半潛式平臺永久錨泊系統(tǒng)解脫技術(shù)及其應(yīng)用——以流花11-1油田“南海挑戰(zhàn)”號平臺為例

劉義勇 冒家友 原慶東 王火平 馮麗梅 吳 剛

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司）

1 “南海挑戰(zhàn)”號平臺錨泊系統(tǒng)介紹

“南海挑戰(zhàn)”號平臺前身系SEDCO 700系列鉆井平臺，于1975年在加拿大建造，1995年在新加坡大修改造為流花11-1油田生產(chǎn)平臺，設(shè)計使用年限為10年。該平臺錨泊系統(tǒng)為典型的永久錨泊系統(tǒng)［1］，共有11條錨鏈（圖1），每條錨鏈的組成自上而下分別為76mm引鏈、120mm平臺鏈、132mm鋼纜、海底加重鏈、海底鋼纜和抓力錨等，其中76mm引鏈和120mm平臺鏈由7號梨形環(huán)連接，120mm平臺鏈和132mm鋼纜由160mm D型卸扣連接，單根錨鏈示意圖見圖2。

圖1 “南海挑戰(zhàn)”號平臺錨鏈分布圖

圖2 “南海挑戰(zhàn)”號 單根錨鏈示意圖

“南海挑戰(zhàn)”號平臺于1995年在流花11-1油田投入使用，目前使用年限超過了設(shè)計使用壽命數(shù)年。為此，中海石油（中國）有限公司深圳分公司于2011年11月將該平臺解脫并拖航到船廠進行了干塢大修，在大修期間更換了11條平臺鏈中的9條，并于2012年5月塢修完畢之后將平臺回拖到油田，回接到原有的錨泊系統(tǒng)上。由于針對半潛式平臺永久錨泊系統(tǒng)進行解脫和再利用，這在國內(nèi)沒有先例，其施工難度大、風險高，所以使用合理的解脫技術(shù)和施工方法是項目成功的關(guān)鍵，為此開展了“南海挑戰(zhàn)”號平臺永久錨泊系統(tǒng)解脫方案設(shè)計與技術(shù)研究，并在流花11-1油田現(xiàn)場應(yīng)用中取得了很好的效果。

2 錨泊系統(tǒng)解脫方案設(shè)計

根據(jù)檢查和評估，“南海挑戰(zhàn)”號平臺錨泊系統(tǒng)的平臺鏈因腐蝕嚴重必須進行更換，其他部件如132mm鋼纜、加重鏈、海底鋼纜、抓力錨以及各部件之間的連接件狀態(tài)良好，可以繼續(xù)使用，因此錨泊系統(tǒng)的解脫方案需要結(jié)合平臺鏈更換的需求而進行設(shè)計，其主要思路是：切斷每根錨鏈的120mm平臺鏈下端部，然后回收平臺鏈到平臺后隨平臺一起進塢修船廠更換；平臺鏈以下的系泊纜部分臨時存放在海底，當平臺塢修后回接時，回收存放在海底的系泊纜并與新平臺鏈連接。

“南海挑戰(zhàn)”號平臺錨泊系統(tǒng)解脫分析是通過OrcaFlex軟件完成的，分析模型見圖3。解脫分析條件：水深300m，海水密度1 025kg／m3，采用規(guī)則波模擬波浪；錨泊系統(tǒng)解脫在10月進行，根據(jù)南海海域波浪統(tǒng)計數(shù)據(jù)，選取施工季節(jié)產(chǎn)生概率最高的波浪參數(shù)，即有義波高3.5m，周期6、7、8s進行組合計算；表面流速3.0m／s，流速隨水深線性遞減；錨鏈、錨纜與土壤之間的摩擦系數(shù)取0.5；以平臺、工程船的運動響應(yīng)幅值算子（RAO）作為其運動輸入。

圖3 “南海挑戰(zhàn)”號平臺錨泊系統(tǒng)分析模型圖

分析過程中，先用規(guī)則波模擬波浪，始終以最大波高模擬整個海況（相對于譜分析法，選取規(guī)則波進行分析趨于保守）。經(jīng)過模擬分析，切割錨鏈作業(yè)時所需吊車或絞車的最大起吊能力約40t，作業(yè)船與平臺的最小水平距離24m；下部錨纜海底存放作業(yè)時所需的吊機或絞車最大起吊能力26.5t，錨纜最小彎曲半徑5.6m，作業(yè)船與錨纜著沉點的水平距離25～65m。

3 錨泊系統(tǒng)解脫技術(shù)

3.1 水下錨鏈切割技術(shù)

“南海挑戰(zhàn)”號平臺解脫需要在水下切斷平臺鏈下端與下部鋼纜的連接，進行錨鏈切割作業(yè)時需要注意以下幾方面的問題。

（1）在切割時減少錨鏈張力，盡量避免割斷后錨鏈和鋼纜分別對平臺和作業(yè)船造成沖擊。為最大限度地減少錨鏈張力，將平臺預先限制在最佳的位置，并將平臺鏈在切割前完全釋放。對于平臺鏈切斷后對平臺的撞擊影響則進行了專門的研究，結(jié)果表明對平臺結(jié)構(gòu)影響很小，對作業(yè)船的影響則更小，后期作業(yè)過程中的檢查結(jié)果也證明了該結(jié)論的正確性。

（2）避免物體掉落造成流花11-1油田水下生產(chǎn)系統(tǒng)的損壞。對水下生產(chǎn)系統(tǒng)可能造成的損害主要是錨鏈環(huán)切割成兩半后的物體掉落，為此主要采用了預先水下ROV捆扎綁定、平臺移位、落物下落地點遠離生產(chǎn)系統(tǒng)等方法，成功避免了落物風險。

（3）避免與水下生產(chǎn)立管系統(tǒng)的碰觸。水下生產(chǎn)系統(tǒng)位于水下約60m，錨泊系統(tǒng)在逐個解脫過程中必須保證避免與水下生產(chǎn)系統(tǒng)的碰觸，為此采用了將平臺限制在預設(shè)位置和下部系泊纜預先安裝提拉鋼纜等方法，成功防止了與水下生產(chǎn)系統(tǒng)的碰觸。

（4）以最短時間完成切割工作，減少作業(yè)風險，避免可能的臺風影響。因考慮錨鏈張力對水下切割工作的影響，曾考慮將部分錨鏈完全松弛再進行切割的技術(shù)方案，但經(jīng)過討論認為，平臺解脫期間臺風的影響將是巨大的，必須盡可能地縮短平臺解脫時間，因此經(jīng)過慎密考慮，大膽采用了錨鏈直接切割的方法，提高了錨鏈切割效率，并避免了可能的臺風影響。

根據(jù)“南海挑戰(zhàn)”號平臺解脫現(xiàn)場的實際情況，選用砂輪式切割機來完成水下錨鏈的切割。水下砂輪式切割機主要由水下夾持固定裝置和砂輪組成，由水下機器人（ROV）來控制操作，其水下夾持和砂輪轉(zhuǎn)動所需的液壓動力來源也由ROV系統(tǒng)提供。作業(yè)時2臺ROV配合作業(yè)，一臺ROV攜帶切割機到指定位置進行切割作業(yè)，另一臺ROV進行照明、檢查和其他協(xié)助工作。砂輪式切割機的缺點是由于水下切割時錨鏈會不斷移動，容易造成砂輪卡機現(xiàn)象，尤其是在錨鏈環(huán)一邊已切斷而要切割另一邊的時候，砂輪片更容易卡死碰壞，ROV不得不多次往返更換切割機砂輪。為提高切割效率，經(jīng)過不斷摸索和總結(jié)，采用了第一邊鏈環(huán)只切割95%，并掌握切割角度和進刀速度等方法，切割效率得到很大提高，一根鏈環(huán)的純切割時間可控制在30min以內(nèi)。

3.2 平臺限位技術(shù)

為防止錨鏈切割時與水下生產(chǎn)系統(tǒng)碰觸以及碰船、ROV設(shè)備損壞等意外事故，“南海挑戰(zhàn)”號平臺必須限制在預設(shè)位置范圍內(nèi)，平臺移動范圍不能超過30m，限位要求較高。為達到作業(yè)工況要求，使用了限位拖輪在平臺四周進行拖拽，并根據(jù)錨鏈切割作業(yè)要求增減限位拖輪。圖4為“南海挑戰(zhàn)”號平臺限位方案示意圖，主作業(yè)船在10號錨鏈位置進行水下切割作業(yè)，其他的5條拖輪在平臺周圍限位，保證平臺作業(yè)位置。10號錨鏈解脫前，平臺需要由中心位置向10號錨鏈方向移動40m并限制在該位置。

圖4 “南海挑戰(zhàn)”號平臺限位方案示意圖

為滿足較高的平臺限位要求，采用了TMS（Tug Management System）檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)分裝在平臺、主作業(yè)船和各個限位拖輪上，從而使參與平臺限位的作業(yè)人員可以在平臺和主作業(yè)船上監(jiān)視各個船舶間相對距離、每個限位拖輪的移動軌跡和趨勢。施工過程中，在限位總指揮的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下，限位船舶參照TMS屏幕顯示，依據(jù)風浪流等環(huán)境因素的變化，適時調(diào)整方向和馬力，確保平臺位置在允許移動范圍內(nèi)。另外，為了確保平臺限位的順利實施，在實際作業(yè)前進行了現(xiàn)場模擬平臺限位試驗，提高了平臺限位的操作技術(shù)，為順利完成平臺解脫作業(yè)打下了基礎(chǔ)。

3.3 孤立內(nèi)波實時監(jiān)測技術(shù)

中國南海海域的孤立內(nèi)波是海上作業(yè)非常重要的危險因素，但多年來由于監(jiān)測技術(shù)的限制，對孤立內(nèi)波的危害程度了解并不深。此次“南海挑戰(zhàn)”號平臺錨泊系統(tǒng)的解脫作業(yè)采用了飄浮式孤立內(nèi)波實時檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由錨碇浮標系統(tǒng)（圖5）和孤立內(nèi)波實時監(jiān)測系統(tǒng)組成，實時監(jiān)測軟件將所采集的數(shù)據(jù)進行分析整理，估算出孤立內(nèi)波的大小、傳播速度并做出預警響應(yīng)。

圖5 “南海挑戰(zhàn)”號平臺錨碇浮標系統(tǒng)示意圖

在解脫平臺錨泊系統(tǒng)前，錨碇浮標系統(tǒng)被預先安裝在距離流花作業(yè)現(xiàn)場孤立內(nèi)波行進方向上游約10海里的地方，并在主作業(yè)船和平臺上安裝了數(shù)據(jù)接收和預警軟件。錨碇浮標系統(tǒng)所檢測的海流和海水溫度數(shù)據(jù)是通過衛(wèi)星信號傳輸?shù)浇K端，并通過檢測軟件處理系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)將所得到的孤立內(nèi)波檢測結(jié)果實時傳送給平臺和主作業(yè)船上的接收顯示屏上。“南海挑戰(zhàn)”號平臺解脫時，孤立內(nèi)波來襲造成平臺在15min內(nèi)向北漂移120m，證明了孤立內(nèi)波對海上作業(yè)風險很大，說明孤立內(nèi)波實時檢測非常必要。

通過對孤立內(nèi)波的實時監(jiān)測，使我們能夠在較大的孤立內(nèi)波來臨之前及時預警并采取有效措施，如回收ROV停止作業(yè)、調(diào)整船位等，避免可能的事故發(fā)生。

3.4 平臺解脫施工船舶技術(shù)參數(shù)確定

“南海挑戰(zhàn)”號平臺解脫作業(yè)技術(shù)復雜，涉及作業(yè)船只多、風險較高，最好選擇在無臺風季節(jié)，海況較好的天氣時間窗內(nèi)進行，海浪有義波高一般不應(yīng)超過2.5m，最好的作業(yè)時間窗應(yīng)在每年的4、5月，但是項目的進展可能使海上作業(yè)不能在最佳時間窗內(nèi)進行，這就要求進行更細致的風險評估和采取相應(yīng)的應(yīng)對措施。

主作業(yè)船的選擇主要考慮其施工能力，主作業(yè)船必須是動力定位船（DP II以上），需要配備2臺水下工作級ROV以適于錨鏈水下切割作業(yè)，吊機能力要能夠提升錨鏈等，同時主工作船的選擇還應(yīng)考慮項目其他作業(yè)需求，因項目中還需要吊裝120t的橋接管匯，因此解脫作業(yè)選用了吊重能力較高的Normand Clough作為主作業(yè)船，該船的主要技術(shù)參數(shù)如下：船舶總長117.35m，型寬22.00m，型深9.00m，最大吃水7.15m；定位系統(tǒng)包括Kongsberg Maritime AS SDP21動力定位系統(tǒng)，2個差分全球定位系統(tǒng)，1個Hipap 500高精密聲波定位系統(tǒng)，1個扇形光束測距儀，1條500m張緊繩；主吊機能力為吊機拔桿10m時吊重250t，12m時吊重200t，具有2 500m水深作業(yè)能力和10t可載人輔助吊鉤；ROV水下作業(yè)能力為Perry XLX5工作級ROV 、150hp動力、最大水深3 000m、Shilling T4-7function和Slingby TA60-5function機械手、2臺ROV（船舶兩側(cè)各一臺）。

平臺限位船的選擇主要考慮限位船的拖帶能力（系柱拉力）、動力性能（船舶總功率）、操控性能以及船長操作經(jīng)驗等。經(jīng)計算，限位拖帶所需的單船最大系柱拉力為60t／3節(jié)，因此要求限位船的系柱拉力不能小于80t，動力要大于8 000馬力。考慮到平臺解脫作業(yè)處于秋冬交替的季風期，海況較差，首次限位作業(yè)且限位精度要求高等因素，我們選擇了南海海域幾條性能好、船長作業(yè)經(jīng)驗豐富的華鵬、匯智船等進行限位作業(yè)。

4 應(yīng)用效果

上述創(chuàng)新技術(shù)的成功應(yīng)用使此次“南海挑戰(zhàn)”號平臺錨泊系統(tǒng)解脫作業(yè)效率得到了大大提高，純作業(yè)時間比計劃時間減少了一半，按船舶日費率計算，直接節(jié)省費用約2 000萬元人民幣，間接延長油田生產(chǎn)時間10多天，經(jīng)濟效益顯著。此外，“南海挑戰(zhàn)”號平臺錨泊系統(tǒng)平臺鏈在解脫回收后，根據(jù)平臺塢修的實際更換了新的平臺鏈，存放在海底的錨纜則在平臺塢修后返回現(xiàn)場時再次撈起并與平臺鏈連接繼續(xù)使用。目前，“南海挑戰(zhàn)”號平臺成功回接后已安全平穩(wěn)使用了近一年，并成功抵御了多次臺風的襲擊，證明了此次半潛式平臺錨泊系統(tǒng)解脫作業(yè)是非常成功的。

5 結(jié)束語

以“南海挑戰(zhàn)”號平臺錨泊系統(tǒng)解脫作業(yè)為例，對半潛式平臺永久錨泊系統(tǒng)解脫技術(shù)進行了研究，解脫作業(yè)采用了平臺鏈下部斷開、下部鋼纜海底存放的快速解脫方案，使用了水下錨鏈切割、平臺限位、孤立內(nèi)波實時檢測等關(guān)鍵技術(shù)，成功地完成了平臺錨泊系統(tǒng)的解脫作業(yè)。此次平臺錨泊系統(tǒng)的及時解脫成功為平臺進廠塢修提供了前提條件，保證了平臺塢修工作的順利完成，也為同期進行的流花4-1油田開發(fā)項目提前投產(chǎn)做出了貢獻。

［1］API.API RP 2SK-2005，design and analysis of station keeping systems for floating structures［S］.third edition：incorporates addendum 5／2008.2005.

［2］ETTLE R E，BAMBER P J.Using a temporary semi-submersible MODU，the ocean voyager，on a pre-laid floating production facility mooring［C］.IADC Drilling Conference，1996.