于文太，魏佳廣，朱紹華，李懷亮，劉吉林，李 凱

（海洋石油工程股份有限公司，天津　300452）

基于海洋石油201 DP模式的東方1-1導管架安裝技術

于文太，魏佳廣*，朱紹華，李懷亮，劉吉林，李 凱

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

從動力定位起重船舶進行導管架海上安裝研究出發(fā)，總結(jié)歸納了動力定位起重船舶海上安裝導管架等大型結(jié)構物的優(yōu)勢，并以深水動力定位鋪管起重船"海洋石油201"安裝導管架為例，提出了南中國海大型導管架采用動力定位安裝的環(huán)境限制條件及動力定位能力分析方法，數(shù)值分析導管架下水扶正過程，給出了東方1-1 WHPF導管架動力定位安裝的關鍵步驟及方案設計。該研究對惡劣海況下的大型導管架安裝具有一定的借鑒意義。

海洋石油201；DP模式；導管架；大型鋼樁；環(huán)境條件

世界淺海油氣資源日益枯竭，深水已成為油氣儲量和產(chǎn)量的主要接替區(qū)。在“十二五”之前，我國海洋油氣資源開發(fā)主要集中在渤海、黃海、南海西部等淺海區(qū)域，我國海洋工程實踐經(jīng)驗僅局限在300 m水深之內(nèi)，在300 m水深的工程設計、建造、安裝、運行和維護等方面與國外同步；隨著淺海石油天然氣資源勘探開發(fā)日益枯竭，深水油氣開發(fā)是世界油氣開發(fā)的大勢所趨，我國南海具有豐富的油氣資源，屬于世界四大海洋油氣聚集中心之一，有“第二個波斯灣”之稱。隨著我國深海戰(zhàn)略的大力實施，我國深海油氣資源開發(fā)裝備迎來了空前的發(fā)展良機。而作為深海油氣資源開發(fā)裝備隊伍的重要成員，深水動力定位起重鋪管船“海洋石油201”承擔著管道鋪設、裝備調(diào)運與平臺安裝等油氣資源開發(fā)過程中的關鍵任務，因此開展海洋石油201 DP模式導管架安裝技術是深水區(qū)塊所面臨的重要課題之一。

根據(jù)導管架安裝主作業(yè)船舶有無動力定位系統(tǒng)，可以分為常規(guī)錨泊式安裝方法［1］（圖1）和動力定位安裝方法（圖2）兩種。目前只有東方1-1油田的WHPF導管架采用動力定位船舶“海洋石油201”進行海上安裝，究其原因是“海洋石油201”自2012年投入使用以來，一直致力于海管鋪設項目，為響應公司資源規(guī)劃，拓寬其市場，2014年2月份首次進行了海洋石油201 DP模式大型結(jié)構吊裝作業(yè)。另外，動力定位安裝方法較常規(guī)錨泊式安裝方法有費用低、工期短的優(yōu)勢。目前國際上采用動力定位船舶已經(jīng)成熟應用，隨著導管架安裝技術的發(fā)展，由常規(guī)錨泊方式向動力定位船舶轉(zhuǎn)變是一個必然的趨勢。本文主要針對我國首艘深水動力定位起重船舶“海洋石油201”進行導管架海上安裝，描述了海洋石油201動力定位模式海上深水大型導管架的關鍵技術及過程，給出了動力定位能力分析，并成功應用于東方1-1 WHPF導管架安裝設計。

圖1　錨泊式船舶（藍鯨）安裝現(xiàn)場

圖2　動力定位船（海洋石油201）吊裝東方1-1導管架

1　概述

東方1-1氣田位于南海北部灣鶯歌海海域，距海南省鶯歌海鎮(zhèn)約100 km，氣田海域水深63.5 m，項目所含導管架規(guī)格為30.0 m×26.0 m×74.5 m，設計重量為2 683 t，四腿八裙樁，鋼樁長度115.5 m，直徑規(guī)格Φ 2 134 mm，入泥93 m。導管架設計采用注水扶正控制系統(tǒng)。項目主作業(yè)船舶為深水動力定位DP3鋪管起重船“海洋石油201”，船體配置7個推進器，船舶主要參數(shù)如表1所示。

表1　海洋石油201船主要規(guī)格參數(shù)

動力定位（DP）是指受風、浪、流等環(huán)境力干擾，不借助于錨泊系統(tǒng)，由主作業(yè)船計算機系統(tǒng)自動控制推力器來維持船舶位置和艏向的技術。它先使用各種精密的傳感器測出船舶運動情況與位置變化，以及外界風、浪、流等擾動力的大小和方向，通過計算機等自動控制系統(tǒng)對信息進行實時處理、數(shù)值分析，并自動控制若干個不同方向推進器的推力大小和力矩，使船舶或平臺保持其目標位置和艏向。傳統(tǒng)的錨泊式安裝需要進行錨泊系統(tǒng)定位，如圖1的藍鯨拋8顆工作錨后進行結(jié)構吊裝作業(yè)，且錨泊時需要動力足夠的拖輪輔助拋錨，而如圖2的海洋石油201利用其自身動力定位（DP III）的能力能夠保持船舶定位和航跡控制，為導管架安裝帶來技術和經(jīng)濟的優(yōu)勢［2］。

（1）動力定位船舶具有自航能力，航行安全性高，且在海上安裝操作過程中無需拖輪協(xié)助和錨泊系統(tǒng)的布置連接，且其費用不會隨著水深的增加而增加。

（2）動力定位船舶進行導管架海上安裝，可以抵抗更大的海上作業(yè)工況，精就位能力強，可使導管架吊裝作業(yè)在較短的時間內(nèi)完成，增加了施工作業(yè)的天氣窗口，可更為有效地保障導管架安裝工期的要求，尤其適合南海惡劣環(huán)境條件的作業(yè)。

2　導管架海上安裝總體方案設計

動力定位船舶進行導管架安裝分析的工作量較為復雜，需要根據(jù)動力定位（DP）系統(tǒng)能力進行環(huán)境條件評估、浮吊能力 （吊裝重量、吊裝跨距及吊高）、穩(wěn)性評估及數(shù)值模擬分析［3］，需根據(jù)數(shù)值模擬分析計算所有工況的運動和受力，保證安裝階段的載荷在浮吊所能承受的范圍內(nèi)，并盡可能減少海上操作的風險，降低海上施工成本。動力定位船舶進行導管架安裝設計主要工作如下：

（1）動力定位船舶和駁船初選：根據(jù)導管架的重量和公司資源整體規(guī)劃進行浮吊和駁船資源的初選；

（2）環(huán)境條件評估［4］：根據(jù)所選浮吊的動力定位能力和導管架所在海域的環(huán)境條件，確認所在海域環(huán)境條件是否滿足導管架海上安裝操作要求，并參考DNV、API等規(guī)范界定可允許作業(yè)的海況條件；

（3）浮吊能力評估：根據(jù)導管架的結(jié)構尺寸及形式、噸位重量、重心對所選浮吊進行評估，確保浮吊資源滿足所有過程的能力要求；

（4）數(shù)值分析和方案設計：對動力定位船舶進行導管架海上安裝數(shù)值分析和方案設計。

3　定位能力分析

動力定位船舶各個推進器在導管架安裝過程中需發(fā)揮自身的能力使其具有足夠的定位能力和艏向控制能力，整個安裝過程分為海上靠駁、鎖具預掛、導管架起吊、下水、扶正就位、鋼樁起樁、插樁、打樁、灌漿等主要階段。并在導管架施工前期，動力定位船舶在東方氣田海域附近進行了DP精確調(diào)試，以確保各推進器處于完整模式。在安裝過程的各階段，需依靠各推進器配合作業(yè)，以保證導管架、ROV、駁船及動力定位船舶自身的安全。綜合考慮導管架安裝過程中各推進器的作業(yè)及定位能力，可得到完整模式和實效模式動力定位在導管架安裝中所能抵抗的環(huán)境條件［5］。

（1）完整模式。在進行環(huán)境條件評估時，一般參考國內(nèi)外安裝工程的經(jīng)驗和動力定位船舶的特點，首先設定作業(yè)過程中的波浪條件和流速條件，然后根據(jù)DP系統(tǒng)的能力確定在限定波浪和流速情況下，DP所能抵御的最大風速，而此時的風、浪、流即為DP系統(tǒng)作業(yè)過程的限制條件，并以此來定義DP系統(tǒng)的能力。根據(jù)南海及國際上其他海域動力定位安裝導管架的工程實踐，在限定的波浪和流速情況下進行以下三種情況來進行DP能力分析：①只有風存在時DP系統(tǒng)的能力；②只有流存在時DP系統(tǒng)的能力；③風、浪、流同時存在時DP系統(tǒng)的能力。

（2）實效模式。根據(jù)動力定位船舶推進器分布，其主要的實效模式有以下3種：①主推進器實效；②船艏推進器實效；③船中推進器實效。實效模式下DP系統(tǒng)能力分析的思路是保持和完整模式同樣的波浪和流速條件，得到所能承受的最大風速。

4　東方1-1導管架安裝分析及方案設計

與常規(guī)錨泊式作業(yè)船舶不同，動力定位船舶有其特別的優(yōu)勢，受作業(yè)區(qū)海底管道、海底電纜及其它障礙物影響較小，方案設計時需要考慮油田區(qū)已有導管架和已存在結(jié)構條件的限制。

4.1參考規(guī)范及環(huán)境條件

導管架海上安裝參考如下規(guī)范［6］：

DNV Rules for marine operations，API Recommended Practice 2A-WSD（21st edition）

連續(xù)進行導管架海上安裝作業(yè)必須滿足以下安裝作業(yè)環(huán)境條件，見表2。

表2　導管架下水和扶正作業(yè)環(huán)境條件

4.2浮吊鉤頭力的核算

鉤頭力按照下列公式計算：

鉤頭力=（結(jié)構重量×不確定系數(shù)+索具重量）×動力放大系數(shù)

一般來說，浮吊鉤頭力除考慮結(jié)構物重量外還應考慮下列因素：

不確定系數(shù)：按照Noble Denton規(guī)范要求，計算重量不確定系數(shù)不小于1.05，稱重重量不確定系數(shù)不小于1.03。

吊裝索具重量：包括吊裝索具、卡環(huán)、吊裝框架、撐桿、歇架、索具平臺和吊點重量。

動態(tài)放大系數(shù)（DAF）見表3。

表3　動力放大系數(shù)

其中：

（1）單鉤：靜態(tài)鉤頭載荷=模塊吊裝重量×1.05（或1.03）+吊裝索具重量；

（2）雙鉤：每鉤靜態(tài)鉤頭載荷=模塊吊裝重量×重量分配系數(shù)×重心偏離系數(shù) （1.05）×鉤頭傾斜系數(shù)（1.03）+吊裝索具重量；

（3）每個鉤頭的動態(tài)鉤頭載荷=靜態(tài)鉤頭載荷×動態(tài)放大系數(shù)；

（4）吊重能力判別標準：每個鉤頭的動態(tài)鉤頭載荷＜設計跨距下吊重曲線上的吊重能力。

4.3導管架靠駁方案分析

通常主作業(yè)船就位方向是沿著海流的流向布置，即船向盡可能順流或逆流就位。東方1-1 WHPF導管架海上安裝船舶資源主要有：動力定位起重船HYSY201、導管架運輸駁船“海洋石油221”、拖輪“漢力士1號”和拖輪“德翔”。由于導管架運輸駁船為無動力船舶，需要由拖輪拖帶、協(xié)助靠駁，主要靠駁方案是：導管架運輸駁船“海洋石油221”由拖輪“漢力士1號”主拖，拖輪“德翔”于221尾部吊拖，且兩條拖輪于設計位置拋錨穩(wěn)住駁船，此時“海洋石油201”動力定位模式頂靠“海洋石油221”左舷，且駁船221處于“海洋石油201”下流向，兩船之間的相對運動盡可能減小。與錨泊系統(tǒng)靠泊方式有所不同，通常來說，錨泊式靠駁一般由拖輪拖帶導管架運輸駁船靠主作業(yè)船，操作風險較低。如圖3所示。

圖3　導管架靠駁方案設計

起重船“海洋石油201”與駁船“海洋石油221”采用無碰球靠駁、吊機全回轉(zhuǎn)模式16°工況吊裝。海洋石油201動力定位模式頂靠東方1-1導管架運輸駁船左舷，這是由于深水導管架較重，采用這種靠駁方法可最大限度地減小起吊跨距，增加浮吊的吊重能力。但存在浮吊和駁船不能同時順向涌浪的問題。如涌浪較大就會使兩船產(chǎn)生較大的相對運動，給起吊作業(yè)造成一定困難，施工時應注意選擇好天氣窗口［7］。另外，東方1-1 WHPF導管架重2 680 t，海洋石油201需FIXED TIE BACK模式進行吊裝，但由于201 TIE BACK系統(tǒng)為剛性連接，拆裝時間各需2 d，占作業(yè)主線時間較長，因此優(yōu)化施工方案，采用無碰球靠駁、全回轉(zhuǎn)模式吊機16°工況吊裝，見圖4。

圖4　導管架靠駁、平吊（16°工況）、舷側(cè)扶正

4.4導管架扶正優(yōu)化分析

為了確定導管架扶正最佳初始狀態(tài)，需要進行優(yōu)化分析，對導管架初始吃水和縱傾角的許多種不同的工況組合進行了分析，橫傾角、縱傾角始終處于不斷變化狀況，總共330個工況。以此確定最佳的扶正過程，并核實導管架是否滿足扶正過程強度和穩(wěn)性要求。每個工況都要考慮導管架扶正過程中的導管架縱傾角度、橫傾角度、鉤頭高度、鉤頭載荷、總調(diào)載量、當前調(diào)載量、底部間隙和最大吊繩載荷等。并對吊裝扶正過程中的主要工況進行了導管架結(jié)構強度校核［8］。

下水分析采用MOSES程序進行三維時域模擬，優(yōu)化導管架下水前的初始狀態(tài)，預報導管架的運動軌跡，并通過敏感性分析預知導管架重心不準確以及出現(xiàn)破艙等狀況時可能發(fā)生問題和風險，為安裝設計及應急預案提供基礎。導管架平吊入水后，海洋石油201和導管架相對轉(zhuǎn)動，使導管架旋轉(zhuǎn)至201左舷側(cè)，并利用管子吊可以移動的便捷優(yōu)勢，配合施工人員上下平臺。

導管架壓載艙分為TANK-A1/B1/A2/B2-L/M/T艙和8個裙樁套筒艙室，也即20個艙室，導管架每腿分為上、中、下3個壓載艙。導管架漂浮時所有壓載艙均關閉，待浮吊掛扶正索具緩慢升起至索具帶力，并根據(jù)設計程序由注水廠家按順序開啟導管架頂部注水閥門，注水過程如表4所示，使導管架逐步扶正。扶正過程中鉤頭載荷按照扶正步驟緩慢變化，導管架尾部拖輪始終保持帶力15～20 t，以保證導管架的安全。

表4　導管架扶正步驟

圖5　導管架扶正過程分析

分析可知，導管架自由漂浮狀態(tài)和扶正優(yōu)化過程結(jié)構強度滿足要求，導管架漂浮狀態(tài)仰傾角為3.49°，橫傾角很小，最大鉤頭載荷達到710.67 t。

5　鋼樁安裝方案設計及應用

東方項目鋼樁長，樁徑粗，重量大，鋼樁的翻身、起吊是影響深水導管架施工的關鍵步驟和重要環(huán)節(jié)。尤其海洋石油201動力定位系統(tǒng)首次進行84”主樁的高精度安裝是整個平臺安裝成功的前提，需克服主作業(yè)船身細、長的結(jié)構形式和兩船相對運動的穩(wěn)性特點，這也是動力定位船舶技術難點［8］。

圖6　鋼樁起樁過程

“海洋石油201”屬于細長型船體，對船舶穩(wěn)性要求較高，鋼樁起樁方案起初考慮兩種方案：船尾及船側(cè)。經(jīng)驗比較后選擇船側(cè)起樁常規(guī)做法，并采取一系列計算保證船側(cè)起樁穩(wěn)定性、安全性及可操作性［9］。方案設計階段對鋼樁（115 m長、320 t）起樁進行了受力分析，給出鋼樁起樁過程受力指導，并對駁船船尾護板處船體進行了加強，以免起樁過程因受力過大損壞船體。與錨泊式系統(tǒng)相比，動力定位有其快速、高效的便捷優(yōu)勢，起樁后可以圍繞導管架四周快速插樁、打樁，可操作性強，施工效率高，節(jié)省了海上施工船天，降低了施工成本。

鋼樁翻轉(zhuǎn)角度為0°～60°時，鉤頭載荷保持160 t。

鋼樁翻轉(zhuǎn)角度＞60°，緩慢增加鉤頭載荷至320 t。

鋼樁起樁過程數(shù)值分析見表5。

表5　鋼樁扶正數(shù)值分析

圖7　鋼樁起樁數(shù)值分析曲線

圖8　鋼樁起樁現(xiàn)場應用

6　結(jié)語

導管架海上安裝過程中，尤其中國南海海域環(huán)境條件惡劣，制定工藝方案應根據(jù)具體的結(jié)構形式、施工現(xiàn)場的情況、現(xiàn)有的裝備資源及設備技術等條件有針對性地選擇不同的工藝方法。

文章從動力定位船舶的優(yōu)勢出發(fā)，首先進行了導管架總體安裝方案的闡述，其次進行動力定位能力分析，并以東方1-1 WHPF導管架安裝為例，給出了海洋石油201南海海域動力定位安裝導管架等大型結(jié)構物環(huán)境條件，導管架及鋼樁扶正過程數(shù)值分析，得出如下結(jié)論和建議：

（1）動力定位船舶由于導管架海上安裝過程中具有技術可行性、安全性、經(jīng)濟性等優(yōu)勢，使其非常適合300～3 000 m水深、錨系船舶作業(yè)困難的中國南海。

（2）綜合動力定位船舶的能力分析，參考DNV及API規(guī)范，結(jié)合國際上常規(guī)動力定位安裝作業(yè)氣候窗，給出東方1-1 WHPF導管架海上安裝的環(huán)境條件，使其在安裝季節(jié)進行導管架下水就位的可操作率大于50%，滿足常規(guī)的氣候窗要求。

（3）東方1-1 WHPF導管架采用平吊入水、注水扶正方式就位，整個過程進行了數(shù)值分析和計算，其關鍵參數(shù)和數(shù)值模擬結(jié)果均滿足設計要求。

（4）“海洋石油201”與導管架運輸駁船“海洋石油221”采用無碰球靠駁方式，并在吊機16°工況進行東方1-1WHPF導管架吊裝，直接提升了“海洋石油201”的吊重能力，避免動力定位船舶與導管架結(jié)構干涉情況，滿足設計要求。

（5）東方1-1鋼樁采用公司常用的扁嘴鉤系統(tǒng)方法，并進行了數(shù)值分析和計算，整個翻樁過程關鍵參數(shù)均滿足設計要求。

海洋石油201 DP工況進行東方1-1項目導管架的成功安裝在海油工程公司乃至中國海油尚屬首次，填補了一項海上施工工藝和施工技術空白，對提升導管架的安裝能力以及節(jié)省起重船的作業(yè)時間具有重要的意義，標志著海洋石油201 DP工況結(jié)構吊裝的趨步成熟［10］。未來公司將面對的是市場的國際化，必須盡快提高在未來海洋工程產(chǎn)業(yè)國際化競爭環(huán)境中持久的生存與發(fā)展能力，才能為今后的國際海洋石油開發(fā)工程積累實踐經(jīng)驗。

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Study on the Installing Technique of DF1-1 Jacket Based on HYSY 201 DP System

YU Wen-tai，WEI Jia-guang，ZHU Shao-hua，LI Huai-liang，LIU Ji-lin，LI Kai
Offshore Oil Engineering Co.Ltd.，Tianjin 300452，China

This paper conducts research on the jacket installation on the sea based on dynamically positioned crane vessels，and summarizes the advantages of this scheme.The"HYSY201"is taken as an example in this paper，with dynamically positioned deepwater crane used for jacket installation.This paper proposes the installation windows and the method of dynamic positioned capability analysis based on the operation of dynamic positioned vessels in the South China Sea.The jacket upending steps are analyzed，and the key design steps are given for DF1-1 WHPF jacket installation.This study provides a certain reference for large-scale jacket installation based on the DP system under harsh environment conditions.

HYSY201；DP system；jacket；large pile；environment conditions

P751

A

1003-2029（2016）04-0108-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.04.020

2015-11-05

于文太（1978-），男，高級工程師，主要從事海洋石油平臺等設施安裝設計及相關技術研究工作。E-mail：yuwt@mail.cooec.com.cn

魏佳廣，E-mail：weijg@mail.cooec.com.cn