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(dòng)。合理的管匯安裝方法可以縮短海上安裝時(shí)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(dòng)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(gè)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(gè)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(jì)。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(gè)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］。混合式管匯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(shí)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(shí)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(dòng)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(dòng)，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(gè)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(shí)，由于纜繩采用特殊材料可以有效地阻止管匯振動(dòng)，并且海水和纜繩的拉力可以有效地緩減管匯的擺動(dòng)，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(yàn)要求以及對健康和安全等方面的注意事項(xiàng)。對于設(shè)備的提升與安裝參數(shù)的計(jì)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(yàn)［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(diǎn)，同時(shí)還要有選定的干預(yù)策略。安裝方法的選擇應(yīng)滿足6個(gè)條件：

1） 經(jīng)濟(jì)成本與安裝耗時(shí)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(shí)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(dòng)的過程中不應(yīng)該給永久工程帶來任何的風(fēng)險(xiǎn)。

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(jì)。

3 受力分析

管匯在安裝、回收的各個(gè)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(shí)，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(shí)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(shí)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(diǎn)，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(diǎn)（半潛式平臺中的張緊器）為坐標(biāo)原點(diǎn)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(dòng)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(dòng)力效應(yīng)可以通過動(dòng)力放大系數(shù)DAF進(jìn)行計(jì)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(shí)，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(gè)方向偏移等于吊點(diǎn)相對于海底樁基的偏移：

式中：xct－suc，yct－suc為吊點(diǎn)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(dòng)量。

管匯相對于坐標(biāo)原點(diǎn)的偏移為零。當(dāng)下放時(shí)間為

鉆桿排放長度遵守運(yùn)動(dòng)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(shí)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(dòng)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(diǎn)將長度為Ldri的鉆桿從原點(diǎn)開始分成n個(gè)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(diǎn)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(shí)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(xiàng)目P52中使用，屆時(shí)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(gè)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(jì)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(jì)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(shí)踐需求；但是其忽略了洋流等作用于管匯中的動(dòng)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(jì)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(diǎn)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(yàn)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.