海洋石油管汇安装方法及安装过程力学分析

付剑波，苏 锋，张 凡，陈 伟，刘立新，白 勇

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300451；2.浙江大学，杭州310058）①

我国陆地油田日趋枯竭，未来油气的增长潜力主要集中在海洋，尤其是深海油气资源。国内浅海石油设施安装技术已经相对成熟，但是深海石油开采相关技术刚起步。水下生产系统是进行深海开发的关键设施，管汇作为水下生产设施重要组成部分，在油气开采作业中负责油气的集中和分配，监控液体的流动。合理的管汇安装方法可以缩短海上安装时间、降低安装资源需求、节省海上安装作业成本，保障水下生产系统安全运营。因此，对管汇安装方法进行深入研究非常有必要。

1 海洋石油管汇介绍

依照ISO 13628－1定义，管汇是安装在海床上用来收集油气或向油气田注水注气，并对流体流动进行分配、控制和监控的水下生产设备［1］。一套完整的管汇系统应包含连接器接头、汇管、分支管、阀门、管汇基础，部分管汇还需要安装水下控制单元。按照管汇的结构形式，可将海洋石油管汇分为4类：基盘式管汇、丛式管汇、模块式管汇和混合式管汇［2］。

基盘式管汇可在单体结构上提供单井钻井基盘，如果将多个基盘式管汇固定在水下主设施上，其也可提供丛式钻井设施的功能。丛式管汇通常比较小（只有4～6个槽孔），连接在管汇上的采油树相互靠得较近（间距大约为5～15m）。大部分丛式管汇都采用可回收式设计。模块式管汇是通过布置模块的方式进行安装，在管汇安装之后仍可以通过增减模块的方式来增减功能和体积。尽管允许在后期增减结构设施，但模块式管汇的单个模块仍属于标准结构并可直接与其他采油设施配套使用。混合式管汇属于在基盘管汇的基础上增加卫星井接入功能，适用于多井油田［3］。混合式管汇一般与立管相连并且更靠近平台设施。4种管汇如图1所示。

图1 不同结构形式管汇

2 管汇安装方法选择

管汇安装方法可分为月池安装法、绞车安装法、滑轮安装法以及悬垂安装法等4种方法。前2种属于常规安装方式，后2种是近期发展的新型安装方法，主要适用于深水管汇安装［4］。

月池安装法是利用钻井立管，通过平台月池将管汇下放至水中的方法。对于尺寸不大（小于月池尺寸）的管汇，一般均可采用该方法安装。绞车安装法是通过吊机与绞车的联合作业对管汇实施安装，这种方法对于尺寸较大以及质量较重的管汇比较适用。

滑轮安装法需要由配备了升降补偿系统的半潜式平台和两艘操锚船实施作业，如图2所示。其中1号操锚船与半潜式平台负责管汇的升降，对S型的钻井设备进行运动补偿，2号操锚船负责下降管汇方向。

图2 管汇的滑轮安装法示意

悬垂安装法是通过运输船与安装船联合作业，管汇索具由缆绳连接至安装船，2艘船之间的距离约为缆绳长度的90%。管汇由运输船下放至水中，由于缆绳的连接，管汇在水中将做钟摆式运动，直至平衡，再通过安装船缆绳控制管汇其余的下放过程，完成整个安装。安装过程如图3所示。

图3 管汇的悬垂安装法示意

采用垂悬安装法时，由于缆绳采用特殊材料可以有效地阻止管汇振动，并且海水和缆绳的拉力可以有效地缓减管汇的摆动，因此该方法在深水海域具有较高的可行性，且对于节约安装成本，加快安装进程有较大的帮助［5］。

为确保管汇安装过程中的安全性，通常由管汇制造商规定具体要求及程序。石油公司的规范规定了基本功能要求、质量保证、安装测试和检验要求以及对健康和安全等方面的注意事项。对于设备的提升与安装参数的计算与分析，必须考虑具体使用的安装船以及设备性能。对于水下管汇，无论采用何种安装方法，在安装之前都要进行检查和检验［6－8］。

管汇安装所选择的安装方法和安装设备应该具有保障安全和具有可操作性的特点，同时还要有选定的干预策略。安装方法的选择应满足6个条件：

1） 经济成本与安装耗时最小化。

2） 满足安装环境条件，例如水深等。

3） 安装设备（临时的或永久的）应该不会造成堵塞，也不会影响介入过程［9］。

4） 吊索、安装所选用的吊装梁／结构／构件的断开都应该符合选定的干预策略，备份系统也要建立起来。

5） 安装设备在安装、停滞、连接或移动的过程中不应该给永久工程带来任何的风险。

6） 提升／安装配置应该按最小的提升质量来进行设计。

3 受力分析

管汇在安装、回收的各个环节中都要受到各种载荷因素的影响。安装方法不同，安装过程中管汇所受的力和力的作用效果也不同。下面以管汇通过月池安装的安装方式为例，分析安装过程中管汇系统的受力情况。

采用月池安装方法时，水面上的管汇在吊运与下放过程中受力比较复杂，此时钻杆末端水深ddri，n＜－hman－SZU，其中hman为管汇高度；SZU为浪溅区上层区域高度，一般为5m。此时管汇、钻杆均不会受到波浪流的作用，直至管汇下放到波浪波峰临界点，简化模型如图4。

图4 通过月池安装阶段一系统受力分析

图4中，以O点（半潜式平台中的张紧器）为坐标原点建立三维坐标系z轴为垂直方向，x轴与管汇长度lman方向平行，y轴与管汇宽度bman方向平行。模型中的主要载荷为钻杆自重、管汇自重、由船舶运动产生的附加载荷、管汇受到的风载荷。

管汇下放过程中，不会受到压紧力的作用，动力效应可以通过动力放大系数DAF进行计算，

式中：Ftotal为系统合力；Fsta为静态力；mman为管汇在空气中质量；mother为下放索具与其他附件在空气中质量。

当管汇下放开始瞬间或突然停止下放时，管汇受到压紧力作用，特征总力等于：

式中：Fsnap为管汇受到的压紧力。

管汇相对于海底桩基的各个方向偏移等于吊点相对于海底桩基的偏移：

式中：xct－suc，yct－suc为吊点在x、y 方向相对于桩基的偏移；xrao，yrao为安装船／钻井平台各自由度运动量。

管汇相对于坐标原点的偏移为零。当下放时间为

钻杆排放长度遵守运动学定律：

式中：k为钻杆下放加速度变化次数；tk为钻杆下放第k次加速度变化时间；adri，k为钻杆下放第k次加速度；Ldri为钻杆长度；Ldri－0为钻杆下放前初始长度。

钻杆下放速度也遵守运动学定律：

由于钻杆包含各种接头及其他的连接部分，根据钻杆自身特点将长度为Ldri的钻杆从原点开始分成n个单元，单元长度li可由具体划分单元方法确定，若简化为均质钻杆，单元长度li，因此钻杆自重为：

式中：wdri－i为钻杆i部分单位质量；li为钻杆i部分长度。

钻杆i结点所处水深为：

钻杆最大轴向力在钻杆顶端：

此为钻杆所受最大轴向力，对管汇安装时受力分析应以此为准则。

若采用非常规安装方式，如采用滑轮安装方式，最大水深很容易突破1 000m。而更先进的垂悬安装法将在巴西Roncador管汇安装项目P52中使用，届时安装水深会更深。

4 结语

安装受力分析是水下管汇安装过程中不可缺少的一步，它是整个水下安装过程的理论基础。本文对管汇下放过程的轴力、挠角、弯矩、偏角以及相对坐标等参数进行计算，对于提高海上安装的可靠性、安全性至关重要。管汇是一种典型的水下生产设施，相比采油树和PLET等其他设备，管汇的体积和质量更大，水下安装尤其是深水安装的难度更大。因此，管汇的水下安装技术具备一定的代表性。本文中采用的管汇受力分析计算方法主要是从管汇静态受力分析来推导管汇整体受力，这种方式能较简单地得到管汇的受力状况并能满足工程实践需求；但是其忽略了洋流等作用于管汇中的动态力，因此结构仍具有不确定性，在今后的研究中应考虑更先进的方法。总之，掌握水下管汇的安装方法和计算分析技术，对于促进我国深水开发具有重要意义。

［1］王文立.深水和超深水区油气勘探难点技术及发展趋势［J］.中国石油勘探.2010，15（4）：71－75.

［2］董衍辉，段梦兰，王金龙.深水水下连接器的对比与选择［J］.石油矿场机械，2012，41（4）：6－12.

［3］Jacques Braile Saliés.经验教训及超深水的未来挑战：PROCAP 3000［R］.DOT2003.

［4］Taylor W M，STJERNSTROM S C.Subsea wellhead structure for transferring large external loads［P］.US：5971076 1999 10 26.

［5］刘春厚，潘东民，吴谊山.海底管道维修方法综述［J］.中国海上油气，2004，16（1）：59－62.

［6］DNV.Environmental conditions and environmental loads［S］.2007.

［7］周游，段梦兰，郭宏，等.深水水平套筒式连接器定位安装技术［J］.石油矿场机械，2013，42（9）：18－22.

［8］杨伟，叶茂，何宁，等.深水深底管道J型铺设工艺及设备研究［J］.石油矿场机械，2013，42（1）：14－20.

［9］白勇，白强.水下生产系统技术手册：水下管汇及其它水下结构物［K］.北京：中海石油研究中心，2010：40－44.