邱 煒，崔廣亮，孟小雨，王 超，李啟寶，楊 杰

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

1 項目概述

海洋油氣資源豐富，在全球油氣資源總量中占比三成，因此，開展海洋油氣開發(fā)具有極高的能源戰(zhàn)略價值[1]。隨著海洋能源開發(fā)的逐步深入，近海及淺海大陸架油氣資源的探索與開發(fā)已趨于飽和，油氣資源開發(fā)重點逐步轉(zhuǎn)向深海[2]。中國南海是我國近海中面積最大、水深最深的海區(qū)，平均水深達1 212 m，其地貌類型多樣，油氣資源儲量居中國四大海域之首，同時又是重要的國際航運通道。對南海油氣資源的開發(fā)，具有獨一無二的資源價值與戰(zhàn)略意義[3]。

隨著國內(nèi)對海洋油氣的進一步開發(fā)，針對海洋工程裝備的研究也逐步從淺海邁向深海。樁基式平臺又稱導(dǎo)管架式平臺，也在逐步由淺海轉(zhuǎn)向深海發(fā)展。樁基式平臺下部支撐為導(dǎo)管架，上部結(jié)構(gòu)為用于安裝生產(chǎn)設(shè)備與生活設(shè)施的平臺，具有穩(wěn)定性好、操作方便、技術(shù)成熟、甲板承載力較大等優(yōu)點[4]。導(dǎo)管架是由腿柱和若干連接腿柱用的連桿構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)[5]，隨著水深的增加，其總體尺寸與總質(zhì)量隨之增大，建造、運輸、安裝難度也逐級遞增[6]。

深水大型導(dǎo)管架由于受限于自重及安裝水深，因而極少采用立式建造、裝船運輸、吊裝方式安裝；其安裝多采用臨海場地臥式建造，而后拖拉裝載至駁船，再拖航至施工現(xiàn)場，最后滑移下水后扶正、坐底、就位[7]。導(dǎo)管架的建造、運輸、安裝流程[8]分類見表1。

表1 導(dǎo)管架的建造、運輸、安裝流程分類

本次施工的主作業(yè)船海洋石油201船是4 000 t級全回轉(zhuǎn)鋪管起重作業(yè)船，如圖1所示。該船按照工作性質(zhì)可劃分成兩種作業(yè)模式，即鋪管模式和起重模式。兩種模式不僅在軟件系統(tǒng)上存在很大差異，在硬件條件上也存在很大不同，兩種模式相互轉(zhuǎn)換過程中，耗時最長、工作量最大的就是艉托管架的拆裝工作。本項目以陸豐14-4鉆采平臺（以下簡稱陸豐14-4 DPP）導(dǎo)管架安裝為例，對海洋石油201船攜帶托管架工況下舷側(cè)輔助導(dǎo)管架扶正及鋼樁安裝進行可行性技術(shù)研究。

圖1 海洋石油201船

2 船舶主要參數(shù)

按定位方式不同，導(dǎo)管架安裝的主作業(yè)船分為錨系船和動力定位船兩類。動力定位起重船作業(yè)適應(yīng)能力強，移船速度快，施工效率高，精就位能力強，是起重船舶的主流發(fā)展方向，導(dǎo)管架安裝從常規(guī)錨系船舶安裝轉(zhuǎn)向動力定位船舶安裝已成必然趨勢[9]。同為海洋石油工程起重作業(yè)的旗艦船舶，藍鯨號為全回轉(zhuǎn)錨系起重船，海洋石油201船為動力定位起重船，兩船主要船舶參數(shù)見表2。海洋石油201船具備DP3級動力定位能力，配置有一套包括位置測量、艏向測量、環(huán)境測量和運動參考系統(tǒng)的測量系統(tǒng)，艉設(shè)2臺4 500 kW全回轉(zhuǎn)推進器，艏及舯設(shè)5臺3 200 kW伸縮式全回轉(zhuǎn)推進器。通過動力定位系統(tǒng)能夠精準感知外界風、浪、流等擾動變化，經(jīng)過計算后控制推進器推力與力矩，實現(xiàn)船舶位置及艏向的保持[10]。

表2 藍鯨船與海洋石油201船參數(shù)

3 陸豐14-4鉆采平臺導(dǎo)管架

陸豐14-4 DPP位于中國南海珠江口盆地珠Ⅰ坳陷陸豐凹陷，距香港東南約216.0 km，距已開發(fā)的陸豐13-1平臺西北13.0 km，油田所在海域水深約144.3 m。陸豐14-4 DPP導(dǎo)管架是8腿12裙樁結(jié)構(gòu)，頂部水平層尺寸為64.0 m×18.0 m，底部水平層尺寸為80.0 m×70.0 m，高度為157.8 m，下水重力為156 500 kN，剩余浮力為12.7%。該導(dǎo)管架共設(shè)12個注水壓載艙室，注水壓載艙室布置在4條主腿上，每條主腿設(shè)置底艙、中艙、上艙3個艙室。陸豐14-4 DPP導(dǎo)管架鋼樁參數(shù)見表3，注水壓載艙室布置見圖2。

圖2 陸豐14-4 DPP導(dǎo)管架注水壓載艙室布置示意

表3 陸豐14-4 DPP鋼樁參數(shù)

4 舷側(cè)輔助導(dǎo)管架扶正

深水導(dǎo)管架扶正是一項施工難度大、風險性較高的海上作業(yè)，一般分為吊機輔助注水扶正和自扶正兩種方式。吊機輔助注水扶正是指導(dǎo)管架下水后，通過按設(shè)計順序為壓載艙注水，在起重船吊機的輔助下，將導(dǎo)管架從水平漂浮狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷顟B(tài)的過程[11]。自扶正是指導(dǎo)管架下水后，通過導(dǎo)管架上預(yù)設(shè)的孔洞自動充水至導(dǎo)管架基本豎直，而后吊機輔助注水至完全豎直的過程。扶正方式的選擇主要受導(dǎo)管架剩余浮力制約[12]，吊機輔助注水扶正的工作模式適用于導(dǎo)管架剩余浮力為10%～12%的情況；自扶正模式由水平到基本豎直的過程沒有吊機輔助，對導(dǎo)管架剩余浮力的要求較高，通常要求為15%。

扶正作業(yè)對環(huán)境條件要求較為嚴格，環(huán)境限制條件為：第一，最大平均風速10 m/s；第二，最大表面流速1.5 kn；第三，最大有義波高1.5 m；第四，最大波浪周期9 s；第五，天氣窗口至少72 h。扶正施工總體流程[13]為：其一，起重船靠泊導(dǎo)管架，進行控制纜連接及首部濕拖纜解除；其二，導(dǎo)管架扶正準備，連接扶正索具及注水系統(tǒng)聯(lián)調(diào)；其三，導(dǎo)管架注水扶正；其四，坐底就位。

4.1 起重船靠泊導(dǎo)管架

4.1.1 靠泊方式選擇

綜合考慮陸豐施工海域風、浪、流等環(huán)境因素影響，為有效減小海洋石油201船的運動，保證吊機穩(wěn)定，導(dǎo)管架扶正時海洋石油201船需要選擇頂流就位[14]。同時，不同于以往采取海洋石油201艉靠泊導(dǎo)管架的模式，本次靠泊采取海洋石油201船舷側(cè)靠泊導(dǎo)管架首部的模式，導(dǎo)管架位于海洋石油201船舷側(cè)，導(dǎo)管架縱軸與海洋石油201船主軸垂直，如圖3所示。

圖3 舷側(cè)靠泊示意

通過3條控制纜，連接導(dǎo)管架首部與海洋石油201船左舷舯、艉?？刂评|連接完成后，解除導(dǎo)管架首部與拖輪連接的2條濕拖纜，完成導(dǎo)管架首部導(dǎo)向控制的轉(zhuǎn)移。

4.1.2 導(dǎo)管架濕拖力分析

導(dǎo)管架舷側(cè)扶正作業(yè)需要將導(dǎo)管架穩(wěn)定在相對于海洋石油201船的如圖3所示的位置，能否保持導(dǎo)管架位置是整個舷側(cè)扶正作業(yè)的關(guān)鍵。選取最大平均風速10 m/s、最大表面流速1.5 kn的環(huán)境條件，通過MOSES軟件建立模型，對導(dǎo)管架進行濕拖力計算分析，計算分析結(jié)果見表4。計算結(jié)果顯示，在導(dǎo)管架縱軸與流向、風向都垂直的工況下，導(dǎo)管架濕拖力為1 632 kN。經(jīng)過校核，海洋石油201船兩根控制纜（控制纜1與控制纜3）可以提供垂向拖力1 176 kN，拖輪4能夠提供垂向拖力1 470 kN，海洋石油201船及拖輪4垂向拖力之和為2 646 kN，滿足導(dǎo)管架濕拖拖力的需求，由此可見海洋石油201船及拖輪4能夠保持導(dǎo)管架的相對位置，該靠泊方案具備可行性。

表4 導(dǎo)管架濕拖力分析

4.2 導(dǎo)管架扶正準備

導(dǎo)管架扶正準備工作包括導(dǎo)管架扶正索具連接和注水系統(tǒng)聯(lián)調(diào)兩部分。導(dǎo)管架扶正索具共4條，在導(dǎo)管架臥式建造完成時，扶正索具是預(yù)固定于導(dǎo)管架B軸面首部兩側(cè)的索具平臺上的，因此需要先依次解除4條扶正索具的固定，而后把它們掛于海洋石油201船主吊機4 000 t主鉤內(nèi)。扶正索具參數(shù)見表5。

表5 扶正索具參數(shù)

導(dǎo)管架12個壓載艙內(nèi)、外側(cè)對稱設(shè)有注水控制閥。內(nèi)側(cè)液壓注水控制閥在連接液壓管道后可實現(xiàn)遠程操控，外側(cè)手動控制閥用于ROV的應(yīng)急注水操作。扶正索具連接完成后，連接注水系統(tǒng)液壓控制管道，進行注水系統(tǒng)調(diào)試[15]。

4.3 導(dǎo)管架注水扶正

在吊機的輔助下，按壓載艙的設(shè)計注水順序，導(dǎo)管架以68個浮態(tài)逐步扶正。通過使用MOSES軟件進行三維時域模擬，優(yōu)化導(dǎo)管架扶正運動軌跡，從結(jié)構(gòu)空間干涉與結(jié)構(gòu)受力兩方面對扶正過程進行校核[16-17]。導(dǎo)管架扶正關(guān)鍵工況示例見表6[18]，導(dǎo)管架扶正現(xiàn)場見圖4。

表6 導(dǎo)管架扶正關(guān)鍵工況示例

圖4 導(dǎo)管架扶正現(xiàn)場

結(jié)構(gòu)空間干涉校核包括：第一，起重船吊機限制高度與跨距校核；第二，導(dǎo)管架與起重船安全間距校核；第三，導(dǎo)管架底部與海床間隙校核。結(jié)構(gòu)受力校核包括：其一，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)強度校核；其二，起重船吊機負荷校核（鉤頭力校核）；其三，吊點及索具強度校核；其四，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)穩(wěn)性校核。

4.4 導(dǎo)管架坐底就位

坐底就位是指導(dǎo)管架扶正后，將直立狀態(tài)的導(dǎo)管架移動至設(shè)計位置，下放至海床，并將全部壓載艙100%注水的過程[19]。導(dǎo)管架坐底就位需要導(dǎo)航定位系統(tǒng)的引導(dǎo)。導(dǎo)航定位系統(tǒng)主要由DGPS、羅經(jīng)、兩臺全站儀及定位軟件組成。導(dǎo)管架注水扶正后，由架設(shè)在海洋石油201船舷側(cè)的兩臺全站儀觀測導(dǎo)管架上的兩個目標點，得出站點到目標點的距離和角度值，經(jīng)過導(dǎo)航定位軟件解算后，在導(dǎo)航定位軟件上實時顯示導(dǎo)管架當前的位置與方位，同時顯示與設(shè)計位置的偏差，而后通過調(diào)整海洋石油201船的位置及艏向來調(diào)整導(dǎo)管架的位置，當導(dǎo)管架的位置與方位符合設(shè)計要求后，將管架下放至海底，打開全部壓載艙進行100%注水，此時導(dǎo)管架坐底就位完成了。

5 舷側(cè)靠泊鋼樁安裝

導(dǎo)管架坐底完成后進行鋼樁安裝。陸豐14-4DPP選用的鋼樁長度長、樁徑粗、重量大，鋼樁安裝過程中的起樁、插樁、打樁為導(dǎo)管架安裝的關(guān)鍵步驟，其中4根主樁的高精度安裝更是直接影響平臺水平度的關(guān)鍵技術(shù)[20]。

鋼樁安裝作業(yè)對環(huán)境條件要求略低于導(dǎo)管架安裝，環(huán)境限制條件為：其一，最大平均風速10 m/s；其二，最大表面流速1.5 kn；其三，最大有義波高1.5 m；其四，最大波浪周期9 s。

海洋石油201艉部托管架共4節(jié)，日常鋪管作業(yè)多使用2～3節(jié)，拆裝一次托管架耗時約7d，需投入極高的經(jīng)濟成本及人力成本。本方案是在不拆除海洋石油201艉第1節(jié)托管架的情況下，采用雙船舷側(cè)靠泊的方式完成鋼樁安裝。鋼樁安裝順序為先主樁、后輔樁，采用“插高打高”的模式，最后調(diào)平和灌漿。安裝過程中各工況的吊裝參數(shù)校核見表7。

表7 鋼樁安裝各工況吊裝參數(shù)校核

5.1 雙船靠泊

海洋石油201船完成導(dǎo)管架安裝后，需撤離導(dǎo)管架至滿足安全距離（500 m），船左舷掛碰球，載有鋼樁的駁船靠泊海洋石油201船左舷?？紤]南海孤立波影響，船位選擇時，雙船避免在導(dǎo)管架東南方向就位，見圖5。

圖5 鋼樁安裝工況船位

5.2 鋼樁平吊、起樁

ROV完成水下調(diào)查，剪除導(dǎo)管架底部2條濕拖纜。起重船主吊機模式轉(zhuǎn)換，采用800 t吊鉤替換4 000 t主鉤。同時，在駁船艉部安裝導(dǎo)向柱，解除駁船上鋼樁固定，通過輔吊輔助，連接平吊索具。主吊機起吊，平移鋼樁至通道內(nèi)設(shè)計位置，而后拆除平吊索具，安裝吊樁器，連接起樁索具。起樁系統(tǒng)主要設(shè)備及工機具包括尾鉤、環(huán)形索具、錨鏈、止鏈器、滑輪組、絞車等，見圖6。主吊機起樁至鋼樁脫離駁船，完全豎直后，解除起樁系統(tǒng)，主吊機自左舷經(jīng)由艉托管架外側(cè)旋轉(zhuǎn)至右舷，準備插樁工作。

圖6 起樁系統(tǒng)示意

鋼樁平吊起樁過程中，因起樁通道位于駁船近起重船側(cè)，為保證實際跨距滿足最小跨距的要求，現(xiàn)場作業(yè)中稍松纜繩，利用起重船艉推排出流將駁船艉吹離，同時，起重船配合調(diào)載，保持右傾縮小變幅角度后完成外側(cè)鋼樁平吊。待鋼樁平吊入起樁通道后，吊機向外變幅。該作業(yè)方案簡單高效，有效規(guī)避了作業(yè)風險，實現(xiàn)了極小跨距下的吊裝作業(yè)。

5.3 鋼樁插樁

起重船移船，ROV于水下導(dǎo)管架待插樁的裙樁套筒附近待命，配合主吊機開展鋼樁插樁工作。吊機下放，鋼樁入水至裙樁套筒之上，鋼樁中心對準裙樁套筒中心后緩慢下放，鋼樁依托重力穿透防水隔板，準確插入裙樁套筒后，順套筒緩慢下沉，在重力作用下插入海床，至自由入泥12.5 m。插樁完成后，主吊機配合吊樁器泄壓，完成吊樁器回收，見圖7。

圖7 插樁作業(yè)施工現(xiàn)場

5.4 鋼樁打樁

回收吊樁器后，進行打樁錘的安裝。打樁錘分為錘體、動力站、控制室三個模塊。吊機起吊打樁錘錘體，在ROV水下監(jiān)控輔助下，移動錘體并套錘于鋼樁，驅(qū)動打樁錘，克服樁側(cè)摩擦力與樁端阻力[21]，將鋼樁打入預(yù)定海床深度，隨后回收打樁錘。

6 結(jié)束語

陸豐14-4 DPP導(dǎo)管架于2021年4月順利完成了舷側(cè)安裝施工。舷側(cè)輔助深水導(dǎo)管架安裝技術(shù)的成功應(yīng)用，有效規(guī)避了海洋石油201船艉托管架的拆裝工作，壓縮了海上作業(yè)時間，為項目節(jié)約了大量施工成本。該技術(shù)為今后類似項目的施工積累了技術(shù)和施工經(jīng)驗。