锦州9-3油田CEPD平台万吨级组块极浅水海域浮托安装技术

史云龙 郝宝齐 张延军

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300452)

锦州9-3油田CEPD平台万吨级组块极浅水海域浮托安装技术

史云龙 郝宝齐 张延军

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300452)

锦州9-3油田CEPD平台万吨级组块浮托安装作业水域中心水深仅8.9 m，若采用常规方案浮托安装则面临驳船触底风险。为克服极浅水条件对大型组块浮托安装的挑战，对该油田CEPD平台组块浮托安装方案进行了论证，详细分析了方案实施的技术要点，采用水池模型试验方法对组块浮托过程中驳船的触底情况及浅水效应对驳船运动特性的影响进行了研究，并借鉴以往项目经验采取了相应创新设计及辅助措施，成功解决了万吨级组块极浅水海域浮托安装的难题，实现了我国海洋工程极浅水域高位浮托的突破，对后续浅水海域油田开发以及新型导管架的设计具有重要借鉴意义。

锦州9-3油田；CEPD平台；万吨级组块；极浅水海域；浮托安装；水池模拟试验；辅助措施

浮托法作为近年来海上平台安装的常规方法，具有成本低、作业时间短、起重能力大、适用范围广、操作方便安全、组块陆地建造最大化等特点[1-3]。随着平台走向功能化、集约化，组块的重量也随之增加，组块的浮托安装对支持船舶提出了更高要求，尤其是极浅水海域大型浮吊无法进入对应海域作业，给组块的安装带来了极大的挑战[4]。

锦州9-3油田位于渤海辽东湾北部海域，中心位置处水深仅8.9 m，且该海域海床地貌成浅盆地形态，以平台中心位置为最深处，向外围发展水深逐步递减到7.5 m。该油田主体区综合调整项目CEPD平台组块重约11 000 t，选用海洋石油228驳船作为浮托安装主作业船，该船长180 m，型深12.75 m，总质量1.8万t。受作业区域水深的影响，若采用常规方案浮托，在退船阶段船尾的底部净间隙仅0.57 m，无法满足规范作业要求，易造成驳船触底，且海底布置大量管线，碰撞可能导致驳船船体结构和海底管线受损，从而引发系列安全问题。针对上述难题，对锦州9-3油田CEPD平台组块浮托安装方案进行了论证，详细分析了方案实施的技术要点，采用水池模型试验方法研究了组块浮托过程中驳船的触底情况及浅水效应对驳船运动特性的影响，借鉴以往项目经验采取了相应创新设计及辅助措施，最终成功解决了该油田CEPD平台万吨级组块极浅水浮托安装的难题，顺利完成了浮托安装作业。

1 浮托安装方案选择

为攻克锦州9-3油田CEPD平台大型组块浮托安装面临的极浅水难题，开展了多个方案的论证工作，主要包括：①组块就位后利用拉力千斤顶进行提升方案；②在浮托进船前利用组块支撑结构处布置的液压千斤顶进行顶升方案；③海床疏浚方案；④传统被动式浮托方案。其中，方案①、②采用液压千斤顶辅助安装，系统控制复杂，不利于驳船强度控制，可靠性不高且存在较大安装风险，安装费用高，甲板下方部分管线及电缆布置需要调整；方案③改变海床地貌，需要向国家申报，同时须对回淤情况进行评估，存在工期不确定性风险。因此，最终选择了方案④，即传统被动式浮托方案，无须对原始设计做任何更改，且传统浮托安装技术熟练、风险小、效率高、成本低，但采用该方案还须解决退船时底部间隙不足的技术难题。

为解决退船时底部间隙不足的难题，并使安装定位满足精度要求，在导管架设计中首次采用了一体式安装和“抽芯”相结合的方案[5]，即建造阶段导管架设计为临时辅助框架连接的8腿导管架形式，框架在吊装和打桩作业期间对两边的导管架进行定位；海上打桩完成固定后将框架从两边的导管架之间抽出，结构体系转换为2个独立的4腿导管架，如图1所示。这样既解决了浮托退船时底部间隙不足的难题，又能精准控制2个独立4腿导管架之间的整体尺寸，为大型组块超浅水浮托安装的顺利实施提供了条件。

图1 锦州9-3油田CEPD平台导管架辅助框架形式及拆解

2 方案实施技术要点分析

浮托安装主要风险点在于进、退船阶段驳船的底部间隙、驳船与导管架桩腿的碰撞、系泊缆拉力等问题，须确定驳船参数、驳船压载、坐标系及方向、环境参数等输入条件，采用SACSA软件对驳船模型、组块、护舷模型、锚泊系统等逐一建模，对进、退船阶段进行数值模拟分析，并参照API标准[6-7]对碰撞载荷及系泊缆拉力进行校核。模型中驳船与导管架的相对位置和坐标如图2所示。

图2 驳船、导管架相对位置和坐标

进船阶段。驳船以5.9 m的吃水(相对于平均海平面)进入导管架槽口，此阶段吃水较浅无须考虑底部间隙问题，因此选取船首距导管架B轴10 m、船首距导管架A轴10 m、船首距导管架A轴38 m以及到达对接位置等4个阶段进行分析。在系泊缆和拖轮作用下，驳船进入导管架槽口并到达对接位置，利用拖轮和限位护舷控制驳船的位置，以使组块上插尖和导管架桩上的LMU接收器准确对位。此过程中驳船护舷与导管架腿间的间隙为0.1 m，数值模拟结果显示横荡护舷上的最大碰撞载荷出现在船首距导管架A轴38 m处的B3腿上，此时通过调整系泊缆的拉力来平衡环境载荷，以防止护舷承受过大载荷；而系泊缆的最大拉力出现在船首距导管架B轴10 m位置，最小安全系数为3.2。

退船阶段。该海域水深较浅，且深度变化显著，驳船退船工况选取5个阶段进行分析，分别为到达对接位置、船首距导管架A轴52.5 m、船首距导管架A轴38 m、船首距导管架A轴10 m、船首距导管架B轴10 m。退船阶段吃水增加，最浅水深7.5 m，考虑1.9 m的潮位，设计水深9.4 m，设定驳船吃水8.4 m，此时驳船底部间隙满足安全操作要求。将驳船拉出导管架槽口的操作主要借助船尾系泊缆和船尾拖轮来完成，直到驳船拖离导管架足够的安全距离，退船作业完成。数值模拟结果显示横荡护舷上的最大碰撞载荷出现在船首距导管架A轴10 m处的B3腿上，系泊缆最大拉力出现在船端距导管架A轴10 m处，此时系泊缆拉力最小安全系数为2.9。

通过碰撞载荷、系泊缆拉力校核计算，碰撞载荷均小于护弦承受最大载荷，系泊缆拉力最小安全系数均大于API RP 2SK[8]和GL Noble Denton 0031/ND[9-10]规范最小安全系数2.0的要求。此外，数值模拟计算显示驳船垂荡向下运动最大值出现在L3位置，为0.13 m，此时驳船底部间隙约为0.85 m，无触底风险。

3 水池模拟试验

为了进一步测试在风、浪、流条件下驳船退船过程中船底和泥面之间的间隙，验证驳船是否存在触底危险并分析极浅水效应对驳船运动特性和浮托作业影响，在上海交通大学海洋工程水池进行了浮托安装驳船水池模拟试验。运用相似性准则，按照1∶30的缩尺比建立驳船水池试验模型,如图3所示。同时在船首和船尾方向L1、L2、L3、L4位置处(图2)安装拉力、加速度和位移传感器，用于监测驳船是否发生触底。根据锦州9-3油田CEPD平台区域的海域条件，试验时风速取小于10.7 m/s，船首顶头浪有效波高1.0 m、尾侧浪有效波高0.75 m、横浪有效波高0.50 m，海流小于1.26 m/s。

水池模拟试验结果表明，在风、浪、流等环境条件作用下，驳船运动非常平稳，振荡十分微小，肉眼甚至难以觉察到船体垂向运动，在整个试验过程中驳船垂荡向下运动的最大值出现在驳船L2船尾位置处，为0.13 m，与数值模拟结果相吻合。

对于极浅水效应对驳船运动特性的影响，水池模拟试验结果表明：在极浅水条件下，驳船运动固有周期受水深影响十分敏感，其垂直方向上的运动如垂荡、纵摇等的固有周期随水深的减小而明显增加；驳船在初始进入导管架槽口时并不能保持平衡，而是具有一定的首向偏移角度，在风、浪、流作用下平均最大偏移角度达到了18.5°；在各个浪向角条件下，驳船系泊缆的最大载荷随着水深的减小而明显增加。因此，在实际浮托作业过程中，应尽量减少驳船在槽口的停留时间，应对驳船首向偏移角度予以关注，通过调节系泊缆长度、拖轮侧推或顶推等方式使驳船保持规定的首向角度。

图3 浮托安装驳船水池试验模型

4 方案实施辅助措施

针对水池模拟试验中发现的极浅水条件下驳船底部间隙较小、驳船对在槽口停留时间较为敏感以及船首偏移角度较大等问题，借鉴以往项目经验采取了相应的辅助措施。

1) 将组块在驳船上的组块支撑结构(DSU)设计成可移除的形式，当海上风浪较大导致驳船运动剧烈时，可以通过快速移除DSU来增加驳船在平台槽口内的上下间隙，避免损伤平台和驳船触底，为驳船安全退出提供重要保障。此外，CEPD平台组块总计4个滑靴，设计时考虑DSU切割后的下放问题，将滑靴设计成局部700 mm凹槽形式，在浮托退船时为DSU下放预留空间，可直接将DSU下放至凹槽内，这样既能有效减少DSU切割后的下放时间，又可减少驳船在导管架槽口停留的时间。

2) 采用交叉缆进船形式，同时在驳船两侧并靠两艘全回转拖轮，更灵活精准地控制驳船的运动和偏移。

3) 在组块浮托安装前进行水深测量，确保浮托海域环境条件的时效性和可靠性；同时在驳船上预装运动监测和水深监测设备，对浮托过程进行实时监测，为实施过程提供准确、及时、有效的信息保证。

5 结束语

2014年9月16日，海洋石油228成功在水深只有8.9 m的目标海域将重达11 000 t的锦州9-3油田CEPD平台组块平稳托放在导管架上，并成功完成退船作业。

锦州9-3油田 CEPD平台组块在渤海极浅水海域浮托安装的成功实施，创造了浮托安装作业最小水深记录，实现了我国海洋工程极浅水域高位浮托的突破,成功解决了大型组块浮托水深限制的难题，对后续浅水海域油田开发以及新型导管架的设计具有重要借鉴意义。

[1] 李达，范模，易丛，等．海洋平台组块浮托安装总体设计方法[J]．海洋工程，2011,29(3)：13-22．

Li Da,Fan Mo,Yi Cong,et al.General design method on float-over installation of platform’s topsides[J].The Ocean Engineering,2011,29(3):13-22.

[2] 包清华．赵东油田极浅海平台的海上安装[J]．石油工程建设，2010,36(5)：29-31．

Bao Qinghua.Offshore installation of extremely shallow water platform in Zhaodong oilfield[J].Petroleum Engineering Construction,2010,36(5):29-31.

[3] 范模，易丛，白雪平，等．大型组块浮托安装关键技术研究及在我国的应用进展[J]．中国海上油气，2013,25(6)：98-100．Fan Mo,Yi Cong,Bai Xueping,et al.Research and application of key technologies for float over installation of large topside in China[J].China Offshore Oil and Gas,2013,25(6):98-100.

[4] 白雪平，李达，范模，等．极浅水海域对大型组块安装的影响分析[J]．船舶工程，2014,36(增刊1)：202-205．

Bai Xueping,Li Da,Fan Mo,et al.Influence and analysis of large topside float-over operation in ultra-shallow sea water[J].Ship Engineering,2014,36(S1):202-205.

[5] 王丽勤，李达，王忠畅，等．一种适用于极浅水域大型组块浮托安装的新型导管架型式——以锦州9-3油田为例[J]．中国海上油气，2015,27(2)：108-111．DOI：10.11935/j.issn.1673-1506.2015.02.019.Wang Liqin,Li Da,Wang Zhongchang,et al.A new jacket type for float-over installation in ultra-shallow waters:case study of JZ 9-3 oilfield[J].China Offshore Oil and Gas,2015,27(2):108-111.DOI：10.11935/j.issn.1673-1506.2015.02.019.

[6] AISC.Load and resistance factor design for structural steel buildings[S/OL].[2015-11-19].http:∥www.docin.com/p-378267880.html.

[7] API.API RP 2A-WSD-2007 Recommended practice for planning,designing and constructing fixed offshore platforms-working stress design[S].American Petroleum Institute,2007.

[8] API.API RP 2SK-2005 Recommended practice for design and analysis of stationkeeping systems for floating structures[S].American Petroleum Institute,2005.

[9] Noble Denton.Guidelines for float-over installations[S/OL].[2015-11-19].http:∥infostore.saiglobal.com/store/details.aspx?ProductID=1447169.

[10] Noble Denton.Technical policy board guidelines for moorings[S/OL].[2015-11-19].http:∥wenku.baidu.com/link?url=J5X9xlu80qGhs6itApjg558UBBYef1GCTm-XLNDKGG0h5 cQTAt28nYdM8EoU1bd-bBqYJcRHn2EzbH2JGF09sheMZ_ 4_giKKvT0LW3fqdxi.

(编辑：吕欢欢)

Technology for float-over installation of 10k-ton CEPD topsides in the ultra-shallow sea water of JZ 9-3 oilfield

Shi Yunlong Hao Baoqi Zhang Yanjun

(TianjinBranchofCNOOCLtd.,Tianjin300452,China)

The water depth of central operation area in JZ 9-3 oilfield where 10k-ton CEPD (central processing platform of D) topsides would be float-over installed is merely 8.9 meter. The risk of bottom touching with the barge could arise if conventional scheme of float-over installation is implemented. In order to overcome the challenge of heavy topsides float-over installation in ultra-shallow sea waters, we demonstrated the proposals of the CEPD topsides float-over installation, analyzed the key technical points for the implementation of the proposals in details, conducted pool test to understand the scenarios of bottom touching during topsides float-over installation and impact of ultra-shallow water on barge motion characteristics. Meanwhile, we adopted relative innovational design, experiences and assisting measures of the previous projects. The problem of 10k-ton topsides float-over installation in ultra-shallow sea waters was overcome, achieving the breakthrough of high position float-over in ultra-shallow waters in offshore engineering, which is significant to subsequent shallow water oilfield development and the design of new type jackets.

JZ 9-3 oilfield; CEPD platform; 10k-ton topsides; ultra-shallow sea water; float-over installation; pool test; assisting measure

史云龙，男，工程师，2006年毕业于太原科技大学机械设计制造与自动化专业，获学士学位，从事海洋平台建造、技术管理等工作。地址：天津市塘沽区渤海石油路688号海洋石油大厦B座(邮编：300452)。E-mail:shiyl2@cnooc.com.cn。

1673-1506(2016)03-0144-04

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.03.023

U674.38

A

2015-11-19 改回日期：2016-02-22

史云龙,郝宝齐,张延军.锦州9-3油田CEPD平台万吨级组块极浅水海域浮托安装技术[J].中国海上油气，2016,28(3)：144-147.

Shi Yunlong,Hao Baoqi,Zhang Yanjun.Technology for float-over installation of 10k-ton CEPD topsides in the ultra-shallow sea water of JZ 9-3 oilfield[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(3):144-147.