海洋石油管匯安裝方法及安裝過程力學(xué)分析

付劍波，蘇 鋒，張 凡，陳 偉，劉立新，白 勇

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

我國陸地油田日趨枯竭，未來油氣的增長潛力主要集中在海洋，尤其是深海油氣資源。國內(nèi)淺海石油設(shè)施安裝技術(shù)已經(jīng)相對成熟，但是深海石油開采相關(guān)技術(shù)剛起步。水下生產(chǎn)系統(tǒng)是進(jìn)行深海開發(fā)的關(guān)鍵設(shè)施，管匯作為水下生產(chǎn)設(shè)施重要組成部分，在油氣開采作業(yè)中負(fù)責(zé)油氣的集中和分配，監(jiān)控液體的流動。合理的管匯安裝方法可以縮短海上安裝時間、降低安裝資源需求、節(jié)省海上安裝作業(yè)成本，保障水下生產(chǎn)系統(tǒng)安全運(yùn)營。因此，對管匯安裝方法進(jìn)行深入研究非常有必要。

1 海洋石油管匯介紹

依照ISO 13628－1定義，管匯是安裝在海床上用來收集油氣或向油氣田注水注氣，并對流體流動進(jìn)行分配、控制和監(jiān)控的水下生產(chǎn)設(shè)備［1］。一套完整的管匯系統(tǒng)應(yīng)包含連接器接頭、匯管、分支管、閥門、管匯基礎(chǔ)，部分管匯還需要安裝水下控制單元。按照管匯的結(jié)構(gòu)形式，可將海洋石油管匯分為4類：基盤式管匯、叢式管匯、模塊式管匯和混合式管匯［2］。

基盤式管匯可在單體結(jié)構(gòu)上提供單井鉆井基盤，如果將多個基盤式管匯固定在水下主設(shè)施上，其也可提供叢式鉆井設(shè)施的功能。叢式管匯通常比較?。ㄖ挥?～6個槽孔），連接在管匯上的采油樹相互靠得較近（間距大約為5～15m）。大部分叢式管匯都采用可回收式設(shè)計。模塊式管匯是通過布置模塊的方式進(jìn)行安裝，在管匯安裝之后仍可以通過增減模塊的方式來增減功能和體積。盡管允許在后期增減結(jié)構(gòu)設(shè)施，但模塊式管匯的單個模塊仍屬于標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)并可直接與其他采油設(shè)施配套使用?；旌鲜焦軈R屬于在基盤管匯的基礎(chǔ)上增加衛(wèi)星井接入功能，適用于多井油田［3］?；旌鲜焦軈R一般與立管相連并且更靠近平臺設(shè)施。4種管匯如圖1所示。

圖1 不同結(jié)構(gòu)形式管匯

2 管匯安裝方法選擇

管匯安裝方法可分為月池安裝法、絞車安裝法、滑輪安裝法以及懸垂安裝法等4種方法。前2種屬于常規(guī)安裝方式，后2種是近期發(fā)展的新型安裝方法，主要適用于深水管匯安裝［4］。

月池安裝法是利用鉆井立管，通過平臺月池將管匯下放至水中的方法。對于尺寸不大（小于月池尺寸）的管匯，一般均可采用該方法安裝。絞車安裝法是通過吊機(jī)與絞車的聯(lián)合作業(yè)對管匯實施安裝，這種方法對于尺寸較大以及質(zhì)量較重的管匯比較適用。

滑輪安裝法需要由配備了升降補(bǔ)償系統(tǒng)的半潛式平臺和兩艘操錨船實施作業(yè)，如圖2所示。其中1號操錨船與半潛式平臺負(fù)責(zé)管匯的升降，對S型的鉆井設(shè)備進(jìn)行運(yùn)動補(bǔ)償，2號操錨船負(fù)責(zé)下降管匯方向。

圖2 管匯的滑輪安裝法示意

懸垂安裝法是通過運(yùn)輸船與安裝船聯(lián)合作業(yè)，管匯索具由纜繩連接至安裝船，2艘船之間的距離約為纜繩長度的90%。管匯由運(yùn)輸船下放至水中，由于纜繩的連接，管匯在水中將做鐘擺式運(yùn)動，直至平衡，再通過安裝船纜繩控制管匯其余的下放過程，完成整個安裝。安裝過程如圖3所示。

圖3 管匯的懸垂安裝法示意

采用垂懸安裝法時，由于纜繩采用特殊材料可以有效地阻止管匯振動，并且海水和纜繩的拉力可以有效地緩減管匯的擺動，因此該方法在深水海域具有較高的可行性，且對于節(jié)約安裝成本，加快安裝進(jìn)程有較大的幫助［5］。

為確保管匯安裝過程中的安全性，通常由管匯制造商規(guī)定具體要求及程序。石油公司的規(guī)范規(guī)定了基本功能要求、質(zhì)量保證、安裝測試和檢驗要求以及對健康和安全等方面的注意事項。對于設(shè)備的提升與安裝參數(shù)的計算與分析，必須考慮具體使用的安裝船以及設(shè)備性能。對于水下管匯，無論采用何種安裝方法，在安裝之前都要進(jìn)行檢查和檢驗［6－8］。

管匯安裝所選擇的安裝方法和安裝設(shè)備應(yīng)該具有保障安全和具有可操作性的特點，同時還要有選定的干預(yù)策略。安裝方法的選擇應(yīng)滿足6個條件：

1） 經(jīng)濟(jì)成本與安裝耗時最小化。

2） 滿足安裝環(huán)境條件，例如水深等。

3） 安裝設(shè)備（臨時的或永久的）應(yīng)該不會造成堵塞，也不會影響介入過程［9］。

4） 吊索、安裝所選用的吊裝梁／結(jié)構(gòu)／構(gòu)件的斷開都應(yīng)該符合選定的干預(yù)策略，備份系統(tǒng)也要建立起來。

5） 安裝設(shè)備在安裝、停滯、連接或移動的過程中不應(yīng)該給永久工程帶來任何的風(fēng)險。

6） 提升／安裝配置應(yīng)該按最小的提升質(zhì)量來進(jìn)行設(shè)計。

3 受力分析

管匯在安裝、回收的各個環(huán)節(jié)中都要受到各種載荷因素的影響。安裝方法不同，安裝過程中管匯所受的力和力的作用效果也不同。下面以管匯通過月池安裝的安裝方式為例，分析安裝過程中管匯系統(tǒng)的受力情況。

采用月池安裝方法時，水面上的管匯在吊運(yùn)與下放過程中受力比較復(fù)雜，此時鉆桿末端水深ddri，n＜－h(huán)man－SZU，其中hman為管匯高度；SZU為浪濺區(qū)上層區(qū)域高度，一般為5m。此時管匯、鉆桿均不會受到波浪流的作用，直至管匯下放到波浪波峰臨界點，簡化模型如圖4。

圖4 通過月池安裝階段一系統(tǒng)受力分析

圖4中，以O(shè)點（半潛式平臺中的張緊器）為坐標(biāo)原點建立三維坐標(biāo)系z軸為垂直方向，x軸與管匯長度lman方向平行，y軸與管匯寬度bman方向平行。模型中的主要載荷為鉆桿自重、管匯自重、由船舶運(yùn)動產(chǎn)生的附加載荷、管匯受到的風(fēng)載荷。

管匯下放過程中，不會受到壓緊力的作用，動力效應(yīng)可以通過動力放大系數(shù)DAF進(jìn)行計算，

式中：Ftotal為系統(tǒng)合力；Fsta為靜態(tài)力；mman為管匯在空氣中質(zhì)量；mother為下放索具與其他附件在空氣中質(zhì)量。

當(dāng)管匯下放開始瞬間或突然停止下放時，管匯受到壓緊力作用，特征總力等于：

式中：Fsnap為管匯受到的壓緊力。

管匯相對于海底樁基的各個方向偏移等于吊點相對于海底樁基的偏移：

式中：xct－suc，yct－suc為吊點在x、y 方向相對于樁基的偏移；xrao，yrao為安裝船／鉆井平臺各自由度運(yùn)動量。

管匯相對于坐標(biāo)原點的偏移為零。當(dāng)下放時間為

鉆桿排放長度遵守運(yùn)動學(xué)定律：

式中：k為鉆桿下放加速度變化次數(shù)；tk為鉆桿下放第k次加速度變化時間；adri，k為鉆桿下放第k次加速度；Ldri為鉆桿長度；Ldri－0為鉆桿下放前初始長度。

鉆桿下放速度也遵守運(yùn)動學(xué)定律：

由于鉆桿包含各種接頭及其他的連接部分，根據(jù)鉆桿自身特點將長度為Ldri的鉆桿從原點開始分成n個單元，單元長度li可由具體劃分單元方法確定，若簡化為均質(zhì)鉆桿，單元長度li，因此鉆桿自重為：

式中：wdri－i為鉆桿i部分單位質(zhì)量；li為鉆桿i部分長度。

鉆桿i結(jié)點所處水深為：

鉆桿最大軸向力在鉆桿頂端：

此為鉆桿所受最大軸向力，對管匯安裝時受力分析應(yīng)以此為準(zhǔn)則。

若采用非常規(guī)安裝方式，如采用滑輪安裝方式，最大水深很容易突破1 000m。而更先進(jìn)的垂懸安裝法將在巴西Roncador管匯安裝項目P52中使用，屆時安裝水深會更深。

4 結(jié)語

安裝受力分析是水下管匯安裝過程中不可缺少的一步，它是整個水下安裝過程的理論基礎(chǔ)。本文對管匯下放過程的軸力、撓角、彎矩、偏角以及相對坐標(biāo)等參數(shù)進(jìn)行計算，對于提高海上安裝的可靠性、安全性至關(guān)重要。管匯是一種典型的水下生產(chǎn)設(shè)施，相比采油樹和PLET等其他設(shè)備，管匯的體積和質(zhì)量更大，水下安裝尤其是深水安裝的難度更大。因此，管匯的水下安裝技術(shù)具備一定的代表性。本文中采用的管匯受力分析計算方法主要是從管匯靜態(tài)受力分析來推導(dǎo)管匯整體受力，這種方式能較簡單地得到管匯的受力狀況并能滿足工程實踐需求；但是其忽略了洋流等作用于管匯中的動態(tài)力，因此結(jié)構(gòu)仍具有不確定性，在今后的研究中應(yīng)考慮更先進(jìn)的方法?？傊?，掌握水下管匯的安裝方法和計算分析技術(shù)，對于促進(jìn)我國深水開發(fā)具有重要意義。

［1］王文立.深水和超深水區(qū)油氣勘探難點技術(shù)及發(fā)展趨勢［J］.中國石油勘探.2010，15（4）：71－75.

［2］董衍輝，段夢蘭，王金龍.深水水下連接器的對比與選擇［J］.石油礦場機(jī)械，2012，41（4）：6－12.

［3］Jacques Braile Saliés.經(jīng)驗教訓(xùn)及超深水的未來挑戰(zhàn)：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］劉春厚，潘東民，吳誼山.海底管道維修方法綜述［J］.中國海上油氣，2004，16（1）：59－62.

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

［7］周游，段夢蘭，郭宏，等.深水水平套筒式連接器定位安裝技術(shù)［J］.石油礦場機(jī)械，2013，42（9）：18－22.

［8］楊偉，葉茂，何寧，等.深水深底管道J型鋪設(shè)工藝及設(shè)備研究［J］.石油礦場機(jī)械，2013，42（1）：14－20.

［9］白勇，白強(qiáng).水下生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)手冊：水下管匯及其它水下結(jié)構(gòu)物［K］.北京：中海石油研究中心，2010：40－44.