新型水下結(jié)構(gòu)保護罩在南海典型油氣開發(fā)區(qū)域應用的可行性研究

白 冰， 羅 超， 亢冬春， 趙笑寒， 張曉健

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引 言

目前，漁業(yè)捕撈設備和技術(shù)在不斷進步，對海底油氣田生產(chǎn)設施已經(jīng)造成了極為嚴重的破壞，一旦海底拖網(wǎng)設備對海底管道、水下設施產(chǎn)生沖擊、拉翻、拖掛現(xiàn)象，將大大提高海底管道、水下設施破壞損傷的風險，嚴重危害海洋油氣的安全生產(chǎn)。為降低漁業(yè)捕撈技術(shù)發(fā)展給水下油氣設施帶來的損害風險，亟需對較深水的各種水下油氣設施的保護方案進行針對性的研究。

針對水下模塊類設施的保護方案，目前國內(nèi)通常采用鋼結(jié)構(gòu)保護罩的形式，不僅重量大，不易安裝，且需要做防腐措施，經(jīng)濟性較差。現(xiàn)針對南海東部的典型油田區(qū)域開發(fā)，擬采用一種玻璃纖維增強塑料(下述玻璃鋼)保護罩的形式對水下結(jié)構(gòu)物進行保護，本文將對其技術(shù)可行性進行深入研究[1]。

1 南海典型油氣開發(fā)區(qū)域介紹

南海典型油氣開發(fā)區(qū)域包含的主要水下生產(chǎn)設施包括水下采油樹、水下生產(chǎn)管匯(集成增壓模塊)、柔性跨接管、復合臍帶纜、海管終端(PLET)、集成的水下終端接頭(UTA)和水下分配單元(SDU)等，如圖1和圖2所示[2-3]。

圖1 南海典型油氣開發(fā)區(qū)域水下系統(tǒng)布置

圖2 南海典型油氣開發(fā)區(qū)域水下系統(tǒng)示意

2 南海漁業(yè)對水下結(jié)構(gòu)物損壞現(xiàn)狀

2.1 漁業(yè)活動對水下設施的影響概述

近年海洋漁業(yè)捕撈方式與海洋石油水下設施都在迅速發(fā)展，從上述調(diào)研情況可以發(fā)現(xiàn)，目前對于南海東部自營油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)物影響最大的仍然是漁業(yè)活動。從目前所掌握資料來看，損傷集中發(fā)生在未采用保護措施的水下設施上，而已經(jīng)采取保護的水下結(jié)構(gòu)物暫未發(fā)現(xiàn)異常。

漁業(yè)活動對水下設施造成的損壞歸結(jié)為以下兩個原因：

第一，在水下結(jié)構(gòu)物設計和安裝過程中，只考慮了常見的漁網(wǎng)拖掛方式對水下結(jié)構(gòu)物的影響和解決措施，但是現(xiàn)在中國的捕魚方式除了運動的拖網(wǎng)捕魚外，還經(jīng)常將漁船定點在一處，用燈光誘捕等方式捕魚。而漁船是不會有動力定位的，在海流不急的地方，可以用海錨，在海錨效果不理想的情況下，就會拋落地錨，漁船用的落地錨(鋼纜連接)可以在很深的水域使用，目前已知漁船的拋錨水深可達二百余米，這一拋錨方式對我南海水下設施等產(chǎn)生的危害逐漸顯現(xiàn)和增多。

第二，拖網(wǎng)深度越來越深，之前積累的漁業(yè)活動調(diào)查資料與結(jié)論可能不再適用。ISO 13628—15標準中也明確說明，由于捕撈裝置的發(fā)展，750 m的水深以淺除了做歷史和當下的漁業(yè)活動評估外，還需要評估“未來”的數(shù)據(jù)。

2.2 南海東部自營油田水下結(jié)構(gòu)物損壞現(xiàn)狀

本文對自2016年后，南海東部自營氣田的水下設施異常情況進行了統(tǒng)計，如表1所示。

表1 南海東部自營油氣田水下系統(tǒng)設施異常匯總(水深大于200 m)

無論是起拋錨，還是拖網(wǎng)作業(yè)，目前對于南海東部自營油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)物影響最大的仍然是漁業(yè)活動。從目前所掌握資料來看，損傷集中發(fā)生在未采取保護措施的水下設施上，如LH4-1油田采油樹、SUTU及LH19-5至PY30-1臍帶纜等，而已經(jīng)采取保護措施的水下結(jié)構(gòu)物暫未發(fā)現(xiàn)異常。

淺水或中深水段(不大于300 m水深)的水下結(jié)構(gòu)物很容易受到漁業(yè)捕撈的影響，如水下生產(chǎn)設施被船拖拽并引起管道、臍帶纜、結(jié)構(gòu)物等的損傷(見圖3和圖4)，因此無論是對已投產(chǎn)的水下生產(chǎn)設施進行后保護，還是對新建水下生產(chǎn)系統(tǒng)配套結(jié)構(gòu)進行保護，都是非常必要的。因此，南海典型油田區(qū)域水下生產(chǎn)設施保護裝置的設計和應用急需進行深入和細致的研究[4-5]。

圖3 南海某區(qū)域大面積掛網(wǎng)事故示意

圖4 南海某區(qū)域因鉤掛上海管而被棄置的漁船錨

3 新型水下結(jié)構(gòu)物保護罩的可行性研究

以歐洲為主的石油公司早在20世紀90年代就已開始采用玻璃纖維增強塑料保護罩，對各類水下結(jié)構(gòu)物進行保護，以防止膨脹彎、海纜等管線防落物沖擊，防漁網(wǎng)拖掛和海纜交叉點處理等施工，其具有造價低、結(jié)構(gòu)重量輕、抗腐蝕、便于安裝運輸?shù)葍?yōu)點。

本文將重點根據(jù)其適用要求和試驗特性，分析這種新型水下結(jié)構(gòu)物保護罩在典型油田的適用性。

3.1 水下結(jié)構(gòu)物保護罩的通用要求

油氣田水下結(jié)構(gòu)物在進行基礎設計時，通常避開航道，普通船只在非航道海域路過頻次較低，且拋錨的概率又小，因此模塊類的結(jié)構(gòu)物，如水下采油樹、水下管匯、海底管道終端等，其主要威脅來自拖網(wǎng)作業(yè)等漁業(yè)活動。常見的損傷形式包括結(jié)構(gòu)沉降、整體偏離、密封圈及閥門等零部件失效或者破壞導致的功能失效等[6]。

對于模塊類結(jié)構(gòu)物保護，根據(jù)被保護物的形狀特征，保護罩的外形尺寸可能存在差異，但整體結(jié)構(gòu)類似，均為梯形體，且至少具備以下三個基本性能：

(1) 結(jié)構(gòu)頂面及斜面平滑平整、無外凸結(jié)構(gòu)，具備良好的漁網(wǎng)通過性，當拖網(wǎng)經(jīng)過時，其網(wǎng)袋、桁桿、網(wǎng)板、沉子等不會出現(xiàn)鉤鎖纏繞情況。

(2) 結(jié)構(gòu)具備一定的抗沖擊強度，既要保證其可以有效抵抗落錨撞擊，又要在發(fā)生形變后不會對內(nèi)部的被保護結(jié)構(gòu)造成影響。

(3) 結(jié)構(gòu)應具備可靠性及良好的裝配精度，抵抗環(huán)境條件的疲勞破壞[7-9]。

3.2 新型水下結(jié)構(gòu)物保護罩的優(yōu)點

與傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)保護罩相比，首先玻璃鋼保護罩具有耐化學腐蝕、使用壽命長(長達50年)、重量輕(是鋼結(jié)構(gòu)重量的30%～50%)、抗疲勞等顯著優(yōu)點；其次，由于其材質(zhì)特性，玻璃鋼保護罩的結(jié)構(gòu)設計靈活性大，可設計為各種形狀；最后，運輸時可堆疊運輸，減少運輸費用。在生產(chǎn)和造價上，玻璃鋼保護罩可采用同一模具批量生產(chǎn)，造價低、周期短，與類似規(guī)格的鋼結(jié)構(gòu)保護罩相比，建造費用節(jié)省約25%。圖5為所研制的水下分配單元(SDU)玻璃鋼保護罩的外形圖。

圖5 新型水下結(jié)構(gòu)物保護罩外形圖

3.3 新型水下結(jié)構(gòu)物保護罩所需進行的試驗

根據(jù)水下結(jié)構(gòu)物保護罩通用要求，需要對保護罩就結(jié)構(gòu)進行各種試驗。

(1) 沖擊試驗： 防落錨的試驗。主要是測試2 m×2 m玻璃鋼試驗板在水中的沖擊試驗，即按照設定能量大小進行沖擊，測試玻璃鋼試驗板能否保持不斷裂。沖擊試驗結(jié)果如表2所示。

表2 沖擊試驗結(jié)果記錄

(2) 根據(jù)Norsok-U-001和DNV-OS-C501規(guī)范，試驗板僅有微量變形和分層，重物沒有穿透試驗板，不影響水下設施的正常使用，因此符合規(guī)范和使用要求。

(3) 漁網(wǎng)拖掛試驗： 目的是檢查漁網(wǎng)是否可順利滑過保護罩，漁網(wǎng)拖掛測試與裝配測試同時進行。經(jīng)試驗，漁網(wǎng)下綱、網(wǎng)囊在4個方向均可順利通過保護罩主體，保護罩未出現(xiàn)表面損傷及漁網(wǎng)掛帶現(xiàn)象，拖網(wǎng)試驗合格，符合試驗要求。

(4) 安裝測試試驗： 按照要求，指揮吊機由南向北、由東向西、由西南向東北、由東南向西北4個方向?qū)O網(wǎng)拖過保護罩。

4 新型水下結(jié)構(gòu)物保護罩的安裝方案

新型水下結(jié)構(gòu)物保護罩的安裝方案由船吊配合ROV牽引完成就位安裝，工作主要內(nèi)容： ①ROV預調(diào)查；②障礙物清理；③保護罩吊裝入水；④保護罩翻轉(zhuǎn)就位；⑤保護罩水平吊裝就位；⑥后調(diào)查。施工步驟如圖6所示。

(1) 準備工作： 檢查吊裝索具，確認索具配置正確，索具無損傷；連接側(cè)吊索具至保護罩；吊機下放鉤頭連接吊裝索具。

(2) 側(cè)吊入水： 吊機緩緩起鉤，起吊保護罩，保持保護罩為傾斜狀態(tài)，以便過水面；吊機下放保護罩至水下位置，ROV前往找到保護罩。

(3) 翻轉(zhuǎn)就位： ROV監(jiān)控吊機下放保護罩；距離海床約5 m時，開啟吊機AHC系統(tǒng)；緩慢下放保護罩至海床，確保保護罩平放于海床。

(4) 更換索具： ROV解鉤，解除保護罩側(cè)吊索具；吊機回收索具至甲板；甲板人員更換吊機索具，更換成保護罩平吊索具。

(5) 水平吊裝就位： 吊機下放索具至海底；ROV掛鉤平吊索具至保護罩；ROV監(jiān)控并指揮吊機起吊保護罩，起吊高度約高于水下設施頂部5 m；移動吊機至水下設施上方；ROV指揮并引導保護罩下放；ROV協(xié)助將保護罩就位，完成對其覆蓋保護。

(6) 吊裝配重： ROV解鉤，回收索具至甲板；甲板人員更換吊裝索具，以吊裝配重壓塊；吊機吊裝下放配重壓塊至保護罩邊緣；ROV引導就位配重壓塊，以便于固定保護罩不移動。

5 結(jié) 語

隨著海洋油氣開發(fā)向深海挺進，為規(guī)避臺風、內(nèi)波等惡劣海況，南海油氣的開發(fā)模式已由水面轉(zhuǎn)為水下，更多采用浮式加水下的整體開發(fā)模式，甚至未來會出現(xiàn)全水下開發(fā)模式。大量的水下設施，包括水下采油樹、水下管匯、水下控制模塊、海底管匯終端、臍帶纜終端等將被廣泛應用。隨著漁業(yè)捕撈技術(shù)的發(fā)展，水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的各類結(jié)構(gòu)物將始終面臨社會環(huán)境因素(主要是漁業(yè)活動)的威脅[10]。

本文針對南海東部油田被漁業(yè)影響及損壞的情況，探討了一種玻璃纖維增強塑料保護罩形式對水下結(jié)構(gòu)物進行保護的可行性。通過水下沖擊試驗和漁網(wǎng)拖掛試驗，其測試結(jié)果滿足使用要求，技術(shù)方案基本可行，可以在南海典型油田相關設施上進行推廣應用。