浮托安裝技術(shù)在渤中34-1油田的應用

張寶鈞,李達

(中海油研究總院,北京 100028)

摘要：考慮到海上施工采用浮托安裝技術(shù)可使得甲板組塊整體建造、運輸和安裝，施工方案合理，節(jié)省投資，減少海上連接和調(diào)試時間，以渤中34-1油田開發(fā)工程為例，闡述浮托安裝技術(shù)的設計特點、施工安全間隙要求、施工環(huán)境條件的選擇、相關(guān)設計參數(shù)及計算分析方法等。

關(guān)鍵詞：渤中34-1平臺 浮托安裝技術(shù) 設計參數(shù) 環(huán)境條件

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.005

中圖分類號：U671.99;P752

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2015)05-0015-06

收稿日期：2015-07-30

作者簡介：第一張寶鈞(1970-)，男，學士，高級工程師

Abstract:By using the float-over installation technology in offshore engineering, the deck blocks can be constructed, transported and installed in a single piece, and construction plans are reasonable to save investment and reduce offshore connecting and commissioning time. Taking BZ34-1 oilfield development project as an example, the design, safety clearance requirements of construction, selection of construction environment conditions, relevant design parameters, calculation and analysis methods etc. are described.

修回日期：2015-09-01

研究方向:海工結(jié)構(gòu)設計

E-mail:zhangbj@cnooc.com.cn

海上石油固定平臺結(jié)構(gòu)一般包括樁基礎、導管架和甲板組塊等，導管架通過樁基礎固定于海床，導管架頂部承載甲板組塊，甲板面布置海上石油開發(fā)設施。對于簡單的采油平臺，甲板組塊重量可控制在2 000～3 000 t，而大型綜合平臺具有石油開采、油氣水處理、動力發(fā)電、生活居住等多種功能，甲板組塊重量可超過10 000 t。大型綜合石油平臺的海上安裝是一項復雜的技術(shù)，需要對施工機具、海況條件以及安裝方法等進行綜合論證[1]。目前，中海油已在渤海灣建成幾十座海上石油平臺。這些平臺的甲板組塊安裝大多采用海上吊裝方法，見圖1。對于大型綜合平臺，如采用浮吊安裝技術(shù)，需根據(jù)浮吊起吊能力，將甲板分塊設計、建造和吊裝，以滿足浮吊起吊能力的要求，但是這樣會增加海上連接和調(diào)試工作量。

圖1　甲板吊裝

在渤中34-1油田開發(fā)工程中，采用海上浮托安裝技術(shù)，有效地解決了這個問題，見圖2。浮托安裝技術(shù)不需要大型浮吊，而是選擇合適的駁船進行甲板組塊的海上整體運輸和安裝，這樣可以在陸地上進行連接和調(diào)試工作，縮短海上現(xiàn)場施工周期。

圖2　甲板浮托

本文以渤中34-1油田開發(fā)工程實例為背景，介紹浮托安裝技術(shù)的設計特點、施工安全間隙要求、施工環(huán)境條件的選擇、相關(guān)設計參數(shù)及計算分析方法等[2-4]。

1浮托安裝技術(shù)

浮托安裝技術(shù)是海洋石油開發(fā)工程使用的一種適用于大型甲板組塊安裝就位的海上施工技術(shù)，是指選擇船體性能滿足浮托安裝要求的駁船，用于運輸和安裝甲板組塊。在設計環(huán)境條件下，駁船平穩(wěn)駛?cè)霛M足浮托安裝要求并且已就位的平臺導管架槽口。當甲板腿柱位于導管架腿柱的正上方時，切割掉甲板與駁船之間的連接構(gòu)件，隨著潮位降低及駁船壓載，甲板組塊與導管架緩慢對接就位，然后駁船與甲板組塊分離，退出導管架槽口，見圖3。

圖3　浮托安裝

采用浮托安裝技術(shù)，首先要根據(jù)甲板規(guī)模和浮托重量，選擇合適的施工駁船。駁船需滿足拖航穩(wěn)性及駁船總縱強度要求，還需滿足浮托安裝過程的相關(guān)要求。渤中34-1甲板總重量約9 200 t，根據(jù)渤中34-1平臺甲板規(guī)模，經(jīng)過論證，確定浮托駁船使用海洋石油221，見圖4。

圖4　海洋石油221

海洋石油221船型參數(shù)：總長，142 m；型寬，36 m；型深，9.75 m；載重量，29 000 t。

2平臺結(jié)構(gòu)概況

渤中34-1平臺位于渤海灣南部海域，水深約20 m，是一座集鉆修井、生產(chǎn)、生活以及動力為一體的綜合平臺，見圖5。平臺樁腿間距為40 m(14 m+14 m+12 m)，共設三層主甲板，上層甲板面積3 000 m2，中層甲板面積3 150 m2，下層甲板面積3 160 m2。平臺設置三級脫水系統(tǒng)、生產(chǎn)污水處理系統(tǒng)、注水系統(tǒng)、燃料氣系統(tǒng)等，設置3個電站、180 t鉆修機、100人生活樓、直升機坪、火炬臂，以及公用系統(tǒng)等。

圖5　渤中34-1平臺

渤中34-1平臺為深樁基礎導管架結(jié)構(gòu)形式，按照浮托安裝技術(shù)的要求進行平臺結(jié)構(gòu)設計，見圖6。導管架設有8個主樁和4個輔樁，主樁直徑1 829 mm，入泥深度78 m；4個輔樁僅與導管架連接，以保護隔水套管，輔樁直徑1 219 mm，入泥深度45 m。平臺設有2個井口區(qū)，每區(qū)設20個井槽，隔水導管直徑20 in。導管架共有3個水平層，標高分別為EL.+5.0 m、EL.-8.0 m和EL.-19.7 m。

圖6　導管架結(jié)構(gòu)

按照浮托安裝技術(shù)的要求，經(jīng)過論證確定渤中34-1平臺導管架A軸和B軸間距40 m，導管架第二水平層標高為EL.-8.0 m。導管架槽口設計間隙可以保證在甲板浮托安裝過程中，在控制環(huán)境條件下，駁船底部不碰撞導管架第二水平層桁架。

3浮托安裝設計

3.1結(jié)構(gòu)設計參數(shù)

平臺結(jié)構(gòu)設計參數(shù)須滿足浮托安裝技術(shù)有關(guān)施工間隙設計參數(shù)的要求，見圖7。渤中34-1導管架槽口凈寬37.975 m，駁船寬36 m，橫蕩防護系統(tǒng)安裝在駁船的兩側(cè)，用于緩沖駁船對導管架的碰撞力。導管架第二水平層桁架桿件直徑為914 mm，專用對接裝置LMU的高度為3.62 m。

表1給出平臺結(jié)構(gòu)設計參數(shù)。

在甲板浮托安裝過程中，浮托安裝技術(shù)要求在控制環(huán)境條件和允許的運動幅值條件下，駁船、導管架和甲板組塊等相互之間應具有足夠的設計安全間隙，以避免碰撞而損傷結(jié)構(gòu)。相關(guān)參數(shù)如下[5]。

1)插尖高度。一般考慮0.45 m。

2)進船間隙。一般考慮駁船升沉運動幅值加上0.5～0.8 m的裕量。

圖7　浮托對接示意

名稱高程/m底層甲板高程EL.+14.0底層甲板主梁高度EL.+1.2排放甲板高程EL.+9.5鉆井小甲板高程EL.+10.0采油樹頂標高EL.+12.8井口作業(yè)甲板高程EL.+11.0甲板腿柱插尖下標高EL.+10.35導管架第一層水平層高程EL.+5.0導管架腿上標高EL.+6.0導管架樁頂高程EL.+7.0導管架第二水平層桁架EL.-8.0

3)對接變形。一般考慮0.25 m。

4)駁船吃水條件。通過壓載，調(diào)整船體吃水?！昂Ｑ笫?21”駁船型深9.75 m，駁船運輸吃水6.11 m，進船吃水4.5 m，退船吃水7.15 m。

5)甲板支撐總高度。駁船甲板至組塊下甲板底的支撐總高度考慮以下因素：首層甲板高、梁高、駁船型深、進船吃水、插尖高度、進船間隙、對接變形及平均潮位等。經(jīng)過論證，確定駁船甲板至組塊下甲板底的支撐總高度為8.35 m。

6)連接樁腿的LMU頂點高程為10.62 m。進船時，底層甲板與采油樹最小凈距為1.8 m；退船時，駁船壓載，組塊下甲板底與支架安全間隙(取1.2 m的最高潮位)為0.65 m；退船時，駁船底部至導管架水平層桁架的間隙為0.97 m。

3.2橡膠護舷

本項目浮托駁船的橫蕩防護系統(tǒng)選用橡膠護舷。橫蕩防護系統(tǒng)安裝在駁船的兩側(cè)，在浮托安裝期過程中，可以緩沖駁船對導管架的沖擊力，見圖8。在甲板組塊裝船前，橫蕩防護系統(tǒng)預先安裝在駁船上。

圖8　橫蕩防護系統(tǒng)

對于橫蕩防護系統(tǒng)，首先考慮木護舷方案，對于進船工況，最大護舷碰撞力為7 000 kN,出船工況則為8 100 kN。根據(jù)擠壓試驗結(jié)果，當壓力達到4 800 kN時，木護舷已經(jīng)發(fā)生開裂。采用木護舷碰撞力，對導管架結(jié)構(gòu)進行局部擠壓驗算，樁和導管架腿的局部屈曲應力已分別達到1 370 MPa和741 MPa(容許應力為284 MPa )，表面凹陷深度分別為70 mm和28 mm。計算結(jié)果表明,樁和導管架腿都已發(fā)生塑性破壞。

對于橡膠護舷方案，退船工況碰撞力約為2 400 kN，樁和導管架腿的局部屈曲應力分別達到175 MPa和121 MPa(容許應力為284 MPa)。計算結(jié)果表明，樁和導管架腿僅發(fā)生彈性變形，可以滿足規(guī)范要求。

木護舷方案與橡膠護舷方案相比，木護舷與導管架的碰撞力要大得多，這主要是這兩種護舷剛度的差異引起的。

3.3LMU和DSU

3.3.1LMU

LMU(leg mating unit)是浮托安裝技術(shù)使用的一種專用對接裝置，用于甲板組塊荷載從駁船緩緩轉(zhuǎn)移至導管架腿柱，見圖9和圖10。在浮托安裝之前，共有8個LMU對接裝置安裝在導管架的8個主樁腿，并裝上LMU保護罩。LMU設有橫向和垂向彈性墊片和墊圈，用于緩沖甲板組塊重量轉(zhuǎn)移到導管架時的荷載沖擊。LMU的安裝不宜過早，應該在最終測量甲板組塊和導管架的主結(jié)構(gòu)尺寸后，確定LMU的位置和樁頭切割高度[5]。

圖9　LMU

圖10　LMU

3.3.2DSU

DSU(deck support unit)是浮托安裝技術(shù)使用的一種專用甲板組塊支撐裝置，見圖11和圖12。DSU用于緩沖駁船與組塊分離時，組塊腿柱與滑靴支撐之間的荷載沖擊。共有10個DSU支撐甲板組塊腿柱。

3.4控制環(huán)境條件

浮托安裝技術(shù)要充分利用海上潮位條件，以保證浮托安裝過程中有足夠的安裝間隙。潮位環(huán)境條件要根據(jù)平臺所在海域的多年海況統(tǒng)計資料，經(jīng)分析研究確定。表2給出潮位條件。

圖11　DSU

圖12　DSU

渤中34-1油田位于渤海海域，海況條件較好，風、浪及流等環(huán)境條件可以滿足浮托安裝技術(shù)要求。根據(jù)平臺場址的全年波浪分布圖，選擇覆蓋范圍超過50%的波高作為海上浮托安裝的控制波浪環(huán)境條件。風速一般選擇在5級以內(nèi)，即10 m/s以內(nèi)；流速選擇一年一遇的表層流。根據(jù)9月份平臺場址波浪分布情況，滿足浮托安裝環(huán)境條件的氣候窗波高概率為61.8%。

表2　潮位條件

浮托安裝過程要考慮潮位要素，浮托安裝整個作業(yè)過程包括：漲潮開始準備(3 h)、進船(3 h)和就位(3 h)；落潮時進行對接(6 h)和退船(3 h)。浮托安裝控制環(huán)境條件見表3。

表3 風、浪、流條件

整個浮托安裝作業(yè)過程，要求海上能見度最低不小于100 m，避免雨中作業(yè)，且須獲得每12 h一次氣象預報。作業(yè)環(huán)境條件滿足一定作業(yè)周期，具體要求如下。

1)連接駁船與臨時系泊系統(tǒng)。保證氣象預報(至少48 h)滿足作業(yè)標準。

2)駁船和導管架準備工作。保證至少24 h氣象預報滿足作業(yè)標準，且未來24 h氣象條件不應影響遣散船隊。

3)浮托安裝預作業(yè)。保證至少18 h氣象預報滿足作業(yè)標準，且未來24 h氣象條件不應影響遣散船隊；

4)浮托安裝作業(yè)。保證至少14 h氣象預報滿足作業(yè)標準，且未來24 h氣象條件不應影響遣散船隊；對于潮位，應有6 h潮高在EL.+0.8 m以上的潮位條件，以確保進船和對接作業(yè)過程中，甲板腿柱插尖與LMU頂部具有至少0.8 m的垂向間隙。

(5)浮托安裝后作業(yè)。保證至少6 h氣象預報滿足作業(yè)標準，且未來24 h氣象條件不應影響遣散船隊。

3.5浮托安裝過程

浮托安裝過程包括進船、對接和退船，考慮浮托環(huán)境條件，進行系泊分析和水動力分析。使用MOSES程序進行浮托安裝分析，包括進船、對接和退船3個階段；每個階段包括迎浪、橫浪和斜浪3種環(huán)境條件。

載有甲板組塊的駁船在風、波浪、潮位等滿足控制環(huán)境條件的情況下，從已安裝就位的導管架西側(cè)進船。根據(jù)統(tǒng)計氣象條件和浮托安裝要求，設計進船潮位EL.+1.0 m，駁船吃水4.5 m，甲板腿柱插尖與LMU頂部的間隙為0.8 m。

設計退船潮位1.0 m，駁船吃水7.15 m，甲板支撐點底部和DSU頂部間隙為0.6 m，駁船底和導管架EL.-8 m水平層桁架桿件間隙1.44 m(若按0.5 m潮位考慮，則間隙為0.94 m)。

進船工況考慮5種工況，浮托安裝分析包括駁船運動幅值、LMU荷載、DSU荷載、護舷碰撞力等。計算結(jié)果表明：甲板腿柱插尖的最大垂直位移為0.165 m，插尖的最大水平位移為0.25 m，橡膠護舷最大碰撞力為2 040 kN。

對接過程需要考慮壓載方案。若不增加額外調(diào)載泵，對接作業(yè)整個過程需要的壓載時間為5.06 h；若額外增加1 300 m3/h的調(diào)載泵，則整個對接作業(yè)過程需要的壓載時間將減少到3.9 h，這樣可顯著縮短安裝時間、降低風險。對接工況計算結(jié)果表明，DSU豎直方向最大動荷載為690 kN，LMU豎直方向最大動荷載為3 350 kN，LMU水平方向最大動荷載為1 090 kN。

退船工況考慮5種工況，計算結(jié)果表明：橡膠護舷最大碰撞力2 400 kN，駁船最大下沉幅度為0.285 m，與導管架水平層最小凈間距為0.97 m。

浮托安裝有5個關(guān)鍵點，需予以關(guān)注。

1)BH108和HYSY221的系泊纜與預鋪管線相干擾，需用表面浮筒保護管線。

2)浮托駁船進入導管架時，當甲板A4和B4腿柱插尖經(jīng)過導管架A1和B1腿柱的LMU時，確保插尖與LMU之間的間隙不小于0.8 m。

3)對接作業(yè)時，必須在潮位不低于0.8 m前，完成甲板組塊腿柱插尖與LMU第一次接觸。

4)駁船退出導管架時，甲板支撐點底部與DSU的間隙必須保證至少0.3 m，但是又是不大于0.8 m，以免甲板組塊與DSU碰撞，或駁船底部與導管架水平層碰撞。

5)整個對接作業(yè)計劃時間為4 h，另計劃2 h為應急時間，即潮位高于0.8 m的時間不得少于6 h，安裝工作必須在1/2個潮汐周期內(nèi)完成，整個對接作業(yè)過程要計劃嚴密，準備充分。

4結(jié)束語

渤中34-1油田中心平臺完全由中海油自行設計、建造和安裝。渤中34-1甲板組塊重量達9 200 t，海上安裝采用浮托安裝技術(shù)，浮托駁船使用“海洋石油221”。甲板組塊采用滑移方式裝船，整體建造、運輸和安裝，縮短了海上連接和調(diào)試工期。通過此項目，中海油完整地掌握了海上浮托安裝技術(shù)，并在近幾年，成功將其推廣應用于渤海灣的多個油田開發(fā)工程。

參考文獻

[1] 陸文發(fā),李林普,高明道.近海導管架平臺[M].北京:海洋出版社,1992.

[2] 羅傳信.海洋樁基平臺[M].天津:天津大學出版社,1986.

[3] 國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會.SY/T 10030-2002 海上固定平臺規(guī)劃、設計和建造的推薦做法[S].北京,石油工業(yè)出版社,2004.

[4] 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范.北京，人民交通出版社，2006.

[5] 杜夏英,孔令海,陳濤,等.南堡35-2CEP組塊Floatover安裝方式探索[J].中國海洋平臺,2007，22(4)：39-43.

Application of Float-over Installation Technology in BZ34-1 Oilfield

ZHANG Bao-jun, LI Da

(CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China)

Key words: BZ34-1 platform; float-over installation technology; design parameters; environmental conditions