海洋石油平臺鋼樁內水泥清理裝置研究及試驗

薄昭，戴國華，金秋，李翔云，梁鵬，胡振國

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司,天津 300459；2.海洋石油工程股份有限公司,天津 300461)

0 前言

隨著我國海洋石油工業不斷發展，許多海洋石油平臺因接近使用壽命、用海矛盾和環境問題等需要進行棄置拆除。渤海油田勘探開發近40年，已進入穩定開發期，海上平臺新舊交替，面臨棄置的海上生產設施逐漸增多。海洋石油平臺的棄置不僅關系到用海矛盾的解決和環保責任的擔當，而且關系到渤海油田新項目的開發。

在近海石油和天然氣領域，海上平臺棄置已成為一個非常重要的課題，涉及法律、經濟、技術和環境等多方面。海洋石油平臺的棄置技術涉及排泥、切割、吊裝和運輸等。目前，渤海油田工程棄置尚處于起步階段，隨著海洋石油平臺棄置數量日益增多，需要對平臺棄置新技術、新方法、新工藝等方面加強研究。

1 研究背景

錦州20-2氣田棄置項目是渤海油田目前最大的整裝棄置項目，涉及錦州20-2氣田MNW、BOP、MUQ、NW和MSW五座平臺的棄置。《海上油氣生產設施廢棄處理管理暫行規定》(發改能源[2010]1305號)和《海洋石油平臺棄置管理暫行辦法》要求鋼制固定平臺拆除在領海內海域需要拆除至泥面以下4 m。項目中，MNW、BOP、MUQ和MSW平臺可以將內切割設備通過鋼樁下放至泥面以下4 m處將導管架鋼樁切割后進行吊裝拆除。但是錦州20-2NW平臺因為鋼樁內有水泥灌注，導致棄置技術難度增大和棄置工程費用增加。

錦州20-2NW平臺是一座簡易井口平臺(如圖1所示)。平臺為獨腿三樁導管架結構，采用單根立柱加斜撐形式支撐上部模塊，立柱直徑為3.5 m。基礎為等距分布的3根裙樁，腿直徑為1.3 m，裙樁直徑為1.06 m，距離立柱中心10 m。隔水套管3根，直徑為508 mm。導管架和組塊在陸地預制并連接，完成后整體吊裝至駁船拖運到安裝現場，導管架樁為水下樁。

圖1 錦州20-2NW平臺結構

若錦州20-2NW平臺鋼樁內無水泥灌注，則可以采用海洋石油平臺棄置常用的內排泥、內切割設備直接將鋼樁在泥面以下4 m處進行切割,如圖2(a)所示。但是潛水員下水探摸發現，3個水下樁鋼樁內都有水泥灌注,如圖2(b)所示，導致內切割設備無法正常使用。

圖2 錦州20-2NW平臺鋼樁示意

錦州20-2NW平臺鋼樁內有水泥灌注,雖然可通過外切割等方法解決，但是都會造成施工難度增大，工程費用增加。在曹妃甸某棄置項目和渤中某棄置項目中也曾遇到類似問題，都造成了工期延后、費用增加的問題。因此，研制一種將海洋石油平臺鋼樁內水泥破碎的裝置迫在眉睫。

2 技術分析

目前，國內外水泥破碎清理的方法主要有爆炸破碎、機械破碎、水射流破碎和熱力破碎4種。爆炸破碎在實踐中是普遍適用和最有效的方法，但是由于國家管控嚴格，在工程上無法實現。機械破碎分為鉆機破碎、破碎鎬式破碎和共振破碎。破碎鎬式破碎和共振破碎較難實現海上應用，鉆機破碎適用尺寸較小，需要對每個項目定制鉆頭。高壓水射流破碎是指利用超過20 MPa水壓的細水射流來破碎水泥、巖石的一種技術。熱力破碎是利用熱脹冷縮使巖體剝落或酥碎的方法。不同水泥破碎方法的優點、缺點及應用情況如表1所示。

表1 水泥破碎方法對比

通過對比分析不同水泥破碎方法的技術成熟度、清理效率、設備成本和是否適用于水下環境(如表2所示)，可知爆炸破碎由于管控嚴格，不可行；破碎鎬法效率低，不可行；共振破碎不適用于水下作業環境，不可行；熱力破碎技術不成熟，不可行；鉆機破碎由于成本較高，不可行。高壓水射流破碎技術成熟，清理效率高且能作業于水下環境。因此，基于高壓水射流技術的破碎方法較適用于鋼樁內水泥的清理。

表2 水泥破碎方法可行性對比

高壓水射流的破碎工作原理：水經過高壓泵加壓形成高壓水，然后輸送到執行機構，執行機構噴射出高速水流，作用于混凝土表面，高速水流鉆入混凝土表面的微孔中，速度轉化成壓力，當壓力大于混凝土的抗拉強度時，混凝土被破碎。

3 設計與試驗

結合海洋石油平臺棄置作業環境為水下和空間小的特點，研制基于高壓水射流技術的導管架鋼樁內水泥清理技術。高壓水射流式水泥清理方案中采用高壓水作為工作介質，水經過高壓泵加壓形成高壓水，并將高壓高速的水流作用于水泥表面，高速水流鉆入水泥表面的微孔中，速度轉化成壓力，當壓力大于水泥的抗拉強度時，水泥就被破碎。

該技術具有工作效率高、環保無污染等優勢。該設備在施工作業中能夠形成穩定可靠、全覆蓋的高壓水射流，快速完成導管架鋼樁內水泥層的清理工作。整套設備能夠在海洋船舶及石油平臺環境使用，是適用于海水流體介質的、滿足導管架鋼樁內排水泥用途的、能夠高效穩定運行的成套設備。該設備還具有操作維修方便、安全可靠等特點，能夠在海上船舶、平臺等場所以及雨雪天氣環境下正常使用。

(1)整體設計

整個系統由高壓水泵、潛水泵、合流塊、樁內水泥清除設備(包括高壓水噴嘴)、液壓動力單元、液壓控制臺、角度顯示裝置、供氣動力單元以及各部分之間連接管線構成。各部分之間的連接關系如圖3所示，各部分作用如下：

圖3 高壓水射流式水泥清理設備系統組成

①高壓水泵將潛水泵提供的低壓水轉化成高壓水并提供給清理系統；

②潛水泵為高壓水泵提供水源；

③合流塊將多臺高壓水泵的輸出合并為一路輸出；

④樁內水泥清除設備是樁內水泥清除作業的執行裝置；

⑤液壓動力單元為樁內水泥清除設備的動作提供動力；

⑥液壓控制臺將液壓動力單元的液壓動力分成多路，可分別控制樁內水泥清除設備支腿伸縮和噴頭旋轉；

⑦角度顯示裝置顯示噴頭旋轉的角度；

⑧供氣動力單元為樁內水泥清除設備的氣舉功能提供壓縮空氣；

⑨高壓水管線為樁內水泥清除設備輸送高壓水；

⑩液壓管線為樁內水泥清除設備輸送高壓液壓油；

(2)旋轉結構

旋轉結構用于驅動噴頭旋轉。旋轉結構采用液壓馬達驅動，通過齒輪傳動和滑環驅動噴頭旋轉，實現設備對鋼樁內部水泥層高效全覆蓋的噴射。噴頭旋轉角速度可通過液壓控制臺上的節流閥調節。根據液壓系統流量與噴頭旋轉角速度之間的關系，控制旋轉噴頭的速度。

噴頭旋轉的角度能夠通過角度指示系統顯示。角度指示系統安裝在密封裝置中，可防止海水滲入對設備造成損壞。角度指示系統具有斷電記憶和角度隨時清零的功能。控制集裝箱至設備之間配長160 m的數據線，用于傳輸角度指示系統的信號。數據線上配有專用水密接頭。

(3)格柵結構

格柵系統位于噴頭的周圍，其結構設計合理，可阻止大塊水泥塊進入設備內部，便于將破碎后的水泥塊通過氣舉系統排出，結構如圖4所示。

圖4 格柵結構

格柵中間的空隙尺寸按照破碎后能夠順利氣舉的最大水泥塊的尺寸設計。

(4)氣舉系統

為保持水下破碎工作持續高效，設置氣舉系統，在高壓水將水泥破碎后及時將破碎的水泥塊排出。根據設備的總體布局，氣舉管設計成Y形,氣舉系統結構如圖5所示。主管內徑為205 mm，外徑為219 mm。分管內徑為145 mm，外徑為159 mm。

圖5 氣舉系統結構

氣舉管供氣參數要求：供氣流量不低于25 m/min，供氣壓力不低于2 MPa。

(5)試驗驗證

按照設計方案建造高壓水射流式水泥清理設備。為進一步證明該裝置可以有效清理導管架鋼樁內水泥，在碼頭場地進行現場試驗。試驗臺模擬海洋石油平臺真實環境，在鋼樁內灌入水泥。待水泥凝固后在鋼樁內灌注海水模擬水下環境。最后,用吊車將該裝置吊起后吊入鋼樁內進行鋼樁內水泥清理作業。高壓水射流式水泥清理設備如圖6所示。

圖6 高壓水射流式水泥清理設備

碎后并排出系統的水泥塊如圖7所示，可以達到預計破碎效果。試驗證明，基于高壓水射流技術的海洋平臺鋼樁內清理設備能有效地將鋼樁內水泥擊碎，效果良好。

圖7 破碎后排出系統的水泥塊

4 結論

(1)基于高壓水射流技術的水泥破碎技術適用于清理海洋石油平臺導管架鋼樁內水泥。

(2)所設計并研制的高壓水射流式水泥清理設備能夠有效清理海洋石油平臺導管架鋼樁內水泥。