深水锚系泊作业技术应用初探

陆忠杰 周国平

（1.中海油田服务股份有限公司，北京 101149；2.上海船舶研究设计院，上海 200032）

0 引言

海洋作为全球油气资源开发的新领域，已经成为全球油气资源重要的接替区。深水海洋油气资源是我国具有前景的勘探开发领域。我国深水海域辽阔，可供油气勘探面积近115万km2，因此，深海油气勘探开发是我国未来油气资源勘探开发的重要领域。海洋石油、天然气的开发和利用需要先进的海洋工程技术和装备作支撑。众所周知，海洋环境十分恶劣，而随着水深的不断增加，这种环境的恶劣程度将更趋剧烈。深水一般是指水深在500～1500 m之间的水域，1500 m以上为超深水。我国南海油气资源勘探开发的海域水深在500 m到2000 m，最大水深在3000 m以上，平均水深在1200 m以上。在深海油气勘探开发中，深水锚系泊作业是面临的重要技术难题之一。目前，在国内还没有实际深水锚系泊作业经验。本文针对深水锚系泊作业及相关锚泊特性进行初步技术应用探讨分析和研究，为深水锚系泊实际作业提供参考。

1 深水锚系泊的主要设施类型

深水（500～1500 m）海上设施的主要类型有顺应塔、张力腿、半潜式、FPSO等四种。超深水（1500m以上）海上设施主要类型有张力腿、半潜式、FPSO、SPAR等四种，见图1～图4。半潜式平台的数个竖直柱形浮体与水平浮体是由多根锚缆锚固于海底。张力腿平台与半潜式类似，但每个柱形浮体下由数根张拉索将其固定于海底。FPSO是与固定式或浮式单点系泊装置连接的。SPAR是由单个大型竖直柱形浮体与下面桁架及压载舱组成以支撑上部模块，并由多根锚缆锚系固于海底。

图1 半潜式

图2 张力腿

图3 FPSO

2 深水设施锚系泊技术分析

深水及超深水锚系泊系统主要有柔性和刚性两种锚系泊形式。柔性锚系泊形式为悬链线系泊系统（SMS）（见图5），刚性锚系泊形式为张紧式系泊系统（TMS）（见图 6）。

图4 SPAR

图5 悬链线系泊系统示意图

图6 张紧线系泊系统示意图

悬链线系泊系统即为传统展开式锚泊系统，定位的复位力是靠锚泊缆的重量产生，与锚缆的淹没重量、水平锚泊载荷、锚泊线张力、导向孔处锚泊线的角度等因素有关。悬链线系泊系统的受力是由锚泊线的几何变形和轴向弹性变形一起来确定。由于水深的增加导致了传统的钢质锚链和钢缆系统的自重增加，水平刚度减小，造成了锚系泊系统定位的有效性变差。另外，在深水中悬链线形状的系泊系统覆盖着相当大的区域，严重地影响到当地管线与缆线的敷设和其他船舶在该水域的锚泊定位。为了解决这一问题，传统的呈悬链线形状的锚链已逐渐为张紧或半张紧形状的锚泊线所代替，锚泊线质量相对较小，呈张紧状态，从而减小了锚缆覆盖的区域。

张紧式系泊系统定位的复位力量是靠锚泊缆的轴向弹性产生，即分别用锚泊线的垂向悬链线效应或锚泊线伸长的弹性效应引起的恢复力，使作用在浮体水平面内的外力传递到海床上，使平台或海洋结构物保持在允许的位移范围内。但是锚泊会受到随着锚泊线的长度的增加而减少的垂向力作用，使受力改变，因此张紧或半张紧形状的锚泊系泊系统对锚泊有要求更高。

锚泊线一般由钢丝绳（钢缆）和锚链组成，有时由于布置形式的需要，还要加上重块和浮筒。锚链耐磨损、不易破坏，但一般较重，造价也高。对于悬链线系泊系统而言，锚泊线的长度与水深成一定的比例关系。水越深，锚链越粗重，船体需要承担系泊线悬链部分的质量。在深水锚泊系统中，为了降低重量和成本，一般不采用全锚链系统，钢缆比锚链轻得多，悬浮部分常由同样断裂强度的钢缆替代锚链，增加系泊链的强度，减少上部张力。但由于钢缆的抗磨损能力差，故与定位锚连接并触底的一段依然采用锚链。随着水深的增加，锚链—钢缆组合系统的优越性越来越明显，当产生相同的位移时，锚链—钢缆这样的多成分系统的回复力明显大于全索链系统。

在1000 m以上的深水，特别是超深水的恶劣环境条件中，锚系泊系统有很大的不同。锚链—钢缆系统由于其自重大，水平刚度小，已无法承受外载荷，故悬链线形状的布置形式在许多情况下都被张紧式的布置形式所代替。合成纤维缆索由于具有强度/质量比大、弹性好、成本低等优点，所以已经广泛代替锚链和钢缆用于悬链线系泊或张紧式系泊。合成纤维缆索的材料包括尼龙、聚酯、聚乙烯、聚丙烯等，这些新材料的使用给深水设施就位和海上工程的锚系泊系统提供了更多的选择。但是与锚链和钢丝绳相比，合成纤维缆索显示出来更加复杂的非线性作用，其相关的机制特性、动力因素模拟等方面需要进行更深入的研究，为深水及超深水系泊系统中的使用提供更有效和更精确的理论支撑。

3 悬链线与张紧线系泊方式特点

3.1 悬链线系泊方式特点

1）常应用于＜1000 m的深水，一些情况下也用于超深水；

2）使用锚链和/或钢缆系泊线；

3）有一定长度的系泊线卧于海底；

4）锚以水平方向承受载荷；

5）通常使用传统的拖曳式埋置锚。

3.2 张紧线系泊方式特点

1）常应用于≥1000 m的深水和超深水；

2）系泊线以一定的有效角度进入海底，没有卧底系泊线；

3）使用较轻质的系泊线（合成纤维缆/钢缆）；

4）锚以水平和垂直方向受载；

5）通常使用垂直负载锚（VLA）。

4 深水系泊锚的主要类型

系泊锚按锚的结构、布锚方法和抓力原理等主要分为六种类型：拖入式埋置锚、吸力锚、垂直负载锚、桩柱锚、动态重力穿刺锚和重力锚。

4.1 拖入式埋置锚

拖入式埋置锚（见图7）可部分或是全部穿入海底，其抓力由锚前面的土壤阻力产生。拖入式埋置锚非常适合于抵御大的水平负载，但不适合于抵御大的垂直负载，主要适用于悬链线系泊方式，是悬链线系泊系统所采用的最流行的类型锚，常应用于半潜式平台、单点系泊浮筒、FPSO等锚系泊系统。

4.2 吸力锚（负压锚）

图7 拖入式埋置锚

图8 吸力锚

吸力锚（见图8），也称之为负压锚，像桩柱锚，是一个中空的钢管。尽管柱子的直径要比桩柱锚大得多，通过连接到柱子顶部的泵，产生压力差，将吸力锚埋入海底。吸力锚特别适合于土质松软的底质，也可适合于半松软的底质。当柱子内部的压力低于外部时，由柱子底部吸入海底，在布锚就位后将泵移走。吸力锚的抓力是由吸力锚的摩擦力和侧面的土壤阻力产生，可承受水平和垂直负载。主要适用于张紧线系泊方式及预置锚的设置。

4.3 垂直负载锚

垂直负载锚（见图9）的安装像传统的拖入式埋置锚，但能穿入海底更深。当锚的就位模式从布锚模式转变为垂直负载模式时，锚能够抵挡水平和垂直的负载。垂直负载锚是一种新开发的锚，主要适用于张紧线系泊方式及预置锚的设置。

图9 垂直负载锚

4.4 桩柱锚

桩柱锚（见图10）是一个中空的钢管，通过打桩锤或振动器将其埋置在海底。桩柱锚的抓力通过顺着桩柱的土壤摩擦力和侧面的土壤阻力产生。通常桩柱锚被安装在很深的海底之下以获得所需的抓力，可抵御水平与垂直的负载。桩柱锚由于其安装方式的特殊性，对深水安装作业难度较大，不太适用。

图10 桩柱锚

4.5 动态重力穿刺锚

动态重力穿刺锚（见图11）是一种类似火箭或鱼雷的钢质实体锚。该锚属于全向、自埋、重力安装式锚，安装时通过自由落体获得巨大的动能，在极大的垂直负载作用下，使锚穿透海床，会自行地更深埋入，以获得所需的抓力，可抵御水平与垂直负载。动态重力穿刺锚是一种新开发的钢质实体锚，通常长达13 m，带有4 m宽的稳定翼，能够在绕着锚360°的任何方向承受负载，适用于300～3000 m水深作业的海上设施的张紧线系泊方式、悬链线系泊方式及预置锚的设置。在海上安装后通过84 mm锚链可提供超过700 t的负载。

图11 动态重力穿刺锚

4.6 重力锚

重力锚（见图12）的抓力是通过所使用材料的质量和重力锚与海底之间的部分摩擦力产生。重力锚所用的材料通常是钢和混凝土。重力锚是现有最古老的一种锚，在深水锚系泊系统对抓力的要求较大，由于重力锚是靠自身的质量，故重力锚不太适用于海上设施系泊。

图12 重力锚

5 深水系泊锚的抓力分析

5.1 拖入式埋置锚的计算与实际抓力分析

5.1.1 拖入式埋置锚的极限抓力

锚抓力计算的方式是基于不同类型的锚在相似土质中性能的比较分析。Vryhof Anchor公司通过数年试验数据的收集，得出了在相似地质条件下试验数据的设计图谱，图13为Vryhof Anchor公司的Stevpris MK5锚的设计图谱数据，显示了锚质量和极限抓力 （UHC）之间的曲线关系。锚的极限抓力（UHC）常常与锚的质量联系一起，极限抓力能力与锚质量的比率称作为锚泊效率。在非常软的地质条件下，Stevpris Mk5锚质量在1～10 t，其相应的极限抓力（UHC）在40～330 t之间。锚泊效率不是一个定值，随锚的质量的改变而变化。

特定类型锚的抓力和尺寸也能通过土工技术计算得出，通过所采用锚的质量、尺寸、锚的前置索形式和锚的穿透性，土壤的剪切强度参数、渗透性和膨胀性等进行计算，但是由于一些土工技术数据无法获得，这种计算不太精确。

图13 Stevpris Mk5锚的典型抓力图

5.1.2 拖入式埋置锚的实际抓力

实际的锚抓力为设计负荷乘以安全系数。锚系泊系统在完整和损坏负载条件下存在不同的安全系数。通常进行最大负载值的控制，拖入式埋置锚的安全系数见表1。

表1 拖入式埋置锚的安全系数

5.2 垂直负载锚的计算与实际抓力分析

5.2.1 垂直负载锚的极限拔出力

基于土工技术原理，对于埋入海底土壤中的锚，Vryhof Anchor公司对Stevmanta VLA锚的极限拔出力（FUPC）提供了如下计算公式：

式中：Nc——承载能力系数，在锚穿入土壤深度达到或超过3倍锚爪的长度情况下，Stevmanta VLA锚承载能力系数Nc=12；

Su——锚穿入深度地质的无排泄剪切强度；

A——锚板面积，m2；

D——锚穿入海底深度，m，k0、k1为系数。

对于锚穿入土壤一定深度并受到垂向或者斜向的负荷，存在失效机制，失效将产生锚泊移位和使拔出力降低，有两种不同的失效机制：

1）浅层失效：这种失效机制是当锚穿入不深而发生，典型是深度小于3倍锚爪长度。失效特征是锚被带着锚上部的柱状土壤而拔出。

2）深层失效：当锚穿入深度超过3倍锚爪长度的情形下也会发生失效。失效机制是锚板上面的土壤流到板下面（土壤的塑性破坏）影响锚达到需要的入土深度：

1）土壤的无排泄剪切强度；

2）连接到角度调节器的锚泊缆的直径越大，锚泊缆的阻力越高，并且穿入的深度越浅；

3）锚板面积（A），大锚会得到更大的土壤阻力；

4）使用的锚爪/锚杆角度（α）。

5.2.2 垂直负载锚的实际抓力

根据Stevmanta VLA锚的试验结果，锚抓力水平载荷和垂直载荷的比率从 2.5～3.5 变化。 Stevmanta VLA锚的典型抓力见图14。由于垂直负载锚的失效模式的差异导致要求有更高的安全系数，垂直负载锚的安全系数（45°动态负载）见表2。

图14 Stevmanta VLA锚的典型抓力图

表2 垂直负载锚的安全系数

6 深水设施系泊锚的选择分析

在作业水深1000 m以内的锚系泊系统的布置中，最常见的主要是使用锚链加置入钢缆的悬链线系泊方式，也可采用锚链加置入纤维缆索的悬垂线系泊或张紧线系泊方式。悬链线系泊系统的一个主要特征是在锚系泊系统受负载期间，锚泊线的一部分通常将被布放在海底，要求系泊锚能承受巨大的水平载荷和较小的垂向载荷。在这种情况下，拖入式埋置锚得到了广泛选择，此外吸力锚、垂直负载锚、动态重力穿刺锚也可在1000 m以内水深的环境中得以采用。

在超过1000 m以上作业水深的锚系泊系统的布置中，使用锚链加置入钢缆的悬链线系泊方式常常会将系泊线质量变得非常大，使海上设施等漂浮体的可变有效载荷受到限制。新的解决方案是通过置入合成纤维缆索来减轻系泊线的质量。对于作业水深超过1000 m的锚系泊系统，除了悬链线系泊方式外，更多选择方案是采用张紧线系泊方式，这样系泊线以大角度（45°角以上）进入海底。在张紧线系泊系统中，如此大角度的系泊线要求系泊锚能够承受巨大的水平和垂直方向负载。基于大角度的系泊线对系泊锚的要求，适用于深水、超深水并适用于张紧线或悬链线系泊方式的系泊锚，主要有：垂直负载锚（VLA）、吸力锚、动态重力穿刺锚。其中垂直负载锚（VLA）的工作方式类似于拖入式埋置锚，但能承受较大的水平载荷和垂向载荷。

在作业水深1500 m以上的超深水水域，主要采用锚链加置入纤维缆索作为系泊线，常采用垂直负载锚（VLA）、吸力锚、动态重力穿刺锚等。因此，超深水锚系泊方式主要是采用预布预置锚的锚系泊技术建立张紧线系泊系统。

7 结语

我国南中国海深水油气资源非常丰富，但海洋环境十分恶劣，而且随着水深的不断增加，这种恶劣环境将更趋剧烈。在深海油气勘探开发中，深水锚系泊作业是主要关键技术之一，需要我们进行多方面的技术研究，才能解决难题。

本文是笔者通过学习和分析研究，针对深水设施锚系泊作业技术特性，对悬链线系泊系统和张紧式系泊系统特点、深水系泊锚的主要类型、抓力分析、系泊锚的选择等进行了初步技术应用探讨分析和研究，仅为深水锚系泊实际作业提供参考。由于学识水平有限，如有不对之处，欢迎批评指正。