深水脐带缆安装技术发展现状与趋势

孙晶晶，刘培林，段梦兰，，张九菊，胡显伟，桂 津

（1.中国石油大学（北京），北京102249；2.海洋石油工程股份有限公司海洋工程技术中心，天津300451；3.复旦大学，上海200433） ①

深水脐带缆安装技术发展现状与趋势

孙晶晶1，刘培林2，段梦兰1，3，张九菊3，胡显伟1，桂 津2

（1.中国石油大学（北京），北京102249；2.海洋石油工程股份有限公司海洋工程技术中心，天津300451；3.复旦大学，上海200433）①

对脐带缆安装技术特点作了介绍，包括与主平台的回接技术、脐带缆终端的下放技术。结合国内外脐带缆安装技术应用的水深情况作了相应的分析和对比，提出我国在深水脐带缆安装过程中所面临的挑战和发展方向。

深水；油气田；脐带缆；张紧器；斜槽；发展现状

水下生产系统脐带缆是电缆（动力缆或信号缆）、光缆（单模或多模光缆）、液压或化学药剂管（钢管或软管）的组合，整个系统包括深水脐带缆终端、上部脐带缆终端、连接部件。脐带缆是水下生产系统的关键组成部分之一，主要作用是为水下生产系统提供电气液压动力、化学注入通道，同时为上部模块控制信号以及水下生产系统提供数据传输通道。2002—2008年，在全球634个海上油气开发项目中，超过500m的深水项目占48%，超过1 500m的超深水项目占22%，其中深海油气生产约占海洋油气生产的30%［1］，成为未来油气资源争夺的主战场。脐带缆作为深水油气田开发的关键部分，其安装技术必将走向深水领域。我国海洋石油的开采正向深水发展，因此掌握深水脐带缆安装的关键技术

1 脐带缆安装技术特点

脐带缆上端连接生产平台上的控制单元，下端连接海底终端，传输上部平台的控制信号至水下各功能组件，例如海底管汇、水下采油树等。因此，脐带缆安装过程分几个阶段进行。

1.1 脐带缆铺设技术

将铺设设备按照设计图纸中施工图的要求布置、固定，将脐带缆铺设机具装上船并与船体固定。脐带缆的铺设可以分为起始、正常、终止3个阶段。在铺设过程中应保证脐带缆的曲率和张力。铺设方式分为滚筒式铺设和退扭架式铺设［2］，如图1～2所示。

图1 滚筒式铺设

图2 退扭架式铺设

1.1.1 铺设准备

1） 脐带缆开始铺设前，需要按照设计在施工船上布置脐带缆铺设设备，并做好设备的检查调试。

2） 潜水员检查脐带缆护管情况，检查海底情况。

3） 从顶部穿1根牵引钢丝到脐带缆护管内。

1.1.2 起始铺设

1） 施工船舶就位。

2） 脐带缆终端头在甲板上做好防水处理后，连接拖拉索具，放入水中。

3） 潜水员在水下将脐带缆护管内的牵引绳与拖拉索具连接好。

4） 用吊机或绞车拉脐带缆护管另一端的牵引绳，直到把脐带缆终端头抽出。

5） 预留出适宜脐带缆连接的长度。

6） 在水上、水下固定住脐带缆。

7） 沿着脐带缆设计路线铺设。

1.1.3 正常铺设

将脐带缆和铺设设备装船，按要求布置并做好固定和设备的检验调试，开始正常铺设，在铺设过程中要注意控制脐带缆铺设速度，监控脐带缆入水角度和张力，通过张紧器和刹车系统控制铺设张力和入水角度。移船过程中，定位系统引导脐带缆铺设到设计路线中。

1.1.4 终止铺设

1） 铺设脐带缆到终点后，潜水员下水检查脐带缆护管情况，并清理管口。

2） 脐带缆端部要绑一些浮球。

3） 潜水员在水下将脐带缆护管内的牵引绳与拖拉索具连接好。

4） 将脐带缆放到水里，通过浮球保持脐带缆在水中的曲率。

5） 用吊机或绞车拉脐带缆护管另一端的牵引绳，直到脐带缆头抽出。

6） 预留出适宜脐带缆连接的长度。

7） 在水上、水下固定住脐带缆。

1.2 与主平台回接技术

脐带缆连接到重力基座或是导管架平台时，必须拉入到专用通道，该通道就是I／J－Tube。I／JTube一端用塞子塞紧，防止水渗入进去造成腐蚀。脐带缆与主平台连接时所用的I／J－Tube回接方法［3］是：当铺管船到达平台附近时，用深水遥控机器人ROV（Remotely Operated Vehicle）对海床和I／J管入口进行可视化检查，考察I／J管的物理条件和海床条件以及I／J管的路线剖面。平台上的绞车牵引缆索沿着I／J－Tube下放，使其在铺管船甲板上与脐带缆的一端连接好，平台上的绞车收回牵引缆索。当牵引缆索在I／J管喇叭口的挡板处时，要用很大的张力才能通过。平台绞车将脐带缆拉起直到脐带缆悬挂头到达平台铺板标高处，连接于平台上控制终端。如图3所示。

图3 主平台回接技术

1.3 终端下放技术

脐带缆终端UTA（Umbilical Termination Assembly）下放通常采用“双子法”安装［4］，UTA定位非常关键，UTA的下放顺序如图4～9所示。

1） 定位船到达指定位置或区域，将绞车钢索一端吊至铺管船，以便连接脐带缆终端（UTA），定位船绞车钢索连接到脐带缆终端以后，再使脐带缆连接好脐带缆终端，然后用“A”型架将脐带缆终端提起。

2） 倾斜“A”型架，使脐带缆终端移出甲板，然后通过铺管船上中心绞车缆线与定位船钢索协调释放，下放脐带缆终端，直到脐带缆终端进入水中。

3） 继续下放脐带缆、钢索和中心绞车缆线，直到脐带缆终端下降至500m水深处，中心绞车停止释放缆线，利用深水遥控机器人剪断中心绞车缆线。

4） 脐带缆终端载荷全加至定位船钢索上，完成张力转换，这样定位船就能确定脐带缆终端的下降方位。

5） 继续下降脐带缆终端，当到达离海床50m处时，利用定位装置确定脐带缆终端的方位。

6） 定位完成以后，继续释放脐带缆终端，直到脐带缆终端下放到海床上，完成脐带缆终端的下放工作之后，便开始正式铺设脐带缆的工作。

图4 船舶就位

图5 连接UTA

图6 下放UTA

图7 ROV切断缆绳

图8 下放UTA至海底10m处

图9 UTA到达目标位置

1.4 飞行就位连接技术

脐带缆终端下放到目标位置后，终端与水下生产设施相连接的部分是飞线（flying leads）。飞行就位（fly－to－place）技术是一个无人操作的连接系统，用来连接柔性管线或脐带缆，完成油田内部水下各个设备之间的连接，例如采油树、管汇、管线终端以及立管基座。近年来飞线的连接遇到很多困难，主要是由于对扣板（stabplate）质量过大，由于水深的增加，飞线本身的质量和刚度都增加了。因此，近几年的安装趋势发生了变化，可以把飞线看作是短的脐带缆［5］。安装过程是应用支撑架（如图10所示），用“八字形”的存储安排，把飞线放到海底几个连接点之间。当从海底拉起飞线接头时，ROV绕过对扣板到达连接点。对于钢管飞线，部署架应足够大以适应它的弯曲半径。飞线连接海底布局如图11。

图10 飞线支撑架

图11 飞线连接海底布局

2 脐带缆安装所用关键设备

脐带缆的铺设过程需要专用铺管船、定位船、滚筒、张紧器、斜槽和深水遥控机器人（ROV）等安装设备。

2.1 滚筒／转盘

滚筒／转盘是安装所必须的设备，用来存储和下放脐带缆，滚筒／转盘的尺寸决定了存储的脐带缆的长度，而脐带缆的最小弯曲半径和铺设长度也是滚筒直径设计和选择的依据。滚筒由电机带动旋转，供给脐带缆的正常铺设。在满足脐带缆尺寸要求的同时，要重视滚筒／转盘材料选择和装置的固定［6］，避免滚筒过重导致滚筒／转盘下沉或是出现意外的移动。

2.2 张紧器

张紧器是脐带缆铺设系统的核心部分之一。当将脐带缆通过斜槽垂直放入水中前，由张紧器夹紧以提供其所需要的张力。张紧器［7－11］是衡量脐带缆铺设能力的关键设备，一般的铺设船张紧能力都能达到3 000kN以上，大型的铺设船更是在5 000kN以上。一方面，张紧器能起到固定脐带缆的作用；另一方面，张紧器还能控制脐带缆张力，使得铺设船在波动或是风浪的作用下，脐带缆的张力能保持在允许值范围内，避免脐带缆超过许用应力而破坏。

2.3 斜槽

把脐带缆系统安装到船上时，脐带缆自船上垂入水中通过斜槽［12］，斜槽是一个刚性圆弧形的支撑导向结构，以确保脐带缆在入水时弯曲半径要大于最小弯曲半径，保证脐带缆的性能不被破坏，如图12所示。

图12 脐带缆安装系统中的斜槽

在深水安装中，对斜槽的尺寸有一定的要求。设计斜槽半径时要考虑脐带缆对斜槽的接触压力，在超深水安装时斜槽的半径应更大一些。

图13给出了斜槽半径、安装脐带缆的水深以及脐带缆质量之间的关系曲线。斜槽半径的设计要限制脐带缆和斜槽之间的相互作用力以及钢管中的内压，斜槽的半径取决于安装载荷和脐带缆挤压力。

图13 斜槽半径、水深和脐带缆质量关系曲线

2.4 ROV

ROV系统工作范围广泛，从视觉检查到非常复杂的操作，再到精细的管线连接，为深海脐带缆的安装系统提供远程监测的能力。例如：监测处地点的位置，UTA下放准确定位，对“飞行就位”技术的实现提供监测等。ROV在海上石油开发、海洋科学研究、海底矿藏勘探、海底打捞救生以及军事应用等方面正发挥着越来越重要的作用。

2.5 绞车

收放绞车是脐带缆铺设过程中牵引脐带缆沿着I／J－Tube到达浮式平台或是导管架平台的关键设备，它具有控制、动力一体化的功能，能够非常稳定地进行负重转换，保证脐带缆较平缓地拉至平台上。牵引力的转换是全自动进行的，所需时间短，且具有自动张紧的功能。

3 脐带缆安装技术进展

目前，巴西国家石油公司、BP、埃克森美孚、壳牌、道达尔等多家国际石油巨头已拥有深水油气勘探开发的核心技术。墨西哥湾地区BP、TotalFinaElf、Marathon Oil三大公司对King’s Peak、Aconcagua、Camden Hills油田进行脐带缆安装，3块区域的水深为100～2 000m，其所应用对扣铰接技术［13］（Stab and Hinge Over）减少了主脐带缆终端与脐带缆对接的安装时间。脐带缆的安装技术已经发展到了近3 000m水深，国外一些安装公司安装脐带缆的水深情况如表1。

表1 国外油田脐带缆安装水深

我国海洋石油开发与国外仍存在很大差距。我国虽然已经具备了300m水深以内的海洋油气自主开发能力，但深海油气勘探、开发和生产的关键技术和装备仍比较落后，还不具备提供成套深海高端装备的经验。陆丰22－1海水油田位于中国南海，水深333m，脐带缆和软管的安装船为海鹰号，并与挪威合作完成了海上脐带缆的安装。

据统计，全世界海洋油气生产几乎占海陆油气总和的50%，其中深海油气生产约占海洋油气生产的30%。因此，脐带缆安装技术向深水领域发展必将成为新的发展方向。

4 结语

脐带缆铺设是深海油气田开发过程中不可缺少的一步，脐带缆就像神经一样控制着整个系统。尽管我国在该领域与国外先进技术之间存在较大差异，但经过技术创新、装备海洋化改造、技术先易后难、重点突破的渐进过程，困难将被攻克。

［1］ 廖谟圣，杨本灵.世界石油设备发展的新特点及机遇与挑战［J］.石油矿场机械，2007，36（9）：1－6.

［2］ 海洋石油工程安装设计指南编委会.海洋石油工程安装设计：第八册［M］.北京：石油化工出版社，2007.

［3］ Ronalds B F，Earl，Wright.J－Tube Design for Flexible Umbilicals［C］／／Houston：24th Annual OTC，1992.

［4］ PE Norris.Testing and Installation of the Gemini Umbilical［C］／／Houston：Offshore Technology Conference，2000.

［5］ Jone M，Hettinger F，Faulds D.Making all the right connections 2005［C］／／Houston：Offshore Technology Conference，2005.

［6］ Clausing K M，Williams V T，MacFarlane J C.Na Kika Umbilical Transport ＆Installation Challenges［C］／／Houston：Offshore Technology Conference，2004.

［7］ 何 宁，徐崇崴，段梦兰，等.J型铺管法研究进展［J］.石油矿场机械，2011，40（3）：63－67.

［8］ 曾 鸣，孙 亮，钟朝廷，等.海洋铺管船用张紧器内悬架的设计与分析［J］.石油矿场机械，2010，39（6）：32－35.

［9］ 王晓波，钟朝廷，赵宏林，等.浅水铺管船锚机主要部件的设计分析［J］.石油矿场机械，2010，39（5）：23－26.

［10］ 崔学政，刘文庆，肖文生.海洋钻井平台立柱排管机设计［J］.石油矿场机械，2010，39（1）：45－49.

［11］ 王 懿，段梦兰，李丽娜，等.深水立管安装技术进展［J］.石油矿场机械，2009，38（6）：4－8.

［12］ Dieumegard C，Fellows P.Installation of metallic tube umbilicals in 3 000meters water［G］.Houston：Offshore Technology Conference，2003.

［13］ Tim W Ellisor.Canyon Express Deepwater Umbilical and Control System：Design and Installation［C］／／Houston：Offshore Technology Conference，2003.

Present Situation and Tendency of Deepwater Umbilical Cable Installation Technology

SUN Jing－jing1，LIU Pei－lin2，DUAN Meng－lan1，3，ZHANG Jiu－ju3，HU Xian－wei1，GUI Jin2
（1.China University of Petroleum，Beijing102249，China；2.Offshore Engineering Technology Center，Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin300451，China；3.Fudan University，Shanghai 200433，China）

Umbilical cable for subsea production system is the combination of electric cables（power cable or signal cable），optical cables（single mode or multimode fiber optic cable）and hydraulic or chemical pipes（steel pipe or hose）.The system includes deepwater umbilical cable terminal，the upper part of the umbilical cable terminal，connected components.Therefore，this article does all aspects of the characteristics on umbilical cable installation technology，including technology of backing to the main platform，lowing umbilical cable termination.We make analysis and comparison of installing technology of different water depths at home and abroad，and put forward challenges we will face and developped direction of the umbilical cable installation.

deepwater；oil and gas fields；umbilical cable；tensioner；chutepresext stitution

1001－3482（2011）12－0001－05

TE953

A

2011－03－31

国家油气重大专项“深水安装技术及安装机具研究”资助项目（2008ZX05056－03）

孙晶晶（1986－），女，辽宁锦州人，硕士研究生，主要从事安全检测与监测研究，E－mail：sunjingjh＠163.com。尤为重要。通过对国内外脐带缆安装的发展现状与趋势的研究，可形成深水脐带缆安装的技术支持能力，建立相关的知识储备，为我国深水油气田开发提供技术的指导。