基于双船提拉的深水锚系在位躺地缆更换方案设计与验证

孙 锟 刘 文 杨 盛 陈晓东 孙首阳

(1. 深圳海油工程水下技术有限公司 广东深圳 518067； 2. 海洋石油工程股份有限公司 天津 300461)

随着国内外海洋油气资源的开发，单点系泊系统的工程修复项目越来越多。针对单点系泊系统的修复，Carpenter等[1-2]详细介绍了系泊系统更换和回接过程的关键技术问题；Leeuwenburgh等[3]介绍了Haewene-Brim FPSO系泊系统上钢缆更换工作；Bhattacharjee S等[4]总结了Serpentina FPSO系泊系统完整性问题和整个系泊系统更换工作中的经验教训；金桐君 等[5]基于南海奋进号FPSO 9条锚腿更换工程实践，重点总结了上钢缆和上锚链的回接技术问题；符方超 等[6]总结了FPSO 在位不停产上钢缆更换技术；马超 等[7]研究了大型吸力锚的安装、施工船不偏移贴近FPSO直接进行锚点张紧作业、精确测量调整链长度和上锚缆快速更换等多项关键技术；王德洋[8]介绍了系泊锚腿悬浮链段更换及海床链段更换的应急维修作业技术；Matsumoto S等[9]提出了一种系泊系统的数字孪生概念的完整性管理技术，降低作业和维修成本，可为系泊系统修复提供新发展方向。

现有研究主要总结了以往项目单点系泊系统整体更换、上钢缆更换等关键修复技术，而对于躺地缆的局部更换技术则鲜有文献涉及。鉴于此，本文基于流花11-1油田NHSL FPSO系泊系统1#锚腿修复工程，在满足FPSO在位不停产的前提下，对带有浮筒的系泊腿躺地缆进行更换方案研究，提出了一种双船提拉概念下的锚系在位躺地缆更换方法，并针对潜在的技术挑战和风险开展方案设计和比选，解决了船舶侧推要求高、锚链重铺堆积风险大等难题，为300 m水深躺地缆更换施工作业提供了技术支持。

1 躺地缆更换方案研究

1.1 待修复锚腿概况

NHSL FPSO 1#锚腿自上到下依次是上锚链、1#连接板、上钢缆、三角板和中水浮筒、下钢缆、2#连接板、躺地链、3#连接板、躺地缆、连接板、锚头链、抓力锚(图1)。其中1 100 m长度躺地缆由950 m钢缆和150 m钢缆两部分构成，其中1#锚腿的150 m钢缆段出现损伤，需要修复。该项目系泊系统以及其他分析参数见文献[10]。

图1 NHSL FPSO系泊系统1#锚腿构成图

1.2 工程限制条件

为了修复1#锚腿，须采用新钢缆替换受损的躺地缆段。计划采取的更换方式为：回收150 m钢缆，切除950 m钢缆段45 m，重新浇筑钢缆索接头，铺设195 m钢缆。NHSL FPSO系泊系统1#锚腿修复作业是FPSO在位不停产条件下首次开展深水躺地缆更换的海上施工活动，其面临的工程限制条件主要有：①连续的作业天气窗口要求；②1#锚腿组成构件的安全要求；③抓力锚不出现上拔力的要求；④作业设备满足锚系处理大张力的要求；⑤躺地链重新铺设时不会出现打扭和堆积的要求；⑥作业船舶的船位保持要求。

1.3 躺地缆更换方案比选

针对躺地缆更换，从锚腿的不同位置进行拆除和更换作业，提出了3套待选方案。

1) 方案A：从FPSO端顺序拆除锚腿，更换躺地缆。

该方案从FPSO端释放上锚链，传递给作业船，依次回收上锚链、上钢缆、中水浮筒、下钢缆、躺地链、躺地缆，更换部分躺地缆后，按照逆顺序重新铺设锚腿。此方案须配置2艘大马力拖轮，以满足FPSO的限位设计，从而实现锚腿从FPSO上解脱。对于上钢缆和下钢缆须做到保护性回收，因此需额外配置专门的设备资源，如滚筒、滚筒驱动装置、张紧器等，占用主作业船的甲板空间，直接影响锚系处理作业船的施工工艺。对于中水浮筒的回收，其作业风险性高，需控制中水浮筒安全地靠近船舶尾部，回收预设吊装索具并协助完成吊机挂钩，在同时协调吊机和回收绞车的操作下，实现中水浮筒从水中到主甲板的回收；同时还需设计中水浮筒的临时存储结构。对于躺地链，其回收和存储需专门配备锚处理绞车和锚链舱，且其重新铺设面临着潜在扭转和堆积的风险。对于躺地缆，须回收部分长度，并进行更换作业。

此方案操作步骤复杂，回收和重新铺设工作量大，所需船舶和设备资源较多，作业时间长，一艘锚系处理主作业船无法满足需要，实施起来不经济，且面临无法保证在回收、存储、重新铺设过程中旧锚腿各部件的安全性的重大挑战。

2) 方案B ：从2#连接板处拆除锚腿，更换躺地缆。

该方案从2#连接板处回收躺地链到作业船主甲板，首先解开下钢缆和躺地链之间的连接，一侧下放下钢缆到海床，并采取措施保证这一侧锚腿形态稳定。另一侧逐步回收躺地链到锚链舱内，之后继续回收和更换部分躺地缆，更换后按照逆顺序重新连接锚腿并下放复原到海床。

此方案较方案A，避免了上钢缆、中水浮筒、下钢缆的回收和存储作业，具备可行性，但面临如下挑战：①需额外配备一艘作业船舶协助完成下钢缆的下放和回收，施工作业复杂；②下钢缆一侧的临时湿存形态需要设计，以保证钢缆和中水浮筒的安全；③回收和下放2#连接板的过程中，两侧悬链线张力不平衡，对作业船侧推的需求大，现有船舶资源不能满足要求；④躺地链的重新铺设存在扭转和堆积的风险。

3) 方案C：从3#连接板处拆除锚腿，更换躺地缆。

该方案从3#连接板处回收躺地链到作业船主甲板，解开躺地链和躺地缆之间的连接，一侧下放躺地链到海床，并采取措施保证这一侧锚腿形态稳定，另一侧逐步回收和更换部分躺地缆，更换后按照逆顺序重新连接锚腿并下放复原到海床。

此方案较方案B，避免了躺地链的回收和存储作业，同时降低了对作业船的侧推需求。但同样面临如下挑战：①回收和下放3#连接板的过程中，两侧悬链线张力不平衡，对船舶侧推依然有一定要求；②FPSO绞车能力有限，在躺地链下放过程中，无法有效捋顺躺地链，锚链存在堆积的风险；③回收躺地链过程中，可能会导致抓力锚出现上拔力。

从船舶资源、技术可行性、作业工期、作业风险方面等开展了3套方案的对比(表1)，综合作业工期及作业风险等因素，在实际工程中选取了方案C作为主体施工方案。

表1 NHSL FPSO系泊系统1#锚腿躺地缆更换方案对比

2 躺地缆更换方案设计与分析

2.1 更换方案的分析阶段划分

上述分析阶段，主要面临如下关键技术问题：①确定迪尼玛缆绳释放长度；②降低船舶侧推需求；③避免躺地链堆积；④解决躺地链水下回收索具无法安装问题。

2.2 迪尼玛缆绳释放长度分析

在躺地缆更换方案的比选过程中，通过分析发现必须增大锚腿长度，有效降低锚腿在线张力，才能使方案C具备实施的可行性。为了松弛锚腿、降低FPSO绞车张力，在上锚链一端增加一段单位长度重量轻、抗拉强度高的迪尼玛缆绳成为施工方案的首选方式。通过释放迪尼玛缆绳长度，可有效增大锚腿长度，从而在双船提拉过程中改善FPSO绞车钢丝绳张力、导缆孔处倾斜角度(相对于水平方向)、主作业船绞车张力、躺地缆触地点张力、躺地缆躺地长度等，提升作业的安全性和可行性。为此开展了释放迪尼玛缆绳释放长度敏感性分析，针对迪尼玛缆绳释放长度0、50、100、150、200 m等5种工况进行了静力分析，结果见表2。为了尽量降低FPSO绞车张力、主作业船绞车张力、作业时间和成本，建议使用较短的迪尼玛缆绳，实际作业中推荐释放的迪尼玛缆绳长度为150 m。

表2 迪尼玛缆绳释放长度敏感性分析结果

2.3 船舶侧推受力平衡设计

通过1艘主作业船舶回收3#连接板至甲板，由于躺地链单位长度质量(286.2 kg/m)约为躺地缆的4.5倍，船舶两侧悬链线重量差别较大，从而导致船舶两侧受到的不平衡力超过了动力定位系统(DP)的侧推能力，无法开展海上施工作业。为了降低船舶侧推需求，提出了额外增加1艘作业船舶辅助提拉回收锚腿的方法，从而有效降低躺地链一侧悬链线作用在主作业船上的水平力。

在保证抓力锚不出现上拔力的前提下，使用双船提拉锚腿作业，通过分析发现，可以将船舶侧推需求降低至零。为此须根据仿真分析确定施工作业路径，并给出每个详细步骤的关键施工作业参数，如主作业船舶位置和回收绞车钢丝绳长度、辅助作业船舶位置和回收绞车钢丝绳长度。仿真分析设计步骤(图2)如下：首先，辅助作业船在距离2#连接板15 m处，回收120 m绞车钢丝绳，移船80 m，主作业船保持不动；然后，主作业船在距离3#连接板15 m处，开始回收290 m绞车钢丝绳，同步移动主作业船和辅助作业船，主作业船移动98 m，辅助作业船协同移动110 m；最后，主作业船回收3#连接板到甲板，解开躺地链和躺地缆之间连接。

图2 双船提拉回收3#连接板至甲板分析步骤

现场操作时，建议按照分析结果进行收放钢丝绳长度、调整船舶位置，以保证船舶侧推力需求为零；现场施工作业过程可以将两艘船舶尾部处的绞车钢丝绳是否保持竖直无偏角作为观察监控标志。

2.4 躺地链重新铺设设计

当躺地缆更换完成后，须重新铺设躺地链到原锚腿位置。由于FPSO绞车能力有限，在躺地链下放过程中，无法有效捋顺躺地链，使锚链存在堆积风险。为了避免锚链堆积，基于双船提拉的概念，提出了一种重新铺设躺地链的方法，即在躺地链触地前，通过辅助作业船回收绞车钢丝绳，主作业船不断下放3#连接板，实现3#连接板一侧悬链线先接触海床，然后解脱主作业船，辅助作业船保持张力铺设剩余躺地链至海床。通过双船实现锚链带张力的铺设，从而有效控制悬链线铺设到海床的形状，避免了锚链的堆积。

为了指导海上施工，通过仿真分析确定铺设作业路径如下：①双船提拉下放3#连接板，直至躺地链即将触地；主作业船移船63 m，下放绞车钢丝绳180 m；辅助作业船移船44 m，保持绞车钢丝绳长度。②双船协同完成3#连接板下放触地，主作业船解脱锚腿后，辅助作业船仍提拉部分锚腿；主作业船移船35 m，下放绞车钢丝绳110 m；辅助作业船移船20 m，回收绞车钢丝绳长度124 m。③辅助作业船移船重新下放铺设剩余躺地链至海床；主作业船已解脱；辅助作业船移船166 m，下放绞车钢丝绳长度245 m。

由于实际作业步骤复杂，涉及4种增量变化(主、辅作业船船位和绞车钢丝绳长度变化)，实际施工时须严格参照根据分析结果制定的作业步骤进行操作；应持续水下监控躺地链的形态，及时根据形态进行微调；此外还要监控主辅绞车钢丝绳张力，确保其数值变化符合分析结果，如有异常立即暂停，分析原因后对4种变量进行调整。

2.5 水下回收索具安装设计

由于锚系服役时间较久，受海洋环境的影响，躺地缆、躺地链以及之间的连接板被海底土壤覆盖，水下机器人无法安装水下回收索具，导致躺地链无法回收到甲板。为了解决这一问题，须将躺地链拉出海床，呈现出躺地的形态，设计的操作方式是采用辅助作业船提拉2#连接板附近位置，直至#3连接板附近的锚链露出泥面，便于主作业船的水下机器人安装回收索具，从而具备从#3连接板打捞回收躺地链的施工条件。

为了指导海上施工，通过仿真分析确定辅助作业船的提拉作业路径如下：采用辅助作业船直接在2#连接板附近位置处进行提拉，辅助作业船移船188 m，回收绞车钢丝绳长度280 m。基于分析，在实际操作时建议按照分析结果进行收放钢丝绳长度、调整船舶位置，以保证船舶侧推力需求为0；若锚链未出泥面，则建议主作业船吊机提拉距离#3连接板120 m处的锚链，确保锚链出泥面。

3 躺地缆更换分析工程验证

3.1 作业容许海况

在躺地缆更换分析中，重点分析对象是主作业船、辅助作业船、FPSO、各个绞车、锚腿等组成的系统。在细化方案C的基础上，基于OrcaFlex软件采用数值仿真方法开展了躺地缆更换更换前6个阶段施工步骤的静力分析，获得了对应的静力分析结果；继而开展关键临界步骤的动力分析，获得了躺地缆更换作业全过程的最大容许作业海况。具体的静力和动力分析方法见文献[10-11]。由于前6和后6个阶段过程为相反过程，前6个阶段的静力分析和动力分析结果可拓展用于指导整个更换作业过程，因此，不再做后6个阶段的静力分析和动力分析。由表3可知，躺地缆更换作业的推荐有义波高范围为1.0～2.5 m。

表3 躺地缆更换作业的最大容许有义波高

项目实施过程中结合实际天气预报数据选定了适合的天气窗口，并按照方案设计步骤和分析结果，顺利完成了1#锚腿躺地缆的更换工作，下文就分析结果和现场记录数据进行对比验证。

3.2 锚腿松弛和张紧的分析与验证

图3 下放和回收迪尼玛缆绳过程中FPSO绞车张力分析结果与现场记录对比

3.3 连接板回收和下放的分析与验证

注：作业船位置以FPSO转塔中心为原点，沿着1#锚腿路由朝着锚点移动方向为正；浮筒水深以水面为0，水面以下为负；余同。

回收和下放3#连接板过程中，记录了主、辅作业船绞车张力随船位置的变化情况，将分析结果和现场记录数据进行了对比(图5)，可以看出，回收和下放3#连接板时，主作业船提拉绞车实际张力与静力分析结果较为接近，约为静力分析结果的0.55～1.72倍，其中回收时现场记录数据略大于静力分析结果，下放时略小于静力分析结果，其动力分析结果远大于记录数据，约为静力分析结果的1.66～1.85倍；而对于辅助作业船，由于回收时其是按照静力分析结果移船，但下放时向FPSO移动了更多的距离，导致回收和下放两个过程中其提拉绞车张力存在较大差异，其中回收时现场记录数据更贴近静力分析结果，辅助作业船提拉绞车张力动力分析结果约为静力分析结果的1.75～2.60倍。

图5 回收和下放3#连接板过程中主、辅助作业船绞车张力分析结果与现场记录对比

3.4 躺地链下放和回收的分析与验证

在阶段④、⑨中，通过双船配合下放和回收躺地链，为了控制躺地链的形态，设计确定了主、辅作业船作业的路径，并校核船舶能力满足躺地链的下放和回收要求。通过分析可以得到作业过程中主、辅作业船舶绞车钢丝绳收放要求，并给出对应步骤中浮筒水深的变化规律，将分析结果与现场数据记录进行对比(图6)。可以看出，在下放躺地链时，主、辅作业船舶移位在静力分析结果范围内，绞车钢丝绳长度接近静力分析结果；在回收躺地链时，主作业船舶移位超过静力分析结果的范围，原因在于实际作业时绞车钢丝绳一直和躺地链相连并未解脱。从图6中可以看出，主作业船绞车钢丝绳长度随着主作业船向FPSO的移动而减少；辅助作业船舶移位在静力分析结果范围内，其绞车钢丝绳维持长度不变；浮筒实际水深和静力分析结果存在差异，浮筒在实际作业过程中并未按照静力分析结果发生重大上浮现象，其主要原因是静力分析中上锚链长度、海生物重量等取值与实际数据存在差异。

图6 下放和回收躺地链过程中主、辅作业船绞车钢丝绳长度和浮筒水深分析结果与现场记录对比

在下放和回收躺地链作业过程中，记录了主、辅作业船绞车张力随船位置的变化情况，将分析结果和现场数据记录进行对比(图7)，可以看出，在下放和回收躺地链时，主、辅作业船实际采取的移船步骤和静力分析移位步骤不一致，但就绞车张力而言，其实际张力记录数据更贴近静力分析结果，其动力分析结果为静力分析结果的1.72～1.88倍。

图7 下放和回收躺地链过程中主、辅作业船绞车张力分析结果与现场记录对比

3.5 躺地缆回收和铺设的分析与验证

在阶段⑥和⑦中，通过收放绞车实现躺地缆的回收和铺设，完成躺地缆更换。主作业船铺设绞车张力随着船位变化情况如图8所示，可以看出，主作业船实际移船位置和静力分析位置略有差别，大致相差20 m；动力分析结果为静力分析结果的1.48倍；回收和铺设绞车张力实际记录数据均小于静力分析结果，其中铺设受力略大于回收受力，分析认为记录数据存在不准确性，可能原因在于主作业船绞车最大能力为5 000 kN，对于100～200 kN的受力不敏感。

图8 回收和铺设躺地缆过程中主作业船铺设绞车张力分析结果与现场记录对比

基于上述内容，汇总了1#锚腿躺地缆更换作业过程中关键张力参数(表4)。通过分析结果和现场记录数据对比，可以看出，整个作业过程中相关作业设备的实际记录数据更接近静力分析结果，比动力分析结果要小，动力分析结果约为静力分析结果的1.47～2.60倍。

表4 1#锚腿躺地缆更换作业关键张力参数对比

4 结论及建议

基于300 m水深NHSL FPSO系泊系统1#锚腿修复项目，对带有浮筒的系泊腿躺地缆进行更换方案研究，提出了一种双船提拉概念下的锚系在位躺地缆更换方法，开展了躺地缆更换作业的静力和动力分析，并将分析结果和现场记录数据进行对比，验证了更换躺地缆双船提拉方案设计和分析的可靠性，为后续类似躺地缆更换施工作业提供了参考。结合本次工程实施情况，对后续类似项目提出如下建议：

1) 对于每个锚系更换项目，因其更换部件不同，作业方案设计和分析的侧重点不同，建议做好不同部件更换的快速响应详细计划，为应急响应人员提供所需要的指南和工具，以便在失效发生时能够做出关键决策，保证浮式生产设施安全生产；

2) 海上施工作业的数据来源于各种船舶和设备，不便于收集整理，建议搭建海上施工作业数字采集平台，以便实时记录和存储数据，提高施工作业数据化水平。