浮托安裝是利用海上潮汐的自然力和船舶精確調(diào)載相結(jié)合的方式進(jìn)行安裝，類似于舉重運(yùn)動員“挺舉”。以恩平20-4平臺安裝為例，該方式可將平臺運(yùn)輸速度提高1倍，海上安裝作業(yè)所需的氣候窗口可由48小時(shí)縮短為24小時(shí)，作業(yè)效率大大提高。
海上油田建設(shè)離不開鉆采平臺，但鉆采平臺的安裝并非易事，其單層甲板面積相當(dāng)于多個(gè)籃球場，重達(dá)上萬噸。安裝這個(gè)龐然大物就像在波濤洶涌的海面上進(jìn)行“倒車入庫”。
日前，在廣東珠江口盆地水深近百米的海域，天津港保稅區(qū)企業(yè)海洋石油工程股份有限公司(以下簡稱海油工程)運(yùn)用我國自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)的動力定位浮托技術(shù)，成功完成恩平20-4鉆采平臺的建設(shè)，創(chuàng)造了國內(nèi)海上油氣平臺動力定位浮托安裝重量的新紀(jì)錄，同時(shí)也填補(bǔ)了我國這項(xiàng)技術(shù)的空白，這對于保障國家安全、建設(shè)海洋強(qiáng)國具有重要意義。
動力定位浮托安裝如在海上“倒車入庫”
恩平20-4鉆采平臺是中國海油恩平15-1油田群產(chǎn)量最高的平臺，由我國自主設(shè)計(jì)、建造及安裝，可實(shí)現(xiàn)鉆修井、智能采油、油氣水綜合處理以及伴生氣回收利用等多項(xiàng)功能。
平臺由上部組塊和導(dǎo)管架兩部分組成，其中導(dǎo)管架高度104米、重量近1.2萬噸。
為了讓導(dǎo)管架固定在百米深的海底，海油工程項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將12根長度近145米、直徑2.4米的鋼樁打入120米深的海床之下，確保這個(gè)合體后總重超過2.7萬噸的鋼鐵巨人能夠在超強(qiáng)臺風(fēng)下穩(wěn)如泰山。
底座穩(wěn)固了，但項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)迎來了更大的挑戰(zhàn)。
“通常來說，上部組塊會采用海上浮吊的技術(shù)來進(jìn)行安裝。但恩平20-4的上部組塊單層甲板實(shí)在太大了，面積相當(dāng)于9個(gè)籃球場，重達(dá)15463噸。” 海油工程恩平油田群開發(fā)工程總包項(xiàng)目經(jīng)理盛向明介紹說，“這個(gè)重量超過國內(nèi)海上浮吊的能力極限，因此我們選定采用動力浮托技術(shù)進(jìn)行海上安裝。”
“浮托安裝是利用海上潮汐的自然力和船舶精確調(diào)載相結(jié)合的方式進(jìn)行安裝，類似于舉重運(yùn)動員‘挺舉’。”盛向明解釋，以恩平20-4平臺安裝為例，該方式可將平臺運(yùn)輸速度提高1倍，海上安裝作業(yè)所需的氣候窗口可由48小時(shí)縮短為24小時(shí)，作業(yè)效率大大提高。
方法有了，但是把如此龐然大物“挺舉”上去難度不小。而且之前我國從未自主實(shí)施過動力浮托技術(shù)工程，從方案設(shè)計(jì)、計(jì)算分析到施工等都由外國公司負(fù)責(zé)。
“動力定位浮托安裝過程相當(dāng)于開著一輛長度超過220米、寬度40多米、裝載10000輛小汽車的超級卡車，在波濤洶涌的海面上進(jìn)行‘倒車入庫’，兩側(cè)間隙僅為10厘米，組塊插尖與導(dǎo)管對接精度要求達(dá)到毫米級。”盛向明說，這對設(shè)計(jì)計(jì)算精準(zhǔn)性、動力定位系統(tǒng)可靠性、操作人員技術(shù)水平等均提出極大挑戰(zhàn)。
自主創(chuàng)新技術(shù)確保安裝萬無一失
為了實(shí)現(xiàn)動力定位浮托安裝，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對該技術(shù)進(jìn)行了攻關(guān)，突破了大型平臺動力定位浮托精確設(shè)計(jì)分析、三維仿真模擬、精準(zhǔn)定位操作等多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)。
首先，精確數(shù)值分析是對浮托項(xiàng)目從裝船開始就進(jìn)行裝船、運(yùn)輸、浮托過程的計(jì)算分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行安裝設(shè)計(jì)。
“早期數(shù)值分析都是請國外公司來完成的，收費(fèi)高昂，而且不會給我們提供原始數(shù)據(jù)。”海油工程浮托技術(shù)專家秦立成說，由于作業(yè)過程的非平穩(wěn)、力學(xué)特征的非線性、多體系統(tǒng)強(qiáng)耦合等特點(diǎn)，多體耦合時(shí)域分析技術(shù)是精準(zhǔn)數(shù)值分析中的難點(diǎn)。
為此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的計(jì)算工程師依托工程項(xiàng)目進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，通過反復(fù)試算，結(jié)合試驗(yàn)，一點(diǎn)點(diǎn)推敲出關(guān)鍵數(shù)據(jù)。特別是項(xiàng)目剛剛開始的時(shí)候，計(jì)算工程師為了確定核心參數(shù)，經(jīng)常通宵計(jì)算和進(jìn)行數(shù)據(jù)比對。最終項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開發(fā)了動力定位靜力評估和時(shí)域分析軟件，并且在項(xiàng)目中成功應(yīng)用。
有了設(shè)計(jì)方案，為了確保萬無一失，還需要三維仿真模擬讓施工人員提前按照施工方案來演練，提前發(fā)現(xiàn)問題和風(fēng)險(xiǎn)，在項(xiàng)目上規(guī)避這些問題。
最終團(tuán)隊(duì)開發(fā)了動力定位浮托模擬系統(tǒng)，解決了動力定位算法、水動力算法、多體耦合算法，為三維仿真模擬提供了技術(shù)支持。
有了“線上”模擬演練，還需“線下”實(shí)操檢驗(yàn)。對此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)組織了多次技術(shù)方案交底及作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)分析，持續(xù)細(xì)化施工計(jì)劃，開展浮托過程仿真模擬和水池實(shí)驗(yàn)，提前對錨系布設(shè)、進(jìn)船、對齊、載荷轉(zhuǎn)移等工序進(jìn)行預(yù)演，并針對錨纜失效進(jìn)行應(yīng)急演練。
為了確保“倒車入庫”能夠準(zhǔn)確進(jìn)入規(guī)定的位置，還需“精準(zhǔn)定位操作”。施工之前，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)大量開展虛擬模型培訓(xùn)，并在施工海域?qū)﹃P(guān)鍵操作進(jìn)行現(xiàn)場預(yù)演，持續(xù)提高動力定位操作水平。
“船舶設(shè)置‘一用一備’兩套獨(dú)立的定位系統(tǒng)，為浮托提供穩(wěn)定、精確的‘倒車防撞雷達(dá)’，且專門設(shè)計(jì)新型護(hù)舷系統(tǒng)和樁腿耦合緩沖裝置，以防碰撞造成損壞，確保施工過程萬無一失。”秦立成說。
無懼海上風(fēng)浪精準(zhǔn)完成平臺對接
盡管已經(jīng)做了萬全的準(zhǔn)備，但在大自然面前人類還是顯得如此渺小。
恩平20-4平臺進(jìn)行浮托前夕，施工海域下起大雨，晚上風(fēng)力達(dá)到六級，最大浪高4米，現(xiàn)場施工作業(yè)一度面臨取消。
為了確保精準(zhǔn)“入庫”，主作業(yè)船距離槽口30米之后，需要由“自動擋”調(diào)整為“手動擋”。由經(jīng)驗(yàn)豐富的動力定位操作師精準(zhǔn)控制船舶進(jìn)行“倒車”，每5米就要停船一次進(jìn)行校準(zhǔn)，到達(dá)10米以內(nèi)時(shí)，每1米就要停船校準(zhǔn)一次。
完成“倒車入庫”還僅僅是施工作業(yè)的第一步，作業(yè)船進(jìn)入導(dǎo)管架槽口后，上部組塊的8個(gè)插尖要對齊導(dǎo)管架的8個(gè)對接裝置，高度誤差不超過5個(gè)指甲厚度，中心水平偏差不超過3個(gè)玉米?？傞L，難度堪比宇宙飛船和空間站對接。“相比空間站在幾乎不受外力影響情況下進(jìn)行對接，海上浮托還要克服海上風(fēng)、浪、涌等一系列不利因素。”本次動力定位浮托主作業(yè)船海洋石油278船船長劉雪峰說。
施工過程中，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對風(fēng)浪及船舶運(yùn)動進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，搶抓時(shí)間窗口，精準(zhǔn)操控，僅用7小時(shí)就高效完成施工作業(yè)，最大水平高度誤差僅5毫米，精度控制達(dá)到國際先進(jìn)水平，為后續(xù)項(xiàng)目投產(chǎn)節(jié)省寶貴時(shí)間。
海油工程安裝分公司副總經(jīng)理賀辰表示，在本次作業(yè)中，我國首次使用自有船舶、自有人員獨(dú)立自主完成全流程關(guān)鍵作業(yè)，成功掌握大型平臺動力定位浮托方案編制、設(shè)計(jì)計(jì)算、仿真模擬、動力定位系統(tǒng)操作、海上安裝和監(jiān)測等成套核心技術(shù)，填補(bǔ)了我國動力定位浮托自主設(shè)計(jì)安裝技術(shù)空白。
目前，海油工程建成了以亞洲最大浮托駁船“海洋石油229”、5萬噸級動力定位半潛工程船“海洋石油278”等為代表的系列關(guān)鍵裝備，攻克浮托安裝多體耦合控制算法、數(shù)值模擬軟件開發(fā)、關(guān)鍵數(shù)據(jù)精準(zhǔn)預(yù)報(bào)等多項(xiàng)技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了浮托樁腿耦合緩沖器等核心部件的國產(chǎn)化，實(shí)現(xiàn)了高位浮托、低位浮托、動力定位浮托等全天候、全序列、全海域主流浮托施工關(guān)鍵技術(shù)的自主化，掌握的浮托技術(shù)種類、作業(yè)難度和技術(shù)復(fù)雜性等位居世界前列，并進(jìn)行了浮托前沿技術(shù)的研究開發(fā)，具備了在全球惡劣海況海域進(jìn)行浮托作業(yè)的能力。
來源：科技日報(bào) 記者 陳 曦
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