錦州9-3油田CEPD平臺萬噸級組塊極淺水海域浮托安裝技術(shù)

史云龍 郝寶齊 張延軍

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300452)

錦州9-3油田CEPD平臺萬噸級組塊極淺水海域浮托安裝技術(shù)

史云龍 郝寶齊 張延軍

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300452)

錦州9-3油田CEPD平臺萬噸級組塊浮托安裝作業(yè)水域中心水深僅8.9 m，若采用常規(guī)方案浮托安裝則面臨駁船觸底風(fēng)險。為克服極淺水條件對大型組塊浮托安裝的挑戰(zhàn)，對該油田CEPD平臺組塊浮托安裝方案進行了論證，詳細分析了方案實施的技術(shù)要點，采用水池模型試驗方法對組塊浮托過程中駁船的觸底情況及淺水效應(yīng)對駁船運動特性的影響進行了研究，并借鑒以往項目經(jīng)驗采取了相應(yīng)創(chuàng)新設(shè)計及輔助措施，成功解決了萬噸級組塊極淺水海域浮托安裝的難題，實現(xiàn)了我國海洋工程極淺水域高位浮托的突破，對后續(xù)淺水海域油田開發(fā)以及新型導(dǎo)管架的設(shè)計具有重要借鑒意義。

錦州9-3油田；CEPD平臺；萬噸級組塊；極淺水海域；浮托安裝；水池模擬試驗；輔助措施

浮托法作為近年來海上平臺安裝的常規(guī)方法，具有成本低、作業(yè)時間短、起重能力大、適用范圍廣、操作方便安全、組塊陸地建造最大化等特點[1-3]。隨著平臺走向功能化、集約化，組塊的重量也隨之增加，組塊的浮托安裝對支持船舶提出了更高要求，尤其是極淺水海域大型浮吊無法進入對應(yīng)海域作業(yè)，給組塊的安裝帶來了極大的挑戰(zhàn)[4]。

錦州9-3油田位于渤海遼東灣北部海域，中心位置處水深僅8.9 m，且該海域海床地貌成淺盆地形態(tài)，以平臺中心位置為最深處，向外圍發(fā)展水深逐步遞減到7.5 m。該油田主體區(qū)綜合調(diào)整項目CEPD平臺組塊重約11 000 t，選用海洋石油228駁船作為浮托安裝主作業(yè)船，該船長180 m，型深12.75 m，總質(zhì)量1.8萬t。受作業(yè)區(qū)域水深的影響，若采用常規(guī)方案浮托，在退船階段船尾的底部凈間隙僅0.57 m，無法滿足規(guī)范作業(yè)要求，易造成駁船觸底，且海底布置大量管線，碰撞可能導(dǎo)致駁船船體結(jié)構(gòu)和海底管線受損，從而引發(fā)系列安全問題。針對上述難題，對錦州9-3油田CEPD平臺組塊浮托安裝方案進行了論證，詳細分析了方案實施的技術(shù)要點，采用水池模型試驗方法研究了組塊浮托過程中駁船的觸底情況及淺水效應(yīng)對駁船運動特性的影響，借鑒以往項目經(jīng)驗采取了相應(yīng)創(chuàng)新設(shè)計及輔助措施，最終成功解決了該油田CEPD平臺萬噸級組塊極淺水浮托安裝的難題，順利完成了浮托安裝作業(yè)。

1 浮托安裝方案選擇

為攻克錦州9-3油田CEPD平臺大型組塊浮托安裝面臨的極淺水難題，開展了多個方案的論證工作，主要包括：①組塊就位后利用拉力千斤頂進行提升方案；②在浮托進船前利用組塊支撐結(jié)構(gòu)處布置的液壓千斤頂進行頂升方案；③海床疏浚方案；④傳統(tǒng)被動式浮托方案。其中，方案①、②采用液壓千斤頂輔助安裝，系統(tǒng)控制復(fù)雜，不利于駁船強度控制，可靠性不高且存在較大安裝風(fēng)險，安裝費用高，甲板下方部分管線及電纜布置需要調(diào)整；方案③改變海床地貌，需要向國家申報，同時須對回淤情況進行評估，存在工期不確定性風(fēng)險。因此，最終選擇了方案④，即傳統(tǒng)被動式浮托方案，無須對原始設(shè)計做任何更改，且傳統(tǒng)浮托安裝技術(shù)熟練、風(fēng)險小、效率高、成本低，但采用該方案還須解決退船時底部間隙不足的技術(shù)難題。

為解決退船時底部間隙不足的難題，并使安裝定位滿足精度要求，在導(dǎo)管架設(shè)計中首次采用了一體式安裝和“抽芯”相結(jié)合的方案[5]，即建造階段導(dǎo)管架設(shè)計為臨時輔助框架連接的8腿導(dǎo)管架形式，框架在吊裝和打樁作業(yè)期間對兩邊的導(dǎo)管架進行定位；海上打樁完成固定后將框架從兩邊的導(dǎo)管架之間抽出，結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換為2個獨立的4腿導(dǎo)管架，如圖1所示。這樣既解決了浮托退船時底部間隙不足的難題，又能精準(zhǔn)控制2個獨立4腿導(dǎo)管架之間的整體尺寸，為大型組塊超淺水浮托安裝的順利實施提供了條件。

圖1 錦州9-3油田CEPD平臺導(dǎo)管架輔助框架形式及拆解

2 方案實施技術(shù)要點分析

浮托安裝主要風(fēng)險點在于進、退船階段駁船的底部間隙、駁船與導(dǎo)管架樁腿的碰撞、系泊纜拉力等問題，須確定駁船參數(shù)、駁船壓載、坐標(biāo)系及方向、環(huán)境參數(shù)等輸入條件，采用SACSA軟件對駁船模型、組塊、護舷模型、錨泊系統(tǒng)等逐一建模，對進、退船階段進行數(shù)值模擬分析，并參照API標(biāo)準(zhǔn)[6-7]對碰撞載荷及系泊纜拉力進行校核。模型中駁船與導(dǎo)管架的相對位置和坐標(biāo)如圖2所示。

圖2 駁船、導(dǎo)管架相對位置和坐標(biāo)

進船階段。駁船以5.9 m的吃水(相對于平均海平面)進入導(dǎo)管架槽口，此階段吃水較淺無須考慮底部間隙問題，因此選取船首距導(dǎo)管架B軸10 m、船首距導(dǎo)管架A軸10 m、船首距導(dǎo)管架A軸38 m以及到達對接位置等4個階段進行分析。在系泊纜和拖輪作用下，駁船進入導(dǎo)管架槽口并到達對接位置，利用拖輪和限位護舷控制駁船的位置，以使組塊上插尖和導(dǎo)管架樁上的LMU接收器準(zhǔn)確對位。此過程中駁船護舷與導(dǎo)管架腿間的間隙為0.1 m，數(shù)值模擬結(jié)果顯示橫蕩護舷上的最大碰撞載荷出現(xiàn)在船首距導(dǎo)管架A軸38 m處的B3腿上，此時通過調(diào)整系泊纜的拉力來平衡環(huán)境載荷，以防止護舷承受過大載荷；而系泊纜的最大拉力出現(xiàn)在船首距導(dǎo)管架B軸10 m位置，最小安全系數(shù)為3.2。

退船階段。該海域水深較淺，且深度變化顯著，駁船退船工況選取5個階段進行分析，分別為到達對接位置、船首距導(dǎo)管架A軸52.5 m、船首距導(dǎo)管架A軸38 m、船首距導(dǎo)管架A軸10 m、船首距導(dǎo)管架B軸10 m。退船階段吃水增加，最淺水深7.5 m，考慮1.9 m的潮位，設(shè)計水深9.4 m，設(shè)定駁船吃水8.4 m，此時駁船底部間隙滿足安全操作要求。將駁船拉出導(dǎo)管架槽口的操作主要借助船尾系泊纜和船尾拖輪來完成，直到駁船拖離導(dǎo)管架足夠的安全距離，退船作業(yè)完成。數(shù)值模擬結(jié)果顯示橫蕩護舷上的最大碰撞載荷出現(xiàn)在船首距導(dǎo)管架A軸10 m處的B3腿上，系泊纜最大拉力出現(xiàn)在船端距導(dǎo)管架A軸10 m處，此時系泊纜拉力最小安全系數(shù)為2.9。

通過碰撞載荷、系泊纜拉力校核計算，碰撞載荷均小于護弦承受最大載荷，系泊纜拉力最小安全系數(shù)均大于API RP 2SK[8]和GL Noble Denton 0031/ND[9-10]規(guī)范最小安全系數(shù)2.0的要求。此外，數(shù)值模擬計算顯示駁船垂蕩向下運動最大值出現(xiàn)在L3位置，為0.13 m，此時駁船底部間隙約為0.85 m，無觸底風(fēng)險。

3 水池模擬試驗

為了進一步測試在風(fēng)、浪、流條件下駁船退船過程中船底和泥面之間的間隙，驗證駁船是否存在觸底危險并分析極淺水效應(yīng)對駁船運動特性和浮托作業(yè)影響，在上海交通大學(xué)海洋工程水池進行了浮托安裝駁船水池模擬試驗。運用相似性準(zhǔn)則，按照1∶30的縮尺比建立駁船水池試驗?zāi)Ｐ?如圖3所示。同時在船首和船尾方向L1、L2、L3、L4位置處(圖2)安裝拉力、加速度和位移傳感器，用于監(jiān)測駁船是否發(fā)生觸底。根據(jù)錦州9-3油田CEPD平臺區(qū)域的海域條件，試驗時風(fēng)速取小于10.7 m/s，船首頂頭浪有效波高1.0 m、尾側(cè)浪有效波高0.75 m、橫浪有效波高0.50 m，海流小于1.26 m/s。

水池模擬試驗結(jié)果表明，在風(fēng)、浪、流等環(huán)境條件作用下，駁船運動非常平穩(wěn)，振蕩十分微小，肉眼甚至難以覺察到船體垂向運動，在整個試驗過程中駁船垂蕩向下運動的最大值出現(xiàn)在駁船L2船尾位置處，為0.13 m，與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合。

對于極淺水效應(yīng)對駁船運動特性的影響，水池模擬試驗結(jié)果表明：在極淺水條件下，駁船運動固有周期受水深影響十分敏感，其垂直方向上的運動如垂蕩、縱搖等的固有周期隨水深的減小而明顯增加；駁船在初始進入導(dǎo)管架槽口時并不能保持平衡，而是具有一定的首向偏移角度，在風(fēng)、浪、流作用下平均最大偏移角度達到了18.5°；在各個浪向角條件下，駁船系泊纜的最大載荷隨著水深的減小而明顯增加。因此，在實際浮托作業(yè)過程中，應(yīng)盡量減少駁船在槽口的停留時間，應(yīng)對駁船首向偏移角度予以關(guān)注，通過調(diào)節(jié)系泊纜長度、拖輪側(cè)推或頂推等方式使駁船保持規(guī)定的首向角度。

圖3 浮托安裝駁船水池試驗?zāi)Ｐ?/p>

4 方案實施輔助措施

針對水池模擬試驗中發(fā)現(xiàn)的極淺水條件下駁船底部間隙較小、駁船對在槽口停留時間較為敏感以及船首偏移角度較大等問題，借鑒以往項目經(jīng)驗采取了相應(yīng)的輔助措施。

1) 將組塊在駁船上的組塊支撐結(jié)構(gòu)(DSU)設(shè)計成可移除的形式，當(dāng)海上風(fēng)浪較大導(dǎo)致駁船運動劇烈時，可以通過快速移除DSU來增加駁船在平臺槽口內(nèi)的上下間隙，避免損傷平臺和駁船觸底，為駁船安全退出提供重要保障。此外，CEPD平臺組塊總計4個滑靴，設(shè)計時考慮DSU切割后的下放問題，將滑靴設(shè)計成局部700 mm凹槽形式，在浮托退船時為DSU下放預(yù)留空間，可直接將DSU下放至凹槽內(nèi)，這樣既能有效減少DSU切割后的下放時間，又可減少駁船在導(dǎo)管架槽口停留的時間。

2) 采用交叉纜進船形式，同時在駁船兩側(cè)并靠兩艘全回轉(zhuǎn)拖輪，更靈活精準(zhǔn)地控制駁船的運動和偏移。

3) 在組塊浮托安裝前進行水深測量，確保浮托海域環(huán)境條件的時效性和可靠性；同時在駁船上預(yù)裝運動監(jiān)測和水深監(jiān)測設(shè)備，對浮托過程進行實時監(jiān)測，為實施過程提供準(zhǔn)確、及時、有效的信息保證。

5 結(jié)束語

2014年9月16日，海洋石油228成功在水深只有8.9 m的目標(biāo)海域?qū)⒅剡_11 000 t的錦州9-3油田CEPD平臺組塊平穩(wěn)托放在導(dǎo)管架上，并成功完成退船作業(yè)。

錦州9-3油田 CEPD平臺組塊在渤海極淺水海域浮托安裝的成功實施，創(chuàng)造了浮托安裝作業(yè)最小水深記錄，實現(xiàn)了我國海洋工程極淺水域高位浮托的突破,成功解決了大型組塊浮托水深限制的難題，對后續(xù)淺水海域油田開發(fā)以及新型導(dǎo)管架的設(shè)計具有重要借鑒意義。

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(編輯：呂歡歡)

Technology for float-over installation of 10k-ton CEPD topsides in the ultra-shallow sea water of JZ 9-3 oilfield

Shi Yunlong Hao Baoqi Zhang Yanjun

(TianjinBranchofCNOOCLtd.,Tianjin300452,China)

The water depth of central operation area in JZ 9-3 oilfield where 10k-ton CEPD (central processing platform of D) topsides would be float-over installed is merely 8.9 meter. The risk of bottom touching with the barge could arise if conventional scheme of float-over installation is implemented. In order to overcome the challenge of heavy topsides float-over installation in ultra-shallow sea waters, we demonstrated the proposals of the CEPD topsides float-over installation, analyzed the key technical points for the implementation of the proposals in details, conducted pool test to understand the scenarios of bottom touching during topsides float-over installation and impact of ultra-shallow water on barge motion characteristics. Meanwhile, we adopted relative innovational design, experiences and assisting measures of the previous projects. The problem of 10k-ton topsides float-over installation in ultra-shallow sea waters was overcome, achieving the breakthrough of high position float-over in ultra-shallow waters in offshore engineering, which is significant to subsequent shallow water oilfield development and the design of new type jackets.

JZ 9-3 oilfield; CEPD platform; 10k-ton topsides; ultra-shallow sea water; float-over installation; pool test; assisting measure

史云龍，男，工程師，2006年畢業(yè)于太原科技大學(xué)機械設(shè)計制造與自動化專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，從事海洋平臺建造、技術(shù)管理等工作。地址：天津市塘沽區(qū)渤海石油路688號海洋石油大廈B座(郵編：300452)。E-mail:shiyl2@cnooc.com.cn。

1673-1506(2016)03-0144-04

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.03.023

U674.38

A

2015-11-19 改回日期：2016-02-22

史云龍,郝寶齊,張延軍.錦州9-3油田CEPD平臺萬噸級組塊極淺水海域浮托安裝技術(shù)[J].中國海上油氣，2016,28(3)：144-147.

Shi Yunlong,Hao Baoqi,Zhang Yanjun.Technology for float-over installation of 10k-ton CEPD topsides in the ultra-shallow sea water of JZ 9-3 oilfield[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(3):144-147.