利用小型工程作业资源打捞和修复坠于320m水下半潜式平台系泊腿的技术创新与实践

冒家友 刘义勇 王 红 黄三平

(中海石油(中国)有限公司深圳分公司工程建设部)

利用小型工程作业资源打捞和修复坠于320m水下半潜式平台系泊腿的技术创新与实践

冒家友 刘义勇 王 红 黄三平

(中海石油(中国)有限公司深圳分公司工程建设部)

在深入分析施工技术难点的基础上,通过技术创新,利用小型DP定位船和小功率ROV完成了坠于320m水下半潜式平台系泊腿的打捞和修复,该项海上施工作业比使用大型作业船节约工程费用约400万美元。

小型工程作业资源 打捞和修复 320 m水深 半潜式平台系泊腿

LH 11-1油田所在海域水深逾300m。该油田半潜式平台采用多点系泊系统,每条系泊腿的组成如图1所示,包括:200m长、直径76.20mm的安装引链(存于锚链舱中),单位重量1.26 kN/m;221 m长、直径120.65 mm的RQ 4级平台链,单位重量3.21 kN/m;503 m长、直径132 mm的上钢缆,单位重量0.83 kN/m;524m长、直径139.70mm的海底加重链,单位重量4.39 kN/m;122 m长、直径132 mm的锚端缆,单位重量0.83 kN/m;400 kN大抓力锚。

图1 LH11-1油田半潜式平台系泊腿组成示意图

2007年11 月在移平台作业中,3号系泊腿全部从平台滑落于320 m深的海床上,且引链和平台链堆积于坠落点下方一个较小的范围内。半潜式平台缺少一条系泊腿后,系泊系统处于不完整状态,平台的定位安全受到威胁,移平台作业和钻井作业被迫停止。因此,必须尽快研究、制定出3号系泊腿的打捞、修复方案,并在台风季节到来之前完成打捞、修复施工,以确保平台安全。

1 主要工程作业资源的确定

3号系泊腿的打捞、修复施工关系着半潜式平台的安全,需要尽快实施,但2008年国内外的工程作业资源都较紧张,很难找到合适的施工设备。经初步分析筛选后,决定选用在LH油田复产项目中使用过的华发号动力定位拖轮、海洋石油709号动力定位船和Panther Plus水下机器人(ROV)(以下简称华发船、709船、ROV)等小型工程作业资源进行打捞和修复。

华发船(图2)是一艘长69 m的小型DPⅡ级动力定位船,其主绞车钢缆直径为76 mm,最大安全工作负荷为1 000 kN。该船装载了作业设备后甲板可作业面积不足100 m2,且船舶重心提高,干舷高度很低,稳性余量缩小,在动力定位状态下抗海流能力较差。因此,华发船的主要工作定为打捞作业时进行重载提升,以及打捞并弃置旧平台链和旧上钢缆,辅助709船作业。

图2 施工作业中的华发号动力定位船

709船(图3)是一艘长80 m的小型DPⅡ级动力定位船,其大绞车理论最大工作负荷为1 250 kN,实际最大工作负荷为1 000 kN;吊机理论工作能力为500 kN,实际最大工作负荷小于400 kN;尾部门吊理论吊载能力为1 500 kN,但吊钩最大工作深度小于100m。甲板面积为690 m2,但有一半面积被系泊腿打捞、修复设备占用。709船定为主作业船,用于重载提升和新上钢缆、新平台链的铺设作业。

图3 施工作业中的海洋石油709号动力定位船

ROV(图4)为电液控制型轻型ROV,通常用于水下调查和水下设施的无损探伤,其机械臂最大抓举力小于0.50 kN。实际使用的ROV不带脐带缆管理(TM S)系统,前进推进力为2.20 kN;拖带300多m长的脐带缆后,该ROV在水下作业中的抗海流能力较差。

图4 Panther Plus水下机器人

2 施工作业程序设计

2.1 3号系泊腿掉落海底后状况

3号系泊腿坠入海底后,200m长的引链堆积在一起,221 m长的平台链沿原3号系泊腿走向松散堆积,引链与平台链的接头被埋在链堆下面,上钢缆与平台链间的接头附近出现弯曲。

2.2 基本施工程序设计

根据现场调查情况分析,3号系泊腿的打捞和修复工作主要包括:打捞引链并传送到半潜式平台上;打捞旧平台链,拆离并弃置;打捞旧上钢缆,拆离并弃置;铺设新上钢缆;铺设新平台链;将新平台链与引链连接,启动平台锚机张紧3号系泊腿。根据上述工作内容设计了如下施工程序:

(1)用ROV在引链的上接头处拴上水下打捞扣,然后用华发船绞车下打捞钩与打捞扣连接并慢慢提升,同时由ROV监测提升情况,待接头上堆积的锚链全部提起后,再成回字形布放到海底,使引链和平台链的接头暴露出来。

(2)由ROV在引链和平台链的接头处拴上打捞扣,由华发船下打捞钩与打捞扣对接后进行提升,把整个接头打捞上华发船甲板后固定并拆下接头,然后把旧平台链放回海底,把打捞上来的引链传送给半潜式平台。

(3)利用ROV在水下分别将旧上钢缆的上端和下端切断,使旧上钢缆与旧平台链及海底加重链分离。

(4)由华发船下打捞钩打捞旧平台链的上端并进行提升,在旧平台链下端离开海底50 m以上后,将华发船移到指定地点弃置旧平台链。弃置时使旧平台链堆积,并使其末端置于链堆外。

(5)由ROV在旧上钢缆的中间拴打捞扣,利用华发船打捞并拖拉旧上钢缆到锚位附近弃置。

(6)在海底加重链上端和距离上端180m处的加重链上分别用ROV拴上打捞扣,由709船在加重链上端的上方下放绞车缆及打捞钩并与加重链上端打捞扣连接,由华发船在180 m处下放绞车缆和打捞钩并与打捞扣对接。由709船绞车缆先将加重链上端慢慢提升100 m,然后由709船和华发船同时开始等速提升加重链(图5)。

图5 华发船和709船共同提升海底加重链示意图

在提升加重链的过程中,华发船和709船保持同步并沿系泊腿布设方向平行移动,保持加重链基本处于垂直状态。华发船打捞钩最终将加重链提升至距海面约150 m并保持在这一深度。709船将海底加重链的上端打捞上甲板并锁定。

(7)在709船甲板上将新上钢缆下端与海底加重链上端连接,然后开始布放新上钢缆,同时华发船开始同步下放打捞钩,两条船协调下放由海底提上来的海底加重链。

(8)在新上钢缆的布放过程中,沿设计路径3号系泊腿的着泥点与709船尾水平距离保持30 m。在新上钢缆布放完成后,连接新上钢缆上端与新平台链下端,接着布放新平台链。

(9)释放华发船左舷绞车缆并连接半潜式平台上的引链下端,平台启动锚机释放3号锚引链,同时华发船回收绞车缆,把引链下端打捞到华发船甲板上并固定。然后,华发船释放右绞车缆并传送到709船甲板上与新平台链的上端连接。将新平台链上端传递到华发船甲板上并与引链下端连接。

(10)将新平台链上端从华发船传递给半潜式平台锚机,张紧整个3号系泊腿。

3 施工作业难点及其解决措施

3.1 关键作业步骤载荷分析

由于作业设备能力有限,需要在船舶作业载荷和水下施工方法的复杂关系之间找到一个平衡点,基本施工程序设计时未考虑水下切割上钢缆,致使某些作业步骤载荷过大,超过设备作业能力,因此对基本施工程序进行了反复改进。表1为不同施工程序下关键作业步骤船舶承受载荷的比较。设计中取动载系数DAF=1.3。

表1 不同施工程序下关键作业步骤船舶载荷比较(kN)

3.2 作业难点及其解决措施

3.2.1 作业载荷达到设备能力极限

从表1可以看出,施工作业时关键作业步骤下船舶承受的工作负荷很大,其中华发船最大载荷达到1 390 kN,而其主绞车直径76 mm钢缆的破断负荷约为4 200 kN(考虑临时性使用,取安全系数fos= 3)。但在实际工作中,在提升如此重载时华发船的稳性和受力都已经处于临界状态。为了增加稳性余量,改善船舶受力状况,华发船排出了数百吨淡水。在这种达到或接近设备作业能力极限的情况下,为了保证船舶安全,现场研究和制定了“在打捞更换3号锚腿作业中减轻华发船载荷的方案”,即通过水下切割旧上钢缆,使旧系泊腿各部件分离,减轻了表1所示关键的第3、4步骤中船舶的载荷。在两船共同提升海底加重链的方案设计上,把华发船对加重链的提升点从原方案中距加重链上端100m处后移到180 m处,并把华发船工作缆提升加重链的高度从原方案270 m下降到170 m,这样就把更多的载荷让709船承担,使华发船的工作负荷可以控制到1000 kN以内。

3.2.2 双DP船协同作业难度大

从施工作业程序中可以看出,有3个关键环节的作业必须由双DP船协同工作才能完成,即海底加重链的共同提升、新上钢缆前150m的布放、新平台链从709船向华发船的传递。

完成海底加重链的提升和新上钢缆前150m的布放总共耗时29 h。在这么长的时间内,华发船和709船始终相隔只有40 m距离,而且绞车缆的收放、船舶的移动要始终保持同步。这对两船动力定位(DP)系统的稳定性和操作人员作业经验的要求都非常高。为此,采取了如下措施:①统一指挥,由海上施工经理统一协调两船的移位和绞车的收放工作,并做详细记录;②两船DP操作员都由非常有经验的人员担任,与海上施工经理之间的联系保持畅通;③作业前对船舶DP系统进行第三方检验以确认其状态良好。

在新平台链从709船传送到华发船的过程中,两船必须采取船尾对船尾、船艏180°反向的作业方式,并保持相距20m左右。考虑到华发船在DP状态下抗扰动能力较差,而709船的尾推进器搅动的海流和新平台链传递时产生的水平拉力对华发船影响较大,使华发船定位困难,在实际作业中709船加快了绞车缆释放速度,同时华发船加快了绞车缆提拉速度,使新平台链的传递时间尽量缩短,并且709船在新平台链传递结束后立即加快绞车缆的释放,迅速进车拉开与华发船的距离,有效避免了碰撞。

3.2.3 小型ROV作为水下主作业设备

由于工程作业资源问题,在本项施工作业的大部分时间里只能利用轻型Panther PlusROV进行水下作业。为此,调整了基本施工方案,并制定了新的“无大功率工作级ROV时打捞和更换3号锚腿方案”。在方案里取消了对旧平台链的两次水下切割步骤,改为直接把旧平台链打捞到华发船甲板上进行分离,这样不仅使工作效率大大提高,同时减少了对大型ROV的依赖。缺点是华发船的打捞负荷增加较多,必须在工作初期华发船燃料舱较满、船舶稳性余量相对较大时进行作业。

在打捞、修复施工过程中,ROV大量用于水下拴打捞扣,共要拴7个打捞扣,并要使用重300～1 000 kN、长3～12 m的不同环形软吊带进行作业。由于ROV机械手的负荷能力小,无法单独提起1 000 kN的长吊带,所以在实际施工中使用709船的吊机下放吊带到海底靠近拴扣位置。针对吊带横截面较粗,从链环孔穿越阻力较大的难题,在甲板上做准备工作时即在吊带头部拴上一根直径5 mm、长1m的导向杆及一条用直径1 cm软绳做的辅助打捞扣;在海底将吊带一端从链环孔中穿过时,先由ROV作业使导向杆和辅助打捞扣穿过链环孔,然后用709船的吊机钩勾住辅助打捞扣提拉,使吊带从链环孔中穿过,克服了穿越阻力。

在本项施工过程中共需要在水下挂、脱钩12次,这对小功率ROV来说是一项艰巨的工作。首先,水下打捞大钩本身很重,超过1 000 N,再加上300 m长绞车钢缆的重量,ROV根本没有能力移动打捞钩与打捞扣对接。为解决这一问题,在现场经过多次试验,改进水下吊索具组合设计,最后采用的方案是在绞车钢缆端再连接一段50 m长的高强纤维缆,在纤维缆下端连接打捞钩,这样使绞车钢缆和打捞钩之间由于有纤维缆连接而更加灵活,且纤维缆在水中的重力几乎为零,不会增大载荷。打捞钩选用ROV专用钩,便于ROV机械手抓握。作业中在钩体上加装了浮力块,使钩体在水中的重力减小。通过这样的一系列方法减轻了作业载荷,满足了用小型ROV作业的要求。

4 结束语

利用小型工程作业资源成功地完成了LH 11-1油田半潜式平台系泊腿打捞、修复项目,比使用大型作业船节约工程费用约400万美元。在作业过程中通过不断摸索,反复修改完善作业方案,克服了作业设备能力“瓶颈”的限制,利用有限的工程作业资源完成了具有较高技术难度的工程项目。该项目的成功实施,开辟了海油工程“用小资源办大事”的新途径,也积累了海上设备打捞、修复经验,所采用的方法对类似工程具有很好的借鉴作用。

(编辑:张金棣)

Innova tiona l techn iquesand practica lapp lica tion on sa lvage and repa ir project of sem isubm ersib le p la tform m oor ing leg fa lling underwa ter 320m dep th by sm a lleng ineer ing resources

M ao Jiayou L iu Yiyong W ang Hong Huang Sanp ing
(Engineering D ept.ofShenzhen B ranch of CNOOC L td.,Guangdong,518052)

The falling mooring leg of semisubmersible platform was salvaged and repaired by utilizing small DP vessel and light c lass ROV through in novational techniques based on analysis of operation difficulties underwater 320 m depth.This successful operation saved about4 million US Dollars compared with using large offshore installation resources.

small engineering operations resource;salvage and repair;320m water depth;semi submersible platform mooring leg

冒家友,男,高级工程师,1991年毕业于哈尔滨工业大学机械制造工程专业,目前从事项目管理工作。地址:深圳市蛇口工业二路海洋石油大厦B座(邮编:518052)。电话:0755-26023705。

2009-05-14