海上油田油氣設(shè)施棄置方案研究

羅曉健

中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司，北京 100028

自上世紀(jì)60年代至今，我國已建造海洋石油平臺200多座，一般海洋石油平臺的設(shè)計(jì)壽命為20～30年，目前我國已有多座海洋平臺達(dá)到設(shè)計(jì)壽命。海上油氣設(shè)施廢棄后若不采取合理的處置措施，可能會對海洋環(huán)境造成重大危害。井口未封堵會導(dǎo)致油、氣、水層互竄或溢出，污染地層和海洋；廢棄的管道和設(shè)備由于腐蝕產(chǎn)生破損，管道和設(shè)備中殘液滲漏造成海洋污染，甚至引發(fā)火災(zāi)爆炸；結(jié)構(gòu)腐蝕后，遭受風(fēng)浪、海流和海冰侵襲而發(fā)生倒塌，將影響船舶通航安全，坍塌的結(jié)構(gòu)、設(shè)備和殘?jiān)鼤斐珊Ｑ蠖挝廴?。為了避免停產(chǎn)的油氣設(shè)施污染海洋環(huán)境，國家能源局《海洋石油平臺棄置管理暫行辦法》規(guī)定“海上油氣田終止生產(chǎn)后，如果沒有新的用途或者其他正當(dāng)理由，作業(yè)者應(yīng)當(dāng)自終止生產(chǎn)之日起1年內(nèi)開始廢棄作業(yè)”[1]。海上油氣設(shè)施棄置技術(shù)復(fù)雜，風(fēng)險(xiǎn)高，為了確保后期施工安全，降低海上操作成本，本文以渤海某油田為例，對海上油田總體棄置方案進(jìn)行研究，制訂了合理的實(shí)施方案，為類似油田棄置方案編制提供參考。

1 海上油田設(shè)施概況

油田位于渤海南部，面積29 km2，水深8～9 m，包括3座導(dǎo)管架平臺：DPA（16口生產(chǎn)井、6口注水井、1口氣井、1口水源井，共有24口井）、DPB（12口生產(chǎn)井、6口注水井，共有18口井）、DPC（12口生產(chǎn)井、6口注水井，共有18口井），9 km海底管道。3座平臺通過棧橋相連，其中DPA為中心處理平臺，兼做井口平臺，DPB、DPC為井口平臺。3座平臺的產(chǎn)液經(jīng)DPA進(jìn)行油、氣、水分離處理后通過海底管道送往陸地處理廠，分離氣或井口產(chǎn)氣輸送到DPA平臺的渦輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，回注水經(jīng)由DPA平臺的注水泵分配后回注到各個(gè)井口。平臺設(shè)有修井機(jī)滿足日常井口修理維護(hù)需要，DPB平臺設(shè)有50人生活樓。平臺外觀見圖1，各平臺質(zhì)量及外型尺寸參數(shù)見表1。

圖1 平臺外觀

表1 各平臺質(zhì)量及外型尺寸詳細(xì)參數(shù)

2 棄置方案

2.1 棄置流程

海上棄置作業(yè)需動用大型平臺、船舶等資源，同時(shí)受海洋惡劣環(huán)境的影響，施工組織難度大；海上作業(yè)具有成本高、風(fēng)險(xiǎn)大、安全環(huán)保要求嚴(yán)等特點(diǎn)。合理地制訂施工流程、減少船舶動用次數(shù)和海上作業(yè)天數(shù)可有效降低施工風(fēng)險(xiǎn)，減少施工成本，保護(hù)海洋環(huán)境[2-3]。本工程海上棄置流程如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)清洗

圖2 海上油田棄置流程

海上油氣設(shè)施停產(chǎn)后，系統(tǒng)里仍存有殘油、天然氣或化學(xué)藥劑等，為了保證拆除過程的安全，避免環(huán)境污染，海上拆除前應(yīng)對系統(tǒng)進(jìn)行清洗。海上清洗工程量大，費(fèi)用高，因此清洗以能達(dá)到拆除切割管道的標(biāo)準(zhǔn)、不污染環(huán)境為目的，為此要對海上作業(yè)產(chǎn)生危害的系統(tǒng)進(jìn)行泄放、清洗、置換，如海底管道、平臺工藝系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)等。平臺清洗前應(yīng)排放和收集油罐、開排罐、開排槽、化學(xué)藥劑罐、應(yīng)急及日用罐等內(nèi)的存液；對平臺原油處理系統(tǒng)、閉排系統(tǒng)進(jìn)行泄壓，泄放氣體通過放空管引至安全地點(diǎn)排放；對平臺上的管道內(nèi)液體進(jìn)行低點(diǎn)排放、收集。泄放完畢后，根據(jù)系統(tǒng)流程利用軟管建立臨時(shí)循環(huán)回路，排查管道無泄漏后可進(jìn)行清洗作業(yè)。

清洗順序?yàn)椋汉５坠艿馈蜌馍a(chǎn)系統(tǒng)→化學(xué)藥劑系統(tǒng)→柴油系統(tǒng)→閉排系統(tǒng)→開排系統(tǒng)，在不相互沖突的情況下，相互獨(dú)立的清洗作業(yè)可交叉進(jìn)行。對于海底管道，利用外加泵輸送淡水作為動力，采用清管球加清洗藥劑的方式進(jìn)行清洗；海上平臺的管道采用蒸氣加氣相除油劑的方式進(jìn)行清洗；系統(tǒng)內(nèi)單一設(shè)備的清洗，采用高壓射流與人工清理的方式進(jìn)行。清洗后外觀檢驗(yàn)無明顯油污，廢液含油質(zhì)量濃度≤30 mg/L，可燃?xì)怏w濃度小于爆炸極限體積分?jǐn)?shù)0.25%以下。

2.3 井口棄置

海上棄井一般采用鉆修井平臺或模塊鉆機(jī)進(jìn)行作業(yè)。本平臺設(shè)有修井機(jī)，并且該修井機(jī)經(jīng)升級改造后能滿足棄井作業(yè)要求，可大大減少施工成本。圖3為海上棄井的基本流程。

圖3 海上棄井的基本流程

首先進(jìn)行棄井準(zhǔn)備，包括泄壓、拆采油樹、安裝防噴器、配壓井液等；準(zhǔn)備工作完成后開始起原井生產(chǎn)管柱、通井、循環(huán)洗井；然后逐層注水泥塞封堵油氣層、試壓、負(fù)壓驗(yàn)封；油氣層封住且試壓合格后切割、回收上部油層套管，在表層套管鞋處注水泥塞、試壓；表層套管鞋處水泥探塞試壓合格后拆防噴器，依次逐層切割中間套管、表層套管，封堵套管切割口，并打井口水泥帽。規(guī)范要求隔水管需切割至泥面以下4 m，通常隔水管切割由海工棄置作業(yè)方完成。為了給隔水管切割留出作業(yè)空間，棄井時(shí)打水泥帽至泥面以下5 m。水泥帽探塞試壓合格后將修井機(jī)移至下一口井進(jìn)行棄井作業(yè)，同時(shí)整理?xiàng)壘^程資料，編制棄井報(bào)告。

由于每口井的井身結(jié)構(gòu)都不相同，井內(nèi)管柱及水泥塞位置均不相同，施工時(shí)需針對每口井進(jìn)行專門的棄井設(shè)計(jì)。圖4為某三開井棄置前后的井身結(jié)構(gòu)示意。

2.4 預(yù)調(diào)查、后調(diào)查及結(jié)構(gòu)檢測

為獲取準(zhǔn)確的施工資料，對施工海域有一個(gè)全面的了解，工程施工前需對施工區(qū)域進(jìn)行預(yù)調(diào)查，包括平臺及海底管纜區(qū)域的水深測量和側(cè)掃聲吶測量，以查明平臺及海底管纜區(qū)域的地形地貌及障礙物分布情況；海底管纜的淺地層剖面測量，以查明海底管纜的裸露及埋深情況。通常水深測量范圍為平臺邊緣線100 m和海底管纜中心線兩側(cè)各50 m寬度的管纜路由區(qū)域；側(cè)掃聲吶范圍為各個(gè)平臺外緣300 m的區(qū)域及以各個(gè)平臺所在位置為中心的半徑500 m范圍內(nèi)的區(qū)域，海底管纜中心線兩側(cè)各300 m寬度的管纜路由區(qū)域。棄置完成后還應(yīng)進(jìn)行后調(diào)查作業(yè)，核查最終的棄置狀態(tài)與批準(zhǔn)的棄置方案是否一致，并且清除其遺留在施工作業(yè)水域的礙航物體。后調(diào)查以側(cè)掃聲吶測量為主，測量范圍為以各個(gè)平臺所在位置為中心的半徑500 m范圍內(nèi)的區(qū)域，和以海底管纜為中心線的兩側(cè)各100 m寬度范圍內(nèi)的管纜路由區(qū)域。

圖4 棄置前后的井身結(jié)構(gòu)示意

平臺拆除前，應(yīng)對平臺導(dǎo)管架、上部組塊進(jìn)行一次系統(tǒng)檢測，包括構(gòu)件測厚、海生物測量、構(gòu)件機(jī)械損傷檢查、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)有無損傷等，以便于準(zhǔn)確掌握平臺的現(xiàn)狀，作為拆除工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[4]。檢測范圍包括：導(dǎo)管架構(gòu)件是否完整，有無機(jī)械損傷和變形，導(dǎo)管架附近有無障礙物；防沉板下的泥土掏空及面層泥土附著情況；導(dǎo)管架的腐蝕情況與壁厚測量；水上結(jié)構(gòu)的外觀腐蝕情況及壁厚測量；水上結(jié)構(gòu)（組塊和棧橋等）吊耳是否可用等?，F(xiàn)場檢測時(shí)首先對結(jié)構(gòu)外觀進(jìn)行檢查，對關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、油漆脫落嚴(yán)重及外觀有損傷的結(jié)構(gòu)采用較為簡便的磁粉探傷（MT）進(jìn)行檢測。如果發(fā)現(xiàn)表面裂縫或裂紋，則結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在損傷的可能，需采用超聲探傷（UT）復(fù)測，確定損傷情況。平臺拆除前應(yīng)將影響吊裝安全的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)。

2.5 海底管道棄置

海底管道兩端均采用立管方式登陸，立管在平臺上的固定采用立管卡，平管段采用后挖溝埋設(shè)，自然回填，埋設(shè)深度為管頂距離泥面1.5 m。潛水員利用水下切割機(jī)將兩端立管從膨脹彎處切割，平臺端的立管隨導(dǎo)管架起吊，登陸點(diǎn)立管利用陸地汽車吊拆除。為提高平管段的回收效率，可采用鋪管的逆向方法實(shí)施收管作業(yè)。海底管道大部分埋藏于海床面以下，棄置前采用潛水挖溝機(jī)將覆蓋在管道上的淤泥、掩埋物等予以清除，使管道完全裸露于溝槽底部，以確保管道可以順利地回收到鋪管作業(yè)線上。通過AR絞車將管道回收至張緊器位置夾緊，當(dāng)管道切口處于檢測維修站和組對焊接站位置時(shí)實(shí)施切割，切下的管道吊裝到船舶管道堆場，后期由自航駁船運(yùn)輸?shù)桨?，然后通過不斷絞錨進(jìn)船，完成管道的回收。圖5為海底管道回收作業(yè)示意。

圖5 海底管道回收作業(yè)示意

2.6 平臺拆除

2.6.1 浮吊吊裝拆除設(shè)計(jì)

平臺拆除方式包括分塊拆除和整體拆除。分塊拆除海上作業(yè)時(shí)間長、風(fēng)險(xiǎn)大、成本高，一般適用于裝備資源缺乏，沒有合適的工程船舶；單體質(zhì)量過大，海上吊裝困難；水域較淺，大型船舶無法作業(yè)等情況。DPA組塊質(zhì)量為2 541 t，安裝年代較早，沒有合適的船舶資源，平臺建造安裝時(shí)采用了浮托法安裝。DPB組塊質(zhì)量1 536 t、DPC組塊質(zhì)量1 213 t，拆除時(shí)需要2 000 t左右的浮吊配合作業(yè)。目前國內(nèi)3 000 t浮吊資源較多，為了減少船舶的調(diào)遣費(fèi)用，本次所有組塊拆除均采用3 000 t浮吊進(jìn)行吊裝拆除，因此應(yīng)對DPA組塊進(jìn)行吊裝分析。利用SACS軟件對平臺吊裝進(jìn)行模擬分析，計(jì)算發(fā)現(xiàn)：

（1）采用直接吊裝方法吊裝有較多的梁柱不滿足吊裝要求，計(jì)算結(jié)果見圖6（a）。

（2）經(jīng)研究通過增加吊裝框架可增加吊索與結(jié)構(gòu)的夾角，從而減少結(jié)構(gòu)受力，圖6（b）為增加吊裝框架后的計(jì)算結(jié)果，從圖中可見，除4根斜撐外，其他桿件強(qiáng)度均滿足吊裝要求。

（3）采取對斜撐進(jìn)行加強(qiáng)處理的措施，圖6（c）為結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后的計(jì)算結(jié)果，各梁柱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可滿足吊裝要求。

2.6.2 平臺拆除過程設(shè)計(jì)

通常平臺拆除遵循從上到下，從簡單到復(fù)雜，先拆除棧橋，再拆除上部組塊，然后拆除導(dǎo)管架及隔水管、棧橋樁及火炬樁等下部結(jié)構(gòu)的總原則，同時(shí)考慮起拋錨次數(shù)最少、等待時(shí)間最短、運(yùn)輸駁船往返次數(shù)最少等因素。根據(jù)油田總體布置、各平臺重量和設(shè)備設(shè)施及海上的拆除原則，制訂了平臺拆除的總體流程（見圖2），按照生活樓、修井機(jī)模塊、棧橋、DPB上部模塊、DPC上部模塊、DPA上部模塊、DPA導(dǎo)管架及隔水管、DPB導(dǎo)管架及隔水管、DPC導(dǎo)管架及隔水管的順序進(jìn)行拆除，可減少船舶就位次數(shù)，并有利于拆除結(jié)構(gòu)物在駁船的布置。

（1）將浮吊拖航至DPB北側(cè)就位。船舶就位后，首先完成生活樓、修井機(jī)模塊預(yù)拆除，棧橋切割與吊裝，散件吊裝，活動設(shè)備固定等工作，并恢復(fù)各平臺的吊點(diǎn)。

（2）吊點(diǎn)焊完成，在無損檢測合格后，開始進(jìn)行DPB組塊的切割與吊裝，拆除完成的結(jié)構(gòu)件按照提前設(shè)計(jì)的布置圖放置在駁船上，并進(jìn)行綁扎固定。

圖6 DPA組塊吊裝分析結(jié)果

（3）由于海上拆除工作量大，經(jīng)過多次優(yōu)化布置計(jì)算得出，本次拆除需要3個(gè)船次的運(yùn)輸，每次運(yùn)輸時(shí)浮吊都需要跟隨駁船到碼頭進(jìn)行吊裝上岸。按照既定的拆除流程，逐步完成剩余組塊及導(dǎo)管架的拆除。船舶運(yùn)輸及碼頭吊裝期間可進(jìn)行隔水管的排泥、水下切割作業(yè)和下步工序的準(zhǔn)備等工作，最大限度提高船舶機(jī)具的利用效率，減少海上等待時(shí)間，降低作業(yè)成本。

2.6.3 樁腿水下切割方式論證

樁腿水下切割是平臺拆除的另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，可分為外切割和內(nèi)切割。

外切割常用的方法有水下電弧氧切割和水下金剛石繩鋸切割等。樁腿及隔水管應(yīng)切割至泥面以下4 m，為了保證切割的操作空間，應(yīng)對樁腿或隔水管處進(jìn)行造坑排泥。目前多采用防砂罩將樁腿圍起來（見圖7），可避免塌方，并減少排泥工作量。如果隔水管為鉆入方式安裝，固井水泥漿可能會返至泥面，安裝防砂罩之前先利用水下破碎機(jī)將水泥破碎，潛水員將水泥塊清除。

圖7 防砂罩

內(nèi)切割主要為高壓磨料水射流切割，該技術(shù)通過高壓水泵的強(qiáng)大壓力作用，將水和環(huán)保磨料射流出去，達(dá)到切割的目的。切割前將切割器下放至套管或樁徑內(nèi)，再通過內(nèi)張器將內(nèi)切割器固定在樁內(nèi)，然后開始切割。與外切割相比，內(nèi)切割不需要對樁腿外部進(jìn)行大規(guī)模的吹泥造坑，安裝不需要潛水員協(xié)助，安全可靠，方便經(jīng)濟(jì)。由于內(nèi)切割效率高、經(jīng)濟(jì)性好，因此優(yōu)選高壓磨料水射流內(nèi)切割；當(dāng)樁內(nèi)留有異物或存在多層套管時(shí)，內(nèi)切割刀頭無法下放至切割位置，則采用外切割的方式。

3 結(jié)束語

海上油氣設(shè)施棄置為高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)，施工時(shí)應(yīng)劃出警戒區(qū)域，制訂應(yīng)急預(yù)案，減少交叉作業(yè)，做好安全保障措施。