南海深水海底管道S形鋪設(shè)技術(shù)

南海深水海域環(huán)境復(fù)雜多變并且頻繁有內(nèi)波流發(fā)生，在南海深水海域進(jìn)行海底管道鋪設(shè)面臨諸多困難。為此，針對南海流花29-1氣田深水海管鋪設(shè)項(xiàng)目，對千米級水深海底管道S形鋪設(shè)中鋪管工藝設(shè)計、內(nèi)波流監(jiān)測與應(yīng)對措施、深水鋪管精度控制等方面的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了研究，并完成了工程應(yīng)用。工程應(yīng)用結(jié)果表明：深水海管S形鋪管工藝能確保海管水下狀態(tài)完好和鋪管精度滿足要求；內(nèi)波流實(shí)時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)實(shí)測流速大于1 m/s時，可提醒鋪管船注意防范，能夠?qū)?nèi)波流進(jìn)行較好的監(jiān)測和預(yù)警；采用的動力定位船起始鋪設(shè)、弧線段路由鋪設(shè)精度控制、終止鋪設(shè)精度控制等技術(shù)方案，可保證深水海管鋪設(shè)精度。所得結(jié)論可為南海深水油氣田的進(jìn)一步開發(fā)提供技術(shù)借鑒。

南海深水海管；鋪管工藝；內(nèi)波流；鋪設(shè)精度；工程應(yīng)用

中圖分類號：TE973

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.16082/i.cnki.issn.1001-4578.2024.11.008

基金項(xiàng)目：中國海洋石油集團(tuán)有限公司科技項(xiàng)目“深水半潛式生產(chǎn)平臺工程建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用”（CNOOC-KJ135JSPJ07GC2019-07）。

S-Shaped Laying Technology for Deepwater Submarine

Pipelines in the South China Sea

Hu Kai" Li Jiannan" Zhao Gang" Gao Qingyou" Liu Kai" Liu Shuai

（Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.）

The deepwater environment is complicated and changeable，and internal wave current frequently occurs in the South China Sea，so the laying of submarine pipelines is extremely challenging in the deep waters of the South China Sea.Taking the deepwater submarine pipeline project at Liuhua 29-1 gas field in the South China Sea as an example，the challenges in the pipeline laying process design，internal wave current monitoring and countermeasures and deepwater pipeline laying accuracy control in the S-shaped laying of a km-deep submarine pipeline were analyzed，and the engineering application was completed.The application results show that the S-shaped laying process for deepwater submarine pipelines can ensure intact submerged condition of the pipelines and required pipeline laying accuracy.When the flow velocity of the internal wave current measured by the real-time monitoring and warning system is greater than 1 m/s，it can remind the pipeline laying ship to pay attention to precaution，and the system can effectively monitor and warn the internal wave current.The solutions such as dynamic positioning vessel to start laying，accuracy control of arc route laying and accuracy control of terminating laying can ensure the laying accuracy of deepwater submarine pipelines.The conclusions provide reference for further development of deepwater oil and gas fields in the South China Sea.

deepwater submarine pipeline in the South China Sea；pipeline laying process；internal wave current；laying accuracy；engineering application

0" 引" 言

近年來，全球油氣勘探開發(fā)的重點(diǎn)逐漸由淺水向深水和超深水發(fā)展，深水海域前景廣闊，是油氣勘探和油氣增儲上產(chǎn)最重要的領(lǐng)域［1］。我國南海深水海域蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源，對南海深水油氣田的開發(fā)力度也不斷加強(qiáng)。但我國深水油氣資源開發(fā)仍然處于初期階段，深水油氣田開發(fā)的工程技術(shù)和裝備與國外仍有較大差距［2-5］。深水海底管道鋪設(shè)技術(shù)是深水油氣開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一，深水海管鋪設(shè)能力提升需要結(jié)合南海地質(zhì)、海況等自然條件來建立完備的深水海管鋪設(shè)裝備及技術(shù)體系［6-8］。

戶凱，等：南海深水海底管道S形鋪設(shè)技術(shù)

南海海域經(jīng)常出現(xiàn)內(nèi)波流，對深水油氣資源開發(fā)帶來極大威脅。南海內(nèi)波流四季均有發(fā)生，其中夏季最多，冬季最少，并且在南海北部深水海域內(nèi)波流較為頻發(fā)［9］。內(nèi)波流作用時間短、載荷強(qiáng)度大，會造成半潛式鉆井船發(fā)生偏移，威脅隔水管井口系統(tǒng)或錨泊系統(tǒng)安全［10-11］。內(nèi)波流也會對鋪管作業(yè)造成威脅，鋪管作業(yè)時鋪管船橫向偏移和船艏角度偏移都可能會對正在鋪設(shè)的海管造成損傷。針對南海內(nèi)波流頻發(fā)的特點(diǎn)，施工船舶海上作業(yè)前需提前制定相應(yīng)的應(yīng)對措施［12］。

深水鋪管船采用傳統(tǒng)錨泊系統(tǒng)已無法滿足深水錨泊能力和就位精度要求，需裝備動力定位系統(tǒng)［13］。裝備動力定位系統(tǒng)的鋪管船有更好的水深適應(yīng)性，定位精度更高并且更加機(jī)動靈活。于2012年交付使用的深水鋪管船“海洋石油201船”就是具有動力定位系統(tǒng)的S形鋪管船［14］。S形海底管道鋪設(shè)是一種傳統(tǒng)的鋪管方法，該方法鋪管效率高，并且淺水和深水鋪管均適用［15］。S形鋪管法鋪管船的托管架、張緊器、Aamp;R絞車、系泊系統(tǒng)等設(shè)備能力決定了其所適用的鋪設(shè)水深和海管直徑。在深水海管S形鋪設(shè)時，起始鋪設(shè)、終止鋪設(shè)、鋪設(shè)路由精度控制、鋪管計算分析等難度均增加［16］。

針對南海流花29-1氣田深水海管鋪設(shè)項(xiàng)目，對千米級水深海底管道S形鋪設(shè)中鋪管工藝設(shè)計、內(nèi)波流監(jiān)測與應(yīng)對措施、深水鋪管精度控制等方面的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了研究，提出具體解決方案并最終使該項(xiàng)目得到了成功的工程應(yīng)用。

1" 工程概述

流花29-1氣田位于我國南海海域，水深520～1 120 m；該氣田依托現(xiàn)有的流花34-2氣田和荔灣3-1氣田開發(fā)設(shè)施，采用深水水下生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。共需要鋪設(shè)2條長距離海底管道：一條168.3 mm乙二醇管道，總長38.25 km；另一條323.9 mm輸氣管道，總長26.88 km。輸氣管道鋪設(shè)水深（682～1 120 m）較深，水深變化如圖1所示。這里重點(diǎn)以輸氣管道為對象研究南海深水海管鋪設(shè)技術(shù)及其工程應(yīng)用。輸氣管道連接LH29-1側(cè)水下管匯（水深682 m）和LH34-2側(cè)海底管道終端（PLET）（水深1 120 m）。輸氣管道外徑323.9 mm，壁厚19.1 mm，材質(zhì)為X65無縫鋼管；防腐涂層為三層聚乙烯，厚度3 mm。另外，在靠近LH29-1側(cè)1 km海管使用冶金復(fù)合管（CRA），內(nèi)襯層厚度3 mm。

2" 深水鋪管工藝

深水鋪管主作業(yè)船使用的是海洋石油201船，船舶總長204.65 m，型寬39.2 m，型深14 m，吃水8 m，作業(yè)水深15～3 000 m。該船具有動力定位系統(tǒng)，擁有2臺200 t張緊器和1臺400 t Aamp;R絞車，采用S形鋪管方式。鋪管托管架節(jié)數(shù)為4節(jié)，托管架長度為105 m。海管鋪設(shè)時托管架角度為29°。鋪管作業(yè)需要使用水下機(jī)器人（ROV）對海管著泥點(diǎn)（TDP）進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控，一方面檢查海管水下狀態(tài)是否完好，另一方面可以監(jiān)測鋪管精度是否滿足要求。淺水鋪管作業(yè)可以將ROV布置在鋪管船上；但對于深水鋪管作業(yè)海管著泥點(diǎn)距離船尾較遠(yuǎn)，ROV的臍帶纜長度有限，無法到達(dá)著泥點(diǎn)。為了保證ROV能夠正常工作，使用了一艘ROV支持船（RSV），該船在海洋石油201船船尾方向，如圖2所示。ROV設(shè)備放置到RSV上，ROV由該船下水對海管著泥點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控。

為了避免受LH29-1側(cè)和LH34-2側(cè)水下設(shè)施的干擾，起始鋪設(shè)采用了從海管路由中間起始（KP5.1）的方式，起始位置水深704 m。先由海管路由上的KP5.1往LH34-2側(cè)鋪設(shè)，該段海管鋪設(shè)結(jié)束后，再從KP5.1回收已鋪海管往LH29-1側(cè)鋪設(shè)，因此，總共需要完成2次終止鋪設(shè)。

采用鋪管分析軟件OFFPIPE模擬海管鋪設(shè)過程［17］，分別對起始鋪設(shè)、正常鋪設(shè)、終止鋪設(shè)等鋪管過程進(jìn)行模擬分析。根據(jù)規(guī)范DNVGL-ST-F101-2017《Submarine Pipeline Systems》，鋪管靜態(tài)分析時上彎段最大應(yīng)變不超過0.25%，局部屈曲校核系數(shù)（LBUC）應(yīng)小于1。海洋石油201船尾和托管架滾輪垂直方向受力不超過600 kN。

2.1" 鋪設(shè)精度要求

海管鋪設(shè)時需滿足鋪設(shè)精度要求。正常鋪設(shè)時，垂直海管路由方向精度要求為±15 m。終止鋪設(shè)時，終止點(diǎn)的精度要求為垂直海管路由方向±2.5 m，沿海管路由方向±2.5 m。

2.2" 起始鋪設(shè)

海管起始鋪設(shè)采用拋大抓力錨的方式。通過起始纜將大抓力錨與海管起始封頭連接，海洋石油201船按照起始鋪設(shè)計算分析步驟緩慢移船直至起始封頭到達(dá)海床。計算分析結(jié)果如表1所示。

依據(jù)表中的計算結(jié)果，海洋石油201船按照每一步的移船距離往前行船，隨著海管鋪設(shè)長度的增加，張緊器張力也隨之增加，最終達(dá)到正常鋪設(shè)的張力值。海管起始鋪設(shè)采用了從路由中間起始鋪設(shè)的方案。從中間起始鋪設(shè)的方案有效避免了路由兩端存在水下設(shè)施干涉起始鋪設(shè)的問題，對深水海管起始鋪設(shè)有很好的適用性。

2.3" 正常鋪設(shè)

起始鋪設(shè)完成后，海洋石油201船開始正常鋪設(shè)。作業(yè)線由2條輔線和1條主線構(gòu)成。海管在輔線將單節(jié)點(diǎn)管（12.2 m）預(yù)制成雙節(jié)點(diǎn)管（24.4 m），因此主線上海管均為雙節(jié)點(diǎn)海管。作業(yè)線主線分為10個工作站。主線上海管預(yù)制工作主要分為3部分內(nèi)容：海管焊接、檢驗(yàn)和節(jié)點(diǎn)涂敷。海管焊接在主線上由4個工作站來完成，包括海管組對、封底焊接、填充焊接、蓋面焊接。海管檢驗(yàn)由1個工作站來完成，如果焊口檢驗(yàn)不合格，需要在這一工作站對焊口進(jìn)行返修。海管節(jié)點(diǎn)涂敷由5個工作站來完成，包括節(jié)點(diǎn)噴砂防腐、熱縮帶安裝冷卻、陽極安裝。海管焊接和檢驗(yàn)在張緊器之前的各站完成，節(jié)點(diǎn)涂敷在張緊器之后的各站完成。海管在主線上不斷被預(yù)制接長，這些海管通過船尾的托管架被鋪設(shè)至海床。

作業(yè)海域水深變化較大，鋪管作業(yè)時針對不同的水深需要調(diào)節(jié)張緊器張力以適應(yīng)水深的變化。通過OFFPIPE軟件計算分析給出不同水深下鋪管所需的張緊器張力，計算分析結(jié)果如表2所示。從表2可知，底部張力為著泥點(diǎn)處的海管受力，滾輪最大受力為船尾和托管架上滾輪的最大受力，海管懸鏈線長度為張緊器與著泥點(diǎn)之間的這段海管長度，伸長量為張緊器和著泥點(diǎn)之間的懸鏈線長度與兩者水平距離之間的差值。表2的滾輪受力、上彎段最大應(yīng)變及LBUC值均滿足規(guī)范要求。

2.4" 終止鋪設(shè)

由于起始鋪設(shè)從路由中間開始，因此，需要在路由兩端分別進(jìn)行終止鋪設(shè)。終止鋪設(shè)時將終止封頭與海管焊接在一起，將Aamp;R纜與終止封頭通過索具連接，通過控制Aamp;R絞車緩慢地將海管放至海底。

海洋石油201船按照終止鋪設(shè)計算分析步驟分別在LH34-3側(cè)和LH29-1側(cè)完成終止鋪設(shè)，計算分析結(jié)果分別如表3和表4所示。由表3和表4計算結(jié)果可知，終止鋪設(shè)過程中Aamp;R絞車張力逐漸減小。和淺水鋪管相比，深水海管終止鋪設(shè)完成后Aamp;R絞車張力值較大，這是因?yàn)樗尫诺腁amp;R纜長度較長，釋放出的Aamp;R纜在水中總重力較大。鋪管過程中均需根據(jù)鋪管計算得出的受力情況對所使用的連接索具（鋼絲繩、卸扣等）進(jìn)行選型，確保滿足規(guī)范要求［18］。在LH29-1側(cè)有1 km海管為CRA管，在碳鋼管轉(zhuǎn)換成CRA管的過程中張緊器張力需由600 kN轉(zhuǎn)為750 kN。

3" 關(guān)鍵技術(shù)

3.1" 內(nèi)波流監(jiān)測及應(yīng)對措施

內(nèi)波流具有水平流速大、垂直剪切強(qiáng)、垂向振幅大、周期短等特點(diǎn)，內(nèi)波流嚴(yán)重時會導(dǎo)致作業(yè)船舶失位。針對鋪管期間內(nèi)波流可能造成的海洋石油201船船舶失位情況進(jìn)行模擬計算分析，在以著泥點(diǎn)后50 m位置為旋轉(zhuǎn)中心，船艏向偏移16°，橫向位移30 m情況下對海管進(jìn)行受力分析，結(jié)果如表5所示。根據(jù)表5分析結(jié)果，滾輪受力、上彎段最大應(yīng)變以及LBUC值均符合要求。為了對作業(yè)海域內(nèi)波流監(jiān)測預(yù)警，在一艘輔助船舶上安裝了內(nèi)波流實(shí)時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，按6 h預(yù)警時間考慮，內(nèi)波流監(jiān)測船舶在內(nèi)波流傳播方向上游43.2 km位置處監(jiān)測，實(shí)測流速大于1 m/s時會啟動預(yù)警程序，提醒主作業(yè)船注意防范。

海洋石油201船鋪管期間遇到多次內(nèi)波流，其中流速較大的一次達(dá)到2.2 m/s，導(dǎo)致船舶向右舷偏離設(shè)計路由94.5 m，船舶艏向偏移2.1°。經(jīng)過對該船舶偏移量進(jìn)行模擬計算分析，海管上彎段最大應(yīng)變?yōu)?.20%，局部屈曲校核系數(shù)值為0.751，均滿足規(guī)范要求。并利用ROV對該段海管進(jìn)行檢查也未發(fā)現(xiàn)異常。

內(nèi)波流來臨時應(yīng)當(dāng)采取積極有效的措施應(yīng)對，本項(xiàng)目總結(jié)出的內(nèi)波流應(yīng)對措施如下：①與內(nèi)波流監(jiān)測船舶保持通信暢通，另外，還要加強(qiáng)瞭望，通過視覺、雷達(dá)等手段，提前發(fā)現(xiàn)內(nèi)波流；②如果有駁船靠泊主作業(yè)船，提前通知駁船離開;③張緊器要根據(jù)鋪管張力的波動情況，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整靜帶、增益、動態(tài)偏移等參數(shù)，必要時可以轉(zhuǎn)至手動抱死;④如果內(nèi)波流從左舷來，船舶將會向右移動，艏向向左偏轉(zhuǎn)，此時，可提前將船舶向左偏移10～20 m，船艏向向右調(diào)整5°～6°；如果內(nèi)波流從右舷來則相反。

3.2" 使用動力定位船起始鋪設(shè)

采用RSV來完成起始錨和起始纜的安裝布設(shè)。RSV具有動力定位系統(tǒng)，能夠很好地保持船位和艏向。起始錨和起始纜布設(shè)全程由ROV監(jiān)控，確保布設(shè)位置和方向的準(zhǔn)確性。使用動力定位船替代拖輪進(jìn)行起始錨和起始纜安裝，有效保證了海管起始鋪設(shè)精度，減少了作業(yè)海況限制條件，降低了損傷鄰近已有海底設(shè)施的風(fēng)險，同時也節(jié)省了現(xiàn)場安裝時間。

3.3" 海管弧線段路由鋪設(shè)精度控制

海管路由共4處弧線段，其中2處弧線段路由水深超過1 000 m?；【€段路由彎曲半徑為3 000 m。要保證弧線段路由鋪管精度，必須嚴(yán)格控制鋪管船行船軌跡，行船過程中必須保證海管著泥點(diǎn)位于路由上，如圖3所示。海管著泥點(diǎn)位置受作業(yè)水深、張緊器張力及海況等因素影響。著泥點(diǎn)與主作業(yè)船的距離從鋪管計算分析中得到，同時也要ROV監(jiān)控著泥點(diǎn)來驗(yàn)證計算結(jié)果，主作業(yè)船在弧線段路由的行船軌跡需提前在鋪管作業(yè)定位系統(tǒng)中做出來。通過不斷優(yōu)化行船軌跡、ROV著泥點(diǎn)監(jiān)控和張緊器張力控制等方法確保弧線段海管鋪設(shè)精度。

3.4" 終止鋪設(shè)精度控制

在LH34-2側(cè)水深最深達(dá)到1 120 m，海管終止鋪設(shè)精度要求高，要讓海管終止封頭精準(zhǔn)落入海床目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，必須精確控制海管鋪設(shè)長度。終止鋪設(shè)具體步驟如下：①鋪管至距離LH34-2側(cè)終止點(diǎn)2 km時，在作業(yè)線主線1站海管上做標(biāo)記;②海管做完標(biāo)記后，進(jìn)入作業(yè)線主線的每根海管都要測量長度并做好記錄;③帶標(biāo)記海管著泥后，帶USBL（超短基線定位技術(shù)）的ROV在帶標(biāo)記海管上打點(diǎn)確定其坐標(biāo)（精度1～2 m）;④根據(jù)標(biāo)記海管著泥位置計算得到所剩海管長度，確認(rèn)最后一根海管的管號;⑤鋪設(shè)至最后一根海管后，在海管上焊接臨時棄管封頭;⑥海洋石油201船沿海管路由臨時棄管;⑦封頭著泥后，帶LBL（長基線定位技術(shù)）的ROV在封頭焊縫處打點(diǎn)確定坐標(biāo)（精度厘米級）;⑧根據(jù)ROV確定的封頭位置與目標(biāo)區(qū)域之間的距離確定調(diào)整管的長度;⑨海洋石油201船倒船回收海管至作業(yè)線;B10當(dāng)封頭到達(dá)作業(yè)線主線1.5站時，關(guān)閉張緊器，進(jìn)行張力轉(zhuǎn)換;B11解開Aamp;R纜，切除臨時棄管封頭;B12海洋石油201船倒船至海管管端到達(dá)1站，將調(diào)整管焊接在海管上，然后再焊接終止封頭;B13Aamp;R纜通過索具連接終止封頭，海洋石油201船終止棄管;B14封頭著泥后，帶LBL的ROV在終止封頭焊縫處打點(diǎn)確定坐標(biāo)并記錄;B15ROV解開終止封頭索具連接，海洋石油201船回收Aamp;R纜至作業(yè)線，終止鋪設(shè)完成。

通過采用海管做標(biāo)記，作業(yè)線海管長度跟蹤測量，臨時棄管確定調(diào)整管長度等一系列方法確保終止鋪設(shè)精度，使得2次終止鋪設(shè)精度均滿足設(shè)計要求。

4" 工程應(yīng)用

海洋石油201船于2019年6月14日—2019年8月28日完成流花29-1氣田全部深水海管鋪設(shè)工作。海管鋪設(shè)精度均滿足設(shè)計要求。乙二醇管道平均鋪管效率為1.99 km/d，最高鋪設(shè)效率為單日2.68 km。輸氣管道平均鋪管效率為1.43 km/d，最高單日鋪設(shè)效率為2.05 km。影響鋪管進(jìn)度的主要原因有：不同類型海管切換轉(zhuǎn)場、天氣待機(jī)、托管架維修、鉆井船干涉等導(dǎo)致的時間消耗。此次南海深水海管S形鋪設(shè)技術(shù)的成功應(yīng)用為后續(xù)舷側(cè)PLET安裝提供保障，也可為其他深水海管項(xiàng)目提供有價值的借鑒。

海上施工過程中，輸氣管道鋪設(shè)時多次受到內(nèi)波流的影響，導(dǎo)致船舶失位，雖然經(jīng)過核算和調(diào)查未對海管造成損傷，但是對現(xiàn)場施工造成了一定的風(fēng)險和影響。針對內(nèi)波流影響，后續(xù)在類似海域施工時，除了考慮常規(guī)的內(nèi)波流監(jiān)控和應(yīng)對的手段之外，還需要提前評估施工海域的內(nèi)波流出現(xiàn)頻率，通過優(yōu)化海管路由和施工計劃等方式，避免在內(nèi)波流出現(xiàn)較頻繁的海域和月份進(jìn)行施工。

5" 結(jié)" 論

（1）深水海管S形鋪設(shè)不能再采用傳統(tǒng)淺水鋪管模式，深水海管S形鋪管工藝采用了動力定位鋪管船和ROV支持船組合的模式，ROV單獨(dú)布置到一艘支持船上，ROV能夠?qū)９苤帱c(diǎn)狀態(tài)持續(xù)監(jiān)測，確保海管水下狀態(tài)完好和鋪管精度滿足要求。

（2）使用了內(nèi)波流實(shí)時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)測流速大于1 m/s時提醒鋪管船注意防范，能夠?qū)?nèi)波流進(jìn)行較好的監(jiān)測和預(yù)警。根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)對內(nèi)波流經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出了有效的內(nèi)波流應(yīng)對措施。為了模擬內(nèi)波流對鋪管船的影響，通過假設(shè)海管旋轉(zhuǎn)中心，鋪管船發(fā)生適當(dāng)?shù)聂枷蚱坪蜋M向位移的方法來模擬船舶失位對海管受力的影響。

（3）采用了動力定位船起始鋪設(shè)、弧線段路由鋪設(shè)精度控制、終止鋪設(shè)精度控制等技術(shù)方案，保證了深水海管鋪設(shè)精度。

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第一戶凱，工程師，生于1990年，2018年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）油氣儲運(yùn)工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)從事海底管道安裝設(shè)計及施工技術(shù)方面的研究工作。地址：（300461）天津市濱海新區(qū)。email：hukaicup@foxmail.com。2024-05-19楊曉峰