浮托安裝技術在渤中34-1油田的應用

浮托安裝技術在渤中34-1油田的應用

張寶鈞,李達

(中海油研究總院,北京 100028)

摘要：考慮到海上施工采用浮托安裝技術可使得甲板組塊整體建造、運輸和安裝，施工方案合理，節省投資，減少海上連接和調試時間，以渤中34-1油田開發工程為例，闡述浮托安裝技術的設計特點、施工安全間隙要求、施工環境條件的選擇、相關設計參數及計算分析方法等。

關鍵詞：渤中34-1平臺 浮托安裝技術 設計參數 環境條件

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.005

中圖分類號：U671.99;P752

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2015)05-0015-06

收稿日期：2015-07-30

作者簡介：第一張寶鈞(1970-)，男，學士，高級工程師

Abstract:By using the float-over installation technology in offshore engineering, the deck blocks can be constructed, transported and installed in a single piece, and construction plans are reasonable to save investment and reduce offshore connecting and commissioning time. Taking BZ34-1 oilfield development project as an example, the design, safety clearance requirements of construction, selection of construction environment conditions, relevant design parameters, calculation and analysis methods etc. are described.

修回日期：2015-09-01

研究方向:海工結構設計

E-mail:zhangbj@cnooc.com.cn

海上石油固定平臺結構一般包括樁基礎、導管架和甲板組塊等，導管架通過樁基礎固定于海床，導管架頂部承載甲板組塊，甲板面布置海上石油開發設施。對于簡單的采油平臺，甲板組塊重量可控制在2 000～3 000 t，而大型綜合平臺具有石油開采、油氣水處理、動力發電、生活居住等多種功能，甲板組塊重量可超過10 000 t。大型綜合石油平臺的海上安裝是一項復雜的技術，需要對施工機具、海況條件以及安裝方法等進行綜合論證[1]。目前，中海油已在渤海灣建成幾十座海上石油平臺。這些平臺的甲板組塊安裝大多采用海上吊裝方法，見圖1。對于大型綜合平臺，如采用浮吊安裝技術，需根據浮吊起吊能力，將甲板分塊設計、建造和吊裝，以滿足浮吊起吊能力的要求，但是這樣會增加海上連接和調試工作量。

圖1　甲板吊裝

在渤中34-1油田開發工程中，采用海上浮托安裝技術，有效地解決了這個問題，見圖2。浮托安裝技術不需要大型浮吊，而是選擇合適的駁船進行甲板組塊的海上整體運輸和安裝，這樣可以在陸地上進行連接和調試工作，縮短海上現場施工周期。

圖2　甲板浮托

本文以渤中34-1油田開發工程實例為背景，介紹浮托安裝技術的設計特點、施工安全間隙要求、施工環境條件的選擇、相關設計參數及計算分析方法等[2-4]。

1浮托安裝技術

浮托安裝技術是海洋石油開發工程使用的一種適用于大型甲板組塊安裝就位的海上施工技術，是指選擇船體性能滿足浮托安裝要求的駁船，用于運輸和安裝甲板組塊。在設計環境條件下，駁船平穩駛入滿足浮托安裝要求并且已就位的平臺導管架槽口。當甲板腿柱位于導管架腿柱的正上方時，切割掉甲板與駁船之間的連接構件，隨著潮位降低及駁船壓載，甲板組塊與導管架緩慢對接就位，然后駁船與甲板組塊分離，退出導管架槽口，見圖3。

圖3　浮托安裝

采用浮托安裝技術，首先要根據甲板規模和浮托重量，選擇合適的施工駁船。駁船需滿足拖航穩性及駁船總縱強度要求，還需滿足浮托安裝過程的相關要求。渤中34-1甲板總重量約9 200 t，根據渤中34-1平臺甲板規模，經過論證，確定浮托駁船使用海洋石油221，見圖4。

圖4　海洋石油221

海洋石油221船型參數：總長，142 m；型寬，36 m；型深，9.75 m；載重量，29 000 t。

2平臺結構概況

渤中34-1平臺位于渤海灣南部海域，水深約20 m，是一座集鉆修井、生產、生活以及動力為一體的綜合平臺，見圖5。平臺樁腿間距為40 m(14 m+14 m+12 m)，共設三層主甲板，上層甲板面積3 000 m2，中層甲板面積3 150 m2，下層甲板面積3 160 m2。平臺設置三級脫水系統、生產污水處理系統、注水系統、燃料氣系統等，設置3個電站、180 t鉆修機、100人生活樓、直升機坪、火炬臂，以及公用系統等。

圖5　渤中34-1平臺

渤中34-1平臺為深樁基礎導管架結構形式，按照浮托安裝技術的要求進行平臺結構設計，見圖6。導管架設有8個主樁和4個輔樁，主樁直徑1 829 mm，入泥深度78 m；4個輔樁僅與導管架連接，以保護隔水套管，輔樁直徑1 219 mm，入泥深度45 m。平臺設有2個井口區，每區設20個井槽，隔水導管直徑20 in。導管架共有3個水平層，標高分別為EL.+5.0 m、EL.-8.0 m和EL.-19.7 m。

圖6　導管架結構

按照浮托安裝技術的要求，經過論證確定渤中34-1平臺導管架A軸和B軸間距40 m，導管架第二水平層標高為EL.-8.0 m。導管架槽口設計間隙可以保證在甲板浮托安裝過程中，在控制環境條件下，駁船底部不碰撞導管架第二水平層桁架。

3浮托安裝設計

3.1結構設計參數

平臺結構設計參數須滿足浮托安裝技術有關施工間隙設計參數的要求，見圖7。渤中34-1導管架槽口凈寬37.975 m，駁船寬36 m，橫蕩防護系統安裝在駁船的兩側，用于緩沖駁船對導管架的碰撞力。導管架第二水平層桁架桿件直徑為914 mm，專用對接裝置LMU的高度為3.62 m。

表1給出平臺結構設計參數。

在甲板浮托安裝過程中，浮托安裝技術要求在控制環境條件和允許的運動幅值條件下，駁船、導管架和甲板組塊等相互之間應具有足夠的設計安全間隙，以避免碰撞而損傷結構。相關參數如下[5]。

1)插尖高度。一般考慮0.45 m。

2)進船間隙。一般考慮駁船升沉運動幅值加上0.5～0.8 m的裕量。

圖7　浮托對接示意

名稱高程/m底層甲板高程EL.+14.0底層甲板主梁高度EL.+1.2排放甲板高程EL.+9.5鉆井小甲板高程EL.+10.0采油樹頂標高EL.+12.8井口作業甲板高程EL.+11.0甲板腿柱插尖下標高EL.+10.35導管架第一層水平層高程EL.+5.0導管架腿上標高EL.+6.0導管架樁頂高程EL.+7.0導管架第二水平層桁架EL.-8.0

3)對接變形。一般考慮0.25 m。

4)駁船吃水條件。通過壓載，調整船體吃水。“海洋石油221”駁船型深9.75 m，駁船運輸吃水6.11 m，進船吃水4.5 m，退船吃水7.15 m。

5)甲板支撐總高度。駁船甲板至組塊下甲板底的支撐總高度考慮以下因素：首層甲板高、梁高、駁船型深、進船吃水、插尖高度、進船間隙、對接變形及平均潮位等。經過論證，確定駁船甲板至組塊下甲板底的支撐總高度為8.35 m。

6)連接樁腿的LMU頂點高程為10.62 m。進船時，底層甲板與采油樹最小凈距為1.8 m；退船時，駁船壓載，組塊下甲板底與支架安全間隙(取1.2 m的最高潮位)為0.65 m；退船時，駁船底部至導管架水平層桁架的間隙為0.97 m。

3.2橡膠護舷

本項目浮托駁船的橫蕩防護系統選用橡膠護舷。橫蕩防護系統安裝在駁船的兩側，在浮托安裝期過程中，可以緩沖駁船對導管架的沖擊力，見圖8。在甲板組塊裝船前，橫蕩防護系統預先安裝在駁船上。

圖8　橫蕩防護系統

對于橫蕩防護系統，首先考慮木護舷方案，對于進船工況，最大護舷碰撞力為7 000 kN,出船工況則為8 100 kN。根據擠壓試驗結果，當壓力達到4 800 kN時，木護舷已經發生開裂。采用木護舷碰撞力，對導管架結構進行局部擠壓驗算，樁和導管架腿的局部屈曲應力已分別達到1 370 MPa和741 MPa(容許應力為284 MPa )，表面凹陷深度分別為70 mm和28 mm。計算結果表明,樁和導管架腿都已發生塑性破壞。

對于橡膠護舷方案，退船工況碰撞力約為2 400 kN，樁和導管架腿的局部屈曲應力分別達到175 MPa和121 MPa(容許應力為284 MPa)。計算結果表明，樁和導管架腿僅發生彈性變形，可以滿足規范要求。

木護舷方案與橡膠護舷方案相比，木護舷與導管架的碰撞力要大得多，這主要是這兩種護舷剛度的差異引起的。

3.3LMU和DSU

3.3.1LMU

LMU(leg mating unit)是浮托安裝技術使用的一種專用對接裝置，用于甲板組塊荷載從駁船緩緩轉移至導管架腿柱，見圖9和圖10。在浮托安裝之前，共有8個LMU對接裝置安裝在導管架的8個主樁腿，并裝上LMU保護罩。LMU設有橫向和垂向彈性墊片和墊圈，用于緩沖甲板組塊重量轉移到導管架時的荷載沖擊。LMU的安裝不宜過早，應該在最終測量甲板組塊和導管架的主結構尺寸后，確定LMU的位置和樁頭切割高度[5]。

圖9　LMU

圖10　LMU

3.3.2DSU

DSU(deck support unit)是浮托安裝技術使用的一種專用甲板組塊支撐裝置，見圖11和圖12。DSU用于緩沖駁船與組塊分離時，組塊腿柱與滑靴支撐之間的荷載沖擊。共有10個DSU支撐甲板組塊腿柱。

3.4控制環境條件

浮托安裝技術要充分利用海上潮位條件，以保證浮托安裝過程中有足夠的安裝間隙。潮位環境條件要根據平臺所在海域的多年海況統計資料，經分析研究確定。表2給出潮位條件。

圖11　DSU

圖12　DSU

渤中34-1油田位于渤海海域，海況條件較好，風、浪及流等環境條件可以滿足浮托安裝技術要求。根據平臺場址的全年波浪分布圖，選擇覆蓋范圍超過50%的波高作為海上浮托安裝的控制波浪環境條件。風速一般選擇在5級以內，即10 m/s以內；流速選擇一年一遇的表層流。根據9月份平臺場址波浪分布情況，滿足浮托安裝環境條件的氣候窗波高概率為61.8%。

表2　潮位條件

浮托安裝過程要考慮潮位要素，浮托安裝整個作業過程包括：漲潮開始準備(3 h)、進船(3 h)和就位(3 h)；落潮時進行對接(6 h)和退船(3 h)。浮托安裝控制環境條件見表3。

表3 風、浪、流條件

整個浮托安裝作業過程，要求海上能見度最低不小于100 m，避免雨中作業，且須獲得每12 h一次氣象預報。作業環境條件滿足一定作業周期，具體要求如下。

1)連接駁船與臨時系泊系統。保證氣象預報(至少48 h)滿足作業標準。

2)駁船和導管架準備工作。保證至少24 h氣象預報滿足作業標準，且未來24 h氣象條件不應影響遣散船隊。

3)浮托安裝預作業。保證至少18 h氣象預報滿足作業標準，且未來24 h氣象條件不應影響遣散船隊；

4)浮托安裝作業。保證至少14 h氣象預報滿足作業標準，且未來24 h氣象條件不應影響遣散船隊；對于潮位，應有6 h潮高在EL.+0.8 m以上的潮位條件，以確保進船和對接作業過程中，甲板腿柱插尖與LMU頂部具有至少0.8 m的垂向間隙。

(5)浮托安裝后作業。保證至少6 h氣象預報滿足作業標準，且未來24 h氣象條件不應影響遣散船隊。

3.5浮托安裝過程

浮托安裝過程包括進船、對接和退船，考慮浮托環境條件，進行系泊分析和水動力分析。使用MOSES程序進行浮托安裝分析，包括進船、對接和退船3個階段；每個階段包括迎浪、橫浪和斜浪3種環境條件。

載有甲板組塊的駁船在風、波浪、潮位等滿足控制環境條件的情況下，從已安裝就位的導管架西側進船。根據統計氣象條件和浮托安裝要求，設計進船潮位EL.+1.0 m，駁船吃水4.5 m，甲板腿柱插尖與LMU頂部的間隙為0.8 m。

設計退船潮位1.0 m，駁船吃水7.15 m，甲板支撐點底部和DSU頂部間隙為0.6 m，駁船底和導管架EL.-8 m水平層桁架桿件間隙1.44 m(若按0.5 m潮位考慮，則間隙為0.94 m)。

進船工況考慮5種工況，浮托安裝分析包括駁船運動幅值、LMU荷載、DSU荷載、護舷碰撞力等。計算結果表明：甲板腿柱插尖的最大垂直位移為0.165 m，插尖的最大水平位移為0.25 m，橡膠護舷最大碰撞力為2 040 kN。

對接過程需要考慮壓載方案。若不增加額外調載泵，對接作業整個過程需要的壓載時間為5.06 h；若額外增加1 300 m3/h的調載泵，則整個對接作業過程需要的壓載時間將減少到3.9 h，這樣可顯著縮短安裝時間、降低風險。對接工況計算結果表明，DSU豎直方向最大動荷載為690 kN，LMU豎直方向最大動荷載為3 350 kN，LMU水平方向最大動荷載為1 090 kN。

退船工況考慮5種工況，計算結果表明：橡膠護舷最大碰撞力2 400 kN，駁船最大下沉幅度為0.285 m，與導管架水平層最小凈間距為0.97 m。

浮托安裝有5個關鍵點，需予以關注。

1)BH108和HYSY221的系泊纜與預鋪管線相干擾，需用表面浮筒保護管線。

2)浮托駁船進入導管架時，當甲板A4和B4腿柱插尖經過導管架A1和B1腿柱的LMU時，確保插尖與LMU之間的間隙不小于0.8 m。

3)對接作業時，必須在潮位不低于0.8 m前，完成甲板組塊腿柱插尖與LMU第一次接觸。

4)駁船退出導管架時，甲板支撐點底部與DSU的間隙必須保證至少0.3 m，但是又是不大于0.8 m，以免甲板組塊與DSU碰撞，或駁船底部與導管架水平層碰撞。

5)整個對接作業計劃時間為4 h，另計劃2 h為應急時間，即潮位高于0.8 m的時間不得少于6 h，安裝工作必須在1/2個潮汐周期內完成，整個對接作業過程要計劃嚴密，準備充分。

4結束語

渤中34-1油田中心平臺完全由中海油自行設計、建造和安裝。渤中34-1甲板組塊重量達9 200 t，海上安裝采用浮托安裝技術，浮托駁船使用“海洋石油221”。甲板組塊采用滑移方式裝船，整體建造、運輸和安裝，縮短了海上連接和調試工期。通過此項目，中海油完整地掌握了海上浮托安裝技術，并在近幾年，成功將其推廣應用于渤海灣的多個油田開發工程。

參考文獻

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Application of Float-over Installation Technology in BZ34-1 Oilfield

ZHANG Bao-jun, LI Da

(CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China)

Key words: BZ34-1 platform; float-over installation technology; design parameters; environmental conditions