吸力錨與樁錨在深水浮式平臺系泊系統中的應用探討

汪智峰

（深圳海油工程水下技術有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

海洋油氣浮式生產平臺系泊系統錨固基礎形式的選擇主要取決于海底土質及平臺結構形式，主要的錨固基礎形式有吸力錨、樁錨、重力錨等[1-2]。傳統重力錨、拖曳錨由于抓重比較小且不能抵御垂直負載，限制了各類系泊系統的實際應用；此外安裝過程易發生走錨，定位精度低、安全性也較差，因此難以滿足深水需求。針對我國南海的復雜情況，錨固基礎的選擇對我國海洋油氣資源的開發具有重要意義。

1 2種錨固基礎的應用情況

根據不同海況、水深與地質條件選擇合適的錨固基礎是至關重要的，依托目前南海在建的深水項目——流花16-2項目與陵水17-2項目，對海洋油氣生產平臺常用的2種錨固基礎的工程應用進行介紹。

1.1 吸力錨

吸力錨是一個上端封閉、下端開口的圓筒，適用于深水系泊系統。在吸力錨使用過程中要解決的關鍵問題包括吸力錨的可沉入性研究與吸力錨的承載性能研究[3]。

表1 我國在建典型深水項目錨固基礎情況

表2 各類浮式生產平臺吸力錨應用案例

1.2 樁錨

樁錨在張力腿平臺的系泊系統中得到廣泛應用，隨著水深的不斷增加，樁錨仍然可以作為系泊基礎，但應用相對較少，主要原因是打樁錘的費用和打樁作業的成本會隨著水深的增加而大幅度提高，另外樁錨的水平承載能力要遠低于其豎直承載能力。

表3 各類浮式生產平臺樁錨應用案例

2 2種錨固基礎安裝的關鍵設備

2.1 用于吸力錨安裝的吸力泵

吸力泵作為吸力錨安裝過程的關鍵設備，該設備分為ROV攜帶式和泵撬塊型水面控制式等2種類型。

1）ROV攜帶式系統。深水模式安裝吸力錨通常選用ROV攜帶式吸力泵系統[4]，同時考慮壓力和流量這2個主要技術參數，其中吸力泵的最大壓力一般要達到吸力錨設計貫入壓力的2倍；而吸力泵流量要滿足設計推薦值，若吸力泵流量過小，則會影響貫入效率。

2）泵撬塊型水面控制式。隨著對深水工程技術的研究，通過對液壓系統的改進及對相關結構密封性的處理，使得泵撬塊的工作水深達到水下1500 m，而且可以從水上操控泵撬塊的各種動作，同時可以監控泵撬塊本身的工作狀態。流花16-2項目采用了泵撬塊型水面控制式。吸力泵的型號為SAPS-008。吸力泵外形結構如圖1所示。

圖1 SAPS-008吸力泵結構圖

2.2 用于樁錨安裝的打樁錘與導向架

2.2.1 打樁錘

按使用范圍分，有陸用、淺水用、深水用等3種系列打樁錘；按工作原理分，有單作用與雙作用等2種形式打樁錘[5]。打擊能量范圍從幾十千焦到4000 kJ。在陵水17-2項目中采用液壓打樁錘，這是一種以液壓能為驅動力，利用錘擊沉樁原理進行海上樁基施工作業的工程設備。采用MENCK MHU-500將所有樁打入61 m和64 m的設計深度，如圖2所示。除打樁錘外，還有1套備用空壓機、1套備用臍帶纜滾筒及3套備用跨接管（打樁錘與臍帶纜滾筒之間），共同構成樁錘系統。

圖2 MENCK MHU-500外觀圖

2.2.2 導向架

導向架主要是保證鋼樁的傾斜度和下錨鏈的方位要求，即對鋼樁進行垂直和水平方向的導向。按照結構的不同，分為液壓可打開式導向架、筒式導向架與翼板式導向架。在陵水17-2項目中采用液壓可打開式導向架，其結構如圖3所示。

圖3 IHC 84FF液壓可打開式導向架

3 2種錨固基礎的安裝方法對比

3.1 吸力錨的安裝

3.1.1 流花16-2油田介紹

流花16-2油田采用FPSO海洋石油119浮式生產平臺，其中FPSO平臺布置于420 m水深位置，9條錨腿分3組均勻分布，每組系泊錨腿間隔120°。錨固基礎選用吸力錨，吸力錨直徑為5.5 m，總長為15.9 m，自由貫入深度為2.9～4.9 m，最終貫入深度為15 m，總質量為121 t。

圖4 海洋石油119系泊系統平面布置圖

3.1.2 海上施工工藝

安裝船運輸吸力錨到達作業海域后，下放2臺ROV，通過定位測量系統在海底測量標記安裝位置。吸力錨通過吊機起吊并下放，到達海底后，吸力錨先靠自重自行插入海底；沉降平穩后，采用ROV關閉泄放閥，通過吸力泵將吸力錨內的水抽出，使其下降[6]。詳細的安裝工藝如下：1）海床預調查及吸力泵下放前檢查測試。2）組裝吸力泵和吸力錨，甲板操作液壓泵裝置（HPU）插入鎖銷。連接甲板測試動力系統單元至吸力泵本體，打開吸力泵插銷和排水閥。主吊機起吊吸力泵，吸力泵緩慢插入吸力錨頂部法蘭和吊耳板，切割一半甲板焊接固定。3）解除吸力錨全部海固，吊機起吊吸力錨。4）吊機擺至右舷，將吸力錨吊出甲板，緩慢下放，當吸力錨頂部與甲板基本平齊時，設備人員拔掉連在吸力泵上的甲板動力單元的管線（快速插拔接頭），然后吊機繼續下放吸力錨至30 m水深處。記錄吊裝過程中吊機載荷。5）ROV對吸力錨的狀態進行檢查。主要包括吸力錨吊裝索具、吸力泵鎖銷和閥門的狀態、吸力錨初始傾斜度和錨頭鏈狀態的檢查。6）吸力錨緩慢下放，調整與就位。吊機繼續下放吸力錨至距海床30 m的區域，調整船位將吸力錨移至安裝區域上方，并開啟吊機的升降補償功能。7）吊機下放吸力錨至離海底3 m處，ROV#2抓住吸力泵上的把手調整樁的艏向，以保證吸力錨的位置和方向處于可控范圍內。ROV#1在吸力錨底部觀察觸泥情況。8）吊機繼續下放，吸力錨繼續完成自沉。當達到自重貫入深度后，ROV#2將吸力錨頂部泄放閥關閉。ROV#2啟動吸力泵，下沉吸力錨，同時ROV#1移除在吸力錨頂部的索具。9）貫入過程ROV#2關注吸力泵面板上壓差數據和牛眼，ROV#1在一側觀察吸力樁入泥的深度。10）吸力錨持續貫入到目標深度，完成吸力錨安裝。確認吸力錨的位置、垂直度處于可控的允許誤差范圍之內。

圖6 吸力錨水下貫入示意圖

圖7 半潛平臺系泊系統平面布置圖

3.2 樁錨的安裝

3.2.1 陵水17-2項目介紹

圖8 半潛平臺系泊系統樁錨基礎總體設計圖

陵水17-2氣田采用半潛式浮式生產平臺，采用4×4張緊式系泊系統，共有16根“鏈+聚酯纜+鏈”系泊纜均勻地布置在平臺四周。其中半潛平臺水深為1422 m，樁錨直徑為2.134 m，總長為65.5/68.5 m，自由貫入深度為10～14 m，最終貫入深度為61/64 m，樁錨總質量為157/162 t。

3.2.2 海上施工流程

此次海上安裝作業使用的主要施工資源為：1條主作業船（配有400 t深水吊機，2臺3000 m級ROV），2條運輸駁船和樁錨安裝的專用設備（打樁錘、導向架、船側懸掛平臺和打樁錘防扭裝置）等。采用的專業施工技術包括水下定位、錨樁水下扶正等。通過運輸駁船進行錨樁運輸，主作業船在錨樁安裝位置就位后，運輸駁船靠泊主作業船進行錨樁起吊。樁錨安裝工藝如下：1）準備工作及預調查。準備工作包括ROV、導向架、打樁錘、運輸駁船、主作業船。進行海床坡度測量、導向架/樁位置的測量及錨點附近30 m以內垃圾清理；安裝并校準定位測量系統。2）提前在水下進行LBL定位基陣安裝，由吊機下放導向架，2臺ROV監測導向架的艏向和垂直度。通過ROV調整導向架的位置。3）作業船吊機將錨樁從運輸駁船起吊。錨樁下放就位至導向架中心套筒頂部架喇叭口0.5 m上，通過ROV調整錨樁艏向，吊機下放錨樁沿著中心套筒喇叭口進入導向架內部。4）主作業船下放打樁錘，下放到距離錨樁5 m時停止，此時吊機開啟自動升降補償功能，樁錘以0.1 m/s的速度插入錨樁。5）打樁作業。當錨樁頂部到達導向架頂部高度時，導向架自動打開，繼續打樁到打樁設計深度。6）回收打樁錘。在進行下一打樁任務前，回收打樁錘至150 m水深。7）回收導向架。下放400 t吊機鉤頭至海底，用ROV將ROV鉤與導向架回收索具進行連接，在打樁作業結束前，400 t吊機吊著導向架保持在距海床50 m處。并不斷調整船舶艏向，使回收過程中導向架與快速公接頭的位置與錨腿路由對齊。8）快速公接頭臨時放置于錨樁頂部。調整船舶位置及艏向，用100 t吊機將快速公接頭以0.1 m/s的速度放回錨樁頂部。9）移船至下一打樁位置。此時，100 t吊機吊著快速接頭濕存架在距離海床150 m處，400 t吊機吊著導向架在海床以上50 m處，樁錘被回收至150 m水深處的可傾斜的鋪設系統（TLS）中。保持導向架與快速接頭濕存架的最大間距。

圖9 打樁錘吊裝下放示意圖

4 2種錨固基礎的風險性和應用對比

具體風險分析與應對措施如表4所示。

表4 吸力錨和樁錨工程應用中的風險性對比

5 結語

由于2種錨固基礎的工作原理和安裝工藝存在差異，因此在實際工程應用中會因為施工關鍵設備和施工作業的不同產生不一樣的施工風險。對2種錨固基礎在陸地建造、安裝資源配置、安裝效率等方面進行分析對比總結，從而可以對吸力錨與樁錨2種錨固基礎的選擇和應用有更好的理解。總體而言，吸力錨基礎形式在安裝風險、安裝效率及經濟性方面均存在一定優勢。