)節(jié)至設(shè)計(jì)高度，托管架角度滿足設(shè)計(jì)要求，作業(yè)線及托管架控制系統(tǒng)正常；張緊器及A&R絞車調(diào)試完畢，張緊器墊塊的形式滿足海管規(guī)格要求；由于本次鋪設(shè)海管距離較短，故不在陸地預(yù)制雙節(jié)點(diǎn)，采用作業(yè)線單節(jié)點(diǎn)鋪設(shè)方式，起始封頭傳送至指定位置，并確認(rèn)球閥完好并處于關(guān)閉狀態(tài)；在主作業(yè)船吊機(jī)的配合下將起始纜與封頭連接好，起始纜另一端連接好綁樁腿的索具。

前期準(zhǔn)備工作完成后，施工總監(jiān)或船長根據(jù)當(dāng)時(shí)的天氣狀況和項(xiàng)目計(jì)劃決定起始鋪設(shè)，典型的起始鋪設(shè)示意圖如圖4 所示，起始鋪設(shè)簡要流程如下：鋪管船按就位圖就位，如圖2 錨位圖所示，本次起始錨位圖受已存設(shè)施的影響較大，主作業(yè)船進(jìn)場就位施工的難度較大，需聯(lián)合輔助拖輪、平臺方、主作業(yè)船三方共同完成就位；在保證安全距離的前提下，錨機(jī)手不斷將主作業(yè)船靠近綁樁腿的導(dǎo)管架，直到設(shè)計(jì)的合理位置；平潮期間潛水員下水，在吊機(jī)配合下將環(huán)形吊帶綁到CEPL B1 樁腿，檢查連接起始纜兩端的索具的完整性；調(diào)整托管架至設(shè)計(jì)鋪設(shè)角度，根據(jù)計(jì)算報(bào)告中的起始鋪設(shè)張力向前移船，直至起始封頭著泥，然后開始正常鋪設(shè)。

圖4 起始鋪設(shè)示意圖Fig.4 Typical configuration of pipeline laying initiation

2.3 終止鋪設(shè)方案

海管終止鋪設(shè)在WHPF 平臺附近，由于終止點(diǎn)距離平臺較近，故需要進(jìn)行偏鋪，然后利用舷吊將海管搬回原路由。如圖5 所示，在距離終止點(diǎn)267 m 處開始進(jìn)行偏鋪，偏離角度為5°，終止管頭橫移量為23 m，經(jīng)過計(jì)算分析可知偏鋪時(shí)海管應(yīng)變滿足規(guī)范要求，校核計(jì)算結(jié)果如表3 所示。由于偏鋪距離較長，在利用舷吊搬管時(shí)需在海管上綁扎浮袋，以保證海管應(yīng)變在許可范圍內(nèi)。

圖5 終止點(diǎn)偏鋪示意圖Fig.5 Pipeline offset at termination point

表3 海管終止鋪設(shè)局部屈曲統(tǒng)一校核結(jié)果Tab.3 Local buckling unity check of pipeline laying termination

當(dāng)主作業(yè)船接近鋪設(shè)終止點(diǎn)時(shí)，計(jì)算船上海管終端與終止點(diǎn)的距離，準(zhǔn)確測量進(jìn)入作業(yè)線的海管長度，用來與已完成鋪設(shè)的海管打點(diǎn)記錄進(jìn)行對比，以確定海管鋪設(shè)至終止點(diǎn)的用量。終止鋪設(shè)的主要步驟如下：當(dāng)主作業(yè)船接近鋪設(shè)終止點(diǎn)時(shí)，現(xiàn)場工程師將開始監(jiān)測和計(jì)算待鋪設(shè)海管的剩余長度(即提前核算調(diào)整管長度)；組對安裝終止封頭及法蘭保護(hù)器，終止棄管前將屈曲探測器取出；將A/R 絞車鋼纜連接在終止封頭上，并完成節(jié)點(diǎn)檢驗(yàn)、涂敷；向前移船直至封頭到達(dá)張緊器前2 m 左右位置，張緊器張力轉(zhuǎn)換至A/R 絞車；張力轉(zhuǎn)換后釋放張緊器，由A/R 絞車提供棄管鋪設(shè)張力向前移船，并根據(jù)計(jì)算報(bào)告中要求的鋪設(shè)張力控制張力，同時(shí)下放A/R 纜直至封頭著泥；緩慢向船尾方向倒船至船尾到達(dá)封頭上方；潛水員下水解開A/R 纜與封頭連接，并由定位人員記錄封頭位置坐標(biāo)；回收A/R 絞車鋼纜。

除了環(huán)境條件外，舷吊的布置對搬管效率影響也較大。本次終止鋪設(shè)時(shí)WHPF 平臺在匯眾301 船右舷側(cè)，匯眾301 船需要往左舷側(cè)偏鋪，為防止搬管時(shí)海管被拖入船底，需要將舷吊布置在左舷側(cè)，棄管完成后可直接倒船進(jìn)行搬管作業(yè)，也避免因重新起拋錨作業(yè)而增加施工周期和風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)當(dāng)注意的是，海管偏鋪時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注鋪設(shè)精度，以保證海管按照設(shè)計(jì)的路由偏鋪，否則會影響后續(xù)搬管復(fù)位的精度，還可能會對平臺附近的已存設(shè)施造成損壞。搬管復(fù)位過程中，每個(gè)舷吊操作人員應(yīng)聽從大副的統(tǒng)一指揮，按照相關(guān)計(jì)算報(bào)告增加提升力和卷入鋼絲繩長度，保證海管受力在規(guī)范許用范圍內(nèi)。一次搬管通常不能將海管完全復(fù)位，總監(jiān)或大副應(yīng)該結(jié)合導(dǎo)航定位進(jìn)行二次搬管，第二次搬管應(yīng)在第一次的基礎(chǔ)上小幅度調(diào)整，同時(shí)釋放第一次搬管過程中海管的應(yīng)變。

3 項(xiàng)目應(yīng)用

由于作業(yè)空間受限，且近平臺交叉作業(yè)多，為降低施工風(fēng)險(xiǎn)，故本次施工日期選擇5 月份海況較好的天氣進(jìn)行。實(shí)際施工時(shí)，匯眾301 船首先拋臨時(shí)錨位進(jìn)入施工區(qū)域。由于CEPJ 平臺的火炬臂不能關(guān)停，匯眾301 船不能靠CEPJ 平臺太近，故需在拖輪的輔助下將較長的錨纜連接到帶纜樁腿及起始樁腿上。平臺帶纜及起始纜的連接在整個(gè)施工過程中耗時(shí)較長，對潛水員要求較高。起始鋪設(shè)完成后即進(jìn)行正常鋪設(shè)，由于本次海管鋪設(shè)距離較短，故正常鋪設(shè)200 m 后需準(zhǔn)備終止偏鋪。整個(gè)鋪設(shè)過程連接緊湊，給甲板及作業(yè)線施工人員帶來了一定的挑戰(zhàn)。

本文結(jié)合理論計(jì)算結(jié)果及現(xiàn)場實(shí)際流程對受限海域海管鋪設(shè)作業(yè)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并對施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)及施工要點(diǎn)進(jìn)行了探討，通過優(yōu)化施工流程，使得整個(gè)項(xiàng)目無風(fēng)險(xiǎn)、高質(zhì)量完成。本次受限海域海底管道鋪設(shè)技術(shù)分析對類似項(xiàng)目具有一定的借鑒意義。