集束动态海底电缆安装分析

石 云， 石锦坤， 郭 宏， 孙 锟， 张西伟

(1. 中海油研究总院有限责任公司，北京 100028；2. 深圳海油工程水下技术有限公司，深圳 518065)

0 引 言

深海油气资源的开发既是必然的趋势，也是未来我国海洋石油开发的主战场[1]。水下生产技术作为深水油气田开发的主流技术之一，由于不需要建造昂贵的平台，受灾害天气影响小，且投资对水深变化不敏感等特点而被广泛采用[2-3]。目前国外水下生产技术已经非常成熟，而我国相关技术储备相对薄弱，经验相对较少，这在一定程度上影响了我国深水油气资源的开发[4-6]。水下集束动态电缆作为水下生产技术的一部分，是我国深海油气田开发的必备设施。目前，我国在南海的项目所使用的集束动态海底电缆全部是进口产品，这些进口产品成本高、供货周期长、售后服务响应慢。在目前低油价的国际背景下，迫切需要打破国外垄断，推进集束动态海底电缆国产化，降低油田开发成本。

中海油联合国内电缆厂家开展“集束动态海底电缆国产化研制”工作，为确保集束动态海底电缆国产化的可行性，必须基于目标油田环境条件和施工资源开展电缆的安装分析来验证国产海底电缆的主要参数(最小弯曲半径、最大允许张力等)是否满足安装要求，同时安装分析也可为将来海上安装提供参考。

1 集束动态电缆介绍

深水集束动态海底电缆由多个单根电缆功能元件组成，动态缆外观上都呈圆整、紧凑的形式。缆芯内所有空隙填满填充物或以支撑骨架隔离，铠装层由两个或者两个以上相反螺旋组成以保证足够的弯曲性能，最外层一般采用聚合物挤出。动态电缆的截面如图1所示，主要参数如表1所示。

图1 集束动态电缆截面图

表1 动态电缆参数

2 安装分析

海底电缆通常存储在铺缆船的转盘(carousel)或者滚筒(reel)上，通过张紧器及下水桥(chute)等设施将海底电缆铺设至海底。本文以南海某油田作为目标油田开展集束电缆安装分析，该油田主要开发设施包括FPSO及水下生产系统，FPSO上设有电站，通过集束动态电缆给水下电潜泵供电。目标油田水深400 m， 1年重现期波高约为7.5 m，周期为13.9 s。 1年重现期表面流流速约为1.57 m/s，底流流速约为0.4 m/s。

2.1 安装流程

典型的集束动态电缆安装流程如下：

(1) 首端过下水桥： 连接吊机索具到电缆端部，利用吊机辅助，电缆首端逐步通过下水桥，如图2所示。

图2 首端过下水桥示意

(2) 首端下放： 下放ROV入水，吊机下放电缆首端至距离海床约30 m处；将吊机转换至升沉补偿模式；通过吊机和移船调整朝向，并缓慢下放至预定位置；随后进行海底电缆正常铺设，如图3所示。

图3 首端下放示意

(3) 浮力块安装阶段： 浮力块可以提供净浮力，它按一定的间距分布在一定长度范围的电缆上面，从而构造了动态电缆的缓波构型，以适应恶劣的海洋环境和运动。浮力块外径为0.88 m，单个浮力块长度为1.129 m，净浮力为350 kgf(1 kgf=9.80665 N)。

(4) 动态段铺设： 浮力块安装完成后，继续进行海底电缆动态段的铺设，直至电缆末端到达下水桥附近，如图4所示。

图4 动态段铺设示意

(5) 动态电缆回接至FPSO：

a. 继续铺设至FPSO，当电缆末端接近卷管舱口时停止铺设，将绞车的钢丝绳与电缆末端连接，并通过吊机下放末端至甲板，用绞车临时固定海缆末端。

b. 移船靠近FPSO，并从FPSO传递信号绳至铺缆船；通过铺缆船绞车固定信号绳，并将FPSO抽拉绞车钢丝绳传递至铺缆船。

c. 将抽拉绞车钢丝绳索接头与电缆末端连接，拆除信号绳。

d. 下放海缆，同时FPSO绞车缓慢回收，ROV继续观察海底电缆状态。

e. 当电缆全部转移至FPSO时，抽拉绞车，ROV拆除吊机、船舶绞车与电缆之间索具，FPSO抽拉绞车继续回收，直至电缆抽拉出护管至预定位置，如图5所示。

图5 动态电缆回接至FPSO示意

2.2 接受标准

在安装施工时，需要满足如下所列的限制条件：

(1) 电缆有效张力： 电缆所受最大张力不得大于张紧器的工作极限和电缆本身所能承受的最大张力，该数值为496 kN。

(2) 最小弯曲半径： 安装电缆时的最小弯曲半径不得小于1.95 m。

(3) 间隙： 安装时，船身与电缆需要保持足够的安全距离，使得电缆不会与船身发生碰撞。

2.3 分析软件

本文利用Orcaflex软件对海底电缆进行建模分析，得出各安装流程下的关键参数。Orcaflex软件由英国Orcina公司开发，是一款业内领先的、可进行各种海洋工程结构动态分析的软件，应用范围包括各种立管、锚泊系统、拖曳系统及安装过程等。由于其良好易用的图形用户界面及强大的批处理功能，为全世界海洋工程设计公司所青睐。

2.4 静态分析结果

在不考虑波浪作用的情况下进行静态安装分析，得出不同安装阶段下的电缆最大有效张力、电缆最小弯曲半径以及电缆与安装船的间隙等关键参数，结果如表2～表6所示。

表2 首端过下水桥计算结果

表3 首端下放计算结果

表4 浮力块安装阶段计算结果

表5 动态段铺设计算结果

表6 回接至FPSO计算结果

从以上静态分析结果可以看出，电缆的最大有效张力和最小弯曲半径均在允许范围内，电缆不会与安装船发生碰撞。

2.5 动态分析

在动态电缆的安装过程中，浮力块安装、动态电缆铺设以及回接FPSO阶段为关键工况，本文将针对该阶段开展动态分析，以最大有效张力、最小弯曲半径等为限制条件反算出满足安装条件的波高，用于指导实际安装过程，选取合适的安装窗口。

对于关键工况，使用表7所列的工况矩阵进行动力分析，考虑到南海坏境条件和安装实际情况，波高选取的范围是0.5～3 m，浪向以45°为间隔选取，波浪跨零周期范围为5～15 s，分析结果如表8所示。

表7 动态分析工况

表8 关键工况动态分析结果

表8所示的分析结果是通过采用不同的波浪方向、波浪周期与波高的组合，根据电缆铺设控制条件反算出不同安装阶段的允许波高，从分析结果可以看出浮力块安装阶段对安装条件限制更为苛刻。

表8显示在某几个浪向(相对船首)条件下，浮力块安装允许的波高仅仅为0.5 m，但通过进一步分析可知，这种极端情况仅仅发生在某些特定的波浪周期，发生的概率非常低，其在不同波浪周期下允许的波高详细分析结果如表9所示。

表9 浮力块安装阶段允许波高

从以上动态分析结果可知： 不同安装阶段所允许的海况条件不同，本项目安装的关键阶段为浮力块安装阶段，应提前根据天气预报选择较为合适的气候窗口。在实际安装过程中，也可以通过适当调整安装船舶首向，从而使波浪与安装船的角度位于有利于安装的区间。

3 结 语

本文介绍了集束动态电缆的安装流程，并针对目标油田，利用Orcaflex软件开展了静态和动态安装分析，获得了最大张力、最小弯曲半径等关键参数，同时得出了各关键工况的波高要求，通过计算分析，可以得出以下结论：

(1) 静态分析结果显示动态电缆最大张力、最小弯曲半径等参数均在允许范围内。

(2) 动态分析结果显示不同安装阶段所允许的海况条件不同，在实际安装过程中应选取合适的环境窗口，并通过适当调整船舶首向避免不利的安装工况。

(3) 通过合理的设计及安装分析，选取合适的环境窗口，国产集束动态海底电缆可以满足安装要求。