崖城项目管汇基盘PLET和PLEM的海上安装工艺
蒋哲
摘要：介绍国内首次自主研发、制造的两个吸力桩式管汇基盘PLET和PLEM的海上安装技术。
关键词：国内首次 吸力桩式 管汇基盘 PLET PLEM 海上安装
崖城13-4气田开发项目海管连接、脐带缆铺设工程是国内深海石油开发技术的一次重要探索，大部分设施构件和技术都是国产的，其中包括吸力桩式管汇基盘PLET和PLEM。管汇基盘安装在海底，上面设有数只阀门，用于控制采气树开采出的油气的流动。本次项目除PLET和PLEM的阀门管路为国外进口外，其他框架和吸力桩等安装结构都是国产的。
1 水下管汇基盘PLET/PLEM的设计
作为一种典型的深水水下生产设施，水下管汇设计时需要考虑环境、安装、检查、维护、生产等要求，确保在寿命期内安全、可靠、稳定运行。崖城13-4自主研发的水下管汇综合考虑了在位稳定性、安装便捷、防渔网拖挂等各方面因素，如图1所示：
水下管汇基盘PLEM由上、下两部分组成，上部分为长方体结构，具有去棱角、圆滑过渡连接的设计，极大地降低了渔船拖网钩挂的可能性； 下部分由3个均布的吸力桩通过杆件连接而成，每个桩腿直径3米，排列近似等边三角形，主要作用是实施水下管汇与海床的固定，并可实现水下管汇的安装调平。水下管汇的上、下结构采用插销的模式连接，可实现分离，即使在水下，也可方便实现上部和下部吸力桩分离，这样就使得特殊情况下万一水下管汇的阀门等出现故障，就可能将水下管汇上部结构与下部结构分离，拆下后吊出水面进行维修。
目前，常用的水下管汇存在以下缺点：1.无清管功能；2.无隔离检测功能；3.阀门不能实现水下机器人（ROV）操作。为克服上述这些缺点，在PLET的设计上进行了以下改进，如图2所示：
图2 水下管汇基盘PLET示意图
水下管汇PLET设计在主管线末端预留水下清管器接口，清管作业时，由水下机器人将带有水下管道连接器的水下清管器下放并与水下管汇锁固。 在水下管汇的主管线上安装具有通球功能的阀门，用以实现不同时间生产井区的隔离，再在主管线上安装带隔离阀的三通，以便安装检测元件。此外，设计在水下管汇的所有阀门上安装水下机器人ROV操作接口，水下管汇橇上的所有阀门均可实现水下机器人ROV操作，方便快捷。
2 水下管汇基盘PLET和PLEM的预制和标定
管汇基盘PLET和PLEM是由合众公司预制的，合众公司在车间将各部件分别预制成型之后，将PLET和PLEM运至湛江海油合众码头，在湛江合众码头进行了上部结构和下部结构的组装。然后在上部结构顶上进行抽水管路的布置以及泵撬块、水下罗经等的标定，以便PLET和PLEM安装到海底的时候可以有可靠的参照确定PLET和PLEM的朝向和水平度。
3 原设计的PLET
图3 原设计的PLET
预制和标定之后，用驳船将PLET和PLEM运至三亚南山基地，装载上动力定位船“康盛口”，运至崖城13-4气田主体区准备安装。
4 水下管汇基盘PLET的初次安装及改装
2011年11月12号，作业支持船“康盛口”就位于崖城13-4气田主体区，选择合适的气象窗口，经反复检查、准备就绪后，调整到最佳船舶艏向，准备起吊PLET。PLET的吊装设计上使用三角吊架，吊架挂钩，然后将垂直吊索挂在PLET下部三个吸力桩的顶部吊耳上。这样的吊索布置可避免不用吊架，直接用3根吊索起吊，PLET吊索损伤PLET上部结构的问题，相应的，竖直的3根吊索在海上吊装时，由于船舶的摇摆和风力的影响，非常容易摇晃，给吊装带来较大的困难。但其实可以在三角吊架下采用6吊索的方式避免此问题。
将水下管汇PLET吊起后下放入水。在将PLET吊放至海底时，发现PLET沉放不稳，通过水下机器人ROV查看，发现水下管汇PLET在吊机未完全脱钩的情况下，未使用抽水泵抽水的情况下，水下管汇的下部吸力桩已通过自重入泥3米左右（原设计吸力桩4米高），PLET无法发挥吸力桩的作用。
原来，海底泥质非常松软，地质状况与地质调查报告上所描述的不符，面对突发状况，现场经过冷静的思考和分析后，考虑到可能有海床正好在此处，地质与勘探结果有出入，为尽快完成主区的水下安装工作，以便“NH2钻井船”按计划移位到主体区，在水下安装泵橇的协助顶升下先将PLET拔起，然后在吊机未脱钩的情况下，冒着PLET永远无法再次拔起的风险，紧接着在距离第一次下放安装位置约10米的海床再次进行了第二次水下试装，但入泥情况与第一次结果基本一样。究其原因，主要是安装位置的土质特性与原物探场址调查报告数据相差较大。
经过现场紧急商议，项目组立即作出应急决策：紧急将PLET运回南山基地改装，增长吸力桩腿的长度，从原设计的4米加长至7.5米。通过业主方与上海打捞局、深圳海工、湛江合众三家公司的通力协作，充分发挥各家单位自身的优势，改造工作进展迅速。从紧急采办180平方米16毫米厚的钢板运抵合众机械厂，到钢材的下料、坡口加工、卷板、组对、焊接，再紧急用汽车运往南山终端，通过拖轮倒运至作业支持船“康盛口”，再连夜组对焊接加高PLET吸力桩，整个过程在四天时间内就保质保量地完成了。
图4 加长吸力桩腿后的PLET及泵撬块
5 水下管汇基盘PLET的分体再次安装
PLET吸力桩腿加长3.5米改装后，下部吸力桩从4米增长到7.5米，重量从28吨增加到43吨左右，PLET上部结构重约25吨，总重量达到68吨左右。用履带吊整体安装改装后的PLET接近额定载荷，比较吃力；同时，由于PLET上部结构主体呈长方形，接近正方形，一端向上突出，连接了一个3连发球清管器，重心不在中心点，也正因为如此，第一次安装的时候吊装水平度调整非常困难，所以，现场改变安装方案，决定将PLET上部结构和吸力桩分开吊装。
PLET上部结构和下部结构拆分后，下部3只吸力桩单独吊装，总高7.5米，每个吸力桩直径3米，3个吸力桩圆心所成三角边长分别为6米、5.8米、5.8米，呈等腰三角形，接近等边三角形，重心基本不偏，重量达43吨，满足履带吊的安全载荷。此外，分体吊装虽然增加了一次上部结构的吊装，但有利于调整PLET吸力桩的水平度，利于安装定位，且泵撬块抽水管路的设置也更加方便，直接设置在吸力桩上部，不再对今后上部结构的操作有影响。
加长后的下部吸力桩吊至海底安装位置时，由于重心不偏，放置平稳，经自重入泥2米多保持基本水平。然后使用泵撬块抽水管路，缓缓抽出3只吸力桩腿中的海水，使3只吸力桩腿在外部压力的作用下插入海底泥面，最终入泥7.3米，水平度X方向0.01度，Y方向-0.03度，符合安装要求。
PLET下部吸力桩安装到位后，回收下部吸力桩的泵撬块和吊索具，然后再安装上部结构。上部结构的安装使用钢丝导向的方式，先将PLET上部结构上对应的2个导向孔导入吸力桩上较高的2个导向柱，导入后，第3个导向孔自然与最矮的第3个导向柱对齐。上部结构安装到位后，3个导向柱分别上好保险栓，PLET分体安装完毕。
6 水下管汇基盘PLEM的安装
PLEM的安装和PLET的安装相似。PLEM的安装吸取了PLET安装的经验教训，在陆地预制时直接加长了吸力桩腿的长度，从原设计的2.5米加长到5米。同时，为了避免整体吊装偏心的问题，方便调节控制吸力桩吊装时的水平度及便于设置泵撬块的抽水管路，减少水下调平工作量，吊装方式由原来设计的整体吊装变更为分体吊装，即先吊装下部吸力桩结构，再吊装上部管汇。
海上安装下部吸力桩结构时，为避免泵橇块脐带缆被吸力桩压住，在其上绑扎一些浮球；为避免USBL定位信标信号不好，同时安装两个USBL定位信标。
为避免吊装水平上不平衡，实际测量钢丝绳的长度后，通过卸扣调节钢丝绳的长度，使下部吸力桩吊装时重心与吊装中点基本重合，都基本水平入水。为方便调节吸力桩的艏向，在1、3导向桩卸扣上分别连接牵引钢丝绳，并通过船底拉至船舷另一侧，通过绞车控制松紧，调节PLEM的方向。吸力桩安装到位，调节艏向后，使用泵撬块抽水管路，缓缓抽出3只吸力桩腿中的海水，使3只吸力桩腿在外部压力的作用下插入海底泥面最终PLEM入泥4.5米，水平度X方向0.02度，Y方向-0.08度。
下部吸力桩安装到位后，安装上部管汇结构。上部管汇结构在下放入水前，通过增加牺牲阳极以及卸扣调节等方式对上部PLEM管汇事先调平，并通过电罗经、UBSL定位信标测量数据精确校准艏向。然后通过安装PLET上结构同样的钢丝导向方式，使上部管汇结构对应的2个导向孔导入吸力桩上较高的2个导向柱，导入后，第3个导向孔自然与最矮的第3个导向柱对齐。上部结构安装到位后，3个导向柱分别上好保险栓， PLEM分体安装完毕，回收吊索具。2011年12月5日凌晨，崖城13-4气田开发工程项目水下管汇PLEM顺利安装完成，原计划需要3天时间的水下安装工作仅用了12个小时就已完成。
采用吸力桩的形式安装管汇基盘PLET和PLEM是国内首次尝试。吸力桩式管汇基盘与传统的板桩基盘相比较，构造更加科学；3条吸力桩的形式也使得管汇基盘安装时可对水平度进行调节，不依赖于海底地貌；吸力桩的抓力也更加稳妥，管汇基盘更加坚固。
吸力桩式管汇基盘PLET和PLEM的成功安装意义非凡，它标志着我国已具备自行设计管汇基盘的安装结构并在海上安装的技术和能力。
摘要：介绍国内首次自主研发、制造的两个吸力桩式管汇基盘PLET和PLEM的海上安装技术。
关键词：国内首次 吸力桩式 管汇基盘 PLET PLEM 海上安装
崖城13-4气田开发项目海管连接、脐带缆铺设工程是国内深海石油开发技术的一次重要探索，大部分设施构件和技术都是国产的，其中包括吸力桩式管汇基盘PLET和PLEM。管汇基盘安装在海底，上面设有数只阀门，用于控制采气树开采出的油气的流动。本次项目除PLET和PLEM的阀门管路为国外进口外，其他框架和吸力桩等安装结构都是国产的。
1 水下管汇基盘PLET/PLEM的设计
作为一种典型的深水水下生产设施，水下管汇设计时需要考虑环境、安装、检查、维护、生产等要求，确保在寿命期内安全、可靠、稳定运行。崖城13-4自主研发的水下管汇综合考虑了在位稳定性、安装便捷、防渔网拖挂等各方面因素，如图1所示：
水下管汇基盘PLEM由上、下两部分组成，上部分为长方体结构，具有去棱角、圆滑过渡连接的设计，极大地降低了渔船拖网钩挂的可能性； 下部分由3个均布的吸力桩通过杆件连接而成，每个桩腿直径3米，排列近似等边三角形，主要作用是实施水下管汇与海床的固定，并可实现水下管汇的安装调平。水下管汇的上、下结构采用插销的模式连接，可实现分离，即使在水下，也可方便实现上部和下部吸力桩分离，这样就使得特殊情况下万一水下管汇的阀门等出现故障，就可能将水下管汇上部结构与下部结构分离，拆下后吊出水面进行维修。
目前，常用的水下管汇存在以下缺点：1.无清管功能；2.无隔离检测功能；3.阀门不能实现水下机器人（ROV）操作。为克服上述这些缺点，在PLET的设计上进行了以下改进，如图2所示：
图2 水下管汇基盘PLET示意图
水下管汇PLET设计在主管线末端预留水下清管器接口，清管作业时，由水下机器人将带有水下管道连接器的水下清管器下放并与水下管汇锁固。 在水下管汇的主管线上安装具有通球功能的阀门，用以实现不同时间生产井区的隔离，再在主管线上安装带隔离阀的三通，以便安装检测元件。此外，设计在水下管汇的所有阀门上安装水下机器人ROV操作接口，水下管汇橇上的所有阀门均可实现水下机器人ROV操作，方便快捷。
2 水下管汇基盘PLET和PLEM的预制和标定
管汇基盘PLET和PLEM是由合众公司预制的，合众公司在车间将各部件分别预制成型之后，将PLET和PLEM运至湛江海油合众码头，在湛江合众码头进行了上部结构和下部结构的组装。然后在上部结构顶上进行抽水管路的布置以及泵撬块、水下罗经等的标定，以便PLET和PLEM安装到海底的时候可以有可靠的参照确定PLET和PLEM的朝向和水平度。
3 原设计的PLET
图3 原设计的PLET
预制和标定之后，用驳船将PLET和PLEM运至三亚南山基地，装载上动力定位船“康盛口”，运至崖城13-4气田主体区准备安装。
4 水下管汇基盘PLET的初次安装及改装
2011年11月12号，作业支持船“康盛口”就位于崖城13-4气田主体区，选择合适的气象窗口，经反复检查、准备就绪后，调整到最佳船舶艏向，准备起吊PLET。PLET的吊装设计上使用三角吊架，吊架挂钩，然后将垂直吊索挂在PLET下部三个吸力桩的顶部吊耳上。这样的吊索布置可避免不用吊架，直接用3根吊索起吊，PLET吊索损伤PLET上部结构的问题，相应的，竖直的3根吊索在海上吊装时，由于船舶的摇摆和风力的影响，非常容易摇晃，给吊装带来较大的困难。但其实可以在三角吊架下采用6吊索的方式避免此问题。
将水下管汇PLET吊起后下放入水。在将PLET吊放至海底时，发现PLET沉放不稳，通过水下机器人ROV查看，发现水下管汇PLET在吊机未完全脱钩的情况下，未使用抽水泵抽水的情况下，水下管汇的下部吸力桩已通过自重入泥3米左右（原设计吸力桩4米高），PLET无法发挥吸力桩的作用。
原来，海底泥质非常松软，地质状况与地质调查报告上所描述的不符，面对突发状况，现场经过冷静的思考和分析后，考虑到可能有海床正好在此处，地质与勘探结果有出入，为尽快完成主区的水下安装工作，以便“NH2钻井船”按计划移位到主体区，在水下安装泵橇的协助顶升下先将PLET拔起，然后在吊机未脱钩的情况下，冒着PLET永远无法再次拔起的风险，紧接着在距离第一次下放安装位置约10米的海床再次进行了第二次水下试装，但入泥情况与第一次结果基本一样。究其原因，主要是安装位置的土质特性与原物探场址调查报告数据相差较大。
经过现场紧急商议，项目组立即作出应急决策：紧急将PLET运回南山基地改装，增长吸力桩腿的长度，从原设计的4米加长至7.5米。通过业主方与上海打捞局、深圳海工、湛江合众三家公司的通力协作，充分发挥各家单位自身的优势，改造工作进展迅速。从紧急采办180平方米16毫米厚的钢板运抵合众机械厂，到钢材的下料、坡口加工、卷板、组对、焊接，再紧急用汽车运往南山终端，通过拖轮倒运至作业支持船“康盛口”，再连夜组对焊接加高PLET吸力桩，整个过程在四天时间内就保质保量地完成了。
图4 加长吸力桩腿后的PLET及泵撬块
5 水下管汇基盘PLET的分体再次安装
PLET吸力桩腿加长3.5米改装后，下部吸力桩从4米增长到7.5米，重量从28吨增加到43吨左右，PLET上部结构重约25吨，总重量达到68吨左右。用履带吊整体安装改装后的PLET接近额定载荷，比较吃力；同时，由于PLET上部结构主体呈长方形，接近正方形，一端向上突出，连接了一个3连发球清管器，重心不在中心点，也正因为如此，第一次安装的时候吊装水平度调整非常困难，所以，现场改变安装方案，决定将PLET上部结构和吸力桩分开吊装。
PLET上部结构和下部结构拆分后，下部3只吸力桩单独吊装，总高7.5米，每个吸力桩直径3米，3个吸力桩圆心所成三角边长分别为6米、5.8米、5.8米，呈等腰三角形，接近等边三角形，重心基本不偏，重量达43吨，满足履带吊的安全载荷。此外，分体吊装虽然增加了一次上部结构的吊装，但有利于调整PLET吸力桩的水平度，利于安装定位，且泵撬块抽水管路的设置也更加方便，直接设置在吸力桩上部，不再对今后上部结构的操作有影响。
加长后的下部吸力桩吊至海底安装位置时，由于重心不偏，放置平稳，经自重入泥2米多保持基本水平。然后使用泵撬块抽水管路，缓缓抽出3只吸力桩腿中的海水，使3只吸力桩腿在外部压力的作用下插入海底泥面，最终入泥7.3米，水平度X方向0.01度，Y方向-0.03度，符合安装要求。
PLET下部吸力桩安装到位后，回收下部吸力桩的泵撬块和吊索具，然后再安装上部结构。上部结构的安装使用钢丝导向的方式，先将PLET上部结构上对应的2个导向孔导入吸力桩上较高的2个导向柱，导入后，第3个导向孔自然与最矮的第3个导向柱对齐。上部结构安装到位后，3个导向柱分别上好保险栓，PLET分体安装完毕。
6 水下管汇基盘PLEM的安装
PLEM的安装和PLET的安装相似。PLEM的安装吸取了PLET安装的经验教训，在陆地预制时直接加长了吸力桩腿的长度，从原设计的2.5米加长到5米。同时，为了避免整体吊装偏心的问题，方便调节控制吸力桩吊装时的水平度及便于设置泵撬块的抽水管路，减少水下调平工作量，吊装方式由原来设计的整体吊装变更为分体吊装，即先吊装下部吸力桩结构，再吊装上部管汇。
海上安装下部吸力桩结构时，为避免泵橇块脐带缆被吸力桩压住，在其上绑扎一些浮球；为避免USBL定位信标信号不好，同时安装两个USBL定位信标。
为避免吊装水平上不平衡，实际测量钢丝绳的长度后，通过卸扣调节钢丝绳的长度，使下部吸力桩吊装时重心与吊装中点基本重合，都基本水平入水。为方便调节吸力桩的艏向，在1、3导向桩卸扣上分别连接牵引钢丝绳，并通过船底拉至船舷另一侧，通过绞车控制松紧，调节PLEM的方向。吸力桩安装到位，调节艏向后，使用泵撬块抽水管路，缓缓抽出3只吸力桩腿中的海水，使3只吸力桩腿在外部压力的作用下插入海底泥面最终PLEM入泥4.5米，水平度X方向0.02度，Y方向-0.08度。
下部吸力桩安装到位后，安装上部管汇结构。上部管汇结构在下放入水前，通过增加牺牲阳极以及卸扣调节等方式对上部PLEM管汇事先调平，并通过电罗经、UBSL定位信标测量数据精确校准艏向。然后通过安装PLET上结构同样的钢丝导向方式，使上部管汇结构对应的2个导向孔导入吸力桩上较高的2个导向柱，导入后，第3个导向孔自然与最矮的第3个导向柱对齐。上部结构安装到位后，3个导向柱分别上好保险栓， PLEM分体安装完毕，回收吊索具。2011年12月5日凌晨，崖城13-4气田开发工程项目水下管汇PLEM顺利安装完成，原计划需要3天时间的水下安装工作仅用了12个小时就已完成。
采用吸力桩的形式安装管汇基盘PLET和PLEM是国内首次尝试。吸力桩式管汇基盘与传统的板桩基盘相比较，构造更加科学；3条吸力桩的形式也使得管汇基盘安装时可对水平度进行调节，不依赖于海底地貌；吸力桩的抓力也更加稳妥，管汇基盘更加坚固。
吸力桩式管汇基盘PLET和PLEM的成功安装意义非凡，它标志着我国已具备自行设计管汇基盘的安装结构并在海上安装的技术和能力。
