深水非受限樁基海上精準就位技術研究與應用

王浩宇 于文太 魏佳廣 黃山田

（海洋石油工程股份有限公司）

隨著淺海油田相繼進入產量遞減階段，走向深海已經成為我國海洋油氣開發的重要戰略方向。 我國南海海域水深在500 m 以上的深水區約占海域總面積的75%，初步估計石油地質儲量約占我國油氣資源總量的三分之一，是未來油氣資源的重要增長點［1］。近年來，中國南海深水油氣勘探取得了一系列重大突破，荔灣3-1 氣田群、流花油田群及陵水氣田群等被陸續發現。

隨著水深的增加，常規導管架平臺技術性和經濟性逐漸降低，深水浮式平臺在經濟性和可靠性方面擁有顯著優勢。 樁基作為深水浮式平臺的關鍵組成部分， 其安裝精度對浮式平臺的在位性能影響巨大。 區別于淺水支撐平臺，深水浮式平臺的樁基安裝設有導向和限位結構，處于自由狀態，因此通過對深水非受限鋼樁超精準就位關鍵技術的研究，可以有效解決其精準就位的“卡脖子”問題，保障浮式平臺在位性能，是我國“走向”深水的關鍵，也是加快建設海洋強國的必由之路。

1 深水海洋平臺樁基應用概述

目前，深水新型采油平臺分為張力腿式平臺（TLP）、單筒式平臺（SPAR）、半潛式平臺（SEMI）和浮式生產平臺（FPSO）四大類（圖1）。

圖1 深水新型采油平臺的類型

TLP 平臺是一種垂直系泊的順應式平臺，其主要原理是首先在海底貫入樁基， 張力筋腱連接平臺和海底的鋼樁，通過平臺自身浮體，使得TLP平臺始終圍繞一個平衡位置運動；SPAR 平臺在總體上是一個龐大的直立圓柱體， 依靠浮力支撐水面上的設備，通過側向懸鏈線錨系固定，錨系的海底段與樁基或吸力錨相連接［2］；SEMI 平臺的主體結構由上船體、立柱、下浮體和斜撐結構組成，其定位系統主要有錨泊定位和動力定位， 因錨泊系統具有投資少、使用及維修方便等特點，是目前該平臺采用的主要定位方式［2］；FPSO 平臺類似于大型油輪的形狀，其通過單點系泊固定到海底，系泊錨鏈上端連接可旋轉單點結構， 下端連接樁基或吸力錨。

由此可見，樁基是目前深水平臺應用最為廣泛的結構，自由狀態下深水樁基的精確就位技術將會廣泛應用在南海深水各個項目。 目前的流花16-2 油田群FPSO 平臺、 陵水17-2 氣田群SEMI平臺均采用了樁基與錨鏈錨泊相連的形式。

2 深水樁基精準就位仿真研究

2.1 參數設定及建模

樁基在深水中下放和就位過程采用OrcaFlex軟件進行仿真模擬，用于研究和確定不同就位精度下， 環境條件的影響和作業天氣窗口的選取。該軟件可提供全三維非線性有限元時域分析，在樁基的超精就位模擬過程中，所需模型和邊界條件主要包括海域環境（風、浪、流及環境溫度）、施工設備和機具（作業船舶）、輔助安裝機具（起樁器、就位導向）等［3］。

2.1.1 環境參數

環境參數的設定包括空氣、水深、海水密度、浪高及海流等。 本次深水非受限樁基超精準就位計算分析依托“浮式生產裝置及水下生產系統安裝關鍵技術研究與應用”課題，以流花16-2 油田群開發項目為數據采集與研究應用對象。

流花16-2 油田群位于中國南海， 水深范圍390～410 m，海水密度1 025 kg/m3，典型浪高范圍0.5～2.5 m，典型波浪周期范圍5～14 s，海流剖面如圖2 所示；深水樁基的安裝作業通常在30 d 內完成。根據API RT 2T（第三版）的建議：深水浮式平臺安裝的作業周期若超過7 d 且小于30 d 時，則應考慮十年一遇的環境條件。 對于南海開闊海域，在OrcaFlex 建模設置邊界條件時，還應考慮開闊海域孤立波的影響，流花16-2 油田孤立波分布統計見表1。

圖2 南海流花16-2 油田海流剖面圖

表1 南海孤立波分布統計

2.1.2 船舶參數

選取“藍鯨號”作為主作業船，船舶主要參數如下：

總長 293.2 m

型寬 50.0 m

型深 20.4 m

設計吃水 8.9 m

結構吃水 12.8 m

總重 64 110 t

主鉤 7500 t×2

輔鉤（全回轉） 1 600 t

舷吊 50 t

甲板載荷 10 t/m2

定位錨 8 t×10，12 t×2

錨纜規格 φ76 mm×2600 mm

船舶的RAO （Response Amplitude Operator）值可計算船舶在水中的運動響應［3］，其本質是由水文環境引發的船體運動函數。 船艏/船艉的RAO值采用MOSES 軟件計算，船舶坐標系采用笛卡爾坐標系。 在該坐標系中， 船體的重心COG 為x=98.75 m、y=0.00 m、z=11.96 m。 在OrcaFlex 運動分析中，考慮了0、45、90、135、180°波向的波浪荷載，對波浪和流向載荷的角度定義如圖3 所示。

圖3 坐標系及角度定義規則示意圖

2.1.3 樁基及誤差參數

樁基參數選取流花16-2 可行性研究方案中，TLP 平臺恒外徑2 743 mm、變壁厚的樁身截面作為分析對象，其各部分的參數見表2。

表2 樁基參數

2.1.4 數值建模

模型采用笛卡爾坐標系，x軸原點位于船頭中心，以基準海平面作為z軸的原點。 在OrcaFlex模擬鋼樁精就位環境條件的影響時，選取了兩種典型作業工況， 即船體與主扒桿成40°角和180°角（按圖3 定義）進行分析。

2.2 海洋環境對鋼樁精就位的影響分析

2.2.1 流速對樁基安裝的影響分析

通過OrcaFlex 模擬分析在兩種扒桿角度工況下流速對鋼樁的影響如圖4、5 所示。 由圖4、5可見， 水流流速對鋼樁的平動范圍基本沒有影響，而對樁體的傾斜度有顯著影響（隨著流速的增加，樁體的傾斜度越來越大）。在工程設計中，為保證樁基安裝滿足傾斜度的要求，要合理選擇施工窗口的水流流速。

圖4 流速對鋼樁位移（晃動幅值）的影響

圖5 流速對鋼樁傾斜度的影響

2.2.2 波浪對樁基安裝的影響分析

在兩種典型工況中，波浪對樁基安裝的影響主要考慮浪高和波浪周期的影響。 圖6、7 分別描述了浪高對樁基位移和傾斜度的影響。 由圖6、7可見，樁基位移敏感性和傾斜度隨波高的增加而增加，相關性幾乎是線性的。

圖7 浪高對鋼樁傾斜度的影響

圖8、9 分別描述了波浪周期對樁基位移和傾斜度的影響。 由圖8、9 可見，波浪周期對樁基位移和傾斜角的影響都挺大，隨著波浪周期的增加，樁基位移和傾角均呈指數型增加。

圖8 波浪周期對位移（晃動幅值）的影響

圖9 波浪周期對鋼樁傾斜度的影響

2.3 深水樁基安裝天氣條件

在4 種深水半潛平臺中，TLP 平臺對樁基就位的精度要求最高，以滿足張力筋腱的在位性要求。 筆者以TLP 平臺樁基為例，確定和選取深水樁基安裝作業的天氣條件。通常TLP 平臺樁基就位的精度要求見表3。

表3 TLP 平臺樁基就位精度要求

考慮到在工程作業過程中，會有船體操控、機械振動等產生的樁基位移、傾斜誤差疊加的因素，為保證樁基最終的就位精度， 給施工作業一些冗余誤差量， 取海洋環境影響樁基就位最大允許誤差的0.7 倍［4］。 由圖7 可以得出，流速為1.6 m/s時，樁基最大傾角約為0.7°。

綜合分析圖6～9 中浪高、波浪周期對樁基傾斜角和位移的敏感性得出：樁基的傾斜角和最大晃動位移隨波浪周期的增加呈指數型增大，當波浪周期大于11 s 后，樁基的傾斜角和最大晃動位移開始顯著增大；在波浪周期9 s 以下時，樁基的傾斜角和晃動值都處于比較穩定的趨勢。 最后將最大波浪周期限定在9 s，浪高為2.5 m 時，樁基晃動位移約為0.4 m，傾斜角約為0.25°，樁基晃動幅值首先達到允許誤差值（0.6 m）的0.7 倍。 綜上所述，我國南海海域適合深水自由態樁基超精準就位的天氣窗口條件列于表4。

表4 南海海域鋼樁精就位的天氣窗口條件

3 深水非受限樁基超精準就位方案設計

3.1 長基線輔助定位方式

長基線輔助定位（Long Base Line，LBL）是目前世界上海洋工程作業公司廣泛采用的方式,尤其在西非、墨西哥灣等深水海域普遍應用［5］。具體操作流程如下：

a. 在鋼樁就位之前，根據水下機器人（ROV）預調結果和鋼樁就位坐標，按圖10a 布設LBL 陣列，每個陣列安裝4～5 個信標［6］。

b. LBL 基陣信標可安裝于信標架上， 由主作業船吊機下放至海底。 在下放信標架的過程中，應用USBL（Ultra-Short Baseline，超短基線定位系統）實時提供信標架位置，水下作業ROV 對信標架位置做最終調整，將信標架安裝于設計位置［6］。

c. LLBL 基陣布設結束后，基于數據采集，綜合計算基陣中的絕對位置進行校準，再在鋼樁設計安裝位置四周布設浮標（圖10b），用于鋼樁超精準安裝就位時的觀測、參照和引導。

圖10 LBL 陣列與鋼樁就位浮標示意圖

d. 鋼樁安裝時，將鋼樁垂直度測量儀安置在鋼樁頂部， 鋼樁在入水下放的過程中全程進行ROV 監控。 當樁基下降至距離海床3 m 時，再準確測量LBL 基陣中鋼樁的位置［7］。

e. 調整船舶和吊機位置，當鋼樁位于設計位置上方時，下放鋼樁至海床表面。 若鋼樁滿足就位精度要求，則下放鋼樁至入泥3 m，此時復測鋼樁的垂直度和就位精度； 若不滿足設計要求，則將鋼樁提出泥面， 繼續進行樁基精就位作業，直至滿足就位精度和垂直度， 則吊機逐漸放松，使鋼樁達到自由入泥深度［7］。

3.2 鋼樁超精就位輔助結構設計

根據地質調查， 有的海域以砂質土層為主，不利于鋼樁的自由入泥。 以我國南海為例，海床下方6～10 m 為沙土層， 該土層的樁基摩擦角為27°左右，樁基的自由入泥通常比較淺，有時無法滿足自由站立的最小入泥要求。 因此，針對難以入泥的砂質地質條件，設計了自由態樁基的輔助安裝結構，以保證樁基的自由入泥深度，滿足自由站立的條件。

針對樁基分布較為集中的平臺，例如TLP 平臺和FPSO 錨樁陣列， 可設計整體基盤式輔助就位結構。 以TLP 平臺為研究目標，整體式輔助就位基盤如圖11 所示， 該基盤可輔助TLP 平臺所有的樁基安裝作業。 在定位基陣中，首先將整體輔助就位基盤精準就位，再將樁基插入到基盤套筒中，待樁基貫入到設計深度后，再將整體基盤回收。

圖11 整體式輔助就位基盤示意圖

針對樁基分布較為分散的平臺，例如單點系泊錨樁，可設計單樁基座式樁基輔助就位結構（圖12），該結構為單根樁基精準就位輔助裝置，在安裝時，也是先將基座精準就位于定位基陣中，待樁基安裝完畢后將基座回收。

圖12 單樁基座式輔助就位結構示意圖

4 試驗驗證

為了驗證深水非受限樁基超精準就位安裝技術的可行性，在流花16-2 油田群開發結構物安裝項目FPSO 錨系安裝時，對HYSY119 吸力錨中的7#錨進行水下超精確就位試驗驗證：安裝誤差要求由原來的5.0 m 提高到0.6 m。

LBL 基陣保障作業的信標最少4 個，本次作業的吸力樁高15.9 m， 貫入海底前獲取位置時，可能存在定位LBL 信標與基陣通訊遮擋的情況。因此，在原設計LBL 基陣中擴充1 個信標，即應用5 個信標組成海底基陣，以確保海試階段有足夠的冗余測量數據。

基陣采用高2 m 的支架布設，在樁基定位階段至少能與基陣內的4 個信標通視，保證精確定位作業順利實施。如圖13 所示，CO14、CO9、CO8、LBLCO8 和LBLCO9 這5 個信標組成了吸力樁定位基陣。 LBL 基陣布設結束后，進行基陣校準，然后在樁基頂部安裝樁基定位設備，用于確定樁基在基陣中的相對位置。

圖13 基陣布設效果界面

樁基超精準就位安裝技術海試中的主要施工流程如下：

a. 吊機提升錨樁并通過飛濺區，下放樁基至水下30 m；

b. 調整船位， 將錨樁移至安裝目標區上方，吊機開啟升降補償；

c. 吊機繼續下放錨樁至距離海床3 m 處，水下定位調整至LBL 定位模式；

d. 通過LBL 定位信標獲取位置數據， 水下ROV 2#觀察樁基姿態，ROV 1#在樁基底部觀察觸泥情況；

e. 樁基持續下放自沉（2.9～4.9 m），記錄樁基自沉深度；

f. 使用吸力泵將錨樁貫入設計深度。

最后，測量樁基最終的傾斜度和位置誤差列于表5。

表5 7#樁基精就位測量結果

5 結束語

隨著國家深水開發戰略的推進、海油集團公司走向國際，挺進深海策略的實施，深水海洋平臺將會如“雨后春筍”。 深水非受限樁基海上超精準就位技術依托“浮式生產裝置及水下生產系統安裝關鍵技術研究與應用”課題，結合OrcaFlex軟件，模擬多個工況的鋼樁運動敏感性，分析水文環境對樁基超精準就位的影響，為海上施工天氣窗口的選取提供理論依據和技術支持。 同時，研發應對不同地質條件的輔助結構，并依托流花16-2 FPSO 項目，驗證了超精準就位方案的可行性， 為后續深海平臺的開發奠定理論基礎，為深水浮式平臺的安裝提供有效的技術支撐。