受限海域海底管道搬管技術(shù)

田 震,柴昕辰,郝清晏,焦冬梅,李亞南,陳金銘

海洋石油工程股份有限公司,天津 300461

隨著海上油氣田的逐年開(kāi)發(fā)，油氣田密集程度逐漸增加，油氣田配套的海底管網(wǎng)布置也更加復(fù)雜，留給后續(xù)新開(kāi)發(fā)油氣田海底管道和電纜的布置空間也越來(lái)越小。在設(shè)計(jì)一條新的管道路由時(shí)，由于已存在海底管道和電纜的影響，新設(shè)計(jì)的路由需充分考慮所申請(qǐng)海域的使用情況，這會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)路由的靈活性受限。另外，由于油氣田已有設(shè)施（如導(dǎo)管架）的存在，鋪管船沿設(shè)計(jì)路由進(jìn)行海管鋪設(shè)施工時(shí)，起始鋪設(shè)或終止鋪設(shè)時(shí)鋪管船可能與導(dǎo)管架存在干涉。若存在上述施工條件受限的情況，進(jìn)行實(shí)際海底管道鋪設(shè)施工時(shí)一般會(huì)先偏鋪，即偏離原來(lái)設(shè)計(jì)路由一定角度進(jìn)行鋪設(shè)，偏鋪完畢后再倒船回來(lái)進(jìn)行搬管，即將海底管道搬回設(shè)計(jì)路由[1-3]。

相比于南海和東海，我國(guó)渤海海域開(kāi)發(fā)較早，海上已有設(shè)施如導(dǎo)管架、平臺(tái)、海底管道和電纜較多，因此新鋪海底管道設(shè)計(jì)路由受限的情況較常見(jiàn)，搬管作業(yè)也較多。早期搬管作業(yè)通常以經(jīng)驗(yàn)為主，棄管完畢后船長(zhǎng)或施工總監(jiān)根據(jù)棄管封頭與設(shè)計(jì)終止點(diǎn)的距離，調(diào)整船位至合適的搬管錨位，由船舷側(cè)的舷吊將海管拖拉至設(shè)計(jì)路由，或直接由船舷側(cè)的鋼絲繩拖拽海管至設(shè)計(jì)路由，這種由經(jīng)驗(yàn)主導(dǎo)的方法存在諸多缺陷，如不能拖拉至準(zhǔn)確的位置、海管存在屈曲風(fēng)險(xiǎn)等，隨著我國(guó)海洋石油工程行業(yè)的發(fā)展，這種方法逐漸被淘汰，目前進(jìn)行搬管作業(yè)前通常會(huì)給出具體的搬管方案和理論計(jì)算結(jié)果，以指導(dǎo)施工[4-6]。本文以渤海某油田海管鋪設(shè)施工過(guò)程中的搬管作業(yè)為例，給出整個(gè)搬管作業(yè)的施工流程和相關(guān)計(jì)算結(jié)果，并分析了施工過(guò)程中的關(guān)鍵點(diǎn)與風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，本研究工作可為以后類似搬管施工項(xiàng)目提供借鑒。

1 主要設(shè)備及作業(yè)條件

1.1 船舶及設(shè)備

搬管作業(yè)主要用到的船舶設(shè)備為舷吊，匯眾301船舷吊布置如圖1所示，每個(gè)舷吊的有效拉力為200 kN。為應(yīng)對(duì)搬管距離較長(zhǎng)的情況，需在海管管頭附近位置增加簡(jiǎn)易絞車以穩(wěn)定管頭，保證海管管頭不會(huì)插入泥土中，簡(jiǎn)易絞車的有效拉力為50 kN，結(jié)構(gòu)如圖2所示。舷吊主體結(jié)構(gòu)如圖3所示，鉤頭部分通過(guò)一個(gè)動(dòng)滑輪和一個(gè)定滑輪與搬管的索具相連接，其中動(dòng)滑輪可360°全旋轉(zhuǎn)，防止海管提升過(guò)程中帶來(lái)額外的扭矩，背拉鋼絲繩通過(guò)甲板上的導(dǎo)向滑輪與動(dòng)力絞車相連接，根據(jù)需要可成一定角度進(jìn)行導(dǎo)向，操作空間較為靈活。舷吊的其他受力點(diǎn)通過(guò)焊接形式與甲板主體相連接，若有其他特殊情況可隨時(shí)切割，保證安全性和靈活性。

圖1 匯眾301船舷吊布置示意

圖2 簡(jiǎn)易絞車結(jié)構(gòu)示意

圖3 舷吊主體結(jié)構(gòu)示意

1.2 作業(yè)人員與海況條件

搬管作業(yè)涉及到船上甲板人員、潛水人員、錨機(jī)操控人員的多方協(xié)作，對(duì)海況及天氣窗口要求較高。潛水人員主要負(fù)責(zé)水下搬管吊帶索具等輔助工具的連接和拆除，需等待平潮期下水作業(yè)。渤海大多數(shù)海域?qū)儆诎肴粘?，潛水員一天之內(nèi)可下水兩次，每次最多持續(xù)5～6 h。當(dāng)搬管的距離較長(zhǎng)時(shí)，一個(gè)平潮期無(wú)法完成所有連接和拆除工作，在等待下一個(gè)平潮期間需保證水下搬管輔助工具的完整性和有效性；同時(shí)，若遇到大風(fēng)天氣，主作業(yè)船需現(xiàn)場(chǎng)避風(fēng)或錨地避風(fēng)，潛水員不具備下水條件，因此潛水作業(yè)條件或作業(yè)窗口的選擇尤其重要。

1.3 作業(yè)船舶與海況條件

本次搬管作業(yè)的主作業(yè)船為匯眾301船，其具有12個(gè)工作錨，錨纜直徑76 mm，具有較強(qiáng)的抗風(fēng)能力。正常鋪設(shè)的海況條件為風(fēng)速V≤13.8 m∕s，有義波高Hs≤2.0 m，波峰周期6.0～12.0 s；現(xiàn)場(chǎng)天氣待機(jī)的海況條件為風(fēng)速13.8 m∕s＜V＜ 22.7 m∕s，有義波高2.0 m＜Hs＜4.0 m。渤海海域的涌浪周期一般為6～7 s，不超過(guò)8 s，匯眾301船在8 s周期、2 m有義波高的海況內(nèi)能正常進(jìn)行作業(yè)，因此在滿足天氣條件的情況下，搬管作業(yè)的作業(yè)條件主要取決于當(dāng)時(shí)的潮汐情況。

2 搬管計(jì)算分析

本節(jié)以渤海某油田擴(kuò)建項(xiàng)目為例，先對(duì)搬管作業(yè)進(jìn)行計(jì)算分析。鋪設(shè)海管的主要參數(shù)如表1所示，作業(yè)海域的主要環(huán)境參數(shù)如表2及表3所示。該海域相對(duì)水深（C.D.）為18.6～19.2 m。計(jì)算采用Offpipe軟件，搬管計(jì)算分析參考DNV-OS-F101：2005標(biāo)準(zhǔn)[7]。搬管縱向距離為267 m，橫向距離為23 m，如圖4所示。由于搬管距離較長(zhǎng)，根據(jù)試算結(jié)果，選用5個(gè)3 t浮袋提供額外浮力，浮袋及舷吊位置的側(cè)向圖如圖5所示。另外，當(dāng)搬管距離不是很長(zhǎng)時(shí)，單靠船舶本身的舷吊能力即可將偏鋪的海管搬回原設(shè)計(jì)路由，即不需要浮袋。

表1 海底管道主要參數(shù)

表2 波浪、流主要極值

表3 設(shè)計(jì)水位參數(shù)

圖4 海管偏鋪示意

圖5 匯眾301船舷吊及浮袋位置的側(cè)向示意

搬管計(jì)算分析結(jié)果如表4所示。由表4可知，總過(guò)程共分20次提升，每個(gè)舷吊經(jīng)過(guò)4次提升即可將海管提升到滿足橫移（橫移船位到設(shè)計(jì)路由上方）的高度。其中1號(hào)舷吊提升20 m（6 m+4 m+4 m+4 m+2 m），2號(hào)舷吊提升18 m，3號(hào)舷吊提升16 m，4號(hào)舷吊提升15 m，此時(shí)4個(gè)舷吊總共將海管提升離開(kāi)海床的長(zhǎng)度為268.03 m，大于偏鋪長(zhǎng)度267 m，滿足需求。海管提升完畢后的側(cè)向圖如圖5所示。橫移到設(shè)計(jì)路由上方后即可將海管緩慢下放到海床上，下放過(guò)程與提升過(guò)程完全相反。

表4 搬管計(jì)算分析結(jié)果

提升過(guò)程中4個(gè)舷吊的受力情況如表4所示，可以看出每個(gè)舷吊的最大受力不超過(guò)60 kN，而舷吊的有效能力為200 kN，顯然滿足要求。整個(gè)海管提升過(guò)程彎矩最大的步驟為第14步，根據(jù)規(guī)范，其載荷校核結(jié)果如表5所示，滿足要求。每次提升過(guò)程中海管的軸向力及最大應(yīng)變均滿足規(guī)范要求。

表5 海管載荷控制校核結(jié)果

3 施工過(guò)程及關(guān)鍵點(diǎn)分析

本次搬管作業(yè)區(qū)域?yàn)椴澈Ｇ鼗蕧u某油田群，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際搬管過(guò)程分為以下幾個(gè)步驟。

（1）準(zhǔn)備工作。提前準(zhǔn)備好所有搬管施工的物料、機(jī)具。

（2）作業(yè)船就位。匯眾301船按照搬管錨位圖進(jìn)行就位，船舶吃水為7.5 m。

（3）搬管前潛水調(diào)查。調(diào)整船位至合適的位置，潛水員進(jìn)行潛水調(diào)查，獲取已偏鋪管道的實(shí)際位置及形態(tài)。

（4）安裝浮袋。在平潮期間，潛水員下水將搬管的浮袋綁扎在設(shè)計(jì)位置，本次作業(yè)的安裝位置及數(shù)量見(jiàn)圖5。

（5）安裝起吊索具。調(diào)整船位至設(shè)計(jì)位置，提前在甲板上將舷吊連接海管的索具配置好，潛水員下水將吊帶連接到海底管道上（通常繞海底管道一圈，然后用卡環(huán)連接）。

（6）搬管。潛水員離開(kāi)海底管道一定的安全距離。連接舷吊與海底管道的索具，施加10 kN拉力，預(yù)緊索具。潛水員檢查索具連接的完整情況，符合要求后按照計(jì)算報(bào)告逐步起吊。船長(zhǎng)、大副及舷吊現(xiàn)場(chǎng)工程師需保持良好溝通。

經(jīng)大副確認(rèn)后，1號(hào)舷吊操作者按計(jì)算報(bào)告施加相應(yīng)的提升力，然后2號(hào)舷吊操作者依次類似操作。期間各操作者與大副保持良好溝通。每次舷吊提升后，操作者記錄鋼絲繩卷入滾筒的實(shí)際長(zhǎng)度及張力，并與計(jì)算報(bào)告對(duì)比。若發(fā)生明顯差異，應(yīng)停止操作，逐步下放海底管道至原位置。詳細(xì)的提升步驟見(jiàn)表4。

海底管道提升完畢后，根據(jù)水深及鋪設(shè)精度，微調(diào)卷入滾筒的鋼絲繩的長(zhǎng)度，以獲得適合搬管的高度及角度。

（7）移動(dòng)及下放。舷吊保持收緊狀態(tài)，匯眾301船移船，移動(dòng)到設(shè)計(jì)路由后釋放舷吊上的鋼絲繩下放海底管道。移動(dòng)過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生應(yīng)力及應(yīng)變的變化，現(xiàn)場(chǎng)工程師應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整起吊高度使得其控制在許可范圍內(nèi)，海底管道放到海床后緩慢釋放應(yīng)力。

（8）搬管后調(diào)查。搬管完畢后，潛水員下水調(diào)查管道的實(shí)際位置。通常潛水人員帶著信標(biāo)（一種定位設(shè)備）沿著搬完的海底管道進(jìn)行實(shí)際位置復(fù)測(cè)，以查看搬管精度是否滿足要求。潛水員會(huì)選擇幾個(gè)有代表性的點(diǎn)進(jìn)行位置測(cè)量，并反饋給現(xiàn)場(chǎng)工程師。若不符合要求則重新進(jìn)行起吊，微調(diào)船位，直至符合設(shè)計(jì)鋪設(shè)精度。

（9）移除搬管輔助設(shè)備。經(jīng)調(diào)查符合精度要求后，潛水員移除水下所有的搬管輔助工具，包括索具及浮袋等。

本次搬管作業(yè)中實(shí)際復(fù)測(cè)與設(shè)計(jì)路由的對(duì)比如圖6所示?？梢钥吹?，搬管精度滿足設(shè)計(jì)要求（本項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段的鋪設(shè)精度為距平臺(tái)500 m±5 m范圍內(nèi)）。應(yīng)該明確的是，由于鋪設(shè)精度、定位精度、操船偏差等因素的影響，搬管作業(yè)不可能將海底管道完全復(fù)原到設(shè)計(jì)路由，但能保證整體路由的精度。

圖6 搬管后海底管道路由與設(shè)計(jì)路由對(duì)比示意

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著海洋油氣資源的不斷開(kāi)發(fā)，海上油氣設(shè)施的密集程度也逐漸加大，這給新建海底管道的鋪設(shè)帶來(lái)一定的限制。搬管作業(yè)在海域空間受限情況下的應(yīng)用較多，一個(gè)切實(shí)可行的搬管方案通常需要多方協(xié)作完成，同時(shí)還需考慮天氣、潮汐等環(huán)境條件。本文從理論計(jì)算、實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)施工兩方面詳細(xì)闡述了搬管作業(yè)的整個(gè)實(shí)施流程，并指出了其中的關(guān)鍵點(diǎn)，以期為后續(xù)類似項(xiàng)目的施工提供借鑒。