深水臍帶纜安裝技術發展現狀與趨勢

孫晶晶，劉培林，段夢蘭，，張九菊，胡顯偉，桂 津

（1.中國石油大學（北京），北京102249；2.海洋石油工程股份有限公司海洋工程技術中心，天津300451；3.復旦大學，上海200433） ①

深水臍帶纜安裝技術發展現狀與趨勢

孫晶晶1，劉培林2，段夢蘭1，3，張九菊3，胡顯偉1，桂 津2

（1.中國石油大學（北京），北京102249；2.海洋石油工程股份有限公司海洋工程技術中心，天津300451；3.復旦大學，上海200433）①

對臍帶纜安裝技術特點作了介紹，包括與主平臺的回接技術、臍帶纜終端的下放技術。結合國內外臍帶纜安裝技術應用的水深情況作了相應的分析和對比，提出我國在深水臍帶纜安裝過程中所面臨的挑戰和發展方向。

深水；油氣田；臍帶纜；張緊器；斜槽；發展現狀

水下生產系統臍帶纜是電纜（動力纜或信號纜）、光纜（單模或多模光纜）、液壓或化學藥劑管（鋼管或軟管）的組合，整個系統包括深水臍帶纜終端、上部臍帶纜終端、連接部件。臍帶纜是水下生產系統的關鍵組成部分之一，主要作用是為水下生產系統提供電氣液壓動力、化學注入通道，同時為上部模塊控制信號以及水下生產系統提供數據傳輸通道。2002—2008年，在全球634個海上油氣開發項目中，超過500m的深水項目占48%，超過1 500m的超深水項目占22%，其中深海油氣生產約占海洋油氣生產的30%［1］，成為未來油氣資源爭奪的主戰場。臍帶纜作為深水油氣田開發的關鍵部分，其安裝技術必將走向深水領域。我國海洋石油的開采正向深水發展，因此掌握深水臍帶纜安裝的關鍵技術

1 臍帶纜安裝技術特點

臍帶纜上端連接生產平臺上的控制單元，下端連接海底終端，傳輸上部平臺的控制信號至水下各功能組件，例如海底管匯、水下采油樹等。因此，臍帶纜安裝過程分幾個階段進行。

1.1 臍帶纜鋪設技術

將鋪設設備按照設計圖紙中施工圖的要求布置、固定，將臍帶纜鋪設機具裝上船并與船體固定。臍帶纜的鋪設可以分為起始、正常、終止3個階段。在鋪設過程中應保證臍帶纜的曲率和張力。鋪設方式分為滾筒式鋪設和退扭架式鋪設［2］，如圖1～2所示。

圖1 滾筒式鋪設

圖2 退扭架式鋪設

1.1.1 鋪設準備

1） 臍帶纜開始鋪設前，需要按照設計在施工船上布置臍帶纜鋪設設備，并做好設備的檢查調試。

2） 潛水員檢查臍帶纜護管情況，檢查海底情況。

3） 從頂部穿1根牽引鋼絲到臍帶纜護管內。

1.1.2 起始鋪設

1） 施工船舶就位。

2） 臍帶纜終端頭在甲板上做好防水處理后，連接拖拉索具，放入水中。

3） 潛水員在水下將臍帶纜護管內的牽引繩與拖拉索具連接好。

4） 用吊機或絞車拉臍帶纜護管另一端的牽引繩，直到把臍帶纜終端頭抽出。

5） 預留出適宜臍帶纜連接的長度。

6） 在水上、水下固定住臍帶纜。

7） 沿著臍帶纜設計路線鋪設。

1.1.3 正常鋪設

將臍帶纜和鋪設設備裝船，按要求布置并做好固定和設備的檢驗調試，開始正常鋪設，在鋪設過程中要注意控制臍帶纜鋪設速度，監控臍帶纜入水角度和張力，通過張緊器和剎車系統控制鋪設張力和入水角度。移船過程中，定位系統引導臍帶纜鋪設到設計路線中。

1.1.4 終止鋪設

1） 鋪設臍帶纜到終點后，潛水員下水檢查臍帶纜護管情況，并清理管口。

2） 臍帶纜端部要綁一些浮球。

3） 潛水員在水下將臍帶纜護管內的牽引繩與拖拉索具連接好。

4） 將臍帶纜放到水里，通過浮球保持臍帶纜在水中的曲率。

5） 用吊機或絞車拉臍帶纜護管另一端的牽引繩，直到臍帶纜頭抽出。

6） 預留出適宜臍帶纜連接的長度。

7） 在水上、水下固定住臍帶纜。

1.2 與主平臺回接技術

臍帶纜連接到重力基座或是導管架平臺時，必須拉入到專用通道，該通道就是I／J－Tube。I／JTube一端用塞子塞緊，防止水滲入進去造成腐蝕。臍帶纜與主平臺連接時所用的I／J－Tube回接方法［3］是：當鋪管船到達平臺附近時，用深水遙控機器人ROV（Remotely Operated Vehicle）對海床和I／J管入口進行可視化檢查，考察I／J管的物理條件和海床條件以及I／J管的路線剖面。平臺上的絞車牽引纜索沿著I／J－Tube下放，使其在鋪管船甲板上與臍帶纜的一端連接好，平臺上的絞車收回牽引纜索。當牽引纜索在I／J管喇叭口的擋板處時，要用很大的張力才能通過。平臺絞車將臍帶纜拉起直到臍帶纜懸掛頭到達平臺鋪板標高處，連接于平臺上控制終端。如圖3所示。

圖3 主平臺回接技術

1.3 終端下放技術

臍帶纜終端UTA（Umbilical Termination Assembly）下放通常采用“雙子法”安裝［4］，UTA定位非常關鍵，UTA的下放順序如圖4～9所示。

1） 定位船到達指定位置或區域，將絞車鋼索一端吊至鋪管船，以便連接臍帶纜終端（UTA），定位船絞車鋼索連接到臍帶纜終端以后，再使臍帶纜連接好臍帶纜終端，然后用“A”型架將臍帶纜終端提起。

2） 傾斜“A”型架，使臍帶纜終端移出甲板，然后通過鋪管船上中心絞車纜線與定位船鋼索協調釋放，下放臍帶纜終端，直到臍帶纜終端進入水中。

3） 繼續下放臍帶纜、鋼索和中心絞車纜線，直到臍帶纜終端下降至500m水深處，中心絞車停止釋放纜線，利用深水遙控機器人剪斷中心絞車纜線。

4） 臍帶纜終端載荷全加至定位船鋼索上，完成張力轉換，這樣定位船就能確定臍帶纜終端的下降方位。

5） 繼續下降臍帶纜終端，當到達離海床50m處時，利用定位裝置確定臍帶纜終端的方位。

6） 定位完成以后，繼續釋放臍帶纜終端，直到臍帶纜終端下放到海床上，完成臍帶纜終端的下放工作之后，便開始正式鋪設臍帶纜的工作。

圖4 船舶就位

圖5 連接UTA

圖6 下放UTA

圖7 ROV切斷纜繩

圖8 下放UTA至海底10m處

圖9 UTA到達目標位置

1.4 飛行就位連接技術

臍帶纜終端下放到目標位置后，終端與水下生產設施相連接的部分是飛線（flying leads）。飛行就位（fly－to－place）技術是一個無人操作的連接系統，用來連接柔性管線或臍帶纜，完成油田內部水下各個設備之間的連接，例如采油樹、管匯、管線終端以及立管基座。近年來飛線的連接遇到很多困難，主要是由于對扣板（stabplate）質量過大，由于水深的增加，飛線本身的質量和剛度都增加了。因此，近幾年的安裝趨勢發生了變化，可以把飛線看作是短的臍帶纜［5］。安裝過程是應用支撐架（如圖10所示），用“八字形”的存儲安排，把飛線放到海底幾個連接點之間。當從海底拉起飛線接頭時，ROV繞過對扣板到達連接點。對于鋼管飛線，部署架應足夠大以適應它的彎曲半徑。飛線連接海底布局如圖11。

圖10 飛線支撐架

圖11 飛線連接海底布局

2 臍帶纜安裝所用關鍵設備

臍帶纜的鋪設過程需要專用鋪管船、定位船、滾筒、張緊器、斜槽和深水遙控機器人（ROV）等安裝設備。

2.1 滾筒／轉盤

滾筒／轉盤是安裝所必須的設備，用來存儲和下放臍帶纜，滾筒／轉盤的尺寸決定了存儲的臍帶纜的長度，而臍帶纜的最小彎曲半徑和鋪設長度也是滾筒直徑設計和選擇的依據。滾筒由電機帶動旋轉，供給臍帶纜的正常鋪設。在滿足臍帶纜尺寸要求的同時，要重視滾筒／轉盤材料選擇和裝置的固定［6］，避免滾筒過重導致滾筒／轉盤下沉或是出現意外的移動。

2.2 張緊器

張緊器是臍帶纜鋪設系統的核心部分之一。當將臍帶纜通過斜槽垂直放入水中前，由張緊器夾緊以提供其所需要的張力。張緊器［7－11］是衡量臍帶纜鋪設能力的關鍵設備，一般的鋪設船張緊能力都能達到3 000kN以上，大型的鋪設船更是在5 000kN以上。一方面，張緊器能起到固定臍帶纜的作用；另一方面，張緊器還能控制臍帶纜張力，使得鋪設船在波動或是風浪的作用下，臍帶纜的張力能保持在允許值范圍內，避免臍帶纜超過許用應力而破壞。

2.3 斜槽

把臍帶纜系統安裝到船上時，臍帶纜自船上垂入水中通過斜槽［12］，斜槽是一個剛性圓弧形的支撐導向結構，以確保臍帶纜在入水時彎曲半徑要大于最小彎曲半徑，保證臍帶纜的性能不被破壞，如圖12所示。

圖12 臍帶纜安裝系統中的斜槽

在深水安裝中，對斜槽的尺寸有一定的要求。設計斜槽半徑時要考慮臍帶纜對斜槽的接觸壓力，在超深水安裝時斜槽的半徑應更大一些。

圖13給出了斜槽半徑、安裝臍帶纜的水深以及臍帶纜質量之間的關系曲線。斜槽半徑的設計要限制臍帶纜和斜槽之間的相互作用力以及鋼管中的內壓，斜槽的半徑取決于安裝載荷和臍帶纜擠壓力。

圖13 斜槽半徑、水深和臍帶纜質量關系曲線

2.4 ROV

ROV系統工作范圍廣泛，從視覺檢查到非常復雜的操作，再到精細的管線連接，為深海臍帶纜的安裝系統提供遠程監測的能力。例如：監測處地點的位置，UTA下放準確定位，對“飛行就位”技術的實現提供監測等。ROV在海上石油開發、海洋科學研究、海底礦藏勘探、海底打撈救生以及軍事應用等方面正發揮著越來越重要的作用。

2.5 絞車

收放絞車是臍帶纜鋪設過程中牽引臍帶纜沿著I／J－Tube到達浮式平臺或是導管架平臺的關鍵設備，它具有控制、動力一體化的功能，能夠非常穩定地進行負重轉換，保證臍帶纜較平緩地拉至平臺上。牽引力的轉換是全自動進行的，所需時間短，且具有自動張緊的功能。

3 臍帶纜安裝技術進展

目前，巴西國家石油公司、BP、埃克森美孚、殼牌、道達爾等多家國際石油巨頭已擁有深水油氣勘探開發的核心技術。墨西哥灣地區BP、TotalFinaElf、Marathon Oil三大公司對King’s Peak、Aconcagua、Camden Hills油田進行臍帶纜安裝，3塊區域的水深為100～2 000m，其所應用對扣鉸接技術［13］（Stab and Hinge Over）減少了主臍帶纜終端與臍帶纜對接的安裝時間。臍帶纜的安裝技術已經發展到了近3 000m水深，國外一些安裝公司安裝臍帶纜的水深情況如表1。

表1 國外油田臍帶纜安裝水深

我國海洋石油開發與國外仍存在很大差距。我國雖然已經具備了300m水深以內的海洋油氣自主開發能力，但深海油氣勘探、開發和生產的關鍵技術和裝備仍比較落后，還不具備提供成套深海高端裝備的經驗。陸豐22－1海水油田位于中國南海，水深333m，臍帶纜和軟管的安裝船為海鷹號，并與挪威合作完成了海上臍帶纜的安裝。

據統計，全世界海洋油氣生產幾乎占海陸油氣總和的50%，其中深海油氣生產約占海洋油氣生產的30%。因此，臍帶纜安裝技術向深水領域發展必將成為新的發展方向。

4 結語

臍帶纜鋪設是深海油氣田開發過程中不可缺少的一步，臍帶纜就像神經一樣控制著整個系統。盡管我國在該領域與國外先進技術之間存在較大差異，但經過技術創新、裝備海洋化改造、技術先易后難、重點突破的漸進過程，困難將被攻克。

［1］ 廖謨圣，楊本靈.世界石油設備發展的新特點及機遇與挑戰［J］.石油礦場機械，2007，36（9）：1－6.

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［4］ PE Norris.Testing and Installation of the Gemini Umbilical［C］／／Houston：Offshore Technology Conference，2000.

［5］ Jone M，Hettinger F，Faulds D.Making all the right connections 2005［C］／／Houston：Offshore Technology Conference，2005.

［6］ Clausing K M，Williams V T，MacFarlane J C.Na Kika Umbilical Transport ＆Installation Challenges［C］／／Houston：Offshore Technology Conference，2004.

［7］ 何 寧，徐崇崴，段夢蘭，等.J型鋪管法研究進展［J］.石油礦場機械，2011，40（3）：63－67.

［8］ 曾 鳴，孫 亮，鐘朝廷，等.海洋鋪管船用張緊器內懸架的設計與分析［J］.石油礦場機械，2010，39（6）：32－35.

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［13］ Tim W Ellisor.Canyon Express Deepwater Umbilical and Control System：Design and Installation［C］／／Houston：Offshore Technology Conference，2003.

Present Situation and Tendency of Deepwater Umbilical Cable Installation Technology

SUN Jing－jing1，LIU Pei－lin2，DUAN Meng－lan1，3，ZHANG Jiu－ju3，HU Xian－wei1，GUI Jin2
（1.China University of Petroleum，Beijing102249，China；2.Offshore Engineering Technology Center，Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin300451，China；3.Fudan University，Shanghai 200433，China）

Umbilical cable for subsea production system is the combination of electric cables（power cable or signal cable），optical cables（single mode or multimode fiber optic cable）and hydraulic or chemical pipes（steel pipe or hose）.The system includes deepwater umbilical cable terminal，the upper part of the umbilical cable terminal，connected components.Therefore，this article does all aspects of the characteristics on umbilical cable installation technology，including technology of backing to the main platform，lowing umbilical cable termination.We make analysis and comparison of installing technology of different water depths at home and abroad，and put forward challenges we will face and developped direction of the umbilical cable installation.

deepwater；oil and gas fields；umbilical cable；tensioner；chutepresext stitution

1001－3482（2011）12－0001－05

TE953

A

2011－03－31

國家油氣重大專項“深水安裝技術及安裝機具研究”資助項目（2008ZX05056－03）

孫晶晶（1986－），女，遼寧錦州人，碩士研究生，主要從事安全檢測與監測研究，E－mail：sunjingjh＠163.com。尤為重要。通過對國內外臍帶纜安裝的發展現狀與趨勢的研究，可形成深水臍帶纜安裝的技術支持能力，建立相關的知識儲備，為我國深水油氣田開發提供技術的指導。