南中国海浮式生产设施系泊系统及安装关键技术

马 超，高 原， 王杰文

(深圳海油工程水下技术有限公司，广东 深圳 518067)

0 引 言

根据不同海域的海况条件，目前浮式生产储卸油装置(FPSO)主要采用单点-转塔系泊系统、多点-伸展系泊系统以及动力定位(DP)系统三种方式，其中以单点系泊系统(SPM)的应用最为普遍。单点和多点的系泊方式将FPSO连接在单个或多个点上，而动力定位系统系泊方式是靠FPSO本身稳定位置。在没有风向效应影响的海况下，如东南亚、西非海域，或具有高度定向性的环境下，如巴西海洋的特定区域等，FPSO可以采用多点系泊的方式；在受风向效应影响较大的海域，如在墨西哥湾、南中国海等，须采用FPSO可以根据风向进行360°旋转的转塔系泊，使环境载荷影响最小[1]。目前在西非、墨西哥湾、巴西海域等地区已经实现了超过千米水深的系泊系统安装的成功案例，其核心技术一直被国外公司垄断[2]。经过在南中国海十几年的工程实践积累，我国目前已经掌握水深300 m以内的系泊系统安装技术。本文结合南中国海浮式生产设施系泊系统安装的工程实践总结了深水系沟系统安装的特点和关键技术。

1 南中国海浮式生产设施系泊系统

1.1 浮式生产设施系泊系统类型

目前南中国海的FPSO全部为内转塔式单点系泊，其设计单位主要是APL、SOFEC和SBM三家公司。内转塔系泊系统由系泊锚点、锚腿和内转塔式浮筒三部分组成，内转塔式浮筒通过锚腿与锚点连接构成FPSO系泊的整套系泊系统。上述三家公司的系泊浮筒分别如图1～3所示。多点系泊设施如图4所示。

图2 SOFEC型系泊浮筒Fig.2 SOFEC mooring buoy

图3 SBM 型系泊浮筒Fig.3 SBM mooring buoy

图4 多点系泊设施Fig.4 Spread mooring facility

1.2 浮式生产设施系泊锚腿的基本结构及对比

截至本文成文时，在南海服役过的浮式生产设施系泊系统共计11套，其中现役9套，退役2套。系泊锚腿主要由锚链和锚缆组成。根据不同的设计理念和实际需求，锚缆和锚链的长度和组合形式略有不同。各种系泊系统的锚腿组成如表1所示。

表1 系泊锚腿组成

2 系泊系统安装技术

2.1 系泊系统安装工艺

系泊系统安装主要分为安装前预调查、正式安装和完工后调查三个阶段，其关键安装工艺流程如图5 所示。

2.2 系泊系统安装关键技术

2.2.1 定位技术

定位技术主要用于锚点安装位置和艏向的确定以及调整链长度测量。其中长基线(LBL)定位的水下安装定位或测距的精度较高；超短基线(USBL)定位的定位精度较低，其安装定位精度取决于水面定位精度和船载USBL定位精度。LBL水下定位原理和系泊锚点处布置分别如图6和图7所示。

2.2.2 锚点的安装技术

目前南中国海的系泊系统锚点有抓力锚、桩锚和吸力锚三种，其安装需要的主作业船、关键设备以及安装步骤均各有不同，具体如表2所示。

图5 系泊系统安装工艺流程Fig.5 Flow chat for mooring system installation

图6 LBL水下定位原理Fig.6 LBL underwater positioning principle

图7 LBL在系泊锚点处布置图Fig.7 Layout of LBL around the mooring anchor

表2 系泊系统锚点安装所需的关键船舶、设备和安装步骤

2.2.3 系泊锚腿铺设技术

完成系泊锚点安装后，需进行系泊锚腿铺设。系泊锚腿主要由锚链和锚缆构成，按所需施工资源可将其安装分为使用专业锚系处理船铺设和使用浮吊船安装两种模式。采用专业锚系处理船铺设时，通常将锚链装入作业船的锚链舱，铺设时锚链直接从锚链舱铺设；因锚系处理船甲板面积相对较小，无法布置柔性铺设设备，需将锚缆导入大绞车进行铺设，此方法在倒缆时易损坏锚缆外皮，需要特别注意。使用浮吊船铺设时，需在其甲板上安装止链器，将锚链放在浮吊船甲板上，通过浮吊船吊机和止链器配合铺设锚链；通过滚筒驱动装置铺设锚缆，如滚筒驱动张力不够，可配置张紧器辅助铺设。

2.2.4 锚点预张紧技术

锚点为抓力锚时，预张紧的作用是使其达到设计入泥深度并验证是否满足设计拉力要求；锚点为吸力锚或桩锚时，预张紧的作用是验证其是否满足设计拉力要求并拉直入泥的锚链。张紧有两种方法：一是水下张紧器(Stev-tensioner)对角张紧(见图8)，此方案适合对角均匀分布的系泊系统；二是施工作业船利用其系柱拉力逐一张紧锚点(见图9)，如主作业船的系柱拉力不足，可在其前方加辅助拖轮串行张紧。

图8 对角张紧锚点Fig.8 Tensioning two diagonal anchor points

图9 单独张紧锚点Fig.9 Tensioning one anchor point

2.2.5 调整链切割长度测量计算技术

调整链切割计算是系泊系统安装的关键环节，其目的是补偿锚点安装位置误差以及锚缆、锚链的制造误差，保证整个系泊系统每根锚腿的有效长度一致，受力均衡。

图10 调整链切割计算Fig.10 Cutting and calculation of adjustment chain

如图10所示，a是调整链末端距离单点中心的理论长度，此数据由设计阶段理论模拟计算得出；b是调整链末端距离单点中心的实际长度，此数据在安装阶段由水下定位系统测量得出，则需切割的调整链长度计算公式为c=a-b。

2.2.6 系泊系统回接技术

SBM型单点系泊浮筒在其顶部有临时浮筒，临时浮筒上的回接通道设有临时挂点，将系泊腿提拉至单点浮筒止链器后，释放临时浮筒，系泊浮筒下沉至设计水深。SOFEC型浮筒是在浮筒止链器上方安装挂钩作为锚腿回接索具临时挂点，将系泊腿分步交叉提拉至单点浮筒的止链器。APL型浮筒回接分为水面、水中和海底三种形式。水面回接是在施工船上将其中任意两簇上锚缆回接到单点浮筒上，最后一簇上锚缆上端与单点浮筒连接，上锚缆另一端固定在施工船上，然后吊装浮筒入水，回收最后一簇的配重链至甲板与上锚缆连接；水中回接是将浮筒注水或者在浮筒底部增加配重使浮筒悬浮在指定深度，由潜水员连接上锚缆与单点浮筒，如采用快速接头，可用水下机器人(ROV)辅助连接。海底回接是浮筒注水压载至海底，由潜水员连接上锚缆与单点浮筒，锚缆连接完毕后注气排水使单点浮筒上浮至设计位置[3]。

多点系泊系统的系泊锚腿与浮式生产设施回接时，在浮式生产设施的每个回接点位置都配有绞车或绞车通道，通过绞车将锚链拉入浮式生产设施的止链器完成回接。

2.3 系泊系统安装作业问题及处理方案

系泊系统实际工程安装过程中最难解决的是锚点安装过程中出现的问题。本节主要结合工程实践经验，给出相关问题的推荐处理做法。

2.3.1 抓力锚溜锚

抓力锚安装张紧后的最终位置决定系泊锚腿的长度，如发生溜锚现象，系泊锚腿就会过短，导致FPSO在极限工况时系泊锚腿将全部离开海底泥面，使抓力锚承受垂向力，影响抓力锚处土壤的稳定性，甚至会导致抓力锚移位或拔出。所以安装时要严格控制抓力锚的最小安装半径，如果抓力锚就位张紧后发现最终位置在最小安装半径之内，则须回收并重新安装。

2.3.2 吸力锚无法贯入至设计深度

吸力锚无法继续贯入海底地层有两种可能：一是遇到硬质地层，即使增加吸力泵压力至吸力锚的最小压溃压力，仍然无法继续贯入；二是在安装过程中不断顶升和下沉，或吸力泵吸力超过土体破坏强度，导致吸力锚内部土体被破坏，内外形成回路，吸力泵虽有流量却无法形成负压继续贯入吸力锚。以上问题的解决方案是通过吸力泵向吸力锚注水反向顶出，并在吊机的配合下，将吸力锚拔出移至其他位置继续安装。

2.3.3 桩锚无法打入至设计深度

桩锚是利用打桩锤的液压动力将其打入海底的。因其本身的设计特点，桩锚不具备回收的特性，如果在打桩过程中出现拒锤无法继续贯入的情况，只能更换能力大的打桩锤，继续打桩使其贯入至设计深度。

2.3.4 移位后锚点位置选择

锚点在原位置安装失败后，需要选择新位置安装。安装位置改变后有两种解决方案。一是新位置选择在原路由上沿着原锚点远离单点中心位置，抓力锚二次张紧时可能进入第一次安装破坏地层的区域，导致第二次安装的失败，所以在选择新位置时需保证其距第一次位置足够远，还要兼顾调整链的预留长度，如长度不够不能选用此方案。二是在原下放位置的圆周上向左或向右偏移，一般建议偏移在1°～3°之间，如偏移过小会受第一次安装锚点破坏的地层影响，如果偏移过大则影响整个锚系的受力平衡。

3 深水系泊系统安装技术展望

3.1 深水系泊系统安装特点

考虑到深水条件下吊机吊重的衰减，同时为了避免水下吊装索具和系泊锚腿缠绕的问题，吸力锚或桩锚需带着锚头链单独安装(见图11)，后续铺设锚链或锚缆通过水下快速接头与锚头链连接(见图12)，或通过水下辅助连接工具与锚头链连接(见图13和图14)。

图11 锚链临时悬挂在吸力锚上Fig.11 Mooring chain hang on suction pile temporarily

图12 快速接头Fig.12 Fast connector

图13 辅助安装支架Fig.13 Installation aid

图14 使用辅助液压工具水下连接Fig.14 Subsea connection by hydraulic installation aid

3.2 深水系泊系统安装区别于浅水的主要特点

目前国际上公认的深水是指超过500 m的水深。商业饱和潜水还无法达到这个深度，因此所有水下施工作业均需ROV完成，且需多样的ROV介入工具协助水下施工。深水安装锚点和调整链长度测量需要使用LBL定位系统，同时还需考虑吊机钢丝绳自身的重量，深水吊机能力衰减大，需要更大的吊机。深水的锚链和锚缆长度增加，需要更大铺设能力的止链器和柔性铺设系统。为了减少系泊系统自身的重量，深水系泊系统通常选用高强度柔性缆替代金属材质锚缆。

4 结 语

南中国海深水区蕴藏着丰富的油气资源，锚泊形式的FPSO、浮式生产储油装置(FPS)、张力腿平台(TLP)和单柱式平台(SPAR)等浮式生产设施将在南中国海的深水油气田开发之中广泛应用。为了加快深水系泊系统安装技术能力建设，我国在南中国海现有的浅水系泊系统安装作业中已经前瞻性地采用了深水安装模式，成功实现ROV携带吸力泵安装吸力锚技术、DP船携带打桩锤安装桩锚技术、专业锚系处理船安装抓力锚及锚链和锚缆铺设技术、LBL测量调整链技术和用快速接头连接系泊锚腿技术。这些方法完全适用于深水系泊系统安装作业，为深水浮式生产设施的系泊系统安装做了相应的技术储备。

[1] 薛士辉，李怀亮，胡雪峰.内转塔式单点系泊系统及安装工艺介绍[J].中国造船，2008,51(S2):243.

[2] 王桂林，段梦兰，王莹莹，等.西非深水油气田开发状况及其发展趋势[J]. 石油工程建设, 2010,36(2)：18.

[3] 刘贞飞，高原，王杰文.南海FPSO单点系泊系统类型与安装方式比较[C].海洋石油工程技术论文(第七集)，2015：734.