“海洋石油201”用于陵水17-2氣田深水鋼懸鏈立管鋪設的可行性分析*

侯 靜 劉孔忠 熊 剛

(1. 中海油研究總院有限責任公司 北京 100028； 2. 中海石油(中國)有限公司海南分公司 海南?？?570311)

鋼懸鏈立管(SCR)集海底管道與生產立管功能于一體，其結構形式及制造工藝相對簡單，建造成本、施工難度較低，對浮式生產平臺的偏移和升沉具有較強的適應性[1-3]。1994年殼牌公司在墨西哥灣的張力腿平臺Auger上成功使用了世界首條SCR[4]，1996年巴西石油公司首次在墨西哥灣以外海域的Marlim P-18半潛式平臺上安裝了SCR[5]。迄今為止在墨西哥灣、西非、南美等海域已有200余條SCR在役使用。

SCR可使用S-lay、J-lay和卷管法進行鋪設，國外多家工程公司擁有S-lay、J-lay及卷管式鋪管船，并在安裝深水SCR方面積累了豐富的工程經(jīng)驗，其中使用S-lay鋪設的SCR最大水深已達2 500 m[6]。而我國的深水油氣開發(fā)起步較晚，到目前尚未使用過SCR，其安裝技術也處于理論研究階段。國內施工資源與國外相比也有很大差距，目前僅有一艘可用于深水管道鋪設的S-lay鋪管船——“海洋石油201”(HYSY201)。

S-lay鋪設法是一種傳統(tǒng)的海底管道鋪設方法，鋪管船的托管架和張緊器的能力決定其鋪設的管徑和應用的水深[7-8]，故使用S-lay鋪管船鋪設深水SCR時需要對目標船舶進行專項評估。本文對HYSY201用于陵水17-2氣田深水SCR鋪設進行了可行性研究，以其中1條外徑為323.9 mm的SCR為例，介紹了使用HYSY201進行S-lay鋪設的不同階段，以及不同鋪設階段的靜態(tài)和動態(tài)分析結果，為該工程SCR鋪設船舶的選擇提供參考。

1 鋪管工程基本概況

1.1 氣田工程概況

陵水17-2氣田位于我國南海海域，氣田開發(fā)工程設施由一座深水半潛式平臺、水下生產系統(tǒng)、SCR和海底管道組成(圖1a)，氣田水深1 220～1 560 m，其中SCR應用水深約1 433～1 466 m。該氣田開發(fā)工程共有6根SCR(圖1b)，均采用無縫鋼管，分別為1根外徑457 mm的外輸天然氣SCR(GE)，2根外徑323.9 mm的生產SCR(P1、P2)，2根外徑273.1 mm的生產SCR(P3、P4)，以及1根外徑168.3 mm的乙二醇注入SCR(MEG1)，具體參數(shù)見表1。

圖1 陵水17-2氣田開發(fā)工程總體布置及SCR布置

表1 陵水17-2氣田SCR參數(shù)

1.2 HYSY201鋪管船概況

HYSY201鋪管船(圖2a)是我國第一艘具有自航能力、滿足DP3動力定位要求的深水S-lay雙節(jié)點鋪管起重船,作業(yè)管徑168.3～1 524.0 mm，作業(yè)水深15～3 000 m，共有4節(jié)托管架(圖2b)。該鋪管船具體參數(shù)見表2。

圖2 HYSY201鋪管船及其托管架

表2 HYSY201船舶參數(shù)

1.3 環(huán)境數(shù)據(jù)

由于SCR鋪設周期預計為3—10月，故保守選擇一年一遇非臺風工況。用于安裝分析的環(huán)境數(shù)據(jù)見表3、4。

表3 波浪數(shù)據(jù)

表4 海流數(shù)據(jù)

1.4 鋪設分析工況及判斷標準

1.4.1分析工況

進行SCR鋪設分析時基于以下條件：鋪設水深1 433～1 466 m；考慮SCR預鋪在海床上；不包含管端結構物(PLET)的安裝分析；不包含SCR提升、回接分析；托管架曲率半徑為92 m。SCR鋪設取靜態(tài)及動態(tài)2種工況進行分析，靜態(tài)分析時不考慮波浪、船舶系統(tǒng)的時變效應，主要獲取鋪管各個階段的關鍵參數(shù)，如SCR最大頂部張力、最大應變等，隨后根據(jù)靜態(tài)分析識別的關鍵工況進行動態(tài)分析。

基于S-lay鋪設方法，SCR的預鋪設可分為3個階段[9](圖3)。

圖3 S-lay鋪設法不同鋪設階段管道構型

1) 起始鋪設。隨著鋪管船的前移，SCR緩慢下放至海底，SCR逐漸由豎直狀態(tài)變?yōu)樗綘顟B(tài)。起始鋪設將對起始封頭下放直到接近海床的全過程進行分析，以確保SCR在起始鋪設過程中滿足要求。

2) 正常鋪設。在起始封頭到達海床后，按照預定的路由進行正常鋪設。在起始鋪設和正常鋪設中，都是SCR被張緊器張力牽拉支撐在托管架的滾輪上。通過該分析可確定HYSY201的滾輪配置以及鋪設張力是否滿足需求。

3) 終止鋪設。當SCR鋪設達到預定長度后，將A/R纜連接在SCR末端棄管封頭上，進行A/R絞車和張緊器張力轉換后下放A/R纜，逐步將SCR下放至海床上。終止鋪設分析需要模擬A/R纜隨著棄管封頭通過托管架的整個過程。

本文采用OrcaFlex v10.3軟件，按以下步驟評估使用HYSY201進行SCR鋪設的可行性：①收集SCR的設計參數(shù)和安裝程序；②驗證船舶RAO和作業(yè)場址海況條件以識別載荷工況；③對SCR每個鋪設階段進行靜態(tài)分析；④根據(jù)SCR靜態(tài)分析結果識別關鍵步驟進行動態(tài)分析；⑤判斷由HYSY201進行SCR鋪設的可行性。

1.4.2鋪設分析接受標準

根據(jù)API RP 1111[10]中定義的縱向載荷設計(Longitudinal Load Design，LLD)、組合載荷設計(Combined Load Design，CLD)、彎曲和外壓引起的屈曲(Buckling Due to Combined Bending and External Pressure，BEP)，對管道的上彎段和懸垂段進行校核，校核結果均應小于1.0。鋪設分析結果除應滿足API RP 1111標準要求外，還應滿足DNV GL OS-F101安裝應變標準[11]，即上彎段靜態(tài)分析應變不大于0.25%，動態(tài)分析應變不大于0.305%；懸垂段靜態(tài)分析應變不大于0.15%，動態(tài)分析應變不大于0.20%。此外管道最大頂部張力應小于HYSY201張緊器能力(400 t)，托管架滾輪的最大支反力應小于允許的最大支反力(40 t)。

2 HYSY 201鋪管船用于SCR鋪設的可行性分析

2.1 鋪管船運動RAO

在鋪設作業(yè)中，鋪管船受波浪的影響會發(fā)生垂蕩、縱搖和橫搖，對管道受力有顯著影響。為了更準確地模擬鋪管船的運動對管道受力的影響，使用商業(yè)軟件ANSYS AQWA計算了HYSY201在波浪方向為0°、45°、90°、135°和180°(圖4)的6個自由度運動的RAO。

圖4 波浪入射方向

圖5展示了波浪方向在0°～180°，以45°為增量的情況下HYSY201在不同波浪周期下的垂蕩、橫搖和縱搖RAO結果。

圖5 HYSY201垂蕩、縱搖、橫搖RAO

2.2 φ323.9 mm SCR鋪設過程的靜態(tài)與動態(tài)分析

2.2.1起始鋪設階段

1) 靜態(tài)分析。

SCR起始鋪設階段的靜態(tài)分析共23個步驟，前12個步驟模擬SCR垂直下放，直到管道起始端剛好位于海床上。隨后的11個步驟包括隨著不斷下放管道，鋪管船沿鋪設路由向前移動，連接起始錨的起始纜和管道形成懸鏈線的形狀。表5列出了SCR起始鋪設階段的靜態(tài)分析結果。

由表5可知，步驟12處上彎段的SCR應變較高，這是因為SCR全部長度自由懸掛在托管架上，處于最重的情況。所有23個步驟管道LLD、CLD和BEP的載荷系數(shù)均小于1.0，管道最大頂部張力為138 t，在HYSY201的張力范圍內(<400 t)，管道最大應變也在允許范圍內。

表5 SCR起始鋪設階段靜態(tài)分析結果

2) 動態(tài)分析。

根據(jù)靜態(tài)分析結果，選定步驟12進行SCR起始鋪設階段的動態(tài)分析，確定鋪管船運動對不同響應參數(shù)的影響，如管道最大應變、管道最大頂部張力和滾輪最大支反力。動態(tài)分析工況選擇如下：波浪方向以45°為增量從0°到180°、譜峰周期以1 s為增量從6 s到14 s。所有工況均保守考慮有效波高2.5 m。每個靜態(tài)載荷步驟選擇45個載荷工況(5個波浪方向×9個譜峰周期)進行動態(tài)分析。

從45種工況中選取SCR最大頂部張力和最大應變(表6)以及托管架滾輪最大支反力(經(jīng)計算最后一節(jié)托管架的滾輪支反力最大，故僅列出最后一節(jié)托管架3個滾輪E1、E2、E3的支反力)(表7)進行分析?？梢钥闯觯?0°波浪方向，8 s譜峰周期時管道最大動態(tài)頂部張力為149 t，在HYSY201的張力允許范圍內(<400 t)；在45°和90°波浪方向，14 s譜峰周期時，管道最大應變超過允許限制，進一步分析發(fā)現(xiàn)該工況在有效波高為1.5 m時最大應變在許用范圍內；第1個滾輪即E1支反力在135°波浪方向、14 s譜峰周期時，達到最大，為21.9 t；第2個滾輪即E2支反力在90°波浪方向、14 s譜峰周期時，達到最大，為30.0 t；最后1個滾輪即E3在0°波浪方向、14 s譜峰周期時支反力達到最大，為25.0 t，均在HYSY201滾輪最大支反力允許范圍內(<40 t)。

表6 SCR起始鋪設階段管道最大動態(tài)頂部張力和應變

表7 SCR起始鋪設階段滾輪最大支反力

2.2.2正常鋪設階段

1) 靜態(tài)分析。

正常鋪設是從SCR起始鋪設結束到終止鋪設開始的階段，管道考慮空管和充水2種工況，分別針對SCR所處位置最大和最小鋪設水深進行分析。靜態(tài)分析結果見表8，可以看出空管和充水工況下管道LLD、CLD和BEP的載荷系數(shù)均小于1.0，管道最大應變在允許范圍內，充水工況下最大水深時管道頂部張力最大為216 t，在HYSY 201的張力范圍內(<400 t)。

表8 SCR正常鋪設階段靜態(tài)分析結果

2) 動態(tài)分析。

針對水深1 466 m的正常鋪設情況進行動態(tài)分析，載荷工況與起始鋪設的動態(tài)分析相同，分析結果見表9、10。從表9可以看出，在空管和充水工況下，在90°波浪方向、8 s譜峰周期時SCR最大動態(tài)頂部張力分別為154 t、253 t,在HYSY201的張力允許范圍內(<400 t)；在90°波浪方向、14 s譜峰周期時SCR的最大應變分別為0.26%和0.27%，均在允許范圍內(<0.305%)。從表10可以看出，E1處滾輪在135°波浪方向、14 s譜峰周期時支反力最大，達到31.5 t；E2處滾輪在90°波浪方向、14 s譜峰周期時支反力最大，達到34.3 t；E3在0°波浪方向、14s譜峰周期時支反力最大，達到17.0 t，均在HYSY201滾輪最大支反力要求范圍內(<40 t)。

表9 SCR正常鋪設階段最大動態(tài)張力和應變

表10 SCR正常鋪設階段滾輪最大支反力

2.2.3終止鋪設階段

1) 靜態(tài)分析。

本次分析計算了終止鋪設階段中通過A/R纜將SCR的末端下放至海底的過程。分析根據(jù)A/R纜長度不同設定為空管和充水等4個步驟。終止鋪設階段靜態(tài)分析結果見表11，可以看出在空管和充水工況下管道LLD、CLD和BEP的載荷系數(shù)均小于1.0，SCR最大應變均在允許范圍內，充水工況下A/R纜最大頂部張力為221 t，在HYSY 201的張力允許范圍內(<400 t)。

表11 SCR終止鋪設階段靜態(tài)分析結果

2) 動態(tài)分析。

選取終止鋪設階段步驟2進行動態(tài)分析，載荷工況與起始鋪設和正常鋪設階段的動態(tài)分析相同，分析結果見表12、13。從表12可以看出在空管和充水工況下，A/R纜的最大動態(tài)頂部張力分別為143 t和229 t，滿足HYSY 201船A/R絞車能力要求(<400 t)。SCR的最大應變分別為0.12%和0.14%，都保持在允許范圍內(<0.305%)。從表13可以看出最大滾輪支反力出現(xiàn)在90°波浪方向、14 s譜峰周期，位置為E1處，達到27.7 t，在HYSY201滾輪最大支反力要求范圍內(<40 t)；同時還可以看出，在該鋪設階段，各種工況下托管架尾部的最后一個滾輪E3都不會與A/R纜接觸。

表12 SCR終止鋪設階段最大動態(tài)頂部張力和應變

表13 SCR終止鋪設階段滾輪最大支反力

2.3 其他管徑的SCR鋪設分析

針對表1中列出的其他尺寸規(guī)格的SCR進行了S-Lay鋪設可行性分析，其中外徑為168.3 mm和273.1 mm的SCR計算結果趨勢與前文分析結果相似，均在允許范圍內。外徑為457.0 mm的SCR鋪設分析結果(表14)顯示：各鋪設階段托管架上SCR的最大應變均超過了允許值，管道頂部張力、A/R絞車載荷和托管架滾輪支反力都顯著增大，并超出了HYSY201的能力極限，表明HYSY 201無法鋪設該尺寸SCR。

表14 外徑457.0 mm的 SCR鋪設分析結果

根據(jù)以上計算分析結果，結合陵水17-2氣田投產計劃和工程方案，最終決定由HYSY201采用S-lay法進行φ168.3mm SCR的預鋪設作業(yè)，待半潛式平臺回接后其他尺寸的SCR由外租J-lay鋪管船Borealis進行后鋪設作業(yè)。

3 結論及建議

1) 在陵水17-2氣田開發(fā)條件下，HYSY201鋪設外徑小于323.9 mm的SCR時，管道頂部張力和滾輪支反力均在HYSY201的張緊器等設備允許范圍內，管道最大應變等也在規(guī)范允許范圍內，故HYSY201可滿足外徑不大于323.9 mm的SCR的鋪設要求；而鋪設外徑為457 mm的SCR則需要使用其他更高能力的S-lay鋪管船或J-lay鋪管船完成鋪設。

2) 在整個鋪設過程中，起始鋪設階段比正常鋪設階段時對天氣的要求更為嚴格。

3) 首迎浪時SCR的應變較橫浪和斜浪時小，可作業(yè)氣候窗口較大，后續(xù)應進行更為詳細的安裝計算以確定各階段的可作業(yè)氣候窗口。