深水柔性軟管濕存后的回收工藝研究

劉書勝 周健偉 李國毅 李 俊 吳業旺 盧維強

（深圳海油工程水下技術有限公司，廣東 深圳 518067）

0 引言

深水油氣田的開發過程普遍采用基于水下井口和浮式生產裝置（Floating Production Unit，FPU）的水下生產系統開發模式。水下生產系統以其高效、低成本等特點成為深水開發的首選。立管系統是連接水下靜態設施和水面動態浮式生產裝置的中間媒介，是水下生產系統的核心設施之一[1-2]。FSR立管系統用于連接水下鉆井中心的跨接管至浮式生產裝置（FPU），主要由連接FPU和鋼制站立立管間的柔性跨接軟管、鋼制站立立管頂部的浮體、一段鋼制站立立管和海床上的基座4個部分組成，其中浮體通常位于海面以下50 m～250 m水深，以降低表面風、浪、流的影響。頂部柔性跨接軟管為1種無粘結柔性軟管，其主要作用是將流體從鋼制立管管柱輸送到表面終端FPU中[4]。FSR（Free standing Riser）立管系統主要應用于海況較好的西非深水區塊油田開發項目，近年來也逐漸應用于中等海況以及惡劣海況條件的巴西深水油田和墨西哥灣深水油田開發項目，世界上第1個FSR立管系統在2004年安裝于安哥拉海上深水油田，油田區域水深1180 m[3]。

1 項目介紹

1.1 項目背景

在某國外超深水油田退役項目中的FSR系統中的2條300 m長度的柔性跨接軟管在保護性拆除后臨時濕存在海床上，該文以采用單體工程船攜帶滾筒驅動設備和TLS（Tiltable Lay System垂直鋪設系統）設備完成深水柔性跨接軟管保護性回收為例，討論了深水柔性軟管回收作業的設備選型和海上施工中的重點。

1.2 柔性跨接軟管

FSR系統中的柔性跨接軟管用于連接FPU和鋼制站立立管。跨接軟管的主要附件包括FPU端軟管接頭、用于軟管外皮保護的Uraduct（護套）、彎曲限制器（Vertebrae）、在位生產使用的摩擦懸掛卡具（Friction Clamp）、均勻分布在動態段管體的浮子模塊、FSR站立立管端的防彎器和軟管接頭，如圖1所示。

2 施工設計

2.1 垂直鋪設系統擠壓力計算

表1為該項目所使用的垂直鋪設系統中4軌道張緊器擠壓力計算結果，用于柔性軟管保護性回收作業時VLS設備張緊器對軟管施加擠壓力設置，所有計算結果均以軟管本身設計最大抗擠壓能力值為基礎。

表1 鋪設系統擠壓力參數設置

2.2 水動力分析

采用Orcaflex軟件對施工船舶、設備和動態軟管及其附件進行建模和水動力分析，驗證施工作業過程中產品的完整性，并且通過關鍵作業敏感分析，形成關鍵作業的風險識別管理，以下7條為施工所涉及的關鍵作業分析：1） 回收軟管首端離開海床。2）軟管首端甲板處理。3） 回收整條軟管離開海床濕存區域。4） 軟管首端通過TLS。5） 浮子段通過TLS船舷外工作平臺。6） 軟管末端通過TLS。7） 軟管末端甲板處理。

根據施工中涉及的關鍵作業步驟，通過Orcaflex軟件模擬給出作業要求和建議。計算分析文件中體現的主要信息和數據應該包括以下6條：1） 關鍵作業限制的天氣條件及施工船舶艏向。2） 2)關鍵作業涉及的laytable（軟管鋪設/回收作業使用的計算分析表）。3） 整個施工作業中TLS系統最大回收張力。4） 關鍵作業中軟管極限彎曲半徑。5） 吊裝作業中索具最大受力情況。6） 關鍵作業步驟敏感性分析。

2.3 軟管濕存要求

由于動態柔性跨接管上分布的浮子模塊會產生向上浮力，因此前期水下濕存階段使軟管的一端帶有配重鏈條，目的是使配重鏈條端在濕存過程中作為柔性跨接管最先著泥端的起始錨點以及克服浮子浮力作用。配重鏈條的質量在濕存作業前期設計時需要通過軟件精準計算。最后通過軟件對軟管濕存涉及的所有施工環節進行水動力計算，保證施工安全可靠。

2.4 設備選型

超深水柔性軟管回收作業的主要設備為垂直鋪設系統。垂直鋪設系統大體上可以分為VLS（Vertical Lay System）鋪設系統和TLS（Tiltable Lay System ）鋪設系統2種。垂直鋪設系統從上到下主要包括服務吊機、末端處理A&R絞車系統、導向輪或者導向Gutter（托管器）、對中器、張緊器、首末兩端處理所需的甲板絞車系統以及月池輔助行吊系統等。VLS和TLS系統的主要差別在于前者通常安裝于工程船中的月池上方或者船尾，并且整體塔架通常為垂直不可傾斜設計；后者主要安裝于工程船的船舷側，并且整體塔架可以在小范圍內調整角度，在航行時可以避開橋梁等限高結構并且用于管纜倒纜、鋪設過程中[4]。從施工設計層面考慮，由于VLS系統在回收軟管的過程中軟管是從船中月池進入張緊器，軟管動態段安裝有大量浮子模塊后對整體懸鏈線產生較大影響，因此動態段管體在浮子模塊影響下會產生上浮導致管體和月池船體發生碰撞因而存在損壞管子的風險[5]。而TLS系統為船舷側回收軟管，不涉及軟管回收過程中軟管動態段影響管體導致管體和船體結構發生碰撞的問題，施工設計更為友好。

圖1 典型的深水柔性動態軟管系統附件組成示意圖

動態軟管的特殊用途導致其長度通常較短，并且由于涉及一端有較長的彎曲限制器不便于通過艙口蓋存儲于卷纜盤，因此通常以滾筒形式交貨生產后以存儲在標準滾筒的形式交付，具有動、復員效率高，對船舶存纜能力要求低等優點。RHD（Reel Hub Drive）系統用于驅動滾筒實現放、收纜作用。

3 海上施工

由于動態柔性跨接管上分布浮子模塊會產生向上的浮力，因此前期水下濕存階段采取一端帶有配重鏈條的方式，目的是在濕存過程中克服浮子的浮力作用。配重鏈條的質量在濕存作業前期設計時需要通過軟件精準計算，驗證濕存狀態下軟管是否滿足強度要求，避免損壞產品。下面以該項目軟管回收施工為例，作軟管回收作業的要點分析。

主要施工流程包括以下8點：1） 預調查柔性跨接管臨時濕存位置。2） TLS系統絞車初始化作業。3） 工程船吊機下放索具水下連接至軟管首端。4） 回收軟管離開海床。5） 軟管首端過TLS系統進入滾筒。6） 在TLS工作平臺拆除軟管管體上的附件。7） 拆除末端配重鏈條并且回收至船舶甲板。8） 末端通過TLS系統回收至甲板。

3.1 預調查柔性跨接管臨時濕存位置

施工船舶到達海上油田作業現場，根據施工Checklist（檢查表），完成船舶動力定位系統和主要設備的校準、測試以及通訊系統檢查。通過ROV（Remote Operated Vehicle，水下機器人）完成臨時區域軟管位置調查作業，確認軟管的最終位置和整體狀況良好，檢查軟管首端拖拉頭和吊索具情況，管體上浮子、Uraduct（護套）、彎曲限制器、摩擦卡子、浮子模塊等附件狀態以及末端拖拉頭及吊索具和配重鏈條狀況。

3.2 TLS系統絞車初始化作業

打開TLS系統張緊器軌道，設備人員操作絞車釋放鋼絲繩，施工人員按照設計路由完成鋼絲繩的走線布置，并且在絞車鋼絲繩末端安裝索具。設備人員操作TLS系統頂部吊機，使鋼絲繩通過TLS系統頂部導向輪到達船舷外工作平臺，臨時固定鋼絲繩末端至工作平臺。

3.3 工程船吊機下放索具水下連接至軟管首端

施工船舶移船至軟管首端區域，通過船舶自帶AHC（主動升沉補償，Active Heave Compensation）吊機下放打撈索具至海床上方，吊機啟動主動升沉補償，ROV水下連接吊機主鉤頭的打撈索具至軟管首端。

3.4 回收軟管離開海床

當吊機打撈索具并且將其至軟管首端后，施工船舶按照軟管濕存路由方向移船，AHC吊機同步回收軟管首端離開海床。按照計算分析laytable（軟管鋪設/回收作業使用的計算分析表） ，根據要求限定作業過程中的施工船舶layback（軟管著泥點位置到吊機鉤頭位置的水平投影長度）、船舶移動距離以及吊機鋼絲繩回收長度。ROV輔助監測軟管著泥點位置和軟管懸鏈線區域，直到軟管末端離開海床。施工人員通過ROV檢查軟管末端配重鏈條及連接索具，繼續回收至配重鏈條離開海床[6]。

3.5 軟管首端過TLS系統進入滾筒

吊機回收整條軟管直至首端到達TLS系統船舷外工作平臺，甲板人員在工作平臺安裝拖拉網套至軟管首端后面管體，并連接甲板絞車鋼絲繩索具至軟管首端。初始化絞車配合船舶吊機向上回收軟管，當軟管首端通過張緊器頂部后，關閉TLS系統對中器和張緊器4軌道。按照計算所需夾緊力設置張緊器，完成夾緊軟管，啟動張緊器回收軟管，初始化絞車配合船舶吊機向上同步回收軟管，完成軟管首端通過TLS系統作業，如圖2所示。

甲板絞車配合吊機牽引首端通過甲板Underbender（壓管器）和導向托輥等設備后到達主甲板，固定軟管首端至滾筒內部獨立隔層，啟動RHD設備驅動滾筒配合張緊器回收軟管，逐層盤管至滾筒內側。

3.6 軟管管體上的附件在TLS工作平臺拆除

在軟管回收的過程中，涉及軟管管體上附件拆除，拆除附件的主要原因在于安裝有附件區域的軟管無法通過張緊器和TLS頂部導向Gutter（托管器）結構。在現場作業的過程中，當軟管上的附件例如護套（Uraduct）、彎曲限制器（Vertebrae）、摩擦懸掛卡具（Friction Clamp）以及浮子模塊到達舷外工作平臺位置時，暫停回收作業，通過專用工具拆除以上附件后利用TLS工作平臺上方梁吊轉移至甲板存儲，繼續回收作業。TLS回收動態軟管的優勢在于TLS的firing line（作業線）和工作平臺均位于船舷外側，在回收至動態段管體出飛濺區后，管體不會和船體發生嚴重干涉問題。下面以浮子拆除為例簡述作業步驟和注意事項。

當浮子位置到達船舷外工作平臺位置后停止軟管回收作業，使用索具臨時固定軟管管體至平臺結構，連接吊裝索具至浮子和工作平臺頂部梁吊鉤頭，甲板工作人員使用扭矩扳手拆除浮子外部緊固Strap（帶）和緊固螺栓。最后通過2臺梁吊分別將兩瓣浮子本體吊裝至甲板存儲。

拆除浮子外部本體后，檢查內部抱卡緊固件的情況，必要情況下潤滑螺桿螺紋，安裝廠家提供的專用拉伸器至抱卡螺桿上，完成拉伸器和緊固件的匹配和預張緊工作。設置拉伸器拉伸數值，啟動拉伸器完成緊固螺桿的張緊，松開鎖緊螺母后對拉伸器進行泄壓，拆除拉伸器，甲板工作人員拆除內部抱卡和緊固件。

3.7 拆除末端配重鏈條并回收至船舶甲板

當軟管末端到達水面以下50 m～100 m深度位置后，AHC吊機下放打撈索具并且回收末端配重鏈條至主甲板；繼續回收軟管直到軟管末端到達船舷外工作平臺，在工作平臺安裝拖拉網套至軟管末端后面管體；連接TLS甲板絞車鋼絲繩至拖拉網套，連接AHC吊機索具至末端拖拉頭，打開張緊器和對中器，絞車配合船舶吊機向上回收軟管末端通過TLS系統，如圖3所示。

圖2 軟管首端回收通過TLS

圖3 末端通過TLS系統

3.8 末端通過TLS系統回收至甲板

吊機轉移末端通過TLS系統后，打開主甲板Underbender（壓管器）設備，RHD設備同步驅動回收軟管，通過吊機和甲板絞車配合RHD設備回收末端到主甲板并臨時放置，固定末端至滾筒。

4 結語

該文通過對國外某超深水項目柔性軟管回收工藝方法的研究，介紹了主要施工設備，對比了VLS和TLS系統處理動態軟管的優缺點，得出了TLS在回收動態軟管作業過程中更具有優勢，同時介紹了基于TLS的施工設計和流程。整體施工方案可行，該成功經驗可為后續深水柔性動態管纜安裝提供一定的參考。