較深水導(dǎo)管架對接水下井口基盤的關(guān)鍵技術(shù)研究及工程應(yīng)用

魏佳廣，韓士強，劉吉林

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

較深水導(dǎo)管架對接水下井口基盤的關(guān)鍵技術(shù)研究及工程應(yīng)用

魏佳廣，韓士強，劉吉林

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

根據(jù)較深水油田開發(fā)方案的需要，油田采用井口基盤進行預(yù)鉆井，然后安裝導(dǎo)管架對接井口基盤，該方法可以有效縮短海上油田的開采投產(chǎn)期，加快投資回報速度，又降低了海上安裝工程費用，節(jié)省油田總體開發(fā)成本。但深水導(dǎo)管架與水下井口基盤的對接安裝精度要求高、難度大、風(fēng)險高，如何安全、高效地開展導(dǎo)管架與水下井口基盤的對接技術(shù)，是深水區(qū)塊所面臨的重要課題之一。結(jié)合文昌19-1項目WHPC導(dǎo)管架的海上安裝方案并通過理論分析，介紹了較深水導(dǎo)管架與水下井口基盤對接的關(guān)鍵技術(shù)。WHPC導(dǎo)管架海上對接安裝的工程實踐成功驗證了導(dǎo)管架與水下井口基盤對接安裝方案的可靠性，對后續(xù)類似深水項目具有一定的參考借鑒意義。

較深水導(dǎo)管架；海上安裝；井口基盤；對接

隨著淺海石油天然氣資源日益枯竭，較深水及深水海域的油氣開發(fā)是世界油氣勘探開發(fā)的大勢所趨。我國南海具有豐富的油氣資源，屬于世界四大海洋油氣聚集中心之一，有“第二個波斯灣”之稱。根據(jù)黨的“十八大”提出的建設(shè)海洋強國戰(zhàn)略，中國海洋工程技術(shù)也正向更加復(fù)雜的深水海域優(yōu)化創(chuàng)新發(fā)展。而海洋油氣開采方式一般根據(jù)油田的開發(fā)方案、建設(shè)周期、投產(chǎn)時間而確定，為了縮短油氣田海上平臺的建設(shè)周期、加快油田投產(chǎn)，較深水油田可采用預(yù)鉆井方式開發(fā)。

一般來說，導(dǎo)管架平臺的設(shè)計、建造和油田鉆井同時進行，也就是導(dǎo)管架平臺海上安裝前已經(jīng)完成了油田的鉆井作業(yè)，即為預(yù)鉆井[1]，這種開發(fā)方式可縮短油田的開發(fā)工期，減少工程開發(fā)成本費用，加快投資的回收速度。這種油田開發(fā)方案一般采用水下井口基盤進行預(yù)鉆井，然后導(dǎo)管架對接安裝水下井口基盤。但預(yù)鉆井方案對導(dǎo)管架的安裝精度要求很高，為了高精度完成導(dǎo)管架與基盤的順利對接就位，一般在井口基盤上設(shè)置導(dǎo)向柱，以與導(dǎo)管架下部設(shè)置的導(dǎo)向套筒進行引導(dǎo)對接。由于導(dǎo)管架在百米水下與基盤的對接安裝是一個運動的動態(tài)過程，導(dǎo)管架底部套筒與基盤導(dǎo)向柱的精準就位是一個碰撞的過程，難度大、風(fēng)險高，因此開展導(dǎo)管架與水下井口基盤的對接技術(shù)研究是深水區(qū)塊所面臨的重要課題之一。

本文主要根據(jù)實際工程項目，重點研究較深水導(dǎo)管架與井口基盤水下對接的關(guān)鍵技術(shù)，解決預(yù)鉆井方式導(dǎo)管架海上安裝難點，結(jié)合WHPC導(dǎo)管架的海上安裝，介紹并成功實踐驗證了該方案的可靠性。

1 井口基盤預(yù)鉆井安裝導(dǎo)管架的優(yōu)勢

一般來說，預(yù)鉆井的油田開發(fā)思路是先安裝水下井口基盤，再由鉆井船完成鉆完井作業(yè)，最后導(dǎo)管架對接水下井口基盤，這種采用井口基盤預(yù)鉆井的油田開發(fā)模式，可以有效縮短海上油田的開采投產(chǎn)期，加快投資回報速度，又降低了海上安裝工程費用[2]，圖1表示新型吸力樁式水下井口基盤。

圖1 新型吸力樁式水下井口基盤示意圖

圖2 某項目井口基盤的建造過程

采用吸力樁式井口基盤安裝導(dǎo)管架的主要優(yōu)點有：

（1）水下基盤固定于海底，可保護油田預(yù)鉆井口，并引導(dǎo)平臺就位，保證平臺井口正確回接。

（2）井口基盤采用導(dǎo)向柱式設(shè)計，與導(dǎo)管架底部設(shè)計的導(dǎo)向套筒對接，可快速安裝導(dǎo)管架，提高導(dǎo)管架就位精度。

（3）井口基盤對接安裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，導(dǎo)向柱與導(dǎo)向套筒間隙較大，方便操控，降低碰撞風(fēng)險。

（4）井口基盤兩側(cè)導(dǎo)向柱的高度設(shè)計不同，且橫向約束較少，便于引導(dǎo)導(dǎo)管架與基盤快速回接。

（5）井口基盤導(dǎo)向柱標注刻度，便于海上對接安裝實時監(jiān)控、觀察、判斷導(dǎo)管架座底程度。

2 導(dǎo)管架對接水下井口基盤的關(guān)鍵技術(shù)

預(yù)鉆井作業(yè)方式在我國油田開發(fā)方案中采用較少，深水項目更少，究其部分原因是對接風(fēng)險高、難度系數(shù)大，因此在整個對接安裝過程中還面臨諸多難點，需要用創(chuàng)新性方法解決問題。

2.1 井口基盤方案設(shè)計擇優(yōu)

水下井口基盤的設(shè)計方案是否可行直接影響著導(dǎo)管架海上安裝的成敗，是油田按期投產(chǎn)的基礎(chǔ)條件。從井口基盤的常規(guī)設(shè)計來看，一般有3種設(shè)計形式：導(dǎo)向柱與套筒對接；導(dǎo)向柱與緩沖結(jié)構(gòu)對接；基盤與緩沖結(jié)構(gòu)對接[3]。

綜合考慮深水導(dǎo)管架的體積尺寸、規(guī)模、質(zhì)量均較大，吊裝下水扶正后的座底力依然很大，因此如何擇優(yōu)選取水下井口基盤的設(shè)計方案，是深水導(dǎo)管架與井口基盤順利對接就位的關(guān)鍵。圖2為某項目井口基盤的建造過程。

2.2 井口基盤導(dǎo)向柱與導(dǎo)管架套筒的對接

深水導(dǎo)管架由于水深、體積尺寸、吊高、吊裝噸位等原因，與較淺水導(dǎo)管架的安裝方法有所不同，難度系數(shù)也高，尤其與井口基盤的水下連接，使其難度更大，因此如何使導(dǎo)管架順利對接安裝井口基盤成為了比較棘手的問題。

項目組根據(jù)水下套接作業(yè)的特點，將井口基盤的兩個導(dǎo)向柱高度設(shè)置不同，便于降低導(dǎo)管架與基盤作業(yè)碰撞風(fēng)險，并在高度較低的導(dǎo)向柱對應(yīng)的導(dǎo)管架導(dǎo)向套筒內(nèi)部設(shè)計預(yù)安裝了專門的“輔助觀測活塞”，且活塞外部標記刻度，利用對接過程導(dǎo)管架套接導(dǎo)向柱產(chǎn)生的向上擠壓力，保證活塞相應(yīng)地向套筒頂部發(fā)生位移，導(dǎo)向柱進入套筒的位移等于活塞露出套筒頂部的位移，便于實現(xiàn)動態(tài)對接過程可視化的目的。

圖3 某導(dǎo)管架底部套筒三維圖

圖4 某項目導(dǎo)管架套筒輔助觀測活塞示意圖

2.3 導(dǎo)管架與井口基盤對接模擬

深水預(yù)鉆井式導(dǎo)管架安裝過程中，導(dǎo)管架與井口基盤的對接過程是海上施工的重要環(huán)節(jié)，甚至是影響導(dǎo)管架安裝的關(guān)鍵步驟，尤其預(yù)鉆井安裝導(dǎo)管架的就位精度要求很高，其高精度對接就位是整個平臺安裝成功的前提，也是一項技術(shù)難點。

基盤對接式導(dǎo)管架的安裝精度要求較常規(guī)式導(dǎo)管架的安裝精度要求高，見表1。另外，導(dǎo)管架在水下與井口基盤導(dǎo)向柱的對接安裝是一個動態(tài)變化過程，也是一個瞬時碰撞過程，對確定對接力和對接海況的限制尤為重要。因此如何利用好三維軟件模擬導(dǎo)管架對接井口基盤的運動過程，是控制導(dǎo)管架海上安裝風(fēng)險評估的重中之重[4]。圖5表示某導(dǎo)管架與水下井口基盤的對接模擬過程。

表1 常規(guī)式導(dǎo)管架與基盤對接式導(dǎo)管架安裝精度比較

圖5 某項目導(dǎo)管架與井口基盤導(dǎo)向柱對接模擬示意圖

3 導(dǎo)管架對接井口基盤的工程應(yīng)用

文昌19-1 WHPC導(dǎo)管架位于海南省文昌油田海域，水深124.4 m，油田采用預(yù)鉆井方式開發(fā)，導(dǎo)管架海上安裝前期在設(shè)計位置安裝了吸力樁式水下井口基盤。導(dǎo)管架質(zhì)量3 500 t，規(guī)格為36.3 m× 38.3 m×137.2 m，4腿8根裙樁結(jié)構(gòu)。在導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)EL（Elevation）.（-）113 m層處設(shè)計安裝了兩個套筒結(jié)構(gòu)，便于導(dǎo)管架安裝時與井口基盤導(dǎo)向柱的引導(dǎo)對接。

導(dǎo)管架所設(shè)計的兩個與水下井口基盤導(dǎo)向柱對接的套筒結(jié)構(gòu)，為了方便海上施工操作，降低碰撞風(fēng)險，提高對接效率，將兩個套筒的高度設(shè)置不一致，也即兩個套筒在垂直方向上相差1 m間距。當位置較低的套筒對接成功后，再利用ROV (Remotely Operated Vehicle)協(xié)助引導(dǎo)對接另一較高套筒，大大降低對接碰撞風(fēng)險，圖6為導(dǎo)管架EL.（-）113 m層結(jié)構(gòu)示意。

3.1 井口基盤的基礎(chǔ)參數(shù)

井口基盤共布置了3根吸力樁、并在吸力樁上設(shè)計兩根高低不同的導(dǎo)向柱結(jié)構(gòu)，中心區(qū)域布置8口井槽，用于隔水套管的后續(xù)安裝，這樣便組成了桁架式井口基盤結(jié)構(gòu)。基盤導(dǎo)向柱上標有黃色油漆，便于水中ROV觀察。井口基盤參數(shù)見表2。

圖6 WHPC導(dǎo)管架EL.(-)113 m層套筒結(jié)構(gòu)示意圖

表2 井口基盤基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

3.2 導(dǎo)管架與井口基盤對接工況分析

WHPC導(dǎo)管架主作業(yè)船舶“藍鯨號”采用系泊8顆工作錨纜方式進行海上安裝。其中導(dǎo)管架吊裝入水與水下井口基盤的對接安裝作業(yè)是導(dǎo)管架安裝成敗的關(guān)鍵節(jié)點，因此對對接過程的理論分析和數(shù)值模擬必不可少。

藍鯨吊裝導(dǎo)管架的對接安裝過程由3部分組成：導(dǎo)管架、主作業(yè)船舶“藍鯨”、井口基盤的導(dǎo)向柱。對接模擬是導(dǎo)管架入水套井口基盤的過程，由于波浪和流的作用，導(dǎo)管架可能會發(fā)生橫搖和垂蕩，繼而可能與已經(jīng)在海底預(yù)安裝的井口基盤導(dǎo)向柱發(fā)生碰撞。因此對接模擬的目的是在限定的環(huán)境條件下，可以提前預(yù)判導(dǎo)管架和水下井口基盤發(fā)生碰撞的可能性，也可以確定導(dǎo)管架和導(dǎo)向柱間的碰撞力，有針對性地校核和加強導(dǎo)管架上套筒結(jié)構(gòu)和井口基盤導(dǎo)向柱的強度，以便安全順利地完成導(dǎo)管架與基盤的對接。

對于材料屬性的考慮，由于主作業(yè)船“藍鯨”和導(dǎo)管架由鋼絲繩連接，因此導(dǎo)向柱可考慮為非線性彈簧。

對接過程是一個高精度的就位過程，其對接模擬的環(huán)境條件參數(shù)如表3[5]所示。

表3 導(dǎo)管架下水和扶正作業(yè)環(huán)境條件

對接模擬分析過程忽略導(dǎo)向柱與套筒間的摩擦力，僅考慮結(jié)構(gòu)的垂蕩運動和橫向水平運動，垂蕩時考慮導(dǎo)向柱為剛性材料，橫搖時采用樁土相互作用的非線性剛度。圖7是利用MOSES軟件對導(dǎo)管架整個扶正下水對接過程進行的模擬分析，圖8表示導(dǎo)管架扶正及對接過程的橫、縱角度及離泥面間隙。結(jié)合圖7、圖8的計算分析，按照導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)格書，垂直方向和水平方向的作用應(yīng)力分別按2%和5%的導(dǎo)管架空氣重量考慮，也即水平方向作用力取1 716.7 kn，最大桿件UC（Unity check）為0.94。垂直方向作用力取686.7 kn，最大桿件UC為0.95，由此可知導(dǎo)管架底部套筒及連接結(jié)構(gòu)桿件的最大UC值均小于1.0，因此套筒及連接結(jié)構(gòu)桿件均符合要求。

圖7 導(dǎo)管架扶正、對接分析

圖8 導(dǎo)管架扶正對接過程的橫、縱傾角度及離泥面間隙

導(dǎo)管架在百米級水深對接井口基盤導(dǎo)向柱作業(yè)，除了考慮環(huán)境條件的限制及作業(yè)窗的選擇外，水中對接安裝的實時觀測監(jiān)控也是一個高風(fēng)險點，因此如何設(shè)計制定便于水下對接的輔助觀測活塞及對接方案也是控制風(fēng)險的重要措施。

在導(dǎo)管架對應(yīng)井口基盤低導(dǎo)向柱的套筒內(nèi)部，設(shè)計專門筒形活塞，直徑Φ 1 067 mm，高度2 000 mm，并在活塞外部用黃色油漆標記刻度，便于水下讀數(shù)。在基盤導(dǎo)向柱對接過程中，隨著低端導(dǎo)向柱的插入套筒，其套筒內(nèi)部活塞會被向上頂移，從而成功實現(xiàn)動態(tài)可視化，可通過基盤導(dǎo)向柱頂出活塞的標記刻度判斷導(dǎo)管架的座底程度。另外活塞頂端通過鐵鏈連于套筒外壁，內(nèi)部點焊于套筒內(nèi)壁，避免活塞掉落，防止鐵鏈損傷ROV、跌落海底影響導(dǎo)管架座底水平度或后續(xù)井口作業(yè)。圖9為對接過程輔助活塞的運動軌跡示意。

圖9 輔助活塞對接過程運動軌跡示意圖

三維模擬仿真技術(shù)[6]在導(dǎo)管架與井口基盤對接過程也起到了至關(guān)重要的作用。導(dǎo)管架桁架結(jié)構(gòu)縱橫交錯，且結(jié)構(gòu)桿件上設(shè)置陽極繁多，ROV移動進入/出導(dǎo)管架內(nèi)部引導(dǎo)導(dǎo)管架與井口基盤導(dǎo)向柱對接難度、風(fēng)險系數(shù)較大，仿真模擬ROV進出導(dǎo)管架觀測路徑及導(dǎo)管架水下套基盤過程，給人以直觀印象，反復(fù)對比選擇最優(yōu)路線，防止ROV迷路、繞線情況出現(xiàn)，有助于操作人員對導(dǎo)管架內(nèi)部結(jié)構(gòu)的預(yù)判及熟悉，獲取導(dǎo)管架水下運動及干涉狀態(tài)，更好的規(guī)避風(fēng)險。圖10表示仿真模擬ROV水下觀測路徑。

圖10 三維仿真模擬ROV觀測路徑圖

圖11 施工氣候窗風(fēng)、浪統(tǒng)計圖

3.3 導(dǎo)管架與井口基盤對接海上應(yīng)用

WHPC導(dǎo)管架海上安裝窗口正逢10—12月，此時南海冬季風(fēng)盛行期，海域冷空氣頻繁，強度大，環(huán)境條件惡劣，尤其導(dǎo)管架安裝過程高精度對接井口基盤對海況要求格外嚴苛[7]。因此導(dǎo)管架安裝過程有利海況條件的選擇更是保證導(dǎo)管架順利對接的基本條件。圖11為現(xiàn)場風(fēng)、浪統(tǒng)計。

圖12 導(dǎo)管架與導(dǎo)向柱的對接模擬分析圖

導(dǎo)管架海上安裝前，對預(yù)安裝的井口基盤復(fù)測，以便有足夠時間整改問題項。復(fù)測內(nèi)容大致包括：井口基盤相對于海床的高程、井口基盤的水平度、井口基盤導(dǎo)向柱的垂直度、井口基盤導(dǎo)向柱間距、井口基盤有無其他異常情況、導(dǎo)管架套筒的相對位置、導(dǎo)管架就位處的海床有無鉆井留下的水泥層及水泥層的分布、面積、厚度等[8]。在導(dǎo)管架安裝前1～2 d，利用ROV對上述情況再進行調(diào)查，進一步確認。圖12模擬導(dǎo)管架與基盤實際對接過程。

圖13 ROV引導(dǎo)井口基盤對接圖

導(dǎo)管架吊裝扶正后，“藍鯨”絞船至就位位置，ROV下水復(fù)測基盤坐標位置，利用1至2臺觀測型ROV水下引導(dǎo)導(dǎo)管架套筒直接套在井口基盤導(dǎo)向柱上，具體步驟如下：根據(jù)DGPS測量結(jié)果，確定水下基盤的大概位置，浮吊將導(dǎo)管架旋轉(zhuǎn)至井口基盤位置上方，ROV下水找到基盤，觀測導(dǎo)管架下放情況，緩慢下放導(dǎo)管架，在ROV的引導(dǎo)下將導(dǎo)管架套在基盤上并坐底，如圖13所示ROV引導(dǎo)導(dǎo)管架水下對接安裝井口基盤。

4 結(jié)論

導(dǎo)管架對接水下井口基盤較常規(guī)導(dǎo)管架施工難度大，風(fēng)險系數(shù)高，尤其南中國海冬季海域環(huán)境條件惡劣，制定施工方案應(yīng)根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)形式、施工現(xiàn)場的情況、安裝氣候窗、現(xiàn)有的裝備資源等條件有針對性地選擇工藝方法。結(jié)合文昌WHPC導(dǎo)管架，給出了導(dǎo)管架套接井口基盤的關(guān)鍵技術(shù)分析，得出如下結(jié)論和建議：

（1）綜合公司大型作業(yè)船舶能力分析，參考DNV及API規(guī)范，結(jié)合以往導(dǎo)管架安裝作業(yè)氣候窗，給出了WHPC導(dǎo)管架海上安裝的環(huán)境條件，并進行詳細設(shè)計溝通，根據(jù)碰撞極限虛擬允許的對接的海況條件，評估在安裝季節(jié)進行導(dǎo)管架下水就位的可操作率大于50%，滿足常規(guī)的氣候窗要求。

（2）文昌WHPC導(dǎo)管架采用平吊入水、注水扶正、對接井口基盤方式就位，整個過程進行了數(shù)值分析和計算，其關(guān)鍵參數(shù)和數(shù)值模擬結(jié)果均滿足設(shè)計要求。

（3）詳細設(shè)計階段安裝設(shè)計提前介入，校核基盤導(dǎo)向柱、導(dǎo)向套筒及臨近結(jié)構(gòu)剛性強度，使其滿足安裝要求。導(dǎo)向柱高度增加，以防安裝過程中可能發(fā)生的碰撞造成結(jié)構(gòu)的損壞，避免導(dǎo)向失效，保證安裝就位位置的準確。

（4）導(dǎo)管架低端套筒內(nèi)預(yù)安裝輔助觀測活塞，可實現(xiàn)對接安裝過程的動態(tài)可視化。且水下基盤插尖標注刻度，便于海上安裝工作操作。

（5）施工過程需增加對現(xiàn)場風(fēng)、浪、流的實時測量，確保環(huán)境條件滿足要求。導(dǎo)管架套基盤過程中增加對導(dǎo)管架垂直度的監(jiān)控，選擇裝備能力較強的ROV施工，選用相關(guān)經(jīng)驗豐富的ROV操作者。

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Gordian Technique Research and Engineering Application of the Docking Between Deep-water Jacket and Underwater Wellhead Template

WEI Jia-guang,HAN Shi-qiang,LIU Ji-lin
Offshore Oil Engineering Co.Ltd.,Tianjin 300452,China

In order to meet the needs of deep-water oil field exploration schemes,the pre-drilling method is developed based on wellhead template used in oil field,and then the jacket docking wellhead template is installed,which can effectively shorten the cycle of offshore oil exploitation and the period of investment return, while reducing the engineering costs of offshore installation and saving the overall development costs of oil field. But the docking of deep-water jacket and underwater wellhead template is featured by difficult installation,high risk and high position accuracy.The docking for deep-water jacket and underwater wellhead template has become a key problem to be resolved.With theoretical analysis and WC19-1 WHPC jacket installation,this paper introduces the application of docking during jacket and wellhead template installation.During WHPF jacket installation,the reliability of docking scheme for jacket and template has been successfully verified.The results of this study will serve as a reference for the implementation of similar deep-water jacket installation projects.

deep-water jacket;offshore installation;wellhead template;docking

P751

A

1003-2029（2017）02-0095-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.02.016

2016-11-15

魏佳廣（1986-），男，工程師，主要從事海洋石油平臺等設(shè)施安裝設(shè)計及相關(guān)技術(shù)研究工作。E-mail：weijg@mail.cooec.com.cn