王德洋

中海石油（中國）有限公司深圳分公司深水工程建設(shè)中心，廣東深圳 518000

1 “南海勝利”號FPSO系泊系統(tǒng)簡介

隨著海上油氣鉆探開發(fā)不斷向深水邁進(jìn)，浮式生產(chǎn)設(shè)施被廣泛應(yīng)用。為保證生產(chǎn)設(shè)施在開發(fā)和生產(chǎn)過程中不發(fā)生較大移位，每個浮式生產(chǎn)設(shè)施都擁有一套系泊系統(tǒng)。目前，常用的系泊系統(tǒng)有擴(kuò)展式錨泊系統(tǒng)、多點系泊、單點系泊[1]和動力定位系統(tǒng)，系泊系統(tǒng)根據(jù)其使用的年限或被系泊的平臺在服役期是否會經(jīng)常變換地點又可分為永久性系泊與可移動性系泊系統(tǒng)[1]。

“南海勝利”號為服役于流花11-1油田的一座浮式生產(chǎn)儲卸油裝置（FPSO），由SOFEC設(shè)計，入ABS級，采用永久式內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)，于1996年投產(chǎn)，作業(yè)水深約300 m，為國內(nèi)首座深水FPSO系泊系統(tǒng)。2006年系泊錨腿因臺風(fēng)受損，2007年完成修復(fù)后延壽至2017年，目前已服役20余年。

“南海勝利”號FPSO系泊系統(tǒng)由10根均布系泊錨腿組成，單根錨腿的最大系泊力為6 000 kN，通過油輪船體前部空洞內(nèi)的轉(zhuǎn)塔機(jī)構(gòu)與船體相連。對于系泊系統(tǒng)的每一根錨腿，主要由ACT鏈、上鋼纜、下鋼纜、配重鏈、躺地纜（直徑114 mm）和抓力錨六部分組成，整個單點系泊的鋼纜與錨鏈之間通過各自的索接頭和無檔鏈環(huán)與相應(yīng)的連接板、三角板連接，并最終連接到海底的抓力錨上，其中在上下鋼纜連接處有一個中水浮筒連接到三角板上。中水浮筒直徑4.06 m，高度3.48 m，在空氣中質(zhì)量15 720 kg，凈浮力為257.5 kN；抓力錨的寬度為9.656 m，高度7.579 m，每個錨的質(zhì)量約40 000 kg；三角板每個質(zhì)量約1 160 kg，每個連接板質(zhì)量約856 kg。FPSO單根系泊錨腿結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 單根系泊錨腿結(jié)構(gòu)示意

“南海勝利”號FPSO系泊系統(tǒng)在水下運行了20余年，水下部件腐蝕老化嚴(yán)重，且在近3年遭遇了三次強臺風(fēng)襲擊，在2020年8月強臺風(fēng)“妮妲”過后出現(xiàn)個別錨腿斷絲數(shù)量增加、躺地纜扭曲等，為及時消除潛在的重大安全隱患，中海石油深圳分公司在FPSO不解脫、不停產(chǎn)條件下完成受損錨腿的應(yīng)急維修工作。整個系泊錨腿的維修主要包括系泊錨腿懸浮鏈段及海床鏈段更換，維修過程中，系泊錨腿的成功解脫和回接屬國內(nèi)深水首次，本文將對“南海勝利”號FPSO系泊錨腿解脫和回接過程的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹，以便為類似的作業(yè)提供參考和借鑒。

2 FPSO系泊錨腿解脫/回接技術(shù)方案

“南海勝利”號FPSO系泊系統(tǒng)是永久性單點系泊系統(tǒng)，10根錨腿均勻分布，當(dāng)FPSO圍繞艏部轉(zhuǎn)塔發(fā)生位置變化時，每根錨腿的受力狀態(tài)也隨之發(fā)生變化，因此，為確保在臺風(fēng)季、季風(fēng)季節(jié)不出現(xiàn)因“缺腿”導(dǎo)致的FPSO系泊安全問題，系泊錨腿解脫/回接作業(yè)具有連續(xù)性、不可重復(fù)性等特點。由于在進(jìn)行懸浮鏈段鋼纜更換時，系泊錨腿解脫/回接作業(yè)過程中FPSO需保證單點艙底部水密蓋板位于水線上方（即FPSO吃水小于6 m），且空氣潛水、ROV、鋼纜更換等作業(yè)對現(xiàn)場浪高、風(fēng)速等也有嚴(yán)格要求，所以系泊錨腿解脫/回接作業(yè)受多重時間窗口限制，具有階段可行性特點。因此，要完成此次作業(yè)，進(jìn)行科學(xué)模擬、技術(shù)分析、精準(zhǔn)現(xiàn)場控制、作業(yè)預(yù)調(diào)查與后調(diào)查等至關(guān)重要。

根據(jù)檢查，“南海勝利”號FPSO系泊錨腿因近3年遭遇了三次強臺風(fēng)襲擊，外層鋼絲在腐蝕和應(yīng)力作用下開始斷裂，2018年8月再次承受強臺風(fēng)1號、2號、9號襲擊，錨腿出現(xiàn)不同程度的受損加重，主要為2號、9號錨腿鋼纜斷絲，1號錨腿躺地纜打扭。根據(jù)整個系泊錨腿維修所涉及的兩種作業(yè)內(nèi)容，本項目主要就更換2號懸浮鏈段鋼纜、1號海床鏈段鋼纜時，系泊錨腿解脫/回接作業(yè)進(jìn)行模擬分析與方案設(shè)計。

“南海勝利”號FPSO系泊錨腿解脫/回接技術(shù)方案的思路：第一，更換懸浮鏈段作業(yè)以“南海勝利”號FPSO為作業(yè)起點，通過空氣潛水配合將ACT鏈解脫下放，然后作業(yè)船HYSY291由ROV輔助將ACT鏈回收，之后解脫ACT與FPSO纜繩之間的連接，隨即沿錨腿方向依次進(jìn)行上鋼纜、中水浮筒、下鋼纜回收?；厥兆鳂I(yè)結(jié)束后，沿反方向依次進(jìn)行系泊錨腿的鋪設(shè)、回接。第二，更換海床鏈段作業(yè)以作業(yè)船為作業(yè)起點，通過ROV配合將1 100 m躺地纜與345 m配重鏈之間的三角板回收、解脫，而后下放345 m配重鏈，隨即進(jìn)行躺地纜回收、躺地纜更換、索接頭制作、更換后的躺地纜鋪設(shè)、345 m配重鏈回收、系泊錨腿回接作業(yè)。

2.1 系泊錨腿解脫/回接模擬、技術(shù)方案分析

本項目采用OrcaFlex軟件對本次FPSO系泊錨腿解脫/回接作業(yè)進(jìn)行全程模擬、技術(shù)分析，比較直觀明確地模擬、分析每一個關(guān)鍵作業(yè)步驟的機(jī)具設(shè)備、鋼纜等的受力狀態(tài)，有利于對現(xiàn)場作業(yè)的把控與調(diào)整。在OrcaFlex的輔助下，虛擬呈現(xiàn)了作業(yè)船舶HYSY291在回收、鋪設(shè)以及船舶小角度艏向調(diào)整等作業(yè)時的情景，具體見圖2、圖3。

圖2 中水浮筒下放模擬圖

圖3 船舶艏向調(diào)整模擬

在本次作業(yè)模擬中，應(yīng)用OrcaFlex建立了包含F(xiàn)PS0、HYSY291、系泊錨腿、吊機(jī)、絞車索具等機(jī)構(gòu)在內(nèi)的整體模型，再輸入作業(yè)時間段所對應(yīng)的環(huán)境數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到整個作業(yè)過程的模擬分析結(jié)果。流花11-1油田“南海勝利”號FPSO作業(yè)區(qū)域水深295 m，潮汐變化范圍-1.06～+1.62 m，根據(jù)南海海域波浪統(tǒng)計數(shù)據(jù)中波高與周期的變化規(guī)律，在進(jìn)行作業(yè)時，要考慮常規(guī)的波高與周期變化范圍，通常情況下波高在0.5～3 m之間浮動，周期為5～15 s，具體波高與周期關(guān)系見表1。在流花11-1油田作業(yè)區(qū)域，孤立波是一種非常規(guī)的常見波浪流，孤立波會形成瞬時強流對作業(yè)區(qū)域產(chǎn)生強烈沖擊。這種孤立波通常在夏季與秋季容易形成，且來流方向在正北的75°～155°之間，通常，孤立波是在天氣實際狀況較好時形成的，最大有義波高小于2 m，水深、孤立波與基流的相互關(guān)系見表2。

表1 波高與周期的變化關(guān)系

表2 水深與孤立波、基流的變化關(guān)系

系泊錨腿解脫/回接過程分析，采用數(shù)值模型[2]進(jìn)行波浪模擬，始終以最大波高及最大孤立波的影響來模擬整個海況（但模擬分析不包含風(fēng)速），該模擬分析針對作業(yè)過程中可能出現(xiàn)的最壞情況，所以分析結(jié)果比常規(guī)情況有較大安全空間。在整個模擬分析中，通過輸入環(huán)境參數(shù)、作業(yè)機(jī)具位置和系泊錨腿位置的狀態(tài)參數(shù)等來取得每個施工步驟中作業(yè)機(jī)具、系泊錨腿的受力狀態(tài)。通過模擬輸出結(jié)果可以有效地調(diào)整與評估作業(yè)時所選擇的索具與各個作業(yè)設(shè)備的大概行程等。模擬分析保證了作業(yè)的成功率，同時為一些不可調(diào)整的關(guān)鍵步驟準(zhǔn)備工作提供有力的指導(dǎo)與保障，對作業(yè)過程中保證鋼纜不被扭曲變形也起到至關(guān)重要作用。具體模擬分析輸出受力過程可參見圖4、表3。

表3 模擬分析輸出具體受力值

圖4 模擬分析輸出受力過程關(guān)系

2.2 系泊錨腿解脫/回接施工機(jī)具技術(shù)選型

系泊錨腿解脫/回接作業(yè)過程需要的作業(yè)船只多，風(fēng)險較高，由于此次作業(yè)涉及到FPSO在“缺腿”狀態(tài)的系泊穩(wěn)性以及空氣潛水、限位船舶及主作業(yè)船對風(fēng)浪的要求，一般海浪有義波高不超過2.5 m為宜[2]。因此系泊錨腿解脫/回接作業(yè)對時間窗口要求非常嚴(yán)格，在南海海域的臺風(fēng)季與季風(fēng)季除特殊緊急情況不建議進(jìn)行類似作業(yè)。

為更好地掌控與完成作業(yè)，增強作業(yè)抗風(fēng)險能力，主作業(yè)船必須擁有DP動力定位系統(tǒng)，等級要求二級以上[3]。除穩(wěn)性之外最重要的是主作業(yè)船的施工能力要得到有效保障，其中吊機(jī)、工作絞車、輔助絞車、ROV等都要滿足設(shè)計能力。限位船舶與空潛支持船雖然不在關(guān)鍵作業(yè)路徑上，但是這兩種輔助作業(yè)船直接決定作業(yè)的安全性與可行性[4]。根據(jù)本次工作需求，系泊錨腿解脫/回接作業(yè)選用了HYSY291作為主作業(yè)船，HUAMING、HUAFA作為限位船[4]，HUAPENG（華鵬） 作為空氣潛水支持船（DSV）。作業(yè)船舶技術(shù)參數(shù)見表4～表6。

表4 主作業(yè)船HYSY291

表5 限位船HUAFA

表6 限位船HUAMING

3 系泊錨腿解脫/回接現(xiàn)場作業(yè)精準(zhǔn)控制

按時間軸推進(jìn)，懸浮鏈段更換[4]系泊錨腿解脫/回接的現(xiàn)場主要作業(yè)流程為：打開ACT鏈止鏈器、ACT鏈下放、ACT鏈傳遞、ACT鏈回收、上鋼纜回收、中水浮筒回收、下鋼纜回收、新下鋼纜鋪設(shè)、中水浮筒下放、新上鋼纜鋪設(shè)、ACT鏈傳遞、ACT鏈回收鎖緊。由于在作業(yè)過程中，水上作業(yè)涉及主作業(yè)船、FPSO、限位船及空氣潛水支持船，水下作業(yè)囊括ROV、空氣潛水及各種鎖具、鋼纜、錨鏈等元素，因此想要精準(zhǔn)、高效、安全地完成作業(yè)任務(wù)，必須要有精準(zhǔn)的控制系統(tǒng)及定位系統(tǒng)，在作業(yè)控制過程中要有嚴(yán)格的程序把控、統(tǒng)一指揮，并嚴(yán)格執(zhí)行。

按時間軸推進(jìn)，海床鏈段更換系泊錨腿解脫/回接的現(xiàn)場主要作業(yè)流程為：回收1 100 m躺地纜與345 m配重鏈之間的三角板、解脫下放345 m配重鏈、回收躺地纜、更換躺地纜、制作索接頭、鋪設(shè)更換后的躺地纜、回收345 m配重鏈、回接系泊錨腿。相比于懸浮鏈段的更換作業(yè)，海床鏈段更換時作業(yè)船與FPSO、限位船之間的距離較遠(yuǎn)，沒有相互碰撞風(fēng)險。雖然作業(yè)元素較少，但作業(yè)仍需精準(zhǔn)把控、統(tǒng)一指揮。

3.1 FPSO與主作業(yè)船、空潛支持船、限位船的位置控制

此次作業(yè)通過應(yīng)用水面差分GPS定位系統(tǒng)[2]、中央控制通訊系統(tǒng)、ROV水下精準(zhǔn)定位及空氣潛水水下觀察等多種技術(shù)手段進(jìn)行現(xiàn)場控制[4]。中央控制通訊系統(tǒng)建立各作業(yè)船舶實時通訊，由作業(yè)船為作業(yè)主線進(jìn)行作業(yè)任務(wù)推進(jìn)，向各作業(yè)船舶發(fā)出指令，統(tǒng)一調(diào)度指揮，保證作業(yè)按程序進(jìn)行，避免了不必要的交叉作業(yè)等帶來的風(fēng)險。同時通過水面定位系統(tǒng)，在作業(yè)船上可以實時監(jiān)控各作業(yè)船位置、ROV水下定位，使主作業(yè)船為其作業(yè)指令的制定提供精準(zhǔn)信息，使所有參與作業(yè)的相關(guān)方對作業(yè)任務(wù)及整體情況都有直觀的全局了解。水面、水下及作業(yè)程序的精準(zhǔn)控制保證了此次作業(yè)高效、順利完成。水面定位系統(tǒng)見圖5，ROV水下作業(yè)情況見圖6。

圖5 作業(yè)水面定位系統(tǒng)顯示屏圖示

圖6 ROV水下作業(yè)情況

3.2 孤立波的監(jiān)測與警示

在流花11-1油田，作業(yè)區(qū)域孤立波[5]是一種非常規(guī)的常見波浪流，孤立波會形成瞬時的強流對作業(yè)區(qū)域產(chǎn)生強烈沖擊，在系泊錨腿解脫時進(jìn)行ACT傳遞或回收傳遞時，主作業(yè)船的ROV需在水下進(jìn)行鎖具掛鉤，主作業(yè)船的工作絞車索具會釋放下水，同時空氣潛水支持船處于帶纜FPSO狀態(tài)，在這個作業(yè)環(huán)節(jié)，不僅主作業(yè)船與FPSO、空氣支持船之間的距離很?。ㄋ矔r最小距離不足20 m），水下索具、錨鏈、ROV也是多方聚集，如果孤立波在這個環(huán)節(jié)突然襲來，可能會引起船舶之間的碰撞或水下各部分之間的纏繞，存在很大的安全隱患，因此必須進(jìn)行孤立波的監(jiān)測與警示[5]。

多年來，人們對孤立內(nèi)波的危害程度了解不深，由于其形成具有臨時性、不確定性，人們很難做出經(jīng)驗上的判斷，所以在作業(yè)期間必須要全程進(jìn)行孤立波的監(jiān)測。本次作業(yè)指定其中的一艘作業(yè)船舶在來流的上游2 n mile左右進(jìn)行實時監(jiān)測，一旦有孤立波來襲，監(jiān)測船舶立即通報各作業(yè)船舶，以便回收ROV，并讓各作業(yè)船舶（尤其是主作業(yè)船與限位船）調(diào)整船位等以減輕孤立波帶來的影響，避免險情發(fā)生。孤立波的實時監(jiān)測為系泊錨腿解脫/回接作業(yè)提供了有效的安全保障。

4 系泊錨腿解脫/回接作業(yè)的預(yù)調(diào)查與后調(diào)查

系泊錨腿解脫/回接作業(yè)為水下作業(yè)內(nèi)容，與常規(guī)的海洋工程作業(yè)相比有更大的未知性、不確定性。作業(yè)本身受FPSO吃水時間窗、天氣時間窗限制，具有階段可行性、連續(xù)性、不可重復(fù)性等特點。因此在進(jìn)行現(xiàn)場作業(yè)之前進(jìn)行現(xiàn)場預(yù)調(diào)查可有效地掌握系泊錨腿在解脫前的最新狀態(tài)，為作業(yè)前的準(zhǔn)備、作業(yè)中可能遇到的困難、與預(yù)計作業(yè)偏差的估計等都提供了最新的信息。預(yù)調(diào)查通過ROV進(jìn)行水下觀測，將需要更換鋼纜的系泊錨腿整體檢查一遍，以確定是否有異常情況存在。通過預(yù)調(diào)查，可以在現(xiàn)場系泊錨腿解脫作業(yè)前掃除水下未知狀態(tài)的安全隱患，為現(xiàn)場作業(yè)的順利開展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

在系泊錨腿解脫/回接作業(yè)完成后，采用ROV沿鋼纜鋪設(shè)方向進(jìn)行全程檢查并記錄[5]，以檢驗作業(yè)結(jié)果，確保在作業(yè)過程中新更換的鋼纜沒有發(fā)生扭曲、斷絲等人力無法監(jiān)測的作業(yè)損傷。作業(yè)后調(diào)查方案的制定與實施有效地保證了作業(yè)結(jié)果，為零損傷完成新鋼纜的更換、零遺留隱患提供了有效保障。

5 結(jié)束語

流花11-1油田“南海勝利”號FPSO系泊錨腿應(yīng)急維修作業(yè)已順利完成。此維修項目通過模擬計算、精準(zhǔn)控制，使系泊錨腿解脫/回接工作零反工、零事故。整個系泊錨腿維修的兩大作業(yè)內(nèi)容（懸浮鏈段更換及海床鏈段更換）的實際作業(yè)時間比原計劃減少30%左右，有效節(jié)省了船舶機(jī)具等作業(yè)費用，同時此次作業(yè)是在FPSO不解脫、不停產(chǎn)的條件下進(jìn)行的，真正做到了在有效保證油田作業(yè)區(qū)不減產(chǎn)的情況下消除重大作業(yè)隱患。

FPSO永久式內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)錨泊錨腿的解脫、回接和鋼纜更換在國內(nèi)深水尚屬首次，此次錨泊錨腿的解脫/回接作業(yè)在技術(shù)方案制定、設(shè)備技術(shù)選型、現(xiàn)場精準(zhǔn)控制等方面精于管理，敢于創(chuàng)新，取得了一定的經(jīng)驗，可為日后國內(nèi)深水浮式生產(chǎn)設(shè)施錨泊錨腿的維修提供有價值的參考。