集束動態(tài)海底電纜安裝分析

石 云， 石錦坤， 郭 宏， 孫 錕， 張西偉

(1. 中海油研究總院有限責任公司，北京 100028；2. 深圳海油工程水下技術有限公司，深圳 518065)

0 引 言

深海油氣資源的開發(fā)既是必然的趨勢，也是未來我國海洋石油開發(fā)的主戰(zhàn)場[1]。水下生產(chǎn)技術作為深水油氣田開發(fā)的主流技術之一，由于不需要建造昂貴的平臺，受災害天氣影響小，且投資對水深變化不敏感等特點而被廣泛采用[2-3]。目前國外水下生產(chǎn)技術已經(jīng)非常成熟，而我國相關技術儲備相對薄弱，經(jīng)驗相對較少，這在一定程度上影響了我國深水油氣資源的開發(fā)[4-6]。水下集束動態(tài)電纜作為水下生產(chǎn)技術的一部分，是我國深海油氣田開發(fā)的必備設施。目前，我國在南海的項目所使用的集束動態(tài)海底電纜全部是進口產(chǎn)品，這些進口產(chǎn)品成本高、供貨周期長、售后服務響應慢。在目前低油價的國際背景下，迫切需要打破國外壟斷，推進集束動態(tài)海底電纜國產(chǎn)化，降低油田開發(fā)成本。

中海油聯(lián)合國內(nèi)電纜廠家開展“集束動態(tài)海底電纜國產(chǎn)化研制”工作，為確保集束動態(tài)海底電纜國產(chǎn)化的可行性，必須基于目標油田環(huán)境條件和施工資源開展電纜的安裝分析來驗證國產(chǎn)海底電纜的主要參數(shù)(最小彎曲半徑、最大允許張力等)是否滿足安裝要求，同時安裝分析也可為將來海上安裝提供參考。

1 集束動態(tài)電纜介紹

深水集束動態(tài)海底電纜由多個單根電纜功能元件組成，動態(tài)纜外觀上都呈圓整、緊湊的形式。纜芯內(nèi)所有空隙填滿填充物或以支撐骨架隔離，鎧裝層由兩個或者兩個以上相反螺旋組成以保證足夠的彎曲性能，最外層一般采用聚合物擠出。動態(tài)電纜的截面如圖1所示，主要參數(shù)如表1所示。

圖1 集束動態(tài)電纜截面圖

表1 動態(tài)電纜參數(shù)

2 安裝分析

海底電纜通常存儲在鋪纜船的轉(zhuǎn)盤(carousel)或者滾筒(reel)上，通過張緊器及下水橋(chute)等設施將海底電纜鋪設至海底。本文以南海某油田作為目標油田開展集束電纜安裝分析，該油田主要開發(fā)設施包括FPSO及水下生產(chǎn)系統(tǒng)，F(xiàn)PSO上設有電站，通過集束動態(tài)電纜給水下電潛泵供電。目標油田水深400 m， 1年重現(xiàn)期波高約為7.5 m，周期為13.9 s。 1年重現(xiàn)期表面流流速約為1.57 m/s，底流流速約為0.4 m/s。

2.1 安裝流程

典型的集束動態(tài)電纜安裝流程如下：

(1) 首端過下水橋： 連接吊機索具到電纜端部，利用吊機輔助，電纜首端逐步通過下水橋，如圖2所示。

圖2 首端過下水橋示意

(2) 首端下放： 下放ROV入水，吊機下放電纜首端至距離海床約30 m處；將吊機轉(zhuǎn)換至升沉補償模式；通過吊機和移船調(diào)整朝向，并緩慢下放至預定位置；隨后進行海底電纜正常鋪設，如圖3所示。

圖3 首端下放示意

(3) 浮力塊安裝階段： 浮力塊可以提供凈浮力，它按一定的間距分布在一定長度范圍的電纜上面，從而構造了動態(tài)電纜的緩波構型，以適應惡劣的海洋環(huán)境和運動。浮力塊外徑為0.88 m，單個浮力塊長度為1.129 m，凈浮力為350 kgf(1 kgf=9.80665 N)。

(4) 動態(tài)段鋪設： 浮力塊安裝完成后，繼續(xù)進行海底電纜動態(tài)段的鋪設，直至電纜末端到達下水橋附近，如圖4所示。

圖4 動態(tài)段鋪設示意

(5) 動態(tài)電纜回接至FPSO：

a. 繼續(xù)鋪設至FPSO，當電纜末端接近卷管艙口時停止鋪設，將絞車的鋼絲繩與電纜末端連接，并通過吊機下放末端至甲板，用絞車臨時固定海纜末端。

b. 移船靠近FPSO，并從FPSO傳遞信號繩至鋪纜船；通過鋪纜船絞車固定信號繩，并將FPSO抽拉絞車鋼絲繩傳遞至鋪纜船。

c. 將抽拉絞車鋼絲繩索接頭與電纜末端連接，拆除信號繩。

d. 下放海纜，同時FPSO絞車緩慢回收，ROV繼續(xù)觀察海底電纜狀態(tài)。

e. 當電纜全部轉(zhuǎn)移至FPSO時，抽拉絞車，ROV拆除吊機、船舶絞車與電纜之間索具，F(xiàn)PSO抽拉絞車繼續(xù)回收，直至電纜抽拉出護管至預定位置，如圖5所示。

圖5 動態(tài)電纜回接至FPSO示意

2.2 接受標準

在安裝施工時，需要滿足如下所列的限制條件：

(1) 電纜有效張力： 電纜所受最大張力不得大于張緊器的工作極限和電纜本身所能承受的最大張力，該數(shù)值為496 kN。

(2) 最小彎曲半徑： 安裝電纜時的最小彎曲半徑不得小于1.95 m。

(3) 間隙： 安裝時，船身與電纜需要保持足夠的安全距離，使得電纜不會與船身發(fā)生碰撞。

2.3 分析軟件

本文利用Orcaflex軟件對海底電纜進行建模分析，得出各安裝流程下的關鍵參數(shù)。Orcaflex軟件由英國Orcina公司開發(fā)，是一款業(yè)內(nèi)領先的、可進行各種海洋工程結構動態(tài)分析的軟件，應用范圍包括各種立管、錨泊系統(tǒng)、拖曳系統(tǒng)及安裝過程等。由于其良好易用的圖形用戶界面及強大的批處理功能，為全世界海洋工程設計公司所青睞。

2.4 靜態(tài)分析結果

在不考慮波浪作用的情況下進行靜態(tài)安裝分析，得出不同安裝階段下的電纜最大有效張力、電纜最小彎曲半徑以及電纜與安裝船的間隙等關鍵參數(shù)，結果如表2～表6所示。

表2 首端過下水橋計算結果

表3 首端下放計算結果

表4 浮力塊安裝階段計算結果

表5 動態(tài)段鋪設計算結果

表6 回接至FPSO計算結果

從以上靜態(tài)分析結果可以看出，電纜的最大有效張力和最小彎曲半徑均在允許范圍內(nèi)，電纜不會與安裝船發(fā)生碰撞。

2.5 動態(tài)分析

在動態(tài)電纜的安裝過程中，浮力塊安裝、動態(tài)電纜鋪設以及回接FPSO階段為關鍵工況，本文將針對該階段開展動態(tài)分析，以最大有效張力、最小彎曲半徑等為限制條件反算出滿足安裝條件的波高，用于指導實際安裝過程，選取合適的安裝窗口。

對于關鍵工況，使用表7所列的工況矩陣進行動力分析，考慮到南海壞境條件和安裝實際情況，波高選取的范圍是0.5～3 m，浪向以45°為間隔選取，波浪跨零周期范圍為5～15 s，分析結果如表8所示。

表7 動態(tài)分析工況

表8 關鍵工況動態(tài)分析結果

表8所示的分析結果是通過采用不同的波浪方向、波浪周期與波高的組合，根據(jù)電纜鋪設控制條件反算出不同安裝階段的允許波高，從分析結果可以看出浮力塊安裝階段對安裝條件限制更為苛刻。

表8顯示在某幾個浪向(相對船首)條件下，浮力塊安裝允許的波高僅僅為0.5 m，但通過進一步分析可知，這種極端情況僅僅發(fā)生在某些特定的波浪周期，發(fā)生的概率非常低，其在不同波浪周期下允許的波高詳細分析結果如表9所示。

表9 浮力塊安裝階段允許波高

從以上動態(tài)分析結果可知： 不同安裝階段所允許的海況條件不同，本項目安裝的關鍵階段為浮力塊安裝階段，應提前根據(jù)天氣預報選擇較為合適的氣候窗口。在實際安裝過程中，也可以通過適當調(diào)整安裝船舶首向，從而使波浪與安裝船的角度位于有利于安裝的區(qū)間。

3 結 語

本文介紹了集束動態(tài)電纜的安裝流程，并針對目標油田，利用Orcaflex軟件開展了靜態(tài)和動態(tài)安裝分析，獲得了最大張力、最小彎曲半徑等關鍵參數(shù)，同時得出了各關鍵工況的波高要求，通過計算分析，可以得出以下結論：

(1) 靜態(tài)分析結果顯示動態(tài)電纜最大張力、最小彎曲半徑等參數(shù)均在允許范圍內(nèi)。

(2) 動態(tài)分析結果顯示不同安裝階段所允許的海況條件不同，在實際安裝過程中應選取合適的環(huán)境窗口，并通過適當調(diào)整船舶首向避免不利的安裝工況。

(3) 通過合理的設計及安裝分析，選取合適的環(huán)境窗口，國產(chǎn)集束動態(tài)海底電纜可以滿足安裝要求。