1.FPSO
随着海洋油气开发逐渐向深海、远海发展,铺设长距离油气海底管道的成本越来越高、风险也越来越大。人们在思考,如果在海上建设一座油气加工厂,就可以解决这个难题,于是,浮式生产储卸油装置(FPSO,FloacingProductionStorage&Omoading)应运而生!
FPSO集生产处理、储存外输及生活、动力供应于一体,油气生产装置系统复杂程度和价格远远高出同吨位油船。FPSO作为海洋油气开发系统的组成部分,一般与水下采油装置和穿梭油轮组成一套完整的生产系统。FPSO通过输油管线接收来自海底油井的油、气、水等混合物,之后混合物被加工处理成合格的原油和天然气。达到一定储量后,经过原油外输系统输送到穿梭油轮,再由穿梭油轮输送至陆地。由于FPSO应用水深范围广、载重大,已成为海洋油气生产的主力装备,全球共计180多艘,应用水深范围20~2900米,最大载重35万吨。
1976年,壳牌公司将一艘油轮改装成世界上第一艘FPSO,用于地中海卡斯特伦(Castellon)油田。这种理念逐渐得到业界的认可,并开始广泛应用于海上油田开发。1986年,在我国北部湾油田开发中首次采用了FPSO--南海希望号。它由一艘17万吨级的旧油轮改造而成,由法国道达尔公司设计,新加坡胜宝旺船厂承建。1989年,我国自行设计建造的第一艘FPSO“渤海友谊”号,成功应用于渤中28-1油田。2020年5月,我国自主设计、建造和集成的FPSO“海洋石油119”在青岛交付,这也是截至目前我国拥有最大作业水深的浮式生产储卸油装置(FPSO)。
FPSO外形酷似超大油轮,是由上部模块、船体和系泊系统三个部分组成。上部生产模块一般在主甲板以上,相当于一座陆上的生产厂,设置油气生产和污水处理所需要的设备;船体储油舱室在主甲板以下的舱室,除压载水舱、燃油舱、淡水舱、机泵舱和部分与生产模块相关的工艺舱室外,很大部分舱室用来储存经处理的合格原油;系泊系统将FPSO的船体与海底连接,控制和调节FPSO在风、浪、流作用下的运动,保证FPSO长期安全地在海上作业。
FPSO甲板面积宽阔,承重能力与抗风浪能力强,便于生产设备布置;储油能力大,船上原油可定期、安全、快速地通过卸油装置输入穿梭油轮并运输到陆岸,穿梭油轮不仅可与FPSO串联,也可傍靠FPSO系泊,最新FPSO还具备了海上天然气分离压缩罐装能力,提高了油田作业的经济性;应用灵活,移动方便,其海上自航能力是其他海洋平台系统所不具备的,因此,FPSO可根据作业需要和实际情况迅速转换工作海域和回厂检修。FPSO既可以用于海上油气储量有限、地层构造复杂或地处边远地区的中小型边际油气田的开发;又适用于深水油田开发,作业水深可达2000米以上。
FPSO一般用于海上油田,对于气田必须在FPSO上设法将天然气液化。于是,智慧的海油人提出了一种新概念——浮式液化天然气生产储存外输装置(FloatingLiquefiedNaturalGasSystem,简称FLNG),用来进行深水气田的开发。20世纪70年代,挪威首次完成了FLNG的概念设计。2018年12月,总投资超过125亿美元的全球最大FLNG——澳大利亚浮式液化天然气装置PreludeFLNG投产。
FLNG集生产平台、外输管线,陆上终端的功能于一身,包括船体系统、系泊系统、液舱维护系统、外输系统、天然气液化系统、生活楼等,可实现海上天然气生产、处理、液化及储存,简化了海洋天然气的开发过程,结合LNGC(LNG运输船)可在海上直接实现LNG的液化出口,对深远海气田开发具有潜力和推广应用前景。
2.单点系泊
FPSO及FLNG都需要系泊系统将其固定,可以分为多点系泊和单点系泊两种形式。其中,多点系泊系统不具有风标效应,环境适应性相对较差,一般用于海况条件比较好的西非、巴西和印尼等海域;采用单点系泊系统的船舶可在风、浪、流影响下,绕系泊点360度旋转,从而大幅提升船舶环境适应性。我国南海区域台风较多、海况复杂,不适合采用多点系泊方式,通常采用单点系泊系统。
单点系泊系统通常有海上“FPSO/FLNG单点系泊系统”和离岸“单点系泊输油终端系统”两大类,前者应用于FPSO/FLNG系泊与流体输送,而后者用于离岸油气装卸,类似于码头。
海上“FPSO/FLNG单点系泊系统”的主要作用是将船体定位于作业海域,同时使FPSO/FLNG具有风向标的效应,在各种风浪流作用下受力最小,从而保证整个船体能够在海上长期连续工作。这类单点系泊系统由转塔、液体传输系统、旋转系统及界面连接系统四部分组成。其中,转塔不仅是FPSO/FLNG的系泊点,也是立管和脐带缆系统经海底到达船体的通道。通常包括内转塔和外转塔两种系泊方式。外转塔一般设在外悬臂上,而内转塔则设在船艏。
离岸“单点系泊输油终端系统”通常用于外来原油的卸载,被称为“浮动的码头”。与固定式码头相比,它是一种“点”系泊,即大型油轮或超大型油轮系泊于海面上一个“点”,然后进行装卸货操作。
1958年,瑞典皇家海军在瑞典达拉罗港建造了世界上第一座单点系泊系统--悬链浮简式单点系泊系统(CanaryAnchorLegMooringSystem,CALM系统),作为“海上加油站”成功投产,从而揭开了单点系泊技术在海洋石油开采和海上原油中转等领域上应用的序幕。1994年,国内第一套单点系泊系统建成投产,开创了国内不具备深水航道的港口可以靠泊超级油轮的历史新纪元。单点系泊由一个能够漂浮在海面上的浮筒和铺设在海底与陆地油库连接的管道组成,主要包括单点浮筒、流体旋转头、导航系统、系泊系统、输油管路系统、水下软管和海底管汇等。卸油工艺流程为:油轮→漂浮软管→浮筒输油臂→浮筒旋转头→水下软管→海底管汇→海底管线→陆上油库。
单点系泊的最大优势是将码头由岸边移至海上,不需要开挖深水航道、浚深港池,也不需要遮蔽水域和建防波堤,不占用宝贵的岸线资源,特别适合没有深水岸线,却拥有广阔水域的沿海港口建设。
相对于传统固定式码头,单点系泊也有一些技术弱势。如:因长期受到风浪、海流、潮汐、海生物腐蚀和海水腐蚀以及台风等恶劣天气影响,必须经常进行维护检查,备品备件和维护费用较高;其水下软管、漂浮软管等易遭到损害,存在溢油风险。尽管如此,单点系泊作为一种全新的卸油方式,其投资少,回收周期短,经济效益和社会效益显著,在国内具有广阔的应用前景。
3.水下系统
恶劣的海洋环境对海洋采油气设备会产生较大的破坏作用,于是,自然考虑到把它们放到水下,从而出现了水下生产系统。
水下生产系统经历了两个阶段。第一阶段是传统水下生产系统,指采用湿式采油树将多口油井的产出物经管线汇集后不经任何处理而直接输送到水面的系统;第二阶段是现代水下生产系统,指对各井的产出物进行单井计量、汇集,并进行气液分离、增压等处理,将经过一定程度处理后的油气送回到生产平台或直接送到岸基设施。
(1)传统水下生产系统。
传统水下生产系统是20世纪60年代发展起来的,它与固定式平台、浮式生产平台等设施结合,组成不同的海上油气开发模式。传统水下生产系统包括以下设备。
水下井口和采油树。水下采油树安装在水下井口,由阀门、管线、连接器和配件组成,在水下生产系统中起到注水、注气、控制油气产量、化学试剂注入和控制油井生产事故的作用。水下井口实际上是各层套管的悬挂点,包括套管、套管头、井口头、套管悬挂器和密封总成等,其主要功能是在海床上为钻井和完井系统以及油井的套管柱提供支撑附着点。按照结构及生产通道阀门位置不同,水下采油树可分为立式水下采油树和卧式水下采油树两类。立式水下采油树,也称作常规采油树,其生产和环空孔垂直穿过采油树本体;卧式水下采油树的生产通道在采油树本体内水平转向至侧边,生产主阀和生产翼阀位于采油树本体一侧。
水下管汇。简单来说水下管汇就是各种管道的汇集端。它安装于海底群井之间,将各个油井的油气集中起来,通过输油管线混合油流,输送至上部采油平台。典型的水下管汇由管系系统、阀门组件、结构框架、管汇基础组成,其布置方法直接关系到水下生产系统的布局是否合理。
水下控制系统。水下控制系统主要是对安装在水下采油树、水下管汇和管道上的阀门和节流器进行操作,它也可以用于在水上和水下之间接收和传送数据,通过对温度、压力等数据监测,方便操作人员了解整个系统的运行情况。
跨接管。水下生产设施的连接主要由跨接管和连接器完成,用于连接各井口及水下生产设备。典型的跨接管是一个较短的管状连接单元,在管子的两头分别有一个终端连接器。
(2)现代水下生产系统。
现代水下生产系统在传统水下生产系统的基础上增加了水下处理设备,主要包括水下分离、水下增压、水下清管等系统,目标是把形成合格原油的一系列过程放在海底完成,从而提高油藏开发的采收率,降低操作成本。
水下分离系统。在海底实现气液分离,避免了气液混输,减少了管道段塞流产生的可能性,从而降低了海管的压力,提高输送效率。根据功能的不同,分为气液分离系统和油水分离系统两种。由于油井采出液中含砂量较高,如果不对其进行处理,采出液中的砂会沉积在分离器的底部,因此水下分离系统还需要具有除砂功能。
水下增压系统。水下增压系统利用人工增压使产出液体输送到上部处理设施,可以减小井口压力,加速生产。主要包括海底多相泵增压系统和水下气体压缩系统。采用多相泵可以不经分离直接为多相流提供压能并将其输送至海上或陆上的处理设备;水下气体压缩系统可以提高气流压力,从而实现提高采收率、降低开发成本等目的,适用于深海长距离区块和高气油比油气田。它与水下分离系统配合工作,把分离器分离出来的气体增压输送至终端处理设备。
水下清管系统。海底管道运行一段时间后,管内壁会沉积蜡、砂等杂质,堵塞管道,降低管输效率,影响正常生产。随着海洋开发水深增加,海底清管难度越来越大。水下清管系统只需要设置一根海管,不会影响水下生产系统的运行,更加简单经济,已成为未来海底管道清管技术的发展趋势。
可以看到,利用水下生产系统,能够将位于水面以上的处理设施“搬”到海底,在海底建立一座“无人工厂”。由于水下设备可重复利用,油井布置灵活,受自然灾害影响小,因而广泛应用于深水油田以及边际油田的开发。
4.生产立管
水面生产装置与水下生产系统是怎样联系起来的?这就需要生产立管发挥作用了,广义上来说,生产立管也是水下生产系统的一部分。浅水的立管是由钢管固定在平台的桩腿上,而深水中的立管为了适应不同水深的开发需要,有着各式各样的变化。
根据结构形式及用途,立管可以分为钢悬链立管(SCR)、顶部预张力立管(TTR)、柔性立管(FR)和混合式立管(HR)。
钢悬链线立管。钢悬链线立管(SCR)广泛应用于张力腿平台、Spar平台、半潜平台、浮式生产系统和浮式生产储运系统。当水深超过3000米时,SCR成为深水开发的首选立管形式。钢悬链线立管由多段标准长度的钢管焊接而成,上端通过柔性接头自由悬挂在外侧,立管在重力作用下自由垂放在海底呈悬链线状,下端与海底生产系统相连。钢悬链立管的优点是结构形式简单、成本低,无需顶张力补偿,对浮体的漂移运动和升沉运动的适应能力强,适用于高温高压的介质环境。其主要缺点是触地点易疲劳破坏,需要采用水下湿式采油树,安装和维护较干式采油树复杂。
顶部张力立管。顶部张力立管(TTR)通过顶部施加张力,保持各部分竖直和张紧。可以避免屈曲,避免大的弯曲应力,还可以降低钻井、完井成本,适合复杂完井要求的工作。TTR常用于TLP平台和Spar平台等采用干式采油树的平台,用于钻井、完井、修井及生产。一般TTR结构由刚性圆管接合而成,一般选取钢、钛、铝或者复合材料,其中钢材是大多数立管的首选材料;接头部分由连接器连接,例如螺纹机械连接、法兰连接、焊接;立管张力系统有传统的液压系统、气罐、张力器、张力甲板等。
柔性立管。柔性立管(FR)起源于20世纪70年代后期,广泛应用于巴西海上、远东、北海及墨西哥湾。柔性立管结构由很多层组合而成,如高刚度的螺旋加强金属层提供强度,具有低刚度的密封层可以确保不发生泄漏。这些层互相间可滑动,从而形成弯曲刚度低易发生弯曲的特性。与SCR立管相同,柔性立管系统也是集海底管道与立管于一体,上端与浮式结构连接,底部由立管头直接连接海底管汇或采用专用连接器与海底生产系统进行连接。
混合式立管。混合式立管(HR)主要由立管主体、柔性跨接软管、顶部浮力筒、海底桩基和连接系统组成,以刚性立管作为主体部分,通过顶部浮力筒的张力作用,垂直站立在海底,以跨接软管作为外输装置与海上浮体相连接。混合式立管能够大大减弱恶劣的海面条件对立管系统的影响,由于具有良好的运动性能,混合式立管可应用于FPSO等运动较为剧烈的平台。
不论是哪种形式的立管,在水下生产系统中都发挥着不容小觑的关键作用。浮式平台的主生产处理系统控制站或主控制站能够对立管内液体输送情况等进行监测和控制,以确定立管系统的作业状态是否超过设计条件,并据此进行适当的调整。
5.海底管道
海底管道是最快捷、最安全和经济可靠的海上油气运输方式。它源源不断地将海上产出的油气进行输送,几乎不受环境条件的影响,也不会因FPSO/FLNG容量的限制或穿梭油轮接运不及时而迫使油田减产或停产。但海底管道处于海底,和陆地铺管相比,其施工难度大,施工费用较高,检查和维修困难,还可能会遭受船舶抛锚的破坏。尽管如此,由于其输油效率高,运油能力大,还是受到业界的青睐,广泛应用于海上油气的运输。
海底管道的施工需要铺管船、挖沟船、拖轮等其他辅助作业船组成专业船队,还需要供应材料、设备和燃料的船只。国内外通常采用铺管船法和拖管法进行海底管道的铺设。
铺管船法。采用专门的铺管船进行管道的铺设,在船上,要预先安装专用的铺管设备,这种施工方法适合较深海域的管道铺设。选用铺管船法进行海上管道铺设作业时,根据铺管船以及铺管设备的不同,可分为“S”形铺管法和“J”形铺管法以及卷管式铺管法。
(1)“S”形铺管法。“S”形铺管法是当前最常采用的海洋铺管方法,“S”形铺管船也是世界上应用最多的铺管船,甲板上设置铺管作业线和张紧器,船艉有托管架。常规的“S”形铺管船首先将存放在船甲板两侧的管段输送到作业线上,经过对中、若干焊接工序、X线检测、防腐补口、保护层包覆等作业后,随着铺管船缓缓前行,管线经张紧装置沿托管架铺入海底。张紧器是保持铺管曲线形状的主要设备,提供了平衡管线重力和控制管线曲率所需要的张力;托管架可以调整自身的曲率半径,支撑管线以“S”形平稳入水。
(2)“J”形铺管法。采用“J”形铺管法进行铺设时,管道进入水中的角度通常接近垂直,管道受力而弯曲成类似“J”形曲线,多用于深水和超深水海域的海底管道敷设。
“J”形铺管船上安装有一个巨大的“J”形铺管塔,张紧器垂直放置于塔上。所以,管线的接长作业由“S”形铺管的水平位置调整为竖直位置。“J”形铺管船的甲板和铺管塔上均设有焊接站,管线在甲板上接长至铺管塔的长度,然后由专用吊架将管线放入“J”形铺管塔,并由“J”形铺管塔上的焊接站完成管线的整体接长后铺设入水。铺管塔的倾斜角度可根据水深和张力调整,以确保管线铺线的入水角与悬垂段在塔末端的切线保持一致,形成一条光滑的“J”形曲线。
(3)卷管式铺管法。卷管式铺管法就是利用专业卷管设备将作业前已经在陆地上预制好的管道(一般是中小直径的柔性管道)卷在专用滚筒上,然后再进行海上铺设。采用卷管式铺管法铺设时,大部分操作如管线的连接、滚卷等都在陆地上提前完成,这样可以最大限度减少海上施工。由于没有管线接长作业,卷管式铺管船不需要进行锚泊,也不必设置焊接站,因此管道铺设效率高且质量好。由于其操作简单,这种铺设方法经济性最好。但是由于管线的缠绕和拉直会引起塑性变形,所以这种铺管方式对管线的损伤较大。
拖管法。拖管法铺设是将作业前已经预先在陆地上制备好的一定长度的管道,通过牵引船拖拉至预定位置,将管道连接完整后再下沉至海底。拖管法根据牵引过程中管道所处的海水深度可分为浮拖法、离底拖法和底拖法。
(1)浮拖法。浮拖法是预先在陆地上连接好的管段上捆绑一定数量的浮筒,管道依靠浮筒的浮力在海面漂浮,然后通过牵引船拖拉至预定位置沉放安装。
(2)离底拖法。离底拖法利用捆绑在管道上的浮筒和海底拖链来进行重力平衡,使管道在牵引过程中保持既离海床一定距离,同时又不漂浮在海面的状态。为了保持管道悬浮状态,对浮筒的拆除时机与数量提出了较高的要求,铺设难度比浮拖法大。
(3)底拖法。底拖法指在牵引管道进行铺设的整个过程中,管道始终处于海床上。由于管道始终与海床接触摩擦,因此对牵引船的动力有一定消耗,并要求管道外表面的抗磨层比其他拖管法要更加厚实。采用底拖法进行铺管的过程中,管道全程处于海底,风、浪等对其产生的阻力几乎可以忽略,因此管道的整体受力状态较好。
6.水下机器人
海洋结构物的安装是一项高风险、高难度的工作,在安装过程中,人们如何监测其安装位置,并控制安装活动呢?在浅水,潜水员可以下水进行操作或辅助作业;当水深超过60米以后,潜水员就无法正常工作了。那么,在上千米的深水海域,如何进入海底辅助进行结构物的安装呢?水下机器人可以很好地解决这个难题,是深水作业的好助手。
水下机器人又称水下遥控工作机器人(RemoteOperatedVehicle,简称ROV),是一种具有智能功能的水下潜器,分为有缆水下机器人或无人遥控机器人。水下机器人配有摄像头、多功能机械手、多种用途和功能的声学探测仪器及专业工具,可以进行各种复杂的水下作业。
1960年,世界上第一台真正意义上的水下机器人在美国研制成功,它在西班牙外海找到了一颗失落在海底的氢弹,因而在全世界引起了极大的轰动。1975年以后,由于海洋油气业的迅速发展,水下机器人也得到飞速发展,并广泛应用于海洋调查、海洋油气开发和海上救捞等领域。
20世纪70年代末,我国开始进行水下机器人的研究工作。1985年,我国独立自主研发的第一台大型水下机器人“海人”1号首航成功,达到了同期世界技术水平。2018年,我国自主研制的深海装备“海龙11000”水下机器人(无人缆控潜水器),在西北太平洋海山区完成6000米级大深度试验,最大下潜深度5630米。2020年4月,海斗一号搭乘“探索一号”科考船奔赴马里亚纳海沟,成功完成了首次万米海试与试验性应用任务,最大下潜深度10907米,刷新中国潜水器最大下潜深度纪录。
根据国际海事承包商协会(IMCA)标准,按作业能力将水下机器人分为五级:一级是纯观察型,只能完成水下纯粹的观察作业,不能携带任何水下作业工具和设备;二级是带有负载能力的观察型,能够带有简单设备完成水下观察作业;三级是工作型,通常情况下带有机械手,能够完成水下较为复杂的工作;四级是拖曳爬行类,主要指挖沟机和挖沟犁等;五级是原型或改进型,包括改进的或特殊用途的又不能归于其他级别的水下机器人。按动力源不同,则可分为电动和液压驱动两种。
海洋石油工程中一般采用有缆水下机器人进行作业,可以实时传输信号。它的基本工作方式是由水面母船上的工作人员,通过连接潜水器的脐带缆提供动力、操纵或控制潜水器,通过水下摄像机、成像声呐等专用设备进行水下观察,或者通过机械手等工具进行水下作业。
采用水下机器人进行水下作业,工作效率高,人员风险低,环境适应性好,可以实现全天候24小时连续作业。水下机器人在海洋油气开发的全生命周期内发挥着不可替代的重要作用,可以进行钻井水下支持及各类工程建造项目支持,如工程前后调查、导管架安装、水下设施安装连接、水下系统干预、管缆铺设、生产期间的检测/维修和维护以及弃置期间的水下作业等。
水下机器人系统包括水上、水下两个部分:水上部分由控制系统和布放回收系统组成;水下部分由中继器和水下机器人本体组成。
水面控制系统主要包括主控计算机、操控平台、跟踪定位设备、视频摄录设备及供电模块,其功能是监视和操作潜水器,并向潜水器提供水下作业所需的动力等。布放回收系统(LARS)由脐带缆、绞车、排缆器、A型架、液压装置等组成,可布置在母船舷侧或船尾。水面控制系统通过脐带缆与水下机器人进行电力输送和通信连接。
水下机器人中继器是用于储存和收放中继管缆,由储缆装置、脐带缆收放结构与潜水器锁栓结构组成。与水下机器人本体之间通过中继浮力缆连接,它隔离了作业母船升沉、纵倾、横摇的影响,同时消除了系缆对水下机器人的拖曳影响,保证了水下机器人运动的平稳性和灵活性。水下机器人本体包括框架、浮力材料、控制系统、动力与推进系统、导航定位系统、通信系统、摄像及照明系统、荷载系统等。各系统协调作业,完成复杂的水下操作任务。
随着海上油气田开发不断走向深水,业界对水下机器人的需求和性能要求也越来越高。未来的水下机器人技术将不断向远程化、智能化、协同化、专业化发展,以满足工程需要。
7.脐带缆
脐带是连接母亲和胎儿之间的纽带,母亲通过脐带向胎儿提供生命需要的一切营养。深水作业时,水下设备也配备有一根或者数根长长的脐带缆,脐带缆和高大的平台比起来,真的是毫不显眼,但是它的作用却是至关重要的,是生产系统的神经网络。
脐带缆作为水下生产系统的“神经生命线”,是电缆、光缆、液压或化学药剂管的组合,是作业母船控制中心与水下作业设备联系和控制遥控通道,对生产系统的作用类似脐带之于哺乳动物,故命名为脐带缆。1961年,壳牌公司在墨西哥湾使用第一条全液压热塑性软管脐带缆;1982年,瑞典公司Sandvik首次用钢管替代热塑性软管,并且开始应用高压输电方式,同时引入了铠装单元和光纤单元来完善脐带缆的结构和功能。
脐带缆主要有四个方面的作用:(1)电力供应:水下设备要想运转,那必须有电力供应,所以,脐带缆应具备电力供应功能;(2)信号传递功能:水上的人员想要知道水下设备的情况,那就需要进行信号传送,有了脐带缆,信号的传送就靠谱多了;(3)为水下设备提供液压通道:为水下生产系统阀门执行器提供液压动力源;(4)化学药剂的输送:油气的探测与开采,离不开大量的化学药剂,总不能直接撒到大海里面吧,而脐带缆就可以将特定的化学药剂传送到特定的场所。
脐带缆是由多功能单元多层次构件螺旋缠绕复合、相互非黏结接触的结构。在组装脐带缆时,首先形成一个环形束,然后用压制热塑护层将其包裹,根据需要缠绕钢丝进行铠装加固,并在外层使用护套套牢。此外,还可以包含具有绝缘和保护作用的聚合物护套,用于填充层间间隙和固定其他管线位置的填充物,以及铠装钢丝或碳棒。脐带缆安装就位后很难再对其进行维护,所以其使用寿命设计应足够长。
脐带缆使用工况环境都比较恶劣,一般要求脐带缆具有外径小、重量轻、抗干扰性强、信号传输稳定、抗拉能力强、耐海水腐蚀等特性。长时间以来,大长度脐带缆一直都被国外公司所垄断,我们的国产化方面一直未能获得突破应用,也直接限制了我们国家在深海油气田的探测开发。
8.工程船舶
海洋油气开发中,海上施工包含了各种复杂的操作过程,如结构物安装,水下井口维护,完井、修井和压井支持,水下弃井作业,结构物/海底
按照主作业模式的不同,海洋工程船可分为起重船、起重铺管船、铺管船、潜水支持船、多功能船、水下作业支持船等。在浅水作业常用浮吊,而在深水作业离不开水下作业支持船。
浅水作业巨人——浮吊。在海上施工作业中,起重船发挥着不可替代的作用。顾名思义,起重船是用于进行水上起重作业的工程船舶,也可以看作是浮在水面上的吊机,因此又称为浮吊、浮式起重机。浮吊的吊装能力一般从数百吨至数千吨,可用于海洋结构物的安装、拆除,还可用于港口码头货物的装卸、沉船沉物打捞和海上救援等工作。
我国自行设计建造的重型海洋工程船“华天龙”,号称“亚洲第一吊”,总长为174.85米,型宽48米,最大设计起重能力达4000吨,全回转起重能力2000吨。它可在水深8~300米的海域进行海上打捞和起重作业,为我国的海洋工程和救助打捞工作立下了汗马功劳,但它还不是最牛的!2016年,自主建造的“振华30”号,以单臂架12000吨的固定吊重能力和7000吨360度全回转的吊重能力位居世界第一。它全长297.55米,宽58米,型深28.8米;甲板上的吊机高167米,主甲板相当于2.5个足球场的面积,可同时容纳380人食宿作业。它的起重臂可以放倒或旋转,十分灵活,能够自如应对海上的恶劣环境。“振华30”号的首秀就是高难度的港珠澳大桥岛隧工程海底隧道的最终接头吊装下沉对接,并将高低差要求控制在1.5厘米以内,实现了史无前例的安装精度。
浮吊是如何工作的呢?一般来说,它会航行至预定位置,将吊钩、吊索下放到需要吊起的结构物上,然后工作人员将结构物固定在吊钩上,将其吊起后移至指定位置下放。浮吊在起重重物时,由于重心的移动,会像跷跷板一样一端下降,一端翘起。如果不采取适当的措施,船舶很可能会出现7~8度的倾斜,甚至更大,严重威胁船舶安全。因此,在吊装作业时,为了抵消起吊重物时产生的横倾力矩,需要在另一端反向加载大量的压载水或者将同侧的压载水及时排出,从而使船舶始终保持良好的浮态。
深水作业母船——水下作业支持船。水下作业支持船是为水下及海床施工和水下作业提供支持的船舶,从广义上讲,水下作业支持船包括潜水作业支持船、遥控潜水器工作母船、铺管船等。海洋油气勘探开发的水下作业支持船通常指用于深水海洋工程装备、水下设施安装和操作船舶。
相对于普通船舶,深水水下作业支持船通常的特型配置包括动力定位系统、带升沉补偿功能的吊机和用于水下监控的水下机器人等。
“海龙”号是中国自主建造的高端饱和潜水支持船,该船能够实现潜水作业规模化,作业水深达3000米,填补了国内高端饱和潜水支持船自主建造的空白。“海龙”号采用潜水系统与船体一体化设计,配备了固定式24人双潜水钟300米水深饱和潜水系统和双潜水月池,能够实现潜水作业规模化;同时还配备了DP3动力定位系统,满足在风速25节、流速1.5节海况下的定位作业要求;此外,船上还配备有两台3000米深水工作级水下机器人以及250吨主动式升沉补偿船用吊机,波浪补偿精度±5厘米;并配备了减摇抗横倾系统。
水下作业支持船是海洋石油开发的关键装备,深水水下系统必须使用水下作业支持船进行安装,船舶的动力定位能力、吊机的吊重能力、升沉补偿能力以及水下机器人下潜深度是评价水下支持船能力的关键指标。