水下基礎及保護架設計與安裝應用

吳 非， 慈洪生， 賈 旭， 黃 俊

(中海油研究總院，北京 100028)

水下基礎及保護架設計與安裝應用

吳 非， 慈洪生， 賈 旭， 黃 俊

(中海油研究總院，北京 100028)

隨著海上油氣田開發水深的不斷加大，水下生產設施已廣泛應用。為了保護水下生產設施的生產安全，水下基礎及水下保護架的作用極為重要，并需要根據不同的工況進行相應的設計。通過中國南海西部深水項目，進行方案比選來選擇最優的水下基礎及保護架的設計及安裝方法。

水下生產系統；水下基礎；保護架；設計；安裝

0 引 言

隨著油田開發水深不斷加大，水下生產系統已經越來越廣泛地應用。水下生產系統是由水下井口、采油樹、管匯、跨接管、海底管線等不同的水下生產設施組成的深水油田開發系統。水下生產系統在深水油田開發中優勢較大但相對脆弱，因此為了保證水下設備設施的安全安裝、生產與作業，水下生產系統的基礎及保護架的設計變得尤為重要。由于水下生產設施包括各種形式，因此水下生產系統的基礎及保護架的形式也需要根據不同的設備設施的具體情況進行設計。

中國南海海域某項目，所在位置最大水深約140m，新建的水下生產系統包括PLEM、 SUTU和水下采油樹等形式。同時該項目還需對海底管道進行帶壓開孔作業，為保證生產作業的安全，開孔位置的管匯和閥門等設施也需要進行安裝和保護，因此該項目需要根據不同的水下設施，研究水下基礎和保護架的設計和安裝方案。

本文針對該項目，探討水下基礎及保護架的設計和安裝方法。通過對帶壓開孔處及水下三通處的水下保護架形式、基礎形式、保護策略、清管三通及閥門安放形式及閥門操作方式進行方案比選，根據項目實際要求，提出了新穎的設計方案和安裝方案，為類似設施的開發與設計積累了經驗。

1 方案比選

該項目所在位置最大水深約140m。由于需要對現有海管進行帶壓開孔并與新建海管進行連接，故帶壓開孔處需新布置帶壓開孔設備、球閥及水下三通等設備。水下基礎及保護架除需要對各設備進行保護外，還需要根據水下設施操作要求，對保護架進行相應設計。根據技術可行性、健康安全環保(HSE)風險、工程建設成本及操作成本等評判標準并針對項目自身特點，確定出最優方案。

1.1 保護架形式比選

水下生產設施保護架是根據水下漁網拖曳偶然工況對水下設備進行保護的結構。水下保護架設計載荷為水下漁網拖曳力(見圖1)。針對設計載荷水下保護架的形式可分為拖網可滑過設計(見圖2)和非拖網可滑過設計(見圖3)。

圖1 漁網拖曳力示意圖Fig.1 Fishing-gear load

圖2 拖網可滑過設計Fig.2 Trawl-over design

圖3 非拖網可滑過設計Fig.3 Design with which the trawl cannot glide

拖網可滑過設計的優點是對于作用在保護架上的拖網荷載是有限的，有利于保護結構物；非拖網可滑過設計的優點是結構形式簡單，便于設計與建造。兩者的技術可行性、健康安全環保風險、工程建設成本及操作成本的對比結果如表1所示。

表1 保護架形式的技術可行性、健康安全環保風險、工程建設成本及操作成本對比

綜合考慮不同設計的優點及對比結果，在本項目中保護架選擇拖網可滑過設計。

1.2 水下基礎形式比選

水下基礎主要是針對水下抗滑移、抗傾覆等工況進行設計。水下基礎的形式可分為防沉板基礎(見圖2)及樁基礎(見圖3)兩種。以下對打入樁基礎與防沉板基礎進行方案比選。

防沉板基礎的優點是結構形式簡單并且安裝方便，但是對于土壤的要求較高；打入樁基礎的優點是保護架自身重量輕，對安裝船舶的吊裝能力要求低。兩者的技術可行性、健康安全環保風險、工程建設成本及操作成本的對比結果如表2所示。

表2 水下基礎形式的技術可行性、健康安全環保風險、工程建設成本及操作成本對比

綜合考慮不同設計的優點及對比結果，在本項目中基礎形式選擇為防沉板基礎。

1.3 保護架策略比選

該項目需要對現有海管進行帶壓開孔，且需要新設置帶壓開孔及清管三通等設備。對于帶壓開孔及清管三通共用保護架(見圖4)，還是帶壓開孔設備與清管三通獨立保護(見圖5)進行方案比選。

圖4 帶壓開孔及清管三通共同保護Fig.4 Hot-tapping facilities and wye protected together

圖5 帶壓開孔及清管三通分別保護Fig.5 Hot-tapping facilities and wye protected separately

共同保護方案的優勢是可以減低施工的成本；分別保護方案的優勢是由于保護罩相對較小，對施工船舶的能力要求較低。兩者的技術可行性、健康安全環保風險、工程建設成本及操作成本的對比結果如表3所示。

表3 保護方案技術可行性、健康安全環保風險、工程建設成本及操作成本對比

雖然帶壓開孔及清管三通共同保護時的工程建設成本較低，但是由于帶壓開孔處放置水下基礎及保護結構需要進行挖坑處理，此方案保護結構較大，需要處理的土方量增大，造成費用增高，因此綜合考慮優缺點及上述原因后，本項目中采取帶壓開孔及清管三通分別保護的保護策略。

1.4 Y型三通布置方式比選

新建海管需設置清管三通并與其連接，故對清管三通及閥門的安放形式是直接放在泥面上(見圖6)或成橇放置(見圖7)兩種方案進行比選。

Y型三通直接布置在泥面上的優勢是保護架可以做得更小以更方便安裝，但是對于土壤要求高；而Y型三通成橇布置的優勢是對于土壤的要求較低。兩者的技術可行性、健康安全環保風險、工程建設成本及操作成本的對比結果如表4所示。

圖6 Y型三通直接布置在泥面上Fig.6 Arrangement of the wye directly on soil

圖7 Y型三通成橇布置Fig.7 Arrangement of the wye with sled

設計技術可行性健康安全環保風險工程建設成本操作成本布置在泥面可行相當較低相當成橇布置可行相當較高相當

盡管將Y型三通直接布置在泥面上的方案的工程成本較低，但是由于設備較重，土壤條件相對較差，直接將Y型三通布置在泥面上可能會造成承載力不足從而導致沉降。故在本項目中對于Y型三通的布置選擇為成橇布置。

1.5 閥門操作方式比選

由于帶壓開孔位置及清管三通位置均需設置閥門，考慮到水深較深閥門操作難度較大，對閥門的操作方式為頂部操作(見圖8)還是側面操作(見圖9)進行方案比選。

圖8 閥門頂部操作Fig.8 Operating on the top of the valve

圖9 閥門側面操作Fig.9 Operating on one side of the valve

閥門頂部操作的優勢是潛水員不用進入保護罩內部便可以對閥門進行操作，有利于提高安全性；而閥門側面操作可在設計時將保護罩的高度進行一定程度的降低，從而對整體結構的穩定性有一定的提高。兩者的技術可行性、健康安全環保風險、工程建設成本及操作成本的對比結果如表5所示。

表5 閥門操作方式的技術可行性、健康安全環保風險、工程建設成本及操作成本對比

綜合考慮人員操作安全和上述對比結果，同時考慮到即使按照頂部操作進行設計，防沉板基礎也能夠提供足夠的穩定性，因此在本項目中選擇閥門頂部操作的方案。

2 帶壓開孔及水下三通保護結構設計與安裝應用

2.1 保護罩結構設計

帶壓開孔及水下三通處保護罩的目的是保護設備不受漁網拖曳的影響。根據上一節中方案比選的結果，保護罩將按照漁網可滑過進行設計，并且在頂部設置頂板，防止漁網所可能造成的各種影響。除此之外保護架的設計還應遵循如下原則：

(1) 盡可能方便后期操作，并且在合適的位置設置拖航過程中所需要的固定點，以保證穩定性。

(2) 在合理位置設置吊點，以方便后期安裝操作。

(3) 頂板設計成可開啟模式以方便后期閥門連接及操作要求。

帶壓開孔保護罩結構形式如圖10所示，清管三通的保護架形式如圖11所示。

圖10 帶壓開孔保護架Fig.10 Hot-tapping protection structure

圖11 清管三通保護架Fig.11 Wye protection structure

2.2 防沉板基礎結構設計

水下基礎在水下生產系統中的作用是提供足夠的穩定性來抵抗滑移和傾覆等的影響。根據上一節中方案比選的結果，本項目將使用防沉板基礎形式。防沉板基礎的設計將綜合考慮不同項目要求及土壤的影響；管匯、浪、流、地震、漁網拖曳等荷載的影響也應考慮到防沉板基礎的設計中去。

防沉板基礎的大小主要取決于是否能夠提供足夠的摩擦力來抵抗滑移和傾覆等工況。由于是考慮摩擦力的影響，所以設備的重量、保護罩的重量及土壤的各項參數都需要在設計中考慮。

防沉板基礎通過重力就位。為保證防沉板基礎有足夠的剛度來抵抗建造及運輸過程中各種荷載的影響，板的厚度不應小于10mm。由于防沉板基礎是通過重力就位，在正面的板上應設置一定數量的排水孔，如圖12所示。

圖12 防沉板排水孔Fig.12 Vent holes on the mudmat

由于防沉板基礎表面積較大，所以排水孔的數量及排水孔開孔的大小的決定因素有兩個：

(1) 保證安裝鎖具在部署過程中不會由于沖擊荷載造成松弛。

(2) 保證在通過重力就位的過程中，水能夠足夠快地通過排水孔排出。排水孔的尺寸不應過大，以保證建造過程中人員的安全，故排水孔的直徑設置為100mm。帶壓開孔的防沉板基礎如圖13所示。

圖13 帶壓開孔防沉板基礎Fig.13 Mudmat foundation for hot-tapping

2.3 接口問題

除了自身以外，水下保護結構的設計還需要考慮水下機器人(ROV)、人員、船舶等接口問題。

2.3.1ROV接口

水下保護結構設計需要考慮ROV接口的影響：

(1) 保證ROV操作可以有效且方便地進行。

(2) 設計足夠的ROV抓臂，保證ROV在操作時的穩定性。

(3) 保證與ROV操作相關的設計在泥面1.5m以上，防止土壤擾動對ROV操作的影響。

2.3.2人員接口

人員的安全問題在任何項目中都是重中之重。項目應考慮在建造、施工及后期操作時的人員的安全性。需要在結構適當位置設置扶手、走道等以避免人員在建造及施工過程中的墜落等。還需考慮潛水員在操作時的方便，避免安全事故。

2.3.3船舶接口

水下結構的設計應考慮船舶在運輸時及安裝時的影響。因此結構物的大小及重量等指標均需控制在船舶能力的范圍之內。需要給施工及運輸船舶留有足夠的余量等。

2.4 安裝

帶壓開孔及水下三通保護結構的安裝分為6個步驟進行，如圖14所示。

圖14 水下生產系統安裝流程Fig.14 Installation steps for subsea production system

第一步和第二步為帶壓開孔設備及閥門等的布置安裝。然后進行帶壓開孔保護結構的安裝。第四步為清管三通防沉板的安裝。在安裝好清管三通的防沉板后對管線進行連接，最后安裝清管三通的保護罩。

在完成帶壓開孔設備布置及閥門等的布置安裝后，對帶壓開孔保護結構進行安裝。帶壓開孔結構安裝的精度要求如下：

(1) 重心應控制在0.5m×0.5m的正方形區域內；

(2) 傾斜角度應控制在±2°以內；

(3) 接觸角度應控制在±2°以內；

(4) 裙板應完全進入土壤。

在完成帶壓開孔保護結構的安裝后，需要對清管三通基礎進行安裝，清管三通保護架的安裝則在管線布置完成后進行。清管三通保護架通過在清管三通基礎上的導向與基礎對接完成。清管三通保護結構安裝的精度要求如下：

(1) 重心應控制在1.5m×1.5m的正方形區域內;

(2) 傾斜角度應控制在±2°以內;

(3) 接觸角度應控制在±2°以內。

除上述要求外，吊繩的角度還應大于60°。另外，考慮到土壤平整度的影響，如果土壤的斜度超過2°，則需要對土壤先進行處理，再進行施工作業。

3 結 語

隨著海洋石油工程技術的不斷發展，水下生產設施已廣泛應用。水下基礎和保護架的設計和安裝在進行結構校核的同時，還需要考慮土壤、船舶、人員操作等多種因素的影響。因此，水下基礎及保護結構的設計和安裝方案需考慮上述多方面的因素，并要根據不同工況的需求與特點進行相應的設計研究，從而在保護水下生產設施安全生產的同時，確保水下結構物安裝及后期水下操作的安全性。

[1] American Petroleum Institute. API RP 17B. Recommended practice for flexible pipe [S]. 2008.

[2] American Petroleum Institute. API RP 2A. Recommended practice for planning， designing and constructing fixed offshore platforms： working stress design (21st Edition) [S]. 2007.

[3] American Petroleum Institute. API Spec 2B. Specification for fabricated structural steel pipe (6th Edition) [S]. 2002.

[4] American Petroleum Institute. API RP 2GEO. Geotechnical and foundation design considerations [S]. 2011.

DesignandInstallationofSubseaFoundationandProtectionFrame

WU Fei, CI Hong-sheng, JIA Xu, HUANG Jun

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

With the increase in water depth of oilfield development, subsea production system has been applied widely. Subsea foundation structure and protection frame play an important role in subsea production system and vary depending on the working conditions, etc. We aim to find the best design and installation method with comparisons and choose the scheme based on the specific project of western South China Sea.

subsea production system; subsea foundation; protection frame; design; installation

TE54

A

2095-7297(2017)04-0221-06

2017-03-21

吳非(1980—)，男，碩士，主要從事海洋工程方面的研究。