海對(duì)海定向鉆穿越平臺(tái)的穩(wěn)定措施

葉立安　趙軍

摘 要：海對(duì)海定向鉆穿越的主要難點(diǎn)在于需在海上建立起能夠適應(yīng)潮汐變化和滿足鉆機(jī)足夠拉力的施工平臺(tái)，保證水中鉆桿的穩(wěn)定。以2022年的黃澤山-魚山原油管道海對(duì)海定向鉆穿越工程為例，介紹了海上定向鉆平臺(tái)和鉆桿的穩(wěn)定的措施，為今后的海對(duì)海定向鉆穿越施工平臺(tái)的選擇積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：海對(duì)海；定向鉆；海上平臺(tái)；穩(wěn)定措施

中圖分類號(hào)：TE52? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2023）12-0098-03

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

黃澤山-魚山原油管道項(xiàng)目位于浙江省舟山市，管道起于黃澤山油品儲(chǔ)運(yùn)貿(mào)易基地，止于魚山綠色石化基地，全長(zhǎng)約46.5 km，其中海底管道約45.7 km，站內(nèi)管道路由長(zhǎng)度約0.8 km，管道為不加熱密閉輸送，全線設(shè)有2座站場(chǎng)。首站位于黃澤山油品儲(chǔ)運(yùn)貿(mào)易基地，末站位于魚山島，為大小魚山的舟山國(guó)際綠色石化基地提供原油。

管線設(shè)計(jì)輸油量為2 000萬t/年，具備遠(yuǎn)期增輸至3000萬t/年輸送能力，設(shè)計(jì)壓力6.5 MPa。海底管道定向鉆段包括兩處海對(duì)海定向鉆及其連接管段。該段管道采用單壁配重管結(jié)構(gòu)，鋼管規(guī)格為Ф813 mm ×23.8 mmAPI5LPSL2×65MO級(jí)直縫埋弧焊鋼管。定向鉆段的配重層厚度為40 mm，定向鉆間的管段的混凝土配重層厚度為130 mm。定向鉆1導(dǎo)向水平長(zhǎng)度為737 m，定向鉆2導(dǎo)向水平長(zhǎng)度為1 025 m，施工位置水深17 m。定向鉆穿越地層主要為粘土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，該地層較適合定向鉆穿越施工。

1.2 自然條件

海底管道路由區(qū)所在海域?qū)俦眮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，冬冷夏熱，四季分明。冬季受北方冷高壓控制，盛行西北風(fēng)，冷而干燥。夏季在西北太平洋副熱帶高壓籠罩下，多東南風(fēng)，暖熱濕潤(rùn)；春秋是季風(fēng)的轉(zhuǎn)變期，多陰雨天氣。

本項(xiàng)目施工位置位于大魚山至黃澤山之間的海域，工程區(qū)附近岱山長(zhǎng)期站的歷史實(shí)測(cè)最高潮位為3.08 m。該區(qū)域?qū)儆跒I海地貌，區(qū)域內(nèi)漲潮、落潮流速急，且涌浪大，對(duì)施工船有一定影響。

2 海對(duì)海定向鉆穿越的特點(diǎn)

海對(duì)海定向鉆穿越的主要難點(diǎn)在于定向鉆施工場(chǎng)地位于海上，一般要在穿越兩端分別布置施工平臺(tái)，其中施工平臺(tái)及平臺(tái)上施工設(shè)備的選擇，需參考具體項(xiàng)目情況及施工海域環(huán)境、地質(zhì)條件等。

海對(duì)海定向鉆穿越施工可以船舶作為施工平臺(tái)，待相關(guān)船舶、鉆機(jī)設(shè)備及輔助設(shè)施就位后，定向鉆機(jī)根據(jù)設(shè)計(jì)的穿越曲線進(jìn)行導(dǎo)向孔鉆進(jìn)和擴(kuò)孔，鉆機(jī)能力需與穿越時(shí)海管回拖拉力配套。擴(kuò)孔完成后，經(jīng)評(píng)估滿足管道回拖條件后進(jìn)行管道回拖作業(yè)。

目前常用的回拖管道預(yù)制主要有兩種形式。一種是由鋪管船在管道回拖前先將管道預(yù)制完成并沉放海底，具備回拖條件后，將回拖管道的管頭與回拖鉆具連接再進(jìn)行管道回拖。另一種方式是具備回拖條件后，將回拖鉆具與鋪管船作業(yè)線上的管道連接，隨后鉆機(jī)與鋪管船同步進(jìn)行管道預(yù)制、回拖[1]。

定向鉆施工時(shí)間必須要保證施工連續(xù)性的特點(diǎn)，而海對(duì)海定向鉆穿越受施工海域環(huán)境影響較大，所以海對(duì)海定向鉆穿越需選擇合適的施工窗口期，避免因受環(huán)境影響而停工，導(dǎo)致施工風(fēng)險(xiǎn)增大的情況。

3 海對(duì)海定向鉆穿越平臺(tái)

由于海對(duì)海定向鉆穿越的出、入土點(diǎn)均位于海上，所以海對(duì)海定向鉆實(shí)施的前提，是需要在海上有一個(gè)能夠承載定向鉆所需施工設(shè)備擺放、作業(yè)的施工平臺(tái)。此平臺(tái)應(yīng)不僅能適應(yīng)潮汐變化，還需在鉆機(jī)作業(yè)時(shí)能夠提供足夠的抗拉能力，保證平臺(tái)與海床之間海水中鉆桿的穩(wěn)定。

目前主要有自升式平臺(tái)和特殊改裝的駁船作為定向鉆的海上施工平臺(tái)，自升式平臺(tái)在國(guó)外曾有案例，本文介紹的黃澤山-魚山原油管道海對(duì)海定向鉆穿越工程，采用的是經(jīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化后的專用定向鉆施工船“天擇一號(hào)”。在施工中，該船的可靠性、穩(wěn)定性、靈活性為工程成功實(shí)施提供了基礎(chǔ)保障。

3.1 自升式平臺(tái)

自升式平臺(tái)在定向鉆施工中的特點(diǎn)是施工過程中不受潮汐影響，適應(yīng)連續(xù)作業(yè)、安全穩(wěn)定，但運(yùn)輸、安裝相對(duì)復(fù)雜，成本也相對(duì)較高。常規(guī)的自升式平臺(tái)未考慮橫向載荷，為承受鉆機(jī)的拉力，還需在鉆機(jī)前端增加抵抗橫向載荷的鋼管樁。鉆桿在水中懸空段的穩(wěn)定性問題，主要通過在海中每間隔一定距離安裝支撐樁來約束鉆桿位置，從而保證鉆桿的穩(wěn)定。自升式平臺(tái)在國(guó)外已有成功應(yīng)用于海上水平定向鉆施工的先例，但國(guó)內(nèi)適于定向鉆使用的自升式平臺(tái)資源很少，尚無實(shí)際工程施工案例。

利用自升式平臺(tái)作為鉆機(jī)施工場(chǎng)地的常用布置如下：在入土端利用自升式平臺(tái)搭建鉆機(jī)施工平臺(tái)，由于平臺(tái)場(chǎng)地有限，施工時(shí)把泥漿系統(tǒng)擺放在一艘駁船上。在出土端布置一艘駁船用于上、卸鉆桿鉆具等操作。在定向鉆進(jìn)期間，安排一艘浮吊船往返于入土端與出土端之間，主要負(fù)責(zé)輔助兩端鉆桿鉆具的上卸等操作。海上穿越施工時(shí)，入土端與出土端平臺(tái)、駁船相對(duì)位置平面圖如圖1所示[2]。

海上的鉆機(jī)施工平臺(tái)采用自升式，平臺(tái)尺寸要求能夠滿足鉆機(jī)及其動(dòng)力源、鉆桿、鉆具等擺放要求。定向鉆用的泥漿系統(tǒng)以及其他配套設(shè)備可擺放在駁船上，駁船通過拋錨固定并捆綁在鉆機(jī)平臺(tái)附近。鉆機(jī)平臺(tái)的錨固以及設(shè)備布置示意圖如圖2所示[2]。

3.2 駁船平臺(tái)

特殊改裝的駁船特點(diǎn)是資源充足、安全可靠、適用性強(qiáng)、運(yùn)輸方便、安裝便捷、成本較低，但在施工過程中駁船受大風(fēng)、臺(tái)風(fēng)等因素影響中斷施工的風(fēng)險(xiǎn)較大，駁船受潮汐的影響上下浮動(dòng)，穩(wěn)定性稍差，且需能夠適應(yīng)潮汐變化可升降的鉆機(jī)才能正常作業(yè)，鉆機(jī)的拉力主要靠船舶的錨系來提供。

黃澤山-魚山原油管道項(xiàng)目海對(duì)海穿越入土側(cè)以經(jīng)過專門設(shè)計(jì)優(yōu)化的“天擇一號(hào)”鉆機(jī)船作為穿越施工主作業(yè)平臺(tái)，出土側(cè)以一艘120 t浮吊船作為輔助施工作業(yè)平臺(tái)。

“天擇一號(hào)”鉆機(jī)船上安裝有600 t水平定向鉆機(jī)（HY-6000型），MP-2500型電動(dòng)泥漿泵（最大流量為2 500 L/min，最高壓力為10 MPa）及NJ-500型泥漿處理系統(tǒng)（處理能力為500 m3/h）等完整的定向鉆施工設(shè)備。

除海上定向鉆施工功能外，“天擇一號(hào)”鉆機(jī)船具備完整的海上鋪管作業(yè)能力，具有管道焊接、檢測(cè)、防腐等配套設(shè)備，張緊器張力160 t，海上鋪管能力為250 m/d。

入土側(cè)定向鉆平臺(tái)和鉆桿的穩(wěn)定措施具體有以下幾種。

3.2.1 定向鉆平臺(tái)的穩(wěn)定措施

3.2.1.1 定向鉆平臺(tái)水平穩(wěn)定措施

采用“天擇一號(hào)”定向鉆機(jī)船（如圖3所示）作為定向鉆施工浮動(dòng)平臺(tái)?！疤鞊褚惶?hào)”鉆機(jī)船長(zhǎng)76.2 m，寬24.38 m，型深5.5 m，總噸位為2 645 t，甲板承載能力20 t/m2，四角配置10臺(tái)120 t錨機(jī)，并配備有10口8 t的“△”型大抓力錨，可為船上鉆機(jī)提供至少600 t的水平抗力。

平臺(tái)的水平穩(wěn)定性依靠駁船自身的錨機(jī)提供。工作時(shí)，通過錨點(diǎn)和船位的GPS數(shù)據(jù)，實(shí)施監(jiān)控船舶位置數(shù)據(jù)。通過錨纜張力傳感器實(shí)施監(jiān)控錨纜張力，保證整個(gè)施工過程船位精準(zhǔn)，出現(xiàn)問題能夠提前預(yù)警。

3.2.1.2 定向鉆平臺(tái)縱向穩(wěn)定措施

對(duì)于駁船上鉆機(jī)的縱向穩(wěn)定（抵抗潮汐能力），由鉆機(jī)下方的縱向補(bǔ)償系統(tǒng)升降裝置（如圖4所示）來彌補(bǔ)潮差對(duì)鉆機(jī)高程的影響。導(dǎo)向孔鉆進(jìn)階段，使用鉆機(jī)升降裝置來保持鉆機(jī)的鉆進(jìn)軸線與鉆桿支撐套管同心，當(dāng)進(jìn)入擴(kuò)孔和回拖階段時(shí)，除使用鉆機(jī)升降裝置外，還可利用鉆桿的彈性和水深，消除潮差影響。

3.2.2 定向鉆鉆桿穩(wěn)定措施

3.2.2.1 導(dǎo)向孔階段鉆桿穩(wěn)定措施

導(dǎo)向孔階段，鉆桿要受到鉆機(jī)的推力，在海水中的鉆桿由于沒有徑向約束，容易失穩(wěn)，所以在鉆導(dǎo)向孔時(shí)，入土段海水中的鉆桿采用樁支撐安裝套管的方式進(jìn)行徑向約束，保持導(dǎo)向孔階段鉆桿穩(wěn)定。

如圖5所示，在海水中的套管采用帶弧度安裝的方法，以縮短套管安裝距離，保證套管下端角度與入土角度一致，上端角度15～18°。安裝套管直徑406 mm，套管支撐樁直徑為610 mm。在鉆機(jī)船上，通過鉆機(jī)下方的升降裝置來使鉆機(jī)軸線對(duì)準(zhǔn)套管中心。

3.2.2.2 擴(kuò)孔階段鉆桿穩(wěn)定措施

擴(kuò)孔時(shí)，鉆桿處于受拉狀態(tài)，為了保持鉆桿穩(wěn)定，給處于海水中的鉆桿提供一個(gè)支撐力，使鉆桿保持垂直方向的穩(wěn)定即可。導(dǎo)向孔完成后，拆除導(dǎo)向孔套管，將兩根支撐樁之間的套管定位裝置更換為支撐鉆桿的橫梁。

3.2.2.3 回拖階段鉆桿穩(wěn)定措施

定向鉆回拖時(shí)，需要從孔內(nèi)拉出管道，與后續(xù)海管段接續(xù)，在回拖前，就需要將鉆機(jī)船后移。拆除擴(kuò)孔期間使用的鉆桿支撐橫梁，使定向鉆管道回拖路由處于一個(gè)凈空狀態(tài)。鉆桿此時(shí)的穩(wěn)定性依靠鉆機(jī)船前端的鉆桿張緊器保持，整體工作示意圖如圖6所示。

4 結(jié)束語

實(shí)踐表明，“天擇一號(hào)”鉆機(jī)船能夠適應(yīng)潮汐變化，滿足鉆機(jī)的拉力，可保證水中鉆桿的穩(wěn)定。浮吊船、鋪管船可以很好地配合入土端鉆機(jī)完成鉆孔、擴(kuò)孔、回拖等作業(yè)，本工程搭建的平臺(tái)穩(wěn)定、可靠，順利地完成了海底管道的穿越。黃澤山-魚山原油管道項(xiàng)目是國(guó)內(nèi)首條海對(duì)海原油管道定向鉆穿越工程項(xiàng)目，其施工工藝為今后的海對(duì)海定向鉆穿越工程平臺(tái)的選擇及工程施工積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 張捷，孫國(guó)民，余志兵，等.海管水平定向鉆穿越方案研究[J].石油和化工設(shè)備，2016，19（8）：29-33.

[2] 鄒星，賈旭，尹剛乾.海對(duì)海定向鉆穿越技術(shù)研究[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2015（2）：43-46+59.

收稿日期：2023-08-24

作者簡(jiǎn)介：葉立安（1972—），男，浙江麗水人，本科，工程師，研究方向：能源工程。