新型水下結構保護罩在南海典型油氣開發區域應用的可行性研究

白 冰， 羅 超， 亢冬春， 趙笑寒， 張曉健

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引 言

目前，漁業捕撈設備和技術在不斷進步，對海底油氣田生產設施已經造成了極為嚴重的破壞，一旦海底拖網設備對海底管道、水下設施產生沖擊、拉翻、拖掛現象，將大大提高海底管道、水下設施破壞損傷的風險，嚴重危害海洋油氣的安全生產。為降低漁業捕撈技術發展給水下油氣設施帶來的損害風險，亟需對較深水的各種水下油氣設施的保護方案進行針對性的研究。

針對水下模塊類設施的保護方案，目前國內通常采用鋼結構保護罩的形式，不僅重量大，不易安裝，且需要做防腐措施，經濟性較差。現針對南海東部的典型油田區域開發，擬采用一種玻璃纖維增強塑料(下述玻璃鋼)保護罩的形式對水下結構物進行保護，本文將對其技術可行性進行深入研究[1]。

1 南海典型油氣開發區域介紹

南海典型油氣開發區域包含的主要水下生產設施包括水下采油樹、水下生產管匯(集成增壓模塊)、柔性跨接管、復合臍帶纜、海管終端(PLET)、集成的水下終端接頭(UTA)和水下分配單元(SDU)等，如圖1和圖2所示[2-3]。

圖1 南海典型油氣開發區域水下系統布置

圖2 南海典型油氣開發區域水下系統示意

2 南海漁業對水下結構物損壞現狀

2.1 漁業活動對水下設施的影響概述

近年海洋漁業捕撈方式與海洋石油水下設施都在迅速發展，從上述調研情況可以發現，目前對于南海東部自營油氣田水下生產系統結構物影響最大的仍然是漁業活動。從目前所掌握資料來看，損傷集中發生在未采用保護措施的水下設施上，而已經采取保護的水下結構物暫未發現異常。

漁業活動對水下設施造成的損壞歸結為以下兩個原因：

第一，在水下結構物設計和安裝過程中，只考慮了常見的漁網拖掛方式對水下結構物的影響和解決措施，但是現在中國的捕魚方式除了運動的拖網捕魚外，還經常將漁船定點在一處，用燈光誘捕等方式捕魚。而漁船是不會有動力定位的，在海流不急的地方，可以用海錨，在海錨效果不理想的情況下，就會拋落地錨，漁船用的落地錨(鋼纜連接)可以在很深的水域使用，目前已知漁船的拋錨水深可達二百余米，這一拋錨方式對我南海水下設施等產生的危害逐漸顯現和增多。

第二，拖網深度越來越深，之前積累的漁業活動調查資料與結論可能不再適用。ISO 13628—15標準中也明確說明，由于捕撈裝置的發展，750 m的水深以淺除了做歷史和當下的漁業活動評估外，還需要評估“未來”的數據。

2.2 南海東部自營油田水下結構物損壞現狀

本文對自2016年后，南海東部自營氣田的水下設施異常情況進行了統計，如表1所示。

表1 南海東部自營油氣田水下系統設施異常匯總(水深大于200 m)

無論是起拋錨，還是拖網作業，目前對于南海東部自營油氣田水下生產系統結構物影響最大的仍然是漁業活動。從目前所掌握資料來看，損傷集中發生在未采取保護措施的水下設施上，如LH4-1油田采油樹、SUTU及LH19-5至PY30-1臍帶纜等，而已經采取保護措施的水下結構物暫未發現異常。

淺水或中深水段(不大于300 m水深)的水下結構物很容易受到漁業捕撈的影響，如水下生產設施被船拖拽并引起管道、臍帶纜、結構物等的損傷(見圖3和圖4)，因此無論是對已投產的水下生產設施進行后保護，還是對新建水下生產系統配套結構進行保護，都是非常必要的。因此，南海典型油田區域水下生產設施保護裝置的設計和應用急需進行深入和細致的研究[4-5]。

圖3 南海某區域大面積掛網事故示意

圖4 南海某區域因鉤掛上海管而被棄置的漁船錨

3 新型水下結構物保護罩的可行性研究

以歐洲為主的石油公司早在20世紀90年代就已開始采用玻璃纖維增強塑料保護罩，對各類水下結構物進行保護，以防止膨脹彎、海纜等管線防落物沖擊，防漁網拖掛和海纜交叉點處理等施工，其具有造價低、結構重量輕、抗腐蝕、便于安裝運輸等優點。

本文將重點根據其適用要求和試驗特性，分析這種新型水下結構物保護罩在典型油田的適用性。

3.1 水下結構物保護罩的通用要求

油氣田水下結構物在進行基礎設計時，通常避開航道，普通船只在非航道海域路過頻次較低，且拋錨的概率又小，因此模塊類的結構物，如水下采油樹、水下管匯、海底管道終端等，其主要威脅來自拖網作業等漁業活動。常見的損傷形式包括結構沉降、整體偏離、密封圈及閥門等零部件失效或者破壞導致的功能失效等[6]。

對于模塊類結構物保護，根據被保護物的形狀特征，保護罩的外形尺寸可能存在差異，但整體結構類似，均為梯形體，且至少具備以下三個基本性能：

(1) 結構頂面及斜面平滑平整、無外凸結構，具備良好的漁網通過性，當拖網經過時，其網袋、桁桿、網板、沉子等不會出現鉤鎖纏繞情況。

(2) 結構具備一定的抗沖擊強度，既要保證其可以有效抵抗落錨撞擊，又要在發生形變后不會對內部的被保護結構造成影響。

(3) 結構應具備可靠性及良好的裝配精度，抵抗環境條件的疲勞破壞[7-9]。

3.2 新型水下結構物保護罩的優點

與傳統的鋼結構保護罩相比，首先玻璃鋼保護罩具有耐化學腐蝕、使用壽命長(長達50年)、重量輕(是鋼結構重量的30%～50%)、抗疲勞等顯著優點；其次，由于其材質特性，玻璃鋼保護罩的結構設計靈活性大，可設計為各種形狀；最后，運輸時可堆疊運輸，減少運輸費用。在生產和造價上，玻璃鋼保護罩可采用同一模具批量生產，造價低、周期短，與類似規格的鋼結構保護罩相比，建造費用節省約25%。圖5為所研制的水下分配單元(SDU)玻璃鋼保護罩的外形圖。

圖5 新型水下結構物保護罩外形圖

3.3 新型水下結構物保護罩所需進行的試驗

根據水下結構物保護罩通用要求，需要對保護罩就結構進行各種試驗。

(1) 沖擊試驗： 防落錨的試驗。主要是測試2 m×2 m玻璃鋼試驗板在水中的沖擊試驗，即按照設定能量大小進行沖擊，測試玻璃鋼試驗板能否保持不斷裂。沖擊試驗結果如表2所示。

表2 沖擊試驗結果記錄

(2) 根據Norsok-U-001和DNV-OS-C501規范，試驗板僅有微量變形和分層，重物沒有穿透試驗板，不影響水下設施的正常使用，因此符合規范和使用要求。

(3) 漁網拖掛試驗： 目的是檢查漁網是否可順利滑過保護罩，漁網拖掛測試與裝配測試同時進行。經試驗，漁網下綱、網囊在4個方向均可順利通過保護罩主體，保護罩未出現表面損傷及漁網掛帶現象，拖網試驗合格，符合試驗要求。

(4) 安裝測試試驗： 按照要求，指揮吊機由南向北、由東向西、由西南向東北、由東南向西北4個方向將漁網拖過保護罩。

4 新型水下結構物保護罩的安裝方案

新型水下結構物保護罩的安裝方案由船吊配合ROV牽引完成就位安裝，工作主要內容： ①ROV預調查；②障礙物清理；③保護罩吊裝入水；④保護罩翻轉就位；⑤保護罩水平吊裝就位；⑥后調查。施工步驟如圖6所示。

(1) 準備工作： 檢查吊裝索具，確認索具配置正確，索具無損傷；連接側吊索具至保護罩；吊機下放鉤頭連接吊裝索具。

(2) 側吊入水： 吊機緩緩起鉤，起吊保護罩，保持保護罩為傾斜狀態，以便過水面；吊機下放保護罩至水下位置，ROV前往找到保護罩。

(3) 翻轉就位： ROV監控吊機下放保護罩；距離海床約5 m時，開啟吊機AHC系統；緩慢下放保護罩至海床，確保保護罩平放于海床。

(4) 更換索具： ROV解鉤，解除保護罩側吊索具；吊機回收索具至甲板；甲板人員更換吊機索具，更換成保護罩平吊索具。

(5) 水平吊裝就位： 吊機下放索具至海底；ROV掛鉤平吊索具至保護罩；ROV監控并指揮吊機起吊保護罩，起吊高度約高于水下設施頂部5 m；移動吊機至水下設施上方；ROV指揮并引導保護罩下放；ROV協助將保護罩就位，完成對其覆蓋保護。

(6) 吊裝配重： ROV解鉤，回收索具至甲板；甲板人員更換吊裝索具，以吊裝配重壓塊；吊機吊裝下放配重壓塊至保護罩邊緣；ROV引導就位配重壓塊，以便于固定保護罩不移動。

5 結 語

隨著海洋油氣開發向深海挺進，為規避臺風、內波等惡劣海況，南海油氣的開發模式已由水面轉為水下，更多采用浮式加水下的整體開發模式，甚至未來會出現全水下開發模式。大量的水下設施，包括水下采油樹、水下管匯、水下控制模塊、海底管匯終端、臍帶纜終端等將被廣泛應用。隨著漁業捕撈技術的發展，水下生產系統中的各類結構物將始終面臨社會環境因素(主要是漁業活動)的威脅[10]。

本文針對南海東部油田被漁業影響及損壞的情況，探討了一種玻璃纖維增強塑料保護罩形式對水下結構物進行保護的可行性。通過水下沖擊試驗和漁網拖掛試驗，其測試結果滿足使用要求，技術方案基本可行，可以在南海典型油田相關設施上進行推廣應用。