石 云， 石錦坤， 郭 宏， 孫 錕， 張西偉

(1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028；2. 深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，深圳 518065)

0 引 言

深海油氣資源的開(kāi)發(fā)既是必然的趨勢(shì)，也是未來(lái)我國(guó)海洋石油開(kāi)發(fā)的主戰(zhàn)場(chǎng)[1]。水下生產(chǎn)技術(shù)作為深水油氣田開(kāi)發(fā)的主流技術(shù)之一，由于不需要建造昂貴的平臺(tái)，受災(zāi)害天氣影響小，且投資對(duì)水深變化不敏感等特點(diǎn)而被廣泛采用[2-3]。目前國(guó)外水下生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，而我國(guó)相關(guān)技術(shù)儲(chǔ)備相對(duì)薄弱，經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少，這在一定程度上影響了我國(guó)深水油氣資源的開(kāi)發(fā)[4-6]。水下集束動(dòng)態(tài)電纜作為水下生產(chǎn)技術(shù)的一部分，是我國(guó)深海油氣田開(kāi)發(fā)的必備設(shè)施。目前，我國(guó)在南海的項(xiàng)目所使用的集束動(dòng)態(tài)海底電纜全部是進(jìn)口產(chǎn)品，這些進(jìn)口產(chǎn)品成本高、供貨周期長(zhǎng)、售后服務(wù)響應(yīng)慢。在目前低油價(jià)的國(guó)際背景下，迫切需要打破國(guó)外壟斷，推進(jìn)集束動(dòng)態(tài)海底電纜國(guó)產(chǎn)化，降低油田開(kāi)發(fā)成本。

中海油聯(lián)合國(guó)內(nèi)電纜廠家開(kāi)展“集束動(dòng)態(tài)海底電纜國(guó)產(chǎn)化研制”工作，為確保集束動(dòng)態(tài)海底電纜國(guó)產(chǎn)化的可行性，必須基于目標(biāo)油田環(huán)境條件和施工資源開(kāi)展電纜的安裝分析來(lái)驗(yàn)證國(guó)產(chǎn)海底電纜的主要參數(shù)(最小彎曲半徑、最大允許張力等)是否滿(mǎn)足安裝要求，同時(shí)安裝分析也可為將來(lái)海上安裝提供參考。

1 集束動(dòng)態(tài)電纜介紹

深水集束動(dòng)態(tài)海底電纜由多個(gè)單根電纜功能元件組成，動(dòng)態(tài)纜外觀上都呈圓整、緊湊的形式。纜芯內(nèi)所有空隙填滿(mǎn)填充物或以支撐骨架隔離，鎧裝層由兩個(gè)或者兩個(gè)以上相反螺旋組成以保證足夠的彎曲性能，最外層一般采用聚合物擠出。動(dòng)態(tài)電纜的截面如圖1所示，主要參數(shù)如表1所示。

圖1 集束動(dòng)態(tài)電纜截面圖

表1 動(dòng)態(tài)電纜參數(shù)

2 安裝分析

海底電纜通常存儲(chǔ)在鋪纜船的轉(zhuǎn)盤(pán)(carousel)或者滾筒(reel)上，通過(guò)張緊器及下水橋(chute)等設(shè)施將海底電纜鋪設(shè)至海底。本文以南海某油田作為目標(biāo)油田開(kāi)展集束電纜安裝分析，該油田主要開(kāi)發(fā)設(shè)施包括FPSO及水下生產(chǎn)系統(tǒng)，F(xiàn)PSO上設(shè)有電站，通過(guò)集束動(dòng)態(tài)電纜給水下電潛泵供電。目標(biāo)油田水深400 m， 1年重現(xiàn)期波高約為7.5 m，周期為13.9 s。 1年重現(xiàn)期表面流流速約為1.57 m/s，底流流速約為0.4 m/s。

2.1 安裝流程

典型的集束動(dòng)態(tài)電纜安裝流程如下：

(1) 首端過(guò)下水橋： 連接吊機(jī)索具到電纜端部，利用吊機(jī)輔助，電纜首端逐步通過(guò)下水橋，如圖2所示。

圖2 首端過(guò)下水橋示意

(2) 首端下放： 下放ROV入水，吊機(jī)下放電纜首端至距離海床約30 m處；將吊機(jī)轉(zhuǎn)換至升沉補(bǔ)償模式；通過(guò)吊機(jī)和移船調(diào)整朝向，并緩慢下放至預(yù)定位置；隨后進(jìn)行海底電纜正常鋪設(shè)，如圖3所示。

圖3 首端下放示意

(3) 浮力塊安裝階段： 浮力塊可以提供凈浮力，它按一定的間距分布在一定長(zhǎng)度范圍的電纜上面，從而構(gòu)造了動(dòng)態(tài)電纜的緩波構(gòu)型，以適應(yīng)惡劣的海洋環(huán)境和運(yùn)動(dòng)。浮力塊外徑為0.88 m，單個(gè)浮力塊長(zhǎng)度為1.129 m，凈浮力為350 kgf(1 kgf=9.80665 N)。

(4) 動(dòng)態(tài)段鋪設(shè)： 浮力塊安裝完成后，繼續(xù)進(jìn)行海底電纜動(dòng)態(tài)段的鋪設(shè)，直至電纜末端到達(dá)下水橋附近，如圖4所示。

圖4 動(dòng)態(tài)段鋪設(shè)示意

(5) 動(dòng)態(tài)電纜回接至FPSO：

a. 繼續(xù)鋪設(shè)至FPSO，當(dāng)電纜末端接近卷管艙口時(shí)停止鋪設(shè)，將絞車(chē)的鋼絲繩與電纜末端連接，并通過(guò)吊機(jī)下放末端至甲板，用絞車(chē)臨時(shí)固定海纜末端。

b. 移船靠近FPSO，并從FPSO傳遞信號(hào)繩至鋪纜船；通過(guò)鋪纜船絞車(chē)固定信號(hào)繩，并將FPSO抽拉絞車(chē)鋼絲繩傳遞至鋪纜船。

c. 將抽拉絞車(chē)鋼絲繩索接頭與電纜末端連接，拆除信號(hào)繩。

d. 下放海纜，同時(shí)FPSO絞車(chē)緩慢回收，ROV繼續(xù)觀察海底電纜狀態(tài)。

e. 當(dāng)電纜全部轉(zhuǎn)移至FPSO時(shí)，抽拉絞車(chē)，ROV拆除吊機(jī)、船舶絞車(chē)與電纜之間索具，F(xiàn)PSO抽拉絞車(chē)?yán)^續(xù)回收，直至電纜抽拉出護(hù)管至預(yù)定位置，如圖5所示。

圖5 動(dòng)態(tài)電纜回接至FPSO示意

2.2 接受標(biāo)準(zhǔn)

在安裝施工時(shí)，需要滿(mǎn)足如下所列的限制條件：

(1) 電纜有效張力： 電纜所受最大張力不得大于張緊器的工作極限和電纜本身所能承受的最大張力，該數(shù)值為496 kN。

(2) 最小彎曲半徑： 安裝電纜時(shí)的最小彎曲半徑不得小于1.95 m。

(3) 間隙： 安裝時(shí)，船身與電纜需要保持足夠的安全距離，使得電纜不會(huì)與船身發(fā)生碰撞。

2.3 分析軟件

本文利用Orcaflex軟件對(duì)海底電纜進(jìn)行建模分析，得出各安裝流程下的關(guān)鍵參數(shù)。Orcaflex軟件由英國(guó)Orcina公司開(kāi)發(fā)，是一款業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的、可進(jìn)行各種海洋工程結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析的軟件，應(yīng)用范圍包括各種立管、錨泊系統(tǒng)、拖曳系統(tǒng)及安裝過(guò)程等。由于其良好易用的圖形用戶(hù)界面及強(qiáng)大的批處理功能，為全世界海洋工程設(shè)計(jì)公司所青睞。

2.4 靜態(tài)分析結(jié)果

在不考慮波浪作用的情況下進(jìn)行靜態(tài)安裝分析，得出不同安裝階段下的電纜最大有效張力、電纜最小彎曲半徑以及電纜與安裝船的間隙等關(guān)鍵參數(shù)，結(jié)果如表2～表6所示。

表2 首端過(guò)下水橋計(jì)算結(jié)果

表3 首端下放計(jì)算結(jié)果

表4 浮力塊安裝階段計(jì)算結(jié)果

表5 動(dòng)態(tài)段鋪設(shè)計(jì)算結(jié)果

表6 回接至FPSO計(jì)算結(jié)果

從以上靜態(tài)分析結(jié)果可以看出，電纜的最大有效張力和最小彎曲半徑均在允許范圍內(nèi)，電纜不會(huì)與安裝船發(fā)生碰撞。

2.5 動(dòng)態(tài)分析

在動(dòng)態(tài)電纜的安裝過(guò)程中，浮力塊安裝、動(dòng)態(tài)電纜鋪設(shè)以及回接FPSO階段為關(guān)鍵工況，本文將針對(duì)該階段開(kāi)展動(dòng)態(tài)分析，以最大有效張力、最小彎曲半徑等為限制條件反算出滿(mǎn)足安裝條件的波高，用于指導(dǎo)實(shí)際安裝過(guò)程，選取合適的安裝窗口。

對(duì)于關(guān)鍵工況，使用表7所列的工況矩陣進(jìn)行動(dòng)力分析，考慮到南海壞境條件和安裝實(shí)際情況，波高選取的范圍是0.5～3 m，浪向以45°為間隔選取，波浪跨零周期范圍為5～15 s，分析結(jié)果如表8所示。

表7 動(dòng)態(tài)分析工況

表8 關(guān)鍵工況動(dòng)態(tài)分析結(jié)果

表8所示的分析結(jié)果是通過(guò)采用不同的波浪方向、波浪周期與波高的組合，根據(jù)電纜鋪設(shè)控制條件反算出不同安裝階段的允許波高，從分析結(jié)果可以看出浮力塊安裝階段對(duì)安裝條件限制更為苛刻。

表8顯示在某幾個(gè)浪向(相對(duì)船首)條件下，浮力塊安裝允許的波高僅僅為0.5 m，但通過(guò)進(jìn)一步分析可知，這種極端情況僅僅發(fā)生在某些特定的波浪周期，發(fā)生的概率非常低，其在不同波浪周期下允許的波高詳細(xì)分析結(jié)果如表9所示。

表9 浮力塊安裝階段允許波高

從以上動(dòng)態(tài)分析結(jié)果可知： 不同安裝階段所允許的海況條件不同，本項(xiàng)目安裝的關(guān)鍵階段為浮力塊安裝階段，應(yīng)提前根據(jù)天氣預(yù)報(bào)選擇較為合適的氣候窗口。在實(shí)際安裝過(guò)程中，也可以通過(guò)適當(dāng)調(diào)整安裝船舶首向，從而使波浪與安裝船的角度位于有利于安裝的區(qū)間。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了集束動(dòng)態(tài)電纜的安裝流程，并針對(duì)目標(biāo)油田，利用Orcaflex軟件開(kāi)展了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)安裝分析，獲得了最大張力、最小彎曲半徑等關(guān)鍵參數(shù)，同時(shí)得出了各關(guān)鍵工況的波高要求，通過(guò)計(jì)算分析，可以得出以下結(jié)論：

(1) 靜態(tài)分析結(jié)果顯示動(dòng)態(tài)電纜最大張力、最小彎曲半徑等參數(shù)均在允許范圍內(nèi)。

(2) 動(dòng)態(tài)分析結(jié)果顯示不同安裝階段所允許的海況條件不同，在實(shí)際安裝過(guò)程中應(yīng)選取合適的環(huán)境窗口，并通過(guò)適當(dāng)調(diào)整船舶首向避免不利的安裝工況。

(3) 通過(guò)合理的設(shè)計(jì)及安裝分析，選取合適的環(huán)境窗口，國(guó)產(chǎn)集束動(dòng)態(tài)海底電纜可以滿(mǎn)足安裝要求。