深水導管架海上安裝水下基盤對接模擬計算及施工工藝

郭　慶，宋青武，宋　波，孫志廣，商寶強，王　賽

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

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深水導管架海上安裝水下基盤對接模擬計算及施工工藝

郭慶，宋青武，宋波，孫志廣，商寶強，王賽

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

針對水下鉆井基盤在平臺導管架海上安裝時，施工難度增加、風險增大的問題，通過某項目導管架海上安裝套水下基盤作業實踐，總結其施工工藝的特殊性，應用SCAS軟件對套筒和導向樁之間的碰撞過程進行模擬計算，結果表明，導管架套筒與水下基盤導向樁對接碰撞應力強度滿足規范要求。

水下基盤；導管架；套筒；導向樁；對接；碰撞模擬

考慮到海上油氣田整體開發工期的需要，部分海上油氣田采用預鉆井與平臺建設同步進行的方式，其基礎設施即為水下鉆井基盤，主要作用包括引導鉆具、承接水下井口裝置，以及防噴器組、布置井距、輔助導管架對接定位等[1]。在完成預鉆井作業后，在平臺導管架海上安裝時，通過導向樁與平臺導管架下部設置的套筒相互對接，此方案由于鉆井作業與工程作業同時進行，可以有效縮短開發周期，但導管架套筒與水下基盤導向樁對接是一個相互碰撞的過程，安裝有難度，對導管架就位精度要求更高，安裝工期與風險都加大，稍有不慎，就有可能對導管架本體或基盤造成損壞，無法完成導管架安裝工作。對接導管架與一般導管架就位精度對比見表1。

表1　對接導管架與一般導管架就位精度對比[2]

鑒于導管架套基盤施工與常規導管架施工存在一定的區別，有必要針對其施工工藝特殊性進行研究，明確需重點關注的事項。

1　項目背景介紹

該導管架設計水深79.6 m，采用4腿8群樁導管架結構形式，使用新型水下基盤為導管架安裝與井口對接，于2014年8月完成海上安裝工作。新型水下基盤結構是對已有井口平臺結構形式的優化，其出發點是解決導管架施工時的就位傾斜問題，同時考慮平臺結構抗冰性能以及減小波浪、海流等環境載荷的影響。該結構采用了引導管和水下基盤相結合的結構形式[3]。導管架相關信息見表2，基盤形式見圖1。

表2　導管架相關信息

圖1　基盤形式示意

其中高樁和低樁為定位樁和導向樁，與導管架套筒對接，應當具有足夠的強度來抵抗導管架就位時的沖擊力[4]。圖2所示為基盤三維模型。

圖2　基盤三維模型

基盤相關安裝數據見表3、4。

表3　基盤定位樁高度實測數據

表4　基盤本體及高樁、低樁、輔樁不水平度實測數據

2　對接碰撞模擬計算

2.1碰撞力的選取

假定垂直和水平碰撞力分別為導管架重量的2%和5%，按照導管架詳設重控報告，該導管架重量2 842.7 t，計算可知，垂直作用力557.7 kN，水平作用力為1 394.3 kN。

參考DNV規范《Rules for Planning and Execution of Marine Operations》要求，套筒對接作用力應不低于導管架吊裝重+內部充水重的3%，經計算此重量為3 407.3 t，因此對接作用力不得低于1 003 kN。

綜合上述兩方面要求并考慮一定的安全系數，在實際模擬時垂直和水平對接力分別選擇1 100 kN和1 600 kN，作為碰撞模擬的輸入條件。

2.2套筒模型

套筒模型見圖3～5。

圖3　導管架套筒三維模型

圖4　模型桿件編號

圖5　模型節點編號

2.3相關數據的輸入

使用SCAS軟件對碰撞過程進行模擬，進行模型輸入、工況輸入，以及荷載輸入(包括基本荷載和荷載組合), 該軟件是采用有限元法專用于海洋結構工程的分析系統，是國際上比較先進的被普遍使用的海洋工程結構分析程序，對灌漿與非灌漿導管架平臺具有強大的分析功能，可以根據不同的規范對桿件及管節點進行強度與沖剪校核，并對桿件的壁厚進行重新設計[5]。

2.4模擬結果

經過SCAS軟件模擬計算分析，結果如下。

套筒與導向樁碰撞過程中最大的桿件UC值為0.56(桿件號DE1)，所有桿件UC值均小于1，滿足要求。

所有的節點荷載UC值均小于0.9，部分節點強度UC值大于1，見表5。

表5　節點強度UC值大于1的節點

對于這部分節點，經分析核算，均滿足要求，其中節點號中帶“M”、“W”、“K”的均為附屬結構節點，根據詳設規格書要求，無需進行碰撞模擬。因此對此類節點強度UC值大于1不做過多說明，如節點DK26；節點403L和401L為裝船支撐節點，其強度UC值超過1可以忽略。

對節點114G和111G根據實際情況按照弱截面重新進行核算，強度UC值為0.826，滿足要求。見表6。

在原模型的基礎上增加加強環模型輸入和相關荷載輸入，模擬計算可得節點211G和214G強度UC值分別為0.958和0.966，均小于1，滿足要求。見表7～9。

表6　節點114G和111G重新核算結果

表7　帶加強環節點模型輸入

表8　帶加強環節點荷載輸入

表9　帶加強環節點計算結果

綜上所述，該導管架套筒與水下基盤對接經SCAS軟件模擬分析計算，應力強度滿足規范要求。

3　施工工藝流程

與常規導管架海上安裝步驟類似，不同之處是在導管架注水扶正后需進行套基盤作業，施工步驟主要見圖6。

圖6　套基盤導管架安裝步驟

在主作業船抵達現場后，導管架安裝前須對水下基盤及海床進行全面探摸。施工前要對井口導管架位置進行預測，對水深進行觀潮測量，并做出詳細報告，對照臨近井區工程地形測量及地質勘查資料進行分析，檢查是否有與設計不符處[6]，作為施工依據。在完成導管架下水到達扶正位置，準備導管架注水扶正前，定位人員需提前登上導管架，待導管架扶正后測量水平度，為套基盤做準備。套基盤流程參見圖7。

圖7　套水下基盤步驟

1)導管架注水扶正后提升10 m，調整主作業船船位，將導管架調整至水下基盤正上方，ROV入水，協助調整導管架位置及角度，準備輔助導管架坐底就位。

2)在ROV協助下，緩緩降低導管架高度，套入高樁直管段約1 m；(主作業船吊機手及時記錄下降高度，ROV檢查高樁套入情況并避免低樁一側碰撞)。

3)ROV移至低樁一側，配合導管架套入低樁。

4)導管架坐底就位，打開樁腿全部注水閥和放空閥，100%注水。

在完成導管架套基盤作業后，即可按照導管架常規按照步驟進行坐底就位、插打鋼樁、灌漿及散件安裝等工作。

4　注意事項

1)為確保導管架套筒與基盤導向樁快速準確對接，在導管架陸地建造中，將導管架套筒內外側深刷鮮艷油漆進行標識，以便ROV在水下進行觀測，迅速、方便地找到目標點，提高對接效率。

2)導管架扶正過程就是導管架從水面漂浮狀態到直立狀態的過程[7]。在導管架扶正過程中，建議從水面由定位系統實時監測導管架位置和方位角，并與事先實測的水下基盤坐標和朝向進行對比，確保導管架就位位置滿足套基盤要求。

3)進行導管架安裝設計時應明確基盤導向抗碰撞設計值并推算導管架安裝允許的海況條件(風、浪、流)，如本文中導管架根據詳細設計計算，套筒及導向樁的抗碰撞設計值為：豎直方向1 100 kN，水平方向1 600 kN；經施工方與設計方充分溝通，確定允許海況條件：有義波高≤1.5 m；波周期為6.36～8.48 s，風速≤10 m/s，流速≤1 kn。在主作業船抵達施工現場后應立即測量現場海流規律，導管架套基盤作業應選擇錯開天文大潮的較大潮流時間，在確定的允許海況條件下開展套基盤作業。

4)導管架套基盤作業開始前，現場定位人員須對導管架水平度進行復測，若水平對不能滿足設計要求，需按照事先設計的調平方案進行調平工作，按設計流程和步驟進行壓載調平至技術指標要求后才能進行套基盤作業。水下導管架調平器是海洋石油平臺導管架安裝調平專用機具，主要功能是調節導管架樁腳的高度，以實現工程要求的平臺水平精度[8]。

5)對于套基盤作業，ROV能否及時準確提供相關信息對于能否成功完成對接工作十分關鍵。ROV檢測技術以其經濟、安全、工作效率高、作業深度大，并能在惡劣的環境下作業等優點，在海洋工程結構的水下無損檢測中得到廣泛重視[9]。在編制作業方案時需邀請ROV操作方進行審查，充分考慮ROV操作方意見和建議，確保施工方案可行。在作業前應對ROV觀測信息與導管架安裝關鍵節點與ROV操作方進行詳細交底。

6)提前核實導管架套筒與導向樁間隙就位可能最大偏差是否影響井口對接，本文中基盤高樁頂部正北1°，低樁頂部0.5°，計算得知安裝誤差為96 mm，允許最大誤差為152 mm，滿足井口對接要求。

7)在基盤的安裝過程，導管架安裝工程師應全程參與并掌握第一手現場資料，從基盤實際就位位置、水平度及方位角綜合判斷，作為導管架安裝設計輸入數據，以降低導管架安裝作業風險。

5　結束語

本文針對導管架套水下基盤施工進行了碰撞模擬計算和對接三維模擬，研究結果表明，碰撞過程應力和強度滿足規范要求，對接過程不會對導管架或基盤造成損壞。研究成果已在項目成功應用，對于東海或南海等較深水海域套基盤施工有借鑒意義，具有良好的推廣價值。

考慮到基盤安裝后實測結果往往與實際數據存在一定的誤差，且該誤差對于碰撞模擬計算結果的準確性以及實際施工時能否順利對接十分關鍵，因此如何提高基盤安裝測量數據的準確性是各方需關注的重點，也是后續研究的難點和關鍵點，必要時應在導管架安裝前進行復測，確保設計和施工輸入數據誤差滿足要求。

[1] 唐海雄，林宗輝，羅俊豐.新型水下基盤吊裝工具系統的研制[J].中國海上油氣,2008,20(5):333-335.

[2] 楊曉剛.導管架與基盤導向樁的對接技術分析[J].中國海洋平臺，2001,16(3):21-26.

[3] 劉競,劉錦昆,李喆，等.新型水下井口基盤模型試驗及數值分析[J].中國海洋平臺,2009,24(4):33-37.

[4] 侯金林.平湖油氣田鉆井基盤和井口回接輔助結構[J].中國海上油氣:工程,2000(2):15-17.

[5] 崔書杰,馮春健,路國章，等.井口平臺的新型水下基盤結構及其模型分析[J].石油工程建設,2006(4):37-39.

[6] 王建龍.淺談淺海樁基導管架式采油平臺的施工安裝[J].海洋技術學報,2006(3):116-121.

[7] 包清華.馮珩.海上平臺導管架扶正安裝設計分析[J].船海工程,2010,39(5):222-225.

[8] 侯金林.導管架調平與灌漿系統[J].中國海上油氣(工程)，2000，12(4)：20-22.

[9] 關宇,汪良生.ROV檢測技術[J].船舶工業技術經濟信息,2002(2):22-25.

On Docking Simulation and Technology for the Deep Water Jacket Docking with Subsea Template

GUO Qing, SONG Qing-wu, Song Bo, SUN Zhi-guang, SHANG Bao-qiang, WANG Sai

(Offshore Oil Engineering Co. Ltd., Tianjin 300451, China)

As installation of the subsea template on the platform jacket reveals more difficulties and risks, the particularity of construction technology is summarized through practice during installation of the subsea template on the platform jacket. SCAS is used to simulate the collision between the sleeve and the guide pile. The results show that the structural strength satisfies the requirements of rules. Some construction process and key points are set forth.

subsea template; jacket; sleeve; guide pile; docking; collision simulation

2016-01-05

2016-02-17

工信部2014年高技術船舶計劃項目(工信部聯裝[2013]418號)

郭慶(1975—)，男，碩士，高級工程師

U674.38

A

1671-7953(2016)04-0067-05

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.017

研究方向:海洋工程專業和工程項目管理

E-mail:guoqing@mail.cooec.com.cn