新型水下结构保护罩在南海典型油气开发区域应用的可行性研究

白 冰， 罗 超， 亢冬春， 赵笑寒， 张晓健

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引 言

目前，渔业捕捞设备和技术在不断进步，对海底油气田生产设施已经造成了极为严重的破坏，一旦海底拖网设备对海底管道、水下设施产生冲击、拉翻、拖挂现象，将大大提高海底管道、水下设施破坏损伤的风险，严重危害海洋油气的安全生产。为降低渔业捕捞技术发展给水下油气设施带来的损害风险，亟需对较深水的各种水下油气设施的保护方案进行针对性的研究。

针对水下模块类设施的保护方案，目前国内通常采用钢结构保护罩的形式，不仅重量大，不易安装，且需要做防腐措施，经济性较差。现针对南海东部的典型油田区域开发，拟采用一种玻璃纤维增强塑料(下述玻璃钢)保护罩的形式对水下结构物进行保护，本文将对其技术可行性进行深入研究[1]。

1 南海典型油气开发区域介绍

南海典型油气开发区域包含的主要水下生产设施包括水下采油树、水下生产管汇(集成增压模块)、柔性跨接管、复合脐带缆、海管终端(PLET)、集成的水下终端接头(UTA)和水下分配单元(SDU)等，如图1和图2所示[2-3]。

图1 南海典型油气开发区域水下系统布置

图2 南海典型油气开发区域水下系统示意

2 南海渔业对水下结构物损坏现状

2.1 渔业活动对水下设施的影响概述

近年海洋渔业捕捞方式与海洋石油水下设施都在迅速发展，从上述调研情况可以发现，目前对于南海东部自营油气田水下生产系统结构物影响最大的仍然是渔业活动。从目前所掌握资料来看，损伤集中发生在未采用保护措施的水下设施上，而已经采取保护的水下结构物暂未发现异常。

渔业活动对水下设施造成的损坏归结为以下两个原因：

第一，在水下结构物设计和安装过程中，只考虑了常见的渔网拖挂方式对水下结构物的影响和解决措施，但是现在中国的捕鱼方式除了运动的拖网捕鱼外，还经常将渔船定点在一处，用灯光诱捕等方式捕鱼。而渔船是不会有动力定位的，在海流不急的地方，可以用海锚，在海锚效果不理想的情况下，就会抛落地锚，渔船用的落地锚(钢缆连接)可以在很深的水域使用，目前已知渔船的抛锚水深可达二百余米，这一抛锚方式对我南海水下设施等产生的危害逐渐显现和增多。

第二，拖网深度越来越深，之前积累的渔业活动调查资料与结论可能不再适用。ISO 13628—15标准中也明确说明，由于捕捞装置的发展，750 m的水深以浅除了做历史和当下的渔业活动评估外，还需要评估“未来”的数据。

2.2 南海东部自营油田水下结构物损坏现状

本文对自2016年后，南海东部自营气田的水下设施异常情况进行了统计，如表1所示。

表1 南海东部自营油气田水下系统设施异常汇总(水深大于200 m)

无论是起抛锚，还是拖网作业，目前对于南海东部自营油气田水下生产系统结构物影响最大的仍然是渔业活动。从目前所掌握资料来看，损伤集中发生在未采取保护措施的水下设施上，如LH4-1油田采油树、SUTU及LH19-5至PY30-1脐带缆等，而已经采取保护措施的水下结构物暂未发现异常。

浅水或中深水段(不大于300 m水深)的水下结构物很容易受到渔业捕捞的影响，如水下生产设施被船拖拽并引起管道、脐带缆、结构物等的损伤(见图3和图4)，因此无论是对已投产的水下生产设施进行后保护，还是对新建水下生产系统配套结构进行保护，都是非常必要的。因此，南海典型油田区域水下生产设施保护装置的设计和应用急需进行深入和细致的研究[4-5]。

图3 南海某区域大面积挂网事故示意

图4 南海某区域因钩挂上海管而被弃置的渔船锚

3 新型水下结构物保护罩的可行性研究

以欧洲为主的石油公司早在20世纪90年代就已开始采用玻璃纤维增强塑料保护罩，对各类水下结构物进行保护，以防止膨胀弯、海缆等管线防落物冲击，防渔网拖挂和海缆交叉点处理等施工，其具有造价低、结构重量轻、抗腐蚀、便于安装运输等优点。

本文将重点根据其适用要求和试验特性，分析这种新型水下结构物保护罩在典型油田的适用性。

3.1 水下结构物保护罩的通用要求

油气田水下结构物在进行基础设计时，通常避开航道，普通船只在非航道海域路过频次较低，且抛锚的概率又小，因此模块类的结构物，如水下采油树、水下管汇、海底管道终端等，其主要威胁来自拖网作业等渔业活动。常见的损伤形式包括结构沉降、整体偏离、密封圈及阀门等零部件失效或者破坏导致的功能失效等[6]。

对于模块类结构物保护，根据被保护物的形状特征，保护罩的外形尺寸可能存在差异，但整体结构类似，均为梯形体，且至少具备以下三个基本性能：

(1) 结构顶面及斜面平滑平整、无外凸结构，具备良好的渔网通过性，当拖网经过时，其网袋、桁杆、网板、沉子等不会出现钩锁缠绕情况。

(2) 结构具备一定的抗冲击强度，既要保证其可以有效抵抗落锚撞击，又要在发生形变后不会对内部的被保护结构造成影响。

(3) 结构应具备可靠性及良好的装配精度，抵抗环境条件的疲劳破坏[7-9]。

3.2 新型水下结构物保护罩的优点

与传统的钢结构保护罩相比，首先玻璃钢保护罩具有耐化学腐蚀、使用寿命长(长达50年)、重量轻(是钢结构重量的30%～50%)、抗疲劳等显著优点；其次，由于其材质特性，玻璃钢保护罩的结构设计灵活性大，可设计为各种形状；最后，运输时可堆叠运输，减少运输费用。在生产和造价上，玻璃钢保护罩可采用同一模具批量生产，造价低、周期短，与类似规格的钢结构保护罩相比，建造费用节省约25%。图5为所研制的水下分配单元(SDU)玻璃钢保护罩的外形图。

图5 新型水下结构物保护罩外形图

3.3 新型水下结构物保护罩所需进行的试验

根据水下结构物保护罩通用要求，需要对保护罩就结构进行各种试验。

(1) 冲击试验： 防落锚的试验。主要是测试2 m×2 m玻璃钢试验板在水中的冲击试验，即按照设定能量大小进行冲击，测试玻璃钢试验板能否保持不断裂。冲击试验结果如表2所示。

表2 冲击试验结果记录

(2) 根据Norsok-U-001和DNV-OS-C501规范，试验板仅有微量变形和分层，重物没有穿透试验板，不影响水下设施的正常使用，因此符合规范和使用要求。

(3) 渔网拖挂试验： 目的是检查渔网是否可顺利滑过保护罩，渔网拖挂测试与装配测试同时进行。经试验，渔网下纲、网囊在4个方向均可顺利通过保护罩主体，保护罩未出现表面损伤及渔网挂带现象，拖网试验合格，符合试验要求。

(4) 安装测试试验： 按照要求，指挥吊机由南向北、由东向西、由西南向东北、由东南向西北4个方向将渔网拖过保护罩。

4 新型水下结构物保护罩的安装方案

新型水下结构物保护罩的安装方案由船吊配合ROV牵引完成就位安装，工作主要内容： ①ROV预调查；②障碍物清理；③保护罩吊装入水；④保护罩翻转就位；⑤保护罩水平吊装就位；⑥后调查。施工步骤如图6所示。

(1) 准备工作： 检查吊装索具，确认索具配置正确，索具无损伤；连接侧吊索具至保护罩；吊机下放钩头连接吊装索具。

(2) 侧吊入水： 吊机缓缓起钩，起吊保护罩，保持保护罩为倾斜状态，以便过水面；吊机下放保护罩至水下位置，ROV前往找到保护罩。

(3) 翻转就位： ROV监控吊机下放保护罩；距离海床约5 m时，开启吊机AHC系统；缓慢下放保护罩至海床，确保保护罩平放于海床。

(4) 更换索具： ROV解钩，解除保护罩侧吊索具；吊机回收索具至甲板；甲板人员更换吊机索具，更换成保护罩平吊索具。

(5) 水平吊装就位： 吊机下放索具至海底；ROV挂钩平吊索具至保护罩；ROV监控并指挥吊机起吊保护罩，起吊高度约高于水下设施顶部5 m；移动吊机至水下设施上方；ROV指挥并引导保护罩下放；ROV协助将保护罩就位，完成对其覆盖保护。

(6) 吊装配重： ROV解钩，回收索具至甲板；甲板人员更换吊装索具，以吊装配重压块；吊机吊装下放配重压块至保护罩边缘；ROV引导就位配重压块，以便于固定保护罩不移动。

5 结 语

随着海洋油气开发向深海挺进，为规避台风、内波等恶劣海况，南海油气的开发模式已由水面转为水下，更多采用浮式加水下的整体开发模式，甚至未来会出现全水下开发模式。大量的水下设施，包括水下采油树、水下管汇、水下控制模块、海底管汇终端、脐带缆终端等将被广泛应用。随着渔业捕捞技术的发展，水下生产系统中的各类结构物将始终面临社会环境因素(主要是渔业活动)的威胁[10]。

本文针对南海东部油田被渔业影响及损坏的情况，探讨了一种玻璃纤维增强塑料保护罩形式对水下结构物进行保护的可行性。通过水下冲击试验和渔网拖挂试验，其测试结果满足使用要求，技术方案基本可行，可以在南海典型油田相关设施上进行推广应用。