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1、落石管抛石技术的发展及在我国深水油气田开发中的应用前景梁富浩张印桐刘春厚庄亚锋苗春生( 深圳海油工程水下技术有限公司)摘要阐述了水下抛石技术在海洋石油开发中的应用与发展 ,重点阐述了能实现深水水下精确抛石的落石管抛石船舶 、落石管技术及 ROV 技术的应用与发展情况 ,并展望了落石管抛石技术在 我国深水油气田开发中的应用前景 。关键词落石管抛石技术抛石船深水油气田开发海洋石油开发中 ,海床凹凸不平 、地质条件不稳定 、人为抛锚等因素会对水下设施 (如海底管线 、脐带 缆 、电缆等) 造成悬空 、坠落物砸伤等危害 。保护水下 设施稳定与安全的措施很多 ,如挖沟 、混凝土压块 、砂 袋回填 、砂袋
2、支撑 、水下抛石等 ,这些措施各有优势 (有时会几项措施综合应用) ,在常规环境条件下 ,选择最有效 、最经济的方案应考虑成本因素与技术可行 性 1 。水下抛石作为最传统的水下设施保护措施之 一 ,在国内外海洋石油开发中已得到广泛应用 ,我国 在 1999 年对平湖油气田海底管道岱山海域及上海芦 潮海域海底管道悬空段回填碎石共 14 000 m3 2 。水下抛石设备及技术已由浅水应用到了深水 ,我国尚无 应 用 于 海 洋 石 油 工 程 的 专 用 抛 石 船 , 在19 99 年平湖油气田海底管道抛石时 ,动用了 1 艘 8 m3 抓斗挖泥船 、4 艘 50 0 m3 开体泥驳 、2 艘
3、6 62 k W 的拖轮和 1 艘抛锚艇等设备 2 。除烟台中集来福士海洋工程有限公司正在为 Va n Oo r d 建造柔性落石 管抛石船“Sto r ne s”外 ,我国尚无人系统研究水下抛 石 (尤其是深水落石管抛石) 船舶 、配套设备及相关 技术 。笔者主要对落石管抛石技术的应用与发展情 况进行了综述 ,并展望了该项技术在我国深水油气田开发中的应用前景 。1 落石管抛石技术在深水油气田开发 中的应用与发展11 1 抛石技术的应用与发展抛石技术应用于海洋石油开发源于上世纪 70年代 “, Fra n s”船 将砂 石抛 在 采 油 平 台 的 水 下 桩 腿周围 ,之 后“Rocky G
4、ia nt ”船 第 一 次 抛 石 用 于 海 底 管线的保 护 , 目 前 水 下 抛 石 技 术 已 在 海 洋 石 油 开 发水下设 施 保 护 中 得 到 了 广 泛 应 用 3 , 主 要 体 现 如下 :(1) 预抛石应用在海底管线 、脐带缆 、电缆铺设前 ,或在平台 、钻井架安装前实施抛石 。如海底管线 、脐带缆 、电缆穿越前抛石 、悬空处理 、水下结构 物安装前的海床预处理 (如在平台 、钻井架或其他水 下结构物周围填充洞穴 、建造着陆点等) 、海底管线 支撑 、建造护堤等 (图 1 ) 。图 1 预抛石应用 3a2海底管线穿越前抛石 ; b2悬空处理 ; c2海床预处 理
5、; d2海 底管线支撑第一作者简介 : 梁富浩 ,男 ,工程师 ,主要从事水下工程技术 、深水浮材与 ROV 技术研究及项目管理 。地址 : 广东省深圳市南山区南海大道 1067 号科技大厦 ( 邮编 :518067) 。E2mail :lia ngf h mail . cooec . co m. cn 。中 国 海 上 油 气2011 年136( 2 ) 后 抛 石应 用在海 底管 线 、脐 带 缆 、电缆铺设后 以 及 平 台 、钻 井 架 安 装 后 实 施 抛 石 。如海底管线 、脐带缆 、电缆铺设后抛石 、挖沟回 填 、冲 刷保护 、海底管线热绝缘保护 、防止海底 管 线上 浮 弯曲
6、变形 、水下结构物 ( 平台 、加 载 浮筒 等) 压载 等( 图 2 ) 。图 3 三类抛石船施工情况 425滑台将石头简单 、快速地推到船外 ,主要用于浅水抛石 ,其典型作业水深为 201 50 m ,且石头抛在海底 非常散乱 ,这类抛石船可以是锚系船 ,也可是动力定位船 ,目前侧抛船较多 ,最早由散货船改造而成 ,之后新造不少 4 。第三阶段 ,随着深水油气田的开发 , 精确抛石 变 得 困 难 , 因 此 , 一 种 新 的 抛 石 技 术 ( 即 落石管 技 术) 发 展 起 来 。一 根 根 落 石 管 组 装 成 一 条长的落 石 管 线 引 导 石 头 下 落 至 深 水 海
7、床 , 落 石 管可控制 石 头 在 距 离 海 床 几 米 处 抛 石 6 , 通 过 船 的动力定位与落石管末端 ROV 的引导与配合 ,实 现精确抛 石 , 这 类 抛 石 船 称 为 落 石 管 动 力 定 位 抛 石船 ( D P Fall Pip e Vessel) , 现 已 发 展 到 了 先 进 的 柔性落石管动力定位抛石船 ( D P Flexible Fall Pipe Vessel) 。柔性落石管动力定位抛石船可用于水深 超过 1 5 m 的水下抛石 ,尤其被广泛应用于深水抛 石 ,已 在 挪 威 O r men L ange 气 田 、菲 律 宾 Malam2 pay
8、a 气田 、Pluto 油 田 等 深 水 油 气 田 获 得 应 用 , 目 前最大抛石水深达 1 2 5 0 m 。国 际 上 落 石 管 抛 石 船 主 要 为 荷 兰 的 Ro yalBo skali s We st mi n st er 、Ti deway 、Va n Oo r d 及 比 利图 2 后抛石应用 3a2海底管线铺设后抛石 ; b2挖 沟回填 ; c2热 绝缘保 护 ; d2冲 刷保护 ;e2防止上浮弯曲变形 ;f2水下结构物的压载(3) 其它应用毗邻海运频繁地区的海底管线 、脐带缆 、电缆采取抛石覆盖 ,以防止平台上的坠落物砸伤 ,或抛锚与鱼网拖曳作业刮伤 。11 2
9、 抛石船的应用与发展深水油气田开发是海洋石油开发的必然趋势 ,抛石技术随水深的增大而面临更大的挑战 ,深水油 气田开发推动了抛石船及相关技术的发展 。抛 石 船 应 用 与 发 展 主 要 经 历 了 三 个 阶 段 ( 图3) 。第一阶段为抓机抛石 ,抓机抛石作业无需专业 船舶 ,任何装备有抓机的沿海航船均可作为抛石船 , 这类抛石船技术含量低 ,自身不能装载大量石头 ,不能进入深水作业 ,主要对沿海海底管线登陆段进行 抛石作业 4 。第二阶段的抛石船发展为能携带大量 石 头的专用侧抛船 ,这类侧抛船通过船舷侧面液压第 23 卷 第 2 期梁富浩等 :落石管抛石技术的发展及在我国深水油气田开
10、发中的应用前景137时的 J a n De N ul 四家公司拥有 。全球落石管抛石船约有 12 艘 ,在役的不超过 8 艘 (表 1) 。第一艘落石管抛石船可追溯至 197 8 年 , Bo skali s 将一艘载重 1 8 0 00 t 的“Seaway Sa ndpip2 er”散 货 船 改 造 成 抛 石 船 , 并 更 名 为“Sa ndpip er ”。至 20 09 年“Si mo n St evi n”下水前 ,所有落石管抛石船都是由散货船改造而成 。Va n Oo r d 于 2 003 年将24 00 0 t 散 货 船“Roc k ne ”改 造 成 的 落 石 管
11、抛 石 船 (2 00 5 年更名为“No r dne s”) 是改装中最成功 、最经 典的先进落石管抛石船 3 。表 1 全球落石管抛石船情况建造 ( 改造)年份船长( m)载重( t )作业水深( m)航速( 节)D P等级船 名月池操作者1751 01661 71291 4771 7141 7141 0131 0101 0有有 无 无Sto r ne s No r dne s Tert ne sJ a n St een20102001 ( 2005)1985 ( 2005)1986 ( 2004)28 00024 0009 7851 824D P2D P2D P2D P220001200
12、1 000250Va n Oo r d有有 有Fli nt sto neSea ho r seRolli ng sto ne20111983 ( 1998)1979 ( 1994)1551 01621 01391 020 00017 50012 000D P2D P2D P22 0002 0001 000151 0131 0121 0TidewayRo yalBo skali sWe st mi n st e r 1591 0131 5有Bo skali s201124 000D P22 000 Sa ndpip e r 1 9 7 1 ( 1 9 78 ) 1 6 01 0 1 8 0 0
13、0 D P2 1 50 0 1 31 5 无1911 5991 51151 0151 0131 0131 0有无无Si mo n St evi n L A Bo udeu se Wille m DeVla mi ngh2010200533 5004 600D P2D P12 000200J a n De N ul20116 500D P2130注 : Sea ho r se 抛石船为 Tideway 和 Ro yal Bo skali s We st mi n st er 共同出资建造 。2 00 6 年 ,J a n De N ul 公司投资建造的世界上第一艘专用深水落石管抛石船“Simo
14、n Stevin”已于 2010 年 2 月投入使用 。随后 , Royal Bo skalis West minster 、 Tideway 和 Van Oord 三家公司也相继投巨资建造专用深水落石管抛石船 ,预计 2011 年都能投入使用 ,这4 艘深水专用落石管抛石船具有以下特点 :(1) 船型大 ,载重大 ,适应远距离作业 ,可减少 辅助船以及往返施工现场与陆地采石场的次数 ,从 而可降低施工成本 ;(2) 航速大 ,能减少动复员时间 ;(3 ) 作 业 水 深 大 , 至 少 可 用 于 2 0 00 m 水 深 作业 ;(4) 配备先进的 D P2 等级动力定位系统 ,可适 应恶
15、劣环境下的抛石作业 ;( 5) 配备先进的落石管系统及 RO V 设备 ,抛石 速度快 、精度高 。总之 ,这些新建落石管抛石船都具备深水抛石 作业所需作业水深大 、载重大 、航速快 、抛石精度高 及运营经济等诸多优势 。11 3落石管抛石技术应用与发展11 31 1落石管抛石船组成 典型落石管抛石系统由落石管模块 、落石管及其末端专用 ROV 等组成 7 , 如图 4 所示 。抛石 船甲板上装备 2 个大容积石头储斗 ,每个储斗内装备了 一台挖掘机 ,挖掘机将石头抓至传输带上 ,传输至石 头给料器 ,再倒入落石管内 ,最终抛在海床位置 ,落石管离海床仅几米距离 ,其末端专用 ROV 不断纠正
16、水 流产生的偏差 ,实现精确抛石 。其中 ,落石管技术与 专用 ROV 技术是落石管抛石系统的核心技术 。图 4 落石管抛石船组成示意图 711 31 2落石管技术Va n Oo r d 、H ui sma n 、J a n De N ul 、V uyk Engi2 neeri ng Ro t t er da m 等公 司 掌握 了落 石管 系 统设 计 能力 (表 2) 。落石管采用模块化设计 、集成化组装 ,落石管模块包括落石管存储处 、吊装系统 、自动装载 与卸载系统 ,以及 RO V 钢缆与脐带缆绞车 、石头输送带系统 、石头给料器等 。中 国 海 上 油 气2011 年138Engi
17、 neeri ng B u si ne ss L t d . ) 等公司供应 。根据落石管抛石作业水深 、抛石速度等的不同 , RO V 形式和 功率也不同 。Seatool s 在 200 7 年为 Va n Oo r d 的小 型混合抛石船“J a n St ee n”装备的 RO V25 功率仅有75 k W ,作业水深 2 50 m , RO V 上配备一个动力站 。深水作业的 RO V 功率更大 “, Te r t ne s”船配备了功 率为 255 k W 的 ROV , 新 造 落 石 管 抛 石 船 配 备 的 ROV 功率至少为 3 00 k W ,且需多个动力站耦合而 成
18、, SMD 在 20 09 年 为 J a n De N ul 新 船“Si mo n St evi n”配备 一 台功 率为 60 0 k W 的 RO V , 能 适 应2 000 m 作业水深 , 最大抛石速度 达 2 00 0 t / h 。在 海洋石油常用 ROV 中 ,落石管抛石专用 ROV 都属 于大功率 RO V 。我国目 前在 用的 ROV 最 大功 率 约为 11 0 k W 。落石管抛石专用 RO V 还配备有先进的定位和调查设备 ,如导航仪 、测深仪 、测高仪 、旁扫声纳 、扫 描传感器 、声纳传感器 、摄像头 、水下灯等 6 ,用来实 时监控水下抛石状况 (如石头抛在
19、海床的形状) 。通 过 ROV 的定位 、调查设备 ,以及抛石船上的检测设 备 (D GP S 、陀螺仪 、水流与风传感器) ,抛石船 D P 操 作员可以操控抛石船沿预定轨迹前移 ,实现精确抛石 。此类 ROV 还具备其他功能 , 如能携带专业的 吹泥 、挖沟设备 ,以便清理海床作业现场的杂物或障碍物 8 。表 2 落石管技术及专用 RO V 技术发展情况落石管系统ROV船名单根管长 单根管径 抛石速度功率( kW)供应商供应商( m)( mm)(t/ h)StornesFlint stoneBoskalisVan Oord Huisman HuismanJ an De Nul与 VuykE
20、ngineeringRot terdamVan OordSeatool sHuismanHuisman1 1001 0501 050300300300121 00121 002 0002 000SimonStevin121 001 0002 000600SMD21 25Nordnes1 1002 000300EB落石管可通过船舷下放 、也可通过月池下放 (图5) ,新造落石管抛石船都是通过月池下放 ,有利于落 石管模块的布置与船体稳定 。落石管由最初可伸缩式落石管发展成目前标准8 m 或 12 m 管长的柔性落石管 ,柔性落石管间连接 方式类似于钻井管道的连接 ,提高了安装与拆卸速 度 。J
21、a n De N ul 为 Si mo n St evi n 设 计了 一个 名 为 “mo tio n ba se”的落石管安装与拆除模块 ,可在不影响船舶正常航行的前提下为 2 0 00 m 长的落石管实 现 6 h 内全自动化的安装或拆除 。落石管抛石技术在我国深水油气田开发中的应用前景我国海洋油气开发正逐渐走向深水区 ,目前已 发现荔湾 321 、流花 3422 、流花 2921 深水气田 ,其中 荔湾 321 气田 即 将 投 入 开 发 , 流 花 3422 、流 花 2 921 气田也将依托荔湾 321 气田设施进行开发 。荔湾 321 气田采取“水下生产系统 + 外输海底 管线
22、 + 陆地终端”的开发模式 ,从水深 1 5 00 m 水下 设施到水深 20 0 m 天然气压缩平台约有 75 k m 海 底管线和脐带缆 ,从天然气压缩平台到陆地终端约 有 26 4 k m 的海底管线 ; 然而 ,该气田管道路由海床地形复杂 ,深水段海底管线与脐带缆历经陆坡 ,浅水 段海底管线存在不平整海床悬空 、冲刷悬空及多处 穿越 ,加上南海较恶劣的海洋环境 ,给荔湾 321 气田 开发带来了巨大挑战 。深水落石管抛石技术是解决 悬空 、穿越 、护堤等的有效措施之一 ,对荔湾 321 及流花 3422 、流花 2 921 深水气田开发均有参考意义 。2图 5 落石管通过船舷或月池下水
23、 411 31 3 落石管抛石专用 RO V 技术落石 管末 端 装备 一台 先 进的 专用 ROV , 通 过ROV 上配备的推进器克服水流 ,引导落石管精确地 沿着海底管线预设定路由前移 6 。RO V 由多根为其提供动力 、信号通讯及重量支撑的脐带缆悬挂 ,脐带缆绞车带主动升降补偿 A H C ( active heave co m2 p e n satio n) 功能 ,即使船体垂直运动幅度较大 ,仍能 保证 RO V 处在距离海床相对稳定的位置 , 从而可 保证落石管能够实现精确抛石 ,并可延长抛石船的 作业天气窗口 4 ,628 。在 国 外 , ROV 技 术 已 比 较 成 熟
24、 , 落 石 管 专 用ROV 主 要 由 Seatool s 、H ui sma n 、SMD 、EB ( I H C第 23 卷 第 2 期梁富浩等 :落石管抛石技术的发展及在我国深水油气田开发中的应用前景139深水油气田无论采取何种开发模式 ,海底管线 、脐带缆 、电缆及其它结构物都是其重要的水下设施 , 海床凹凸不平 、地质条件不稳定 、人为抛锚等因素都 会给水下设施带来安全隐患 ,抛石是解决这类问题 的有效措施之一 ,随着南海油气田开发的全面展开 ,深水落石管抛石技术在我国具有广阔的应用前景 。 5 V ISS ER R , V A N D ER M E ER J . Immedia
25、t e di splace ment of t he seabed duri ng sub sea rock i nst alatio n ( SR I) R . Ter ra et Aqua ,2008 ,110 :328 .J A COB P . M V Rocknes : t he wo rl ds la r ge st dyna micall y po si2tio ned flexi ble f all pip e rock du mpi ng ve ssel EB/ OL . 2010207206 . ht tp :/ www . knvt s. nl .TID EWA Y. Ro
26、ck place ment op eratio n s fo r B P2ska r v p roject R . t he Net herla nds : tideway ,2008 .H U ISMA N . Rock du mpi ng unit s EB/ OL . 2010207208 . ht2 tp :/ www . hui sma nequip ment . co m/ en/ p ro duct s/ special _ p ro2 ject s/ sto ne_ du mp er s. 6 7 结束语抛石作为水下设施保护的有效措施之一 ,已广 泛应用于海洋石油开发中 ,落石
27、管抛石船可应用于 超过 15 m 水深的抛石作业 。深水油气田的开发带 动了深水落石管抛石船的发展 ,目前落石管抛石船 主要为 Bo skali s 、Ti deway 、Va n Oo r d 及 J a n De N ul 等 4 家公司所拥有 ,全球落石管抛石船约 12 艘 ,在 役不超过 8 艘 ,3 艘先进的深水柔性落石管动力定 位抛石船正在建造 。深水抛石所需落石管系统 、专 用 ROV 及相关技术发展迅速 , 但其主要技术目前 仅由几个公司掌握 。南海将是我国海洋石油开发的 接替区 ,随着南海深水油气田开发的全面展开 ,深水 落石管抛石技术在我国将有广泛的应用前景 ,应加 强深水
28、落石管抛石船舶 、设备及相关技术的研究与 应用 。参 考 文 献 1 Oil do m Publi shi ng Co mpa ny of Texa s , Inc . . Preci se rock place2 ment i n 8502met er wat er dep t h s J / OL . Pipeli ne & Ga s J o ur2 nal , Ap ril 1 , 2005 2010208206 . ht tp : / www . highbea m. co m/ doc/ 1 G12132046475 . ht ml . 2 沈达怡. 东海平湖油气 田海底 管线 保护
29、施 工 J . 水运 工程 ,2000 ,323 ( 12) :73277 . 3 NO RDN ES. A bo ut rock i n st allatio n EB/ OL . 2010207206 . ht t p :/ www . no r dne s. nl/ rocki n st allatio n . p hp . 4 MARC VAN DE V ELDE. Rockdumping EB/ OL . ht tp :/ www.t heartof dredging. co m/ rockdumping. ht m.3 8 收稿日期 :2010208206改回日期 : 201021
30、0214(编辑 :夏立军)Development of fall pipe rock dumping technologyand its a ppl icat ion prospect in the deep water oil & ga s f iel d development in our countryL ia ng FuhaoZha ng Yi nto ngL i u Ch un ho uZh ua ng Yaf e ngMiao Ch u n she ng( COO EC S ubsea Technolog y Co. , L t d. , Guan g don g , 51806
31、7)Abstract : Thi s p ap er de scri be s t he app licatio n s a nddevelop me nt of roc k dumpi ng t ech nolo gy app lie d i n t he off sho re oil & ga s fiel d develop me nt , focu se s o n t he app licatio n s a nd develop me nt of t he f all pip e roc k dumpi ng ve ssel , f all pip e t ech nolo gy
32、a nd t he ROV t ech nolo gy w hich ca n e xerci se p reci se rock du mpi ng i n t he deep wat e r , a nd di sc u sse s t he app li2 catio n p ro sp ect of f all pip e rock dumpi ng t ech nolo2 gy i n t he off sho re oil & ga s fiel d develop me nt i n o ur co u nt r y .Key words :f all pip e rock du
33、mpi ng t ec h nolo gy ; rock du mpi ng ve ssel ; deep wat e r oil & ga s fiel d develop2me nt(上接第 12 1 页)F PSO in So ut h China Sea during t he pa ssage of t he t yp hoo n Go ni a nd M ujigae are o btained t hro ugh t he field mea surement . The co mmo nly used numeri2cal mo del of hydro dyna mic an
34、alysis fo r F PSO system in t he ocean engineering indust ry ha s been mo dified o n ba sis of t he field mea surement data . Wit h t hehelp of t he mo dified mo del , t he loads acting o n t hemoo ring system are o btained t hro ugh t he unco uplednumerical a nalysis wit h t he mea surement data being t he inp ut . Furt hermo re , t he mooring capacit y of t he moo ring system in t he real sea states is al so accessed. Key words : Fe nji n F P SO ; mo tio n cha ract eri stic s ; fiel d mea sure me nt ; moo ri ng loa d s ; u nco up led nu2merical a nal ysi s