張力腿平臺(tái)鋼樁精就位技術(shù)研究

王浩宇，黃山田，李懷亮，魏佳廣，劉 浩

1.海洋石油工程股份有限公司安裝公司，天津 300452

2.中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東深圳 518067

張力腿平臺(tái)鋼樁精就位技術(shù)研究

王浩宇1，黃山田1，李懷亮1，魏佳廣1，劉 浩2

1.海洋石油工程股份有限公司安裝公司，天津 300452

2.中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東深圳 518067

隨著我國(guó)進(jìn)軍深海油氣田的步伐日益加快，深水張力腿平臺(tái)（TLP）的安裝任務(wù)日益臨近，與傳統(tǒng)的導(dǎo)管架平臺(tái)不同，TLP平臺(tái)沒有類似限定鋼樁位置的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，因此，鋼樁的精確就位方式成為了TLP平臺(tái)安裝的關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)500 m水深油田生產(chǎn)裝備TLP自主研發(fā)課題，研究了傳統(tǒng)的鋼樁精就位方案，并結(jié)合我國(guó)南海海床地質(zhì)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了適合我國(guó)海洋地質(zhì)的整體基盤式深水鋼樁精就位安裝方案。并利用ORCFLEX軟件，對(duì)鋼樁精就位過程中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析，模擬了流速、浪高和波浪周期對(duì)鋼樁運(yùn)動(dòng)的影響，選定了適合鋼樁安裝的天氣窗口參數(shù)，為深水TLP平臺(tái)的進(jìn)一步研究和開發(fā)提供了理論依據(jù)和技術(shù)儲(chǔ)備。

鋼樁；精就位；張力腿平臺(tái)；深水

隨著世界淺海油氣資源的日益枯竭，深水已成為油氣儲(chǔ)量和產(chǎn)量的主要接替區(qū)。在世界范圍內(nèi)，已發(fā)現(xiàn)29個(gè)超過5億桶儲(chǔ)量的深水大型油氣田（水深＞300 m），尤其是近十年來(lái)，億噸級(jí)油田50%來(lái)自深水。世界海洋油氣開發(fā)的戰(zhàn)略重點(diǎn)已逐步轉(zhuǎn)向深水。

我國(guó)南海海域水深在500 m以上的深水區(qū)域約占海域總面積的75%，南海北部陸坡區(qū)的盆地和南沙海域13個(gè)新生代沉積盆地均位于深水區(qū)，深水油氣開發(fā)前景十分廣闊。目前，在深水海域及南沙群島附近共發(fā)現(xiàn)含油氣構(gòu)造200多個(gè)、油氣田180個(gè)，初步估計(jì)石油地質(zhì)儲(chǔ)量約為230億～300億t，約占我國(guó)油氣資源總量的三分之一，是未來(lái)油氣資源的重要增長(zhǎng)點(diǎn)。因此，勘探開發(fā)南海深水油氣資源是保證國(guó)家能源及經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略[1]。

張力腿平臺(tái)（簡(jiǎn)稱TLP平臺(tái)）作為深水開采的主要平臺(tái)裝備，其結(jié)構(gòu)形式區(qū)別于傳統(tǒng)的導(dǎo)管架平臺(tái)。由于沒有導(dǎo)管架的鋼樁定位結(jié)構(gòu)，鋼樁的精就位成為了TLP平臺(tái)安裝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，鋼樁就位的精確與否直接影響到后續(xù)TLP平臺(tái)上浮體的在位性能。因此，通過依托“500 m水深油田生產(chǎn)裝備TLP自主研發(fā)”課題，研究鋼樁精就位關(guān)鍵工藝技術(shù)可以有效解決TLP平臺(tái)水下樁基定位和安裝的瓶頸，為我國(guó)進(jìn)軍深海奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 TL P平臺(tái)概述

TLP平臺(tái)是一種垂直系泊的順應(yīng)式平臺(tái)，如圖1所示。

其主要原理是通過平臺(tái)自身的浮體結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生遠(yuǎn)大于平臺(tái)自重的浮力，浮力除了抵消結(jié)構(gòu)自重之外，所產(chǎn)生的剩余浮力與張力腿的預(yù)張力相平衡。時(shí)刻處于受張力繃緊狀態(tài)的TLP平臺(tái)的橫搖、縱搖和垂直運(yùn)動(dòng)較小，近似于剛性。TLP平臺(tái)所受的水動(dòng)力載荷主要是水平方向的波浪和海流力，它們可通過張力腿的柔性約束，允許平臺(tái)在水平面上的縱蕩、橫蕩和艏搖，有一定自由度的順應(yīng)式運(yùn)動(dòng)。由于張力腿預(yù)張緊力的存在，使得TLP平臺(tái)始終圍繞一個(gè)平衡位置運(yùn)動(dòng)，類似于一個(gè)倒掛的鐘擺。TLP平臺(tái)這樣的結(jié)構(gòu)形式使得它所受的環(huán)境載荷可以通過平臺(tái)自身的慣性力來(lái)得到平衡，從而使TLP平臺(tái)具有良好的運(yùn)動(dòng)性[2]。

圖1 TL P平臺(tái)示意

目前已投入使用的TLP平臺(tái)共有24座（在役22座），其中墨西哥灣15座、西非4座、北海2座、東南亞1座。不同類型的TLP平臺(tái)具有不同的結(jié)構(gòu)特征與技術(shù)特點(diǎn)，但由于它們都是以張力腿垂直系泊的方式將浮式平臺(tái)系泊于深海中，所以，TLP平臺(tái)具有共同的特點(diǎn)[3]：

（1）具有良好的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性。

（2）TLP平臺(tái)為一種半順應(yīng)半固定式的結(jié)構(gòu)，在水平方向是一種順應(yīng)式結(jié)構(gòu)，在豎直方向接近于固定式結(jié)構(gòu)。這一特點(diǎn)使其可以保留傳統(tǒng)固定式平臺(tái)的作業(yè)優(yōu)勢(shì)，其生產(chǎn)與維護(hù)方式與傳統(tǒng)平臺(tái)相似。

（3）對(duì)于深水油田，TLP平臺(tái)造價(jià)不會(huì)隨著水深增加而大幅增加，比固定式平臺(tái)開發(fā)費(fèi)用要低得多，特別是在300～1 500 m水深范圍內(nèi)，采用TLP平臺(tái)優(yōu)勢(shì)明顯。

（4）TLP平臺(tái)可以通過合理選擇上浮體結(jié)構(gòu)形式和設(shè)置合理的張力腿張緊力來(lái)決定張力腿系泊系統(tǒng)的剛度，進(jìn)而調(diào)整TLP平臺(tái)的固有震蕩周期，使其避開海面的波浪頻率。

2 TL P平臺(tái)鋼樁精就位設(shè)計(jì)背景及參數(shù)

2.1 鋼樁精就位設(shè)計(jì)背景

鋼樁精就位是TLP平臺(tái)海上安裝的第一步，其精度直接關(guān)系到后續(xù)TLP平臺(tái)上部模塊的在位性能，就位精度嚴(yán)重不符將會(huì)對(duì)整個(gè)TLP平臺(tái)的安裝造成不可逆的影響。與傳統(tǒng)的導(dǎo)管架樁基安裝不同，深水TLP平臺(tái)沒有類似限定鋼樁位置的裙樁套筒結(jié)構(gòu)，因此，鋼樁的精確就位方式成為TLP平臺(tái)安裝的關(guān)鍵技術(shù)和首要前提。目前，TLP平臺(tái)鋼樁精就位技術(shù)被國(guó)外Heerema、McDermott等少數(shù)公司掌握并壟斷，TLP平臺(tái)安裝專用機(jī)具由Oil state、GE等公司壟斷并有專利保護(hù)。自主研發(fā)一套切實(shí)可行的鋼樁精就位安裝方案，有助于我國(guó)打破國(guó)外技術(shù)壟斷，為挺進(jìn)深海的TLP平臺(tái)安裝攻克難題，提供技術(shù)保障。

2.2 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)

本次TLP平臺(tái)鋼樁精就位設(shè)計(jì)，依托500 m水深油田生產(chǎn)裝備TLP平臺(tái)自主研發(fā)課題。該課題以流花16-2油田相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，流花16-2油田位于中國(guó)南海珠江口盆地，距香港東南約240km，水深約403.7m。流花16-2 TLP平臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 流花16-2TL P平臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)

鋼樁精就位關(guān)鍵技術(shù)研究，包含了井口基盤和樁基的安裝。16-2 TLP平臺(tái)樁基的安裝誤差要求見表2。

表2 流花16-2 TL P平臺(tái)樁基安裝誤差范圍

3 TL P平臺(tái)鋼樁精就位設(shè)計(jì)方案

3.1 鋼樁精就位方案一

本方案是目前外國(guó)海洋工程公司采用的，在墨西哥灣、西非等地安裝時(shí)應(yīng)用的鋼樁精就位方案。方案的具體流程如下[4-6]：

（1）LBL（Long Base Line，長(zhǎng)基線）定位系統(tǒng)布置，調(diào)試、矯正定位布陣系統(tǒng)；根據(jù)ROV（水下機(jī)器人）預(yù)調(diào)查結(jié)果，確定LBL陣列位置；每個(gè)陣列安裝4～5個(gè)信標(biāo)，如圖2所示。

圖2 ROV協(xié)助安裝定位信標(biāo)（左）與L BL陣列（右）

（2）安裝井口基盤，根據(jù)井口基盤位置，確定鋼樁相對(duì)位置坐標(biāo)。

（3）鋼樁浮標(biāo)安裝。依據(jù)井口基盤安裝最終位置，重新計(jì)算調(diào)整鋼樁浮標(biāo)設(shè)計(jì)位置。每個(gè)鋼樁設(shè)計(jì)位置周圍布置4個(gè)浮標(biāo)，用于引導(dǎo)鋼樁準(zhǔn)確安裝在設(shè)計(jì)位置上，如圖3所示。

圖3 鋼樁浮標(biāo)安裝示意

（4）鋼樁扶正。駁船靠泊主作業(yè)船后，將鋼樁平吊至起樁通道，利用翻樁器，將鋼樁扶正。

（5）插樁。鋼樁起樁后，在鋼樁頂部安裝鋼樁垂直度測(cè)量?jī)x，在鋼樁下放的過程中，釋放ROV，監(jiān)控鋼樁底部水中的狀態(tài)。當(dāng)鋼樁下放到海床以上3 m位置時(shí)，根據(jù)LBL信標(biāo)，準(zhǔn)確測(cè)量出鋼樁的設(shè)計(jì)位置。當(dāng)鋼樁在設(shè)計(jì)就位位置上方時(shí)，下放鋼樁至3 m的入泥深度，復(fù)測(cè)鋼樁的坐標(biāo)位置和垂直度，如圖4所示。若鋼樁就位精度滿足要求，則進(jìn)行下步工作，若鋼樁就位精度不滿足設(shè)計(jì)要求，則將鋼樁提出海床面后，返回至上步驟，繼續(xù)進(jìn)行鋼樁精就位作業(yè)。在鋼樁入泥3 m并滿足就位精度和垂直度后，吊機(jī)下放鋼樁至經(jīng)核算可以拔出的深度，再次測(cè)量鋼樁的垂直度，如滿足要求，則繼續(xù)下放至自由入泥深度，如不滿足要求，拔出鋼樁后返回至上步驟。當(dāng)鋼樁下放至自由入泥深度后，測(cè)量鋼樁實(shí)際入泥深度、位置、傾斜度并記錄，回收吊裝器和ROV。

圖4 鋼樁起、插樁示意

（6）打樁。完成插樁作業(yè)后，打樁錘起錘，同時(shí)兩臺(tái)ROV也準(zhǔn)備隨打樁錘一起下水，一臺(tái)ROV觀測(cè)打樁錘，另一臺(tái)觀測(cè)液壓管道；打樁至鋼樁距離設(shè)計(jì)入泥深度約1.5 m（通過ROV觀測(cè)）的距離時(shí)，再次核實(shí)鋼樁相對(duì)于基準(zhǔn)面的高度后，將鋼樁緩慢打入至設(shè)計(jì)入泥深度。如圖5所示。

圖5 鋼樁打樁至設(shè)計(jì)入泥深度示意

（7）安裝帶有陽(yáng)極的張力腿導(dǎo)向裝置。鋼樁打樁完畢后，測(cè)量鋼樁內(nèi)部土塞深度，若土塞高度超過設(shè)計(jì)要求，需進(jìn)行掏土塞作業(yè)。最后，安裝導(dǎo)向陽(yáng)極，回收鋼樁定位布陣系統(tǒng)與定位浮標(biāo)。如圖6所示。

該鋼樁精就位安裝方案以往都是應(yīng)用在海床較軟的海域，我國(guó)南海海域海床相對(duì)較硬，經(jīng)計(jì)算，流花16-2 TLP平臺(tái)鋼樁就位存在自由入泥深度不滿足鋼樁自由站立要求的風(fēng)險(xiǎn)，如表3所示。

圖6 導(dǎo)向陽(yáng)極安裝示意

表3 流花16-2 TL P平臺(tái)鋼樁計(jì)算自由入泥深度與自由站立要求

3.2 鋼樁精就位方案二

根據(jù)土壤地質(zhì)報(bào)告，我國(guó)南海海床下6.8～10.4 m為砂土層，該層的內(nèi)摩擦角為25°，不帶錘時(shí)鋼樁自由入泥深度約為8～10 m，小于自由站立的最低要求19 m。雖然計(jì)算模型經(jīng)過精確模擬優(yōu)化后，計(jì)算的自由入泥深度變?yōu)?0 m，大于最低要求，但該計(jì)算值裕量較小，存在較大的鋼樁自由站立無(wú)法滿足的風(fēng)險(xiǎn)。因此，針對(duì)我國(guó)南海海床地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)了帶有整體輔助基盤的安裝方案二，以滿足鋼樁的自由站立要求，保證鋼樁的就位精度。

整體式基盤分為兩片設(shè)計(jì)，如圖7所示，根據(jù)16-2 TLP平臺(tái)參數(shù)，單片規(guī)格參數(shù)為33.24 m× 66.45 m，單片質(zhì)量約為850 t。

圖7 整體輔助基盤（單片）示意

在帶有整體輔助基盤的安裝方案中，首先利用浮吊，將整體式基盤安裝至設(shè)計(jì)位置，如圖8所示。再將鋼樁起樁后，插入基盤套筒中，完成鋼樁的精就位過程，同時(shí)也避免了鋼樁自由入泥深度不夠的風(fēng)險(xiǎn)。

該方案有效地規(guī)避了我國(guó)南海海床地質(zhì)較硬引起的鋼樁自由站立不夠的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)在鋼樁精就位過程中，省略了鋼樁定位信標(biāo)的布置，避免了鋼樁就位誤差超值而產(chǎn)生的反復(fù)測(cè)量及插、拔樁作業(yè)。

圖8 整體式輔助基盤安裝示意

但該方案整體基盤安裝后無(wú)法進(jìn)行調(diào)平作業(yè)，故在安裝前，要對(duì)海底平整度進(jìn)行預(yù)調(diào)查，平整度不滿足設(shè)計(jì)要求的，要進(jìn)行海底平整度處理。海底嚴(yán)重畸形的則不適用于該方案進(jìn)行鋼樁精就位安裝。

4 海洋環(huán)境對(duì)鋼樁精就位的影響分析

鋼樁的精就位過程始終處于海洋水環(huán)境中，海水的流速、浪高、波浪周期等水文參數(shù)對(duì)鋼樁的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)鋼樁運(yùn)動(dòng)太劇烈時(shí)，會(huì)大大增加鋼樁精就位的作業(yè)難度。因此在研究鋼樁精就位施工方案的同時(shí)，利用ORCFLEX軟件，對(duì)鋼樁精就位過程中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析，模擬了流速、浪高和波浪周期對(duì)鋼樁運(yùn)動(dòng)的影響。為海上施工選擇合適的天氣窗口提供技術(shù)支持。

ORCFLEX模擬鋼樁精就位作業(yè)，選取了浮吊扒桿與船體成40°和180°兩種作業(yè)工況進(jìn)行研究，其數(shù)學(xué)模型如圖9所示。

圖9 浮吊扒桿40°和180°模型

通過計(jì)算分析，在南海海域施工，當(dāng)浮吊扒桿與船體成40°和180°時(shí)，流速對(duì)鋼樁傾斜角的影響基本一致?？紤]吊機(jī)在安裝過程中會(huì)有機(jī)械振動(dòng)、操作等原因產(chǎn)生的傾斜及就位誤差疊加，因此，海洋水文條件影響鋼樁精就位誤差極限值取許用誤差的0.7倍[7]。從圖10可以看出，在流速1.6 m/s時(shí)，最大傾角約為0.7°，是允許最大傾斜度誤差±1°的0.7倍。

圖10 不同扒桿角度下水流流速對(duì)鋼樁傾斜度的影響

圖11 和圖12顯示了扒桿與船體成180°時(shí)，浪高、波周期對(duì)鋼樁傾斜和鋼樁晃動(dòng)的影響，從圖11可以看出，當(dāng)波周期＞11s時(shí)，鋼樁傾斜角度和鋼樁最大晃動(dòng)位移開始顯著增大。由兩幅圖綜合分析，可得知在波周期9 s以下時(shí)，鋼樁的傾斜角和晃動(dòng)值都處于比較穩(wěn)定的趨勢(shì)；在波周期為9 s，浪高為2.5 m時(shí)，鋼樁晃動(dòng)位移約為0.4 m，為允許誤差值（0.6m）的0.7倍。

圖11 扒桿180°時(shí)浪高、波周期對(duì)鋼樁傾斜度的影響

圖12 扒桿180°時(shí)浪高、波周期對(duì)鋼樁晃動(dòng)的影響

根據(jù)ORCFLEX計(jì)算分析，總結(jié)出在我國(guó)南海海域適合鋼樁精就位的天氣窗口條件如表4所示。

表4 南海海域鋼樁精就位的天氣窗口條件

5 結(jié)束語(yǔ)

雖然國(guó)內(nèi)深水油氣田開發(fā)剛剛起步，但隨著國(guó)家走向深海戰(zhàn)略的進(jìn)一步實(shí)施，對(duì)深水油田的開發(fā)日益深入，TLP平臺(tái)的研發(fā)應(yīng)用任務(wù)也提上日程。本文依托“500 m水深油田生產(chǎn)裝備TLP平臺(tái)自主研發(fā)”課題，結(jié)合國(guó)外已有TLP平臺(tái)鋼樁安裝方案，設(shè)計(jì)了常規(guī)的鋼樁精就位方案一和適合我國(guó)南海海床地質(zhì)特點(diǎn)的安裝方案二，并通過ORCFLEX軟件模擬計(jì)算，分析了水文條件對(duì)鋼樁運(yùn)動(dòng)的影響，選取了適合鋼樁精就位作業(yè)的條件窗口。通過深水鋼樁精就位的研究，為未來(lái)深水油氣田開發(fā)，尤其是TLP平臺(tái)樁基的安裝提供了有效的理論依據(jù)和技術(shù)儲(chǔ)備。

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Technicalresearch on accurate positioning ofsteelpiles oftension leg platform

WANG Haoyu1，HUANG Shantian1，LIHuailiang1，WEIJiaguang1，LIU Hao2
1.Installation Company of Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China
2.CNOOC Deepwater Development Co.，Ltd.，Shenzhen 518067，China

With the domestic development of deepwater oil and gas fields，the TLP（tension leg platform） installation task is approaching.Unlike the traditional jacket platform，the TLP platform does not have a jacket structure to limit the steelpile position.Therefore，the pile accurate positioning method becomes the key technology of TLP platform installation. With the research and development project of 500 m water depth oilfield production equipment TLP，we research the traditional pile accurate positioning method，and then design the installation method of pile accurate positioning for the deepwater unitized template according to the geological characteristics in the South China Sea.The pile motion analysis is carried out by the software ORCFLEX，the effects of flow velocity，wave height and wave period on the movement of pile are studied，and the weather window parameters suitable for the pile installation are selected，which provides a theoretical basis and technicalreserve for the further research and development of TLP platform.

steelpile；accurate positioning；TLP（tension leg platform）；deepwater

王浩宇（1985-），男，河北滄州人，工程師，2011年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）動(dòng)力工程及工程熱物理專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事海洋工程結(jié)構(gòu)安裝設(shè)計(jì)研究工作。

2017-02-25

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.04.005

500 m水深油田生產(chǎn)裝備TLP自主研發(fā)（工信部聯(lián)裝[2014]503號(hào)）專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助。

Email：wanghy3@mail.cooec.com.cn