流花4-1電纜和臍帶纜安裝技術及應用

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(中海石油(中國)有限公司深圳分公司, 廣東 深圳 518067)

臍帶纜作為水下生產系統的重要組成部分，是連接上部設施和水下生產系統之間的生命線[1-2]，研究其安裝技術對深水油氣田的開發有重要意義。

流花4-1油田位于中國南海珠江口盆地，距香港約215 km，海域水深260～310 m，是中海油有限公司第一個自營開發的水下項目。流花4-1油田采用水下生產系統依托流花11-1油田現有設施進行開發的總體開發方案，總布置見圖1。

圖1 流花油田總布置示意

流花4-1油田采用雙電潛泵采油，生產用電由“南海挑戰號平臺”提供，輸電線路采用3條14 km長的多芯海底電纜，通過電纜分配器(SPDU)分配到各井口。化學藥劑、控制信號、控制用電/液體等通過一條14 km臍帶纜從“南海挑戰號”輸送到流花4-1油田水下生產系統，通過水下臍帶纜終端分配器(SDU)輸送到各井口的水下控制模塊和中心管匯[3]。

1 流花4-1電纜和臍帶纜介紹

1.1 海纜附屬件布置

將電纜和臍帶纜統稱為海纜，見圖2。海纜包含以下附屬件：拖拉頭及懸掛點，J型護管對中器及抗彎器，浮筒，觸地點防磨保護套，錨定卡子，水下終端接口及水下終端。

圖2 電纜附屬件布置

由于水下系統的依托設施為半潛式平臺(FPS)，因此海纜分為靜態段和動態段。錨定卡子左側為靜態段，右側為動態段。

1.2 水下終端

電纜的水下終端為SPDU(subsea power distribution unit )，通過支架安放在防沉板上；臍帶纜的水下終端為UTH(umbilical termination head )，通過導向錐安放在SDU(subsea distribution unit)上，見圖3。在運輸和安裝過程中，電纜連同SPDU存放在轉盤內，防沉板放置在作業船甲板上；臍帶纜連同UTH存放在轉盤內，導向錐放置在作業船甲板上。

圖3 水下終端示意

1.3 動態纜及上部懸掛

海纜的動態段是指從錨定卡子(holdbackclamp)到懸掛點(hang-off point)之間的部分，長約600 m，通過安裝浮筒形成緩波(lazy wave)形狀，以適應平臺的移動，見圖4。

圖4 海纜動態段形狀

安裝完成后，錨定卡子坐落到錨定結構 (holdback structure)的卡槽內,見圖5。其作用主要是在平臺偏離中心位置較遠時，防止海纜靜態段向動態段底部方向移動。通過懸鏈線計算可得出錨定卡子處電纜所受最大軸向力為140 kN，臍帶纜為136 kN。

為防止上部電纜與平臺結構發生碰撞，并限制纜在波浪流作用下的運動，在平臺橫撐上安裝了J型護管(J-TUBE),見圖6。電纜穿過J型護管到達懸掛平臺。計算得電纜懸掛點所受最大軸向力188 kN，臍帶纜懸掛點所受最大軸向力174 kN。

圖5 錨定結構

圖6 J型護管及懸掛平臺位置

1.4 海纜截面特性

電纜主要由聚乙烯外護套、兩層鋼絲鎧裝、聚乙烯內護套、鋼絲填充/聚乙烯填充、三芯電纜構成。臍帶纜主要由聚乙烯外護套、兩層鋼絲鎧裝、聚乙烯內護套、鋼絲填充/聚乙烯填充、四芯信號纜及hose軟管構成。主要物理特性見表1。

表1 電纜和臍帶纜的物理特性

2 安裝要求

依據廠家分析報告，電纜和臍帶纜在海底穩定性足夠，無需任何處理；電纜懸跨需小于3.8 m,臍帶纜懸跨需小于2.3 m；海纜安裝誤差沿路由小于10 m，起始鋪設安裝精度5 m，靜態端安裝精度3 m。

3 分析模型

本次海纜安裝分析是通過OrcaFlex 9.4b完成的。OrcaFlex是一款非線性時域分析有限元軟件，在海洋工程中，主要應用在剛性/柔性立管，海管/海纜，錨泊系統等的設計和安裝分析中。軟件中有6D buoys, 3D buoys, vessels, tethers, winches, links等單元，使建模過程簡單方便。通過設置海底土層、風、浪、流的參數，可以將環境力加載到模型中，進行有限元分析。

該分析模型主要包含FPS、工程船及吊機索具、海纜及水下終端、海纜各附件、水下設施。水深265～310 m，海水密度1 025 kg/m3，采用Airy波，流速隨水深線性遞減；海纜與土壤之間的摩擦系數取0.2；考慮安裝船吊機升沉補償效率為90%;海纜終端建為6D buoys，吊鉤為3D buoys，索具和海纜為線單元，海纜附件及其海纜段轉化為當量截面；Morison方程計算線單元的水動力載荷。

4 安裝控制參數

分析過程中需要考慮海況條件的可操作性，吊機能力，ROV飛行距離，海纜出船艉導向槽的角度，海纜及其附件力學限制條件等，根據制約因素確定每一步中的Layback值。

所謂Layback是指海纜安裝時，從船艉到觸地點之間的水平距離。它對海纜彎曲度、觸地點是否受壓、海纜海底穩定性有重要影響。Layback最小值應由海纜彎曲半徑和觸地點軸向受壓能力決定，最大值由觸地點最大軸向拉/壓力和出導向槽角度、ROV 飛行距離決定。

初始鋪設時，Layback值較小，應控制在6～30 m，保證海纜終端不被拉離原始位置；離開終端200 m后，當Hs=1～2 m時，可將Layback控制在30～100 m范圍內。

5 海纜安裝所用關鍵設備

鋪設電纜、臍帶纜時，主工作船甲板布置圖見圖7。

圖7 甲板布置示意

工作船Southern Ocean，隸屬于Fugro TS MARINE公司，DP 2，是一艘性能優越的多功能作業船。船長136.60 m，型寬27.00 m，型深9.70 m。船左舷有250 t @ 10 m和75 t@ 35 m吊機各一臺，都具有升沉補償功能。船舷各有一臺102 kW工作級ROV，最大工作水深3 000 m，水平可作業半徑分別為350 m和600 m。

張緊器支撐結構(Tensioner Support system)用來支持張緊器，前有導向斜槽，后有入水橋，尾部有可收縮/伸長工作臺用于安裝海纜附屬件。

張緊器(tensioner)租借于Aquatic公司，型號為AQTT-10C-50，最大牽引力50 t，最大夾緊力1 520 kN，有4×3.5 m長的履帶。

轉盤(carousel),轉盤最大裝載力20 000 kN， 最大轉速0.8 r/min。轉塔吊機最大承載力120 kN。轉塔的履帶傳送裝置最大牽引力150 kN，最大夾緊力350 kN，有2×2.5 m長的履帶。此次鋪設是國內首次選用轉盤存儲電纜，而非常見的滾筒形式。該轉盤外徑約20 m，高度約12 m，能容納2 000 t的海纜。本項目中，4根、14 km海纜重達1 900 t，采用該方式可一次性容納全部海纜，經濟性較好。每條海纜可以完整存儲于轉盤內，消除了常見滾筒方案中將海纜分為幾段，需海上安裝時進行對接的缺點，節約海上作業時間，并降低了作業風險。

絞車有100 kN和300 kN兩種，主要作用是，在電纜首尾兩端轉移時，起牽引作用；并用于打撈和釋放引鏈。

平臺上的海纜端頭提拉設備(pull-in equipment)。由于平臺上，海纜懸掛平臺上方的主甲板空間狹小，沒有足夠的空間安裝15 t絞車，因此采用1×5 t小絞車用于回收引鏈，2×15 t絞手葫蘆進行提拉作業的方案。

導向輪(overboarding sheave)用來引導打撈/釋放的引鏈。

偏轉器(deflector)。偏轉器放置在甲板上，用來控制轉盤和張緊器之間的電纜走向。

6 海纜海纜鋪設步驟

將海纜和上述設備裝船，固定好并調試完畢后，開始鋪設,鋪設過程分為以下幾個步驟，見表2。

表2 海纜安裝步驟

6.1 SPDU / UTH起吊

1)將SPDU / UTH從轉盤轉移到甲板，并連接至防沉板/導向錐上。

2)在吊機、絞車、轉盤轉塔各方配合下，使SPDU / UTH經過張緊器，到達船艉。關閉張緊器并設置張緊器夾緊力為海纜最大允許夾緊力的80%。

6.2 SPDU / UTH入水并下放

1)按設計步長分別進行吊機索具釋放、絞車牽引繩釋放、電纜釋放等動作，以保證SPDU尾部電纜形成懸連線，下放SPDU。

2)當到達水深50 m時，暫停下放，ROV解開絞車牽引繩。

3)繼續下放SPDU至距離海底20 m時，移船到目標位置上方。

對于UTH，不同之處在于：由于UTH較輕，入水后使UTH從水平位置轉換成豎直位置，吊機索具成松弛狀態，UTH重量全部由臍帶纜承受。

6.3 SPDU / UTH著陸

1)當SPDU / UTH距離海底約5 m時，吊機轉換為升沉補償模式(AHC),ROV協助調整SPDU首向，移船調整SPDU/ UTH至安裝位置正上方，下放吊機，SPDU著陸，速度應小于0.5 m/s。

2)解開主索具，開始起始鋪設。注意應盡量減少解除索具的時間，因為此時Layback較小，作業船在風浪流作用下不斷運動，有導致觸地點處發生嚴重擠壓的風險。

6.4 起始鋪設、正常鋪設

一旦靜態端頭著陸，調整船艏向至受力最小方向，開始起始鋪設，通過控制電纜釋放長度和移船距離，控制Layback在30 m范圍內，保證海纜終端不被拉離原始位置。

當鋪設200 m左右時，海纜與土壤摩擦力足夠大，即開始了正常鋪設，將Layback控制在30～100 m范圍內。海況越好，Layback可取值越大，越利于鋪設。正常鋪設時，電纜釋放步長與移船速度由控制臺作業監督依據實際情況確定，正常鋪設速度為8～10 m/min。

注意，鋪設過程要不斷監視Layback數值，觸地點附近纜形狀，張緊器拉力值，轉盤/轉塔/張緊器與移船速度，纜外表皮，纜長度標記，甲板上轉塔與張緊器之間纜的松弛度等。

6.5 附屬件安裝等

1)附屬件安裝。當海纜上附屬件的安裝位置標記到達船艉工作臺，停止鋪設，陸續進行卡子、防磨保護套、浮筒的安裝。

2)海纜余量鋪設。由于流花4-1采購的海纜長度含400 m余量，除去鋪設誤差后，富余纜長度仍達近200多米，需進行余量鋪設，以消耗富余纜長。余量鋪設時，Layback減少至約50 m。

3)卡子進入錨定結構。通過減少Layback至約20～30 m，保證卡子在深水處仍保持豎直狀態，卡子的重量由海纜承受。當卡子在水深270 m左右時，連接卡子上的索具到吊機，使卡子的重量由吊機承受。繼續移船鋪設，卡子漸漸由豎直狀態轉為傾斜狀態，并最終落入錨定結構卡槽附近。

注意，該過程中需不斷監視卡子附近纜的形狀，防止發生過彎情況；當鋪設至錨定結構附近時，需不斷對比觸地點附近長度標記與KP點差值，以便確切地計算出富余纜長度，根據實際情況修改設計路由，以保證卡子能準確落入錨定結構卡槽內。

4)動態纜形成緩波狀。改變船艏向至作業船與平臺艉部平行(即與鋪設方向垂直)，使船艉靠近平臺，方便進行電纜端部轉移工作；完成轉向后，移船增大Layback至約150 m，使安裝了浮筒的海纜段由垂直轉為波浪狀。

6.6 作業船與平臺進行動態端頭交接

1)將動態端頭即拖拉頭從轉盤轉移到甲板。在船艉工作臺上，連接30te絞車繩索到海纜上，該絞車作用是在下一步打開張緊器時承受水中懸空段海纜的重量。

2)緩慢起吊并向船艉移動拖拉頭，使其經過張緊器后，懸掛于船艉。

3)打撈從平臺J型護管釋放出來的回收鏈。連接回收鏈和拖拉頭，緩慢釋放吊機，下放拖拉頭至水深50～60 m，等待平臺回收引鏈和回收鏈。注意，下放拖拉頭時，需密切監視海纜觸地點，避免與流花11-1現存水下設施發生碰撞。

4)平臺回收完引鏈后，作業船吊機索具受力為約1～2 t，切斷連接吊機與拖拉頭的索具，完成力的傳遞，動態端頭移交給平臺。

6.7 提拉海纜至懸掛平臺

動態端頭移交給平臺后，平臺繼續回收回收鏈，拖拉頭穿過J型護管，到達懸掛平臺。拆除拖拉頭，固定海纜到懸掛點上。潛水員固定抗彎器到J型護管。

按照ISO標準對海纜進行測試。對于高壓電纜芯和低壓信號纜芯，測試內容包含絕緣電阻、直流電阻、時域反射測試(TDR) 等；對于Hose軟管進行壓損測試、壓力測試等。

流花4-1油田開發項目的海纜安裝過程歷時19天，完成了3根電力電纜和1根電液混控臍帶纜共計56 kM的海纜海上鋪設、提拉固定和測試工作。

7 結束語

介紹流花4-1油田電纜和臍帶纜的形式、鋪設過程中需要的主要設備、安裝過程技術參數及限制條件，并對關鍵安裝步驟進行詳細描述，以期為國內其他項目海纜安裝，尤其是對我國南海深水油氣田的開發提供借鑒和參考，形成深水電纜和臍帶纜安裝的技術支持和知識儲備。

[1] 孫晶晶,劉培林,段夢蘭,等.深水臍帶纜安裝技術發展現狀與趨勢[J].石油礦場機械,2011,40(12):1-5.

[2] 海洋石油工程設計指南編委會.海洋石油工程設計指南:海洋石油工程深水油氣田開發技術[M].北京:石油工業出版社,2011.

[3] 王春升.流花4-1油田開發可行性研究[R].北京：中海石油研究總院，2009.