鋼樁內排泥設備在海洋廢棄平臺拆除中的應用

張曉 馬春杰 張喆

(中海石油(中國)有限公司天津分公司工程建設部，天津 300452)

0 引言

一般海洋石油平臺到了作業壽命的后期，如果沒有其他用途，就必須進行廢棄拆除。國外廢棄海洋平臺拆除作業從1973年墨西哥灣外大陸架第一座廢棄平臺拆除開始，至今已有近40年的歷史，積累了豐富的施工和現場經驗，其中墨西哥灣也是拆除海洋平臺數量最多的海域，特別在2006年以后，每年平均拆除的平臺結構數量在100座以上[1]。我國從20世紀90年代初開始對渤海2號、渤海8號等淺水簡易平臺進行了拆除作業，而到2008年年底在渤海海域達到廢棄階段的樁基式平臺有40多座，南海海域有8座樁基式平臺進入廢棄階段，隨著平臺結構使用壽命的臨近，尤其到2020年，2002年以前建設的所有平臺結構幾乎都將進入廢棄階段，廢棄平臺拆除將在我國海洋領域形成一個新的產業，發展拆除技術和裝備也迫在眉睫[2，3]。

海上油田廢棄平臺拆除工作是一項受多種因素制約且涉及諸多技術領域的綜合性系統工程[4，5]。在拆除平臺樁基時，鋼樁切割可以采用內切割或外切割方式。如果采用外切割方式，則首先需要在鋼樁外部吹泥造坑，由于海水的流動性，淤泥容易回淤，因此，為了施工人員及設備的安全，所造的坑需要有一定的坡度，如果在泥面以下4 m位置切割，則需要造直徑約為20 m，深5 m以上的大坑，操作難度較大，危險性較高，施工工期較長。如果采用內切割的方式，則需將鋼樁內部的淤泥排出，導管架樁內排泥作業是切割樁腿之前最重要的工序，也是最費時、費力的工序，傳統排泥方法受排泥深度、樁的傾斜度、泥質以及鋼樁內空間狹小的影響很大，但比較需要外部造坑的外切割方式而言，內排泥工作量相對比較小，且風險較低。在曹妃甸1-6油田廢棄平臺拆除項目中，通過自主創新，研制了一套具有國際先進水平的鋼樁內排泥設備，這套設備的應用，大大縮短了海上拆除施工工期，降低了拆除棄置費用。

本文對鋼樁內排泥設備原理及工程應用情況進行了介紹，工程實踐表明，該技術成熟可靠，極大的提高了施工效率，節約了施工時間及成本，具有廣泛的應用前景。

1 鋼樁內排泥設備技術原理

該設備的原理是利用水泵注入的水通過管線出口端口徑變小來增加水流的噴出速度，利用高速水流對鋼樁內泥質進行沖擊，將淤泥擊散，同時利用氣舉和泵吸的方式將泥水混合的泥漿從鋼樁內排出。

設備的主要部位為排泥混合艙，主要由噴嘴、注水管線、氣管以及排泥管線組成。注水管線連接注水泵，水泵注入的水流通過注水管線經噴嘴的變徑變成高速水流，噴射到鋼樁內淤泥上，將淤泥打散。氣管連接氣源，利用氣舉原理將泥漿從排泥管線排出。如果利用泵吸的方式排泥，排泥管線也可連接到泥漿泵上，泥漿泵可以通過排泥管線將泥漿抽出。排泥混合艙示意圖如圖1所示。

圖1 排泥混合艙示意圖

該裝置與傳統的排泥裝置不同，該裝置采用外露噴射裝置，整個內排泥裝置的水下部分均為機械結構裝置，電器設備均安裝在平臺上，不需要專門的防水處理;在測量排泥深度方面，只需在吊裝設備的鋼絲繩上做好標記，通過測量鋼絲繩上標記點沿受力方向平移的距離即能推算出排泥的深度，無需專門的數據感應設備，因此系統安全可靠、便捷、環保。該裝置既可以用泥漿泵吸泥，又可以用氣舉法排泥，可以適用不同的工況要求，適用范圍廣。通過試驗，排泥效果良好。

2 工程應用實例

曹妃甸1-6油田位于天津港大沽錨地外，距天津塘沽約16海里，于1995年5月投產。由于油井出水嚴重，當年10月關井停產，廢棄設施已閑置17年之久。由于該油田廢棄設施位于錨地附近，對過往船舶航行安全造成一定威脅，同時為恢復海洋環境主導功能，保護海洋環境，決定對該油田的設施進行全部拆除，主要包括一座四腿導管架、一根1 500 m的雙層海底管道及兩口油井永久封堵棄置及井口設施拆除工作。同時該廢棄平臺拆除也是鋼樁內排泥設備首次應用于我國海上油氣田拆除廢棄設施作業。

在海上實際施工當中，主要利用氣舉法進行內排泥作業，鋼樁內排泥示意圖如圖2所示，施工步驟如下:

1)將內排泥設備和絞車吊至工作平臺上，并對絞車進行固定;2)在搭建的工作甲板上連接鋼樁內排泥設備的所有管線;3)將鋼樁內排泥設備連接在絞車上;4)絞車將鋼樁內排泥設備下放到鋼樁內部，直至內排泥設備到達樁內泥面為止;5)絞車鋼絲繩拉直，在鋼絲繩上做好標記;6)打開高壓水泵;7)1 min后打開吸泥泵將鋼樁內部的泥漿抽出;8)隨著排泥作業的進行，逐漸放松鋼絲繩，時刻保證排泥設備貼近樁內泥面;9)觀察鋼絲繩標記的位置，根據標記位置的變化推算出排泥深度，待下降到要求深度時停止排泥;10)使用絞車將鋼樁內排泥設備提出。

圖2 排泥示意圖

為保證設備的工作效率，在實際使用中應注意:

1)選擇合適的噴嘴口徑;2)排泥設備外壁安裝導向滑輪，克服鋼樁斜率以及鋼樁內壁障礙物對設備下放的影響;3)減少混合艙底部支撐的長度，使得噴嘴盡量貼近泥面，目的是增加水流對淤泥的沖擊力;4)盡量延長并適當加粗排泥管線，使其盡量貼近泥面，以增加排泥效果;5)排泥混合艙重量適宜，既能保證設備的搬運、下放，又能防止設備運轉時噴出水流形成較高的反沖力，將設備頂起而降低排泥效率;6)相應提高注水壓力及氣源供氣量，有助于提高排泥效率。

在海上施工過程中，由于鋼樁內泥質較粘、較硬，設備排泥效率不高，面對困難，技術人員集思廣益，根據現場實際情況對排泥設備進行了幾次改造，通過改造，排泥效率得到了極大提高:

1)把每個噴嘴上的四個小孔換成了一個稍大的孔，而此噴嘴口徑小于四個小口徑之和，這樣噴出的水流會更加的集中而且力度較大，會提高噴嘴水流對泥層的沖擊力;2)切除內排泥設備原有的四根支撐腿，使噴嘴與排泥管線吸水口盡可能接近泥面，目的是依靠噴嘴將泥土從下而上被水翻起，而吸水口依靠強大吸力將泥漿全部吸走;3)向下延長排泥管線，使排泥管線吸水口盡可能貼近泥面;4)增加內排泥設備配重，防止噴出水流形成較高的反沖力，將設備頂起而降低排泥效率;5)在設備底端焊接四根能輕松扎入泥層之中的扎釬，通過設備運行時自然發出的震動，松動樁底泥層;6)將排泥管線加粗至8寸并繼續向下延伸超出噴嘴30 cm的距離，提高排泥管線排泥量。

通過上述改進排泥效率得到了極大的提高，內徑1.14 m的樁腿從最初排一根樁用時33.5 h到最后排一根樁用時3.5 h，從效率上計算即從開始0.157 m/h到最后1.240 m/h近8倍速度的提升，尤其是最后一次改進后，整個排泥管線吸泥口完全扎入到泥層之中，依靠氣舉形成的強大吸力排出海面的污水中含有很多的泥沙和泥塊，真正實現了排泥效率的最大化。施工使用的鋼樁內排泥設備如圖3所示。

3 結論與展望

在對曹妃甸1-6油田廢棄導管架拆除作業中，高效完成了鋼樁內排泥作業。在積累了鋼樁內排泥成功經驗的同時，也帶來了經濟性及安全環保效益，主要包括:1)經濟性:鋼樁內排泥設備的應用，為項目節約1 500人工時，節約人工費用約8萬元，節約設備和耗材費用約40萬元，節約船舶費用約100萬元，總計節省近150萬元。2)零風險:鋼樁內排泥設備，不需水下人員對其進行配合操作，只需利用卷揚機將其下放到鋼樁內泥面位置即可，作業時是在海底泥面以下4 m處，工作時形成的高壓水完全不會對平臺上的施工人員造成傷害。同時裝置與傳統的排泥裝置不同，該裝置采用外露噴射裝置，整個內排泥裝置的水下部分均為機械結構裝置，電器設備均安裝在平臺上，不需要專門的防水處理，因此系統安全可靠。3)污染物零排放:該設備主要介質為水和氣，安全環保，無污染，不會產生對海洋環境污染的物質排放，不會影響海洋生態平衡。4)無噪聲污染:作業時除高壓水泵設備運轉外，沒有其他明顯噪聲產生，不會對魚類等生物及漁業的發展造成影響。

圖3 施工使用的鋼樁內排泥設備

鋼樁內排泥設備在渤海灣曹妃甸1-6油田設施廢棄拆除項目中的首次成功應用表明，該技術是成熟可靠的，具有廣泛的應用前景，也為今后我國海上油氣田廢棄拆除工作積累了寶貴的施工經驗和技術基礎。

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