南海1 500 m水深油气开发项目飞线安装方法

魏行超, 方 霖, 张 伟, 张亚雷, 杨 昆

(1.中海石油(中国)有限公司 海南分公司, 海南 海口 570100;2. 中海油深圳海洋工程技术服务有限公司, 广东 深圳 518054;3. 中国船级社 舟山办事处, 浙江 舟山 316021)

0 引 言

飞线是油气开发水下生产系统的重要组成部分，用于水下设施间的供电、信号传递或介质传递，是实现水下生产系统控制的重要一环，被称为水下生产系统的“生命线”。飞线和脐带缆、水下分配单元(Subsea Distributed Unit，SDU)、水下控制单元(Subsea Control Module，SCM)等共同构成海上油气田水下控制系统[1]。随着海洋油气开发走向深水，水下生产系统的应用规模不断扩大，飞线在海洋油气开发中的使用也越来越广泛。

1977年在北美某水下生产系统中应用飞线，该生产系统也是全球首个水下生产系统[2]。掌握飞线技术的国外知名公司主要有Teledyne Oile @ Gas、Aker Solution、Cameron-Onesubsea和Technip-FMC等。飞线的一些关键部件，仅这些公司可生产维修。当国内飞线关键部件受损时，只能联系上述公司进行维修，维修周期长且费用高昂。国外在飞线安装难点技术方面，在恶劣海况下开展不同安装方法的对比研究，成功研发可在恶劣海况下采用飞线架进行飞线安装的方法[3]。近年来，国外在飞线技术上又研发新型飞线：Teledyne公司研发的AFL(Active Flying Lead)型飞线可显著增加以太网飞线的长度，从原有的60 m突破至100～300 m，并可采用中转站方式进一步提升数据传输距离[4]，这对推动深水海洋油气开发具有重要的意义。

国内对于飞线技术的掌握主要集中在飞线的安装回收及运营使用上，也涉及一定程度的飞线维修技术。飞线的应用离不开水下生产系统，目前国内水下生产系统方面的研究较多，但有关飞线的研究资料较少。流花4-1项目水下生产系统是国内自主安装的首套水下生产系统，水深为260～300 m，有飞线的应用[5]。此前，国内水下生产系统均借助国外石油公司资金和技术完成，水深为120～333 m[6]。在流花4-1项目之后，流花19-5气田、崖城13-4气田、荔湾3-1气田和文昌10-3气田等油气田开发均有飞线的应用。其中，崖城13-4气田和文昌10-3气田曾发生飞线被拉断损坏的事故，由于核心部件未损坏，维修工作相对简单，由国内东方电缆公司实施修复[7]。上述油气田开发项目中，除荔湾3-1项目水下生产系统水深达1 500 m以外，其他水下生产系统水深均在350 m以内。荔湾3-1水下生产系统安装主要依靠国外公司进行，未实现超深水水下生产系统自主安装。近年，国内在南海海域采用水下生产系统自主进行流花29-2、流花16-2和陵水17-2等深水项目的开发[8-9]。其中，陵水17-2项目水深达1 500 m，水下生产系统应用多种类型的飞线。本文针对陵水17-2项目中各种类型飞线的安装方法进行研究，可为国内其他深水油气田飞线安装提供参考。

1 飞线类型及构造

深水飞线根据传递介质和功能的不同，分为液飞线、化学药剂飞线、电飞线和光飞线。液飞线输送的介质是水，用于水输送及液压控制，主要应用于采油树上。化学药剂飞线输送的介质是化学药剂，主要应用于管汇注入乙二醇进行流动保障。电飞线传导的介质是电信号，主要应用于采油树水下控制模块的电力输送。光飞线传导的介质是数字信号，主要应用于从水下设施到水面或陆地的远距离数据输送。在这4种飞线中：液飞线和化学药剂飞线在结构上大体相同，运输方法和安装方法相同；电飞线和光飞线外观及外部结构相同，不同之处在于内部是电缆与光纤的区别，运输方法和安装方法也相同；电飞线和光飞线可集成为复合飞线，同时具备电飞线和光飞线的功能，外观与单独的电飞线或光飞线相同。

4种飞线外观如图1～图4所示。由图1和图2可知，液飞线和化学药剂飞线的构成主要包括两端的接头、中间的柔性管体和管体与接头连接段管体外的限弯器，2种飞线结构基本相同。由图3和图4可知，电飞线和光飞线的构成包括两端的接头、中间的缆体、缆体与接头连接段缆体外的弯曲加强器及中间接头，但中间接头不是必需的构成部分。液飞线和化学药剂飞线的管体构造与普通软管相同，但管径较小，由于深水油气田承压更高，管体推荐使用钢管，外部护套可以是热塑性护套包裹所有钢管，也可以是不与钢管接触的普通护套。电飞线和光飞线的缆体直径相对于液飞线更小，缆体部分主要为热塑性软管，里面穿装电缆或光缆，内部填充液压油，以克服水深压力。

图1 液飞线示例

图2 化学药剂飞线示例

图3 电/光飞线示例

图4 电/光飞线三维模型

飞线接头是飞线关键部件，目前国内对于所有类型飞线接头的设计制造和维修技术均未掌握。飞线接头的复杂之处在于，将管体内介质或缆体内线缆进行分流，最终与水下生产系统结构物组对连接并实现介质或信号的输送。

图5为液飞线或化学药剂飞线的接头。

图5 液飞线或化学药剂飞线接头示例

图6为电飞线接头。需要说明的是，同一根电飞线由于两端连接的水下结构物不同，两端的接头样式不一定相同，这也是电飞线研制的核心技术之一，详见电飞线接头面端面。

图6 电飞线接头示例

陵水17-2项目对液飞线、化学药剂飞线、电飞线和光飞线均有安装使用。液飞线和电飞线用于连接管汇和采油树，进行介质和信号的传递。此外，电飞线还用于连接管汇和管道基盘，进行信号传递。在该项目中，液飞线和化学药剂飞线外观结构完全相同，不同之处在于一些性能参数。电飞线和光飞线比液飞线更细长，质量和尺寸参数相差较大。图7和图8为陵水17-2项目采用的液飞线和电飞线实物。

图7 液飞线实物

图8 电飞线实物

表1为陵水17-2项目一组液飞线、化学药剂飞线和电飞线的参数信息。

表1 陵水17-2项目飞线参数

由图7和图8可知，液飞线与电飞线在外观上差异较大。由表1可知，液飞线与化学药剂飞线在管体外径、飞线长度相同的情况下，管体质量和接头质量有一定差别，但较接近。液飞线和化学药剂飞线与电飞线参数差异较大，电飞线外径、质量、最小允许弯曲半径远小于液飞线和化学药剂飞线。

2 深水飞线安装技术

2.1 深水飞线安装分类

深水飞线安装只能采用遥控无人潜水器(Remote Operated Vehicle，ROV)的安装方法[10-12]。由于水深较大、海流分布复杂、定位精度、飞线结构构造等原因，深水飞线安装难度较高。

根据液飞线、化学药剂飞线、电飞线和光飞线的结构特点，可将深水飞线分为2类进行安装技术研究。一类是液飞线和化学药剂飞线安装；另一类是电飞线和光飞线安装。这2种安装方法存在较大不同。深水电飞线和光飞线可采用整体下放安装方式(该方法也适用于浅水液飞线安装)，如图9所示。由于深水液飞线和化学药剂飞线采用钢管作为传递介质，因此缆体整体弯曲刚度较大，无法采用整体下放安装方式。

图9 电/光飞线盘绕在飞线架上整体下放

2.2 深水液飞线及化学药剂飞线安装

深水液飞线和化学药剂飞线管体通常采用钢管，在深水抗压和使用寿命上具有较大优势，但也造成弯曲刚度较大，最小允许存储和安装弯曲半径较大的问题。以陵水17-2项目安装的液飞线和化学药剂飞线为例，缆体采用松散管束形式，外部护套与钢管之间无填充物，不接触，因此海水可直接通过护套上的开孔进入飞线护套内部与钢管接触。由于外部护套不能被挤压，因此在设备选型时也不能使用张紧器安装此类松散管束形式的飞线[4]。基于张紧器的替代方案，深水液飞线和化学药剂飞线可采用转盘和V架工装进行水平方式的安装。液飞线和化学药剂飞线在转盘上的状态如图10所示。

图10 存储在转盘上安装的液飞线和化学药剂飞线

在液飞线和化学药剂飞线水平下放安装中，需要使用较多设备辅助下放。陵水17-2项目液飞线和化学药剂飞线安装的甲板布置如图11所示。涉及的设备资源有安装船、绞车、V架、转盘、下水桥、起重机等。安装的主要思路如下：起重机和绞车配合作业，将液飞线和化学药剂飞线从甲板倒出，整根飞线两端分别连接起重机和绞车并整体下放至海底。之后，在ROV、起重机和绞车的配合下，完成液飞线/化学药剂飞线在水下结构物上的回接工作。整个安装过程可分为5个安装阶段：阶段1，将飞线首端连接浮球和配重从甲板提起下放，直到飞线末端出转盘才停止起重机下放飞线；阶段2，将飞线末端吊至下水桥处，连接浮球至飞线末端，起吊飞线末端距离下水桥一段距离后再继续下放飞线；阶段3，当飞线首端接近海床后，移船使首端位于结构物接口前方，飞线开始着泥；阶段4，起重机开始下放飞线，同时移船沿设计路由移动；阶段5，ROV带着漂浮的拖拉头对接到指定的水下结构物端口，完成两端对接。图12为5个安装阶段的模拟示例。

图11 液飞线和化学药剂飞线安装甲板布置

图12 液飞线/化学药剂飞线安装模拟示例

在这5个安装阶段中，阶段1、阶段2和阶段5操作难度较大、安装风险较高，飞线易发生损坏。阶段1和阶段2主要是在甲板上进行的起始阶段，阶段5是飞线安装最终的回接阶段，浮球和配重的使用是回接成功的关键因素。由于液飞线和化学药剂飞线安装难度较大、风险较高，须对液飞线和化学药剂飞线关键施工过程进行计算分析，以确定飞线安装的允许天气窗口、飞线受力、起重机绞车索具受力、配重浮球质量及浮力需求、合理的施工细分步骤。

2.3 深水电飞线及光飞线安装

深水电飞线及光飞线安装可采用整体式安装方法，与浅水飞线整体式安装方法类似。电飞线和光飞线按特定倒缆方法存储在飞线架上，采用起重机将飞线架和飞线一起整体下放至待连接结构之间的海床上，之后采用ROV在海底完成飞线铺设及两端回接。

飞线连接头被对接在永久性插座中，而主体管线部分则按8字形缠绕，以使飞线在下放和展开的过程中保持扭矩平衡。安装过程相对液飞线和化学药剂飞线操作简单，且对设备和现场海况的要求也相对较低，不需要进行复杂的计算分析。电飞线及光飞线安装过程可分为3个阶段：阶段1，将飞线和下放框架从甲板提起下放至飞线设计路由中间；阶段2，ROV将飞线首端连接头从下放框架拉出并插入SDU对应端口；阶段3，ROV将飞线末端连接头从下放框架拉出并插入采油树对应端口。电飞线及光飞线安装过程如图13所示。

图13 电/光飞线整体下放安装示例

3 结 论

深水飞线根据传递介质和功能的不同，可分为液飞线、化学药剂飞线、电飞线和光飞线。液飞线和化学药剂飞线在结构上大体相同；电飞线和光飞线的外观及外部结构相同；前2种飞线与后两种飞线在结构和质量上存在较大差异。

根据4种深水飞线的结构特点，可将飞线安装方法分为2种：一种是基于水平铺设方式安装的液飞线和化学药剂飞线安装；另一种是基于整体下放的电飞线和光飞线安装。由于水深的缘故，深水飞线必须采用ROV辅助作业。液飞线和化学药剂飞线的安装与电飞线和光飞线的安装相比较为复杂，需要在安装前进行计算分析以确定飞线安装允许的天气窗口、飞线受力、起重机和绞车索具受力等施工细节参数及合理步骤。

在飞线安装技术中存在一些关键技术在文中未作展开，如飞线各安装阶段的施工细节方案制定及模拟仿真分析。由于国内深水飞线应用项目不多，深水飞线安装技术可进一步优化提升，存在进一步研究的空间。