概述

进入 21世纪 ,海洋逐渐成为全球石油勘探的重要领域 ,据国外权威机构预测, 未来世界油气总储量的 44%将来自海洋 。铺管船的任务主要是在海底铺设输送石油和天然气管道等海底管线工程。海底管线包括海底油、气集输管道 ,干线管道和附属的增压平台 ,以及管道与平台连接的主管等部分。其作用是将海上油、气田所开采出来的石油或天然气汇集起来 , 输往系泊油船的单点系泊或输往陆上油、气库站。

1 海洋石油的前景

世界深水探明油气储量达 440亿桶油量,待发现深水油气资源量超过 1000亿桶油当量 。2002 ～ 2006年期间, 世界开发 100 个深水油田 , 建成 150 座浮式生产平台 , 深水油气产量不断增加 。2005年, 世界深水原油产量达到 1.5 亿吨, 比 1995年增长近 10倍 。截至 2005年底, 在中国近海六大沉积盆地发现66个油气田 , 其中包括 PL19-1、LH11-1、YC13-1 等大型油(气 )田和深水气田 LW3 -1。其中油田主要分布在渤海珠江口 北部湾等盆地 , 气田则主要分布在东海 琼东南 莺歌海等盆地 。 中国近海海域累计探明石油地质储量 24 1亿吨 可采储量 5 13 亿吨,剩余可采储量 2.84亿吨 。超过 80%的石油储量分布在渤海盆地。世界范围内的深海石油勘探开发热潮兴起于上个世纪 80年代末,虽然至今仅有 20多年历史 ,但技术创新层出不穷,海洋油气勘探开发突飞猛进,作业水深纪录不断刷新。上个世纪70年代,世界海洋油气勘探开发作业水深低于200 m。最大勘探作业水深已超过3 000 m,开采作业水深已超过2000 m。深水和超深水海域的油气资源,正成为美国、英国、挪威、巴西等国竞相开发的热点,深海油气勘探开发被认为是石油工业发展的一个重要前沿阵地。在墨西哥湾、巴西以及西非等地,深海石油开发已经有了极大的发展。

2铺管船的发展历史及趋势

20世纪50年代,在开发浅海区油气田时,多采用人工开出一条能通行浅水船的河道, 并在一种用浮箱拼装而成的铺管驳船上, 把管子组装起来。当驳船向后移动时,焊接好的管段即滑入水中。这种铺管驳船逐步发展成为大型铺管船。1956年,第一艘较大型的铺管船投入使用。船上可以堆放管材,设有吊运管子的起重设备和管段的组装线,利用托管架作为下水滑道。这种铺管船锚定技术较完善,可在30m深的海域作业。此后, 铺管船不断发展,出现了具有自航能力、可铺设更大口径管道, 且能在较深海域作业的自航式铺管船。1965年,在开发大西洋的北海油气田时,这种类型的铺管船因抗风浪能力差,不能适应北海区的海况, 作业经常被中断。而后,经过改良船体结构,制成半潜式铺管船,加强了抗风浪能力。

20世纪70年代初期“乔克陶Ⅰ”号半潜式铺管船在澳大利亚的巴斯海峡投入使用, 证明半潜式铺管船稳定性好,并能在120m～180m深海中进行铺管作业。1979年半潜式“卡斯特罗10”号铺管船,在建设由非洲阿尔及利亚经突尼斯穿过突尼斯海峡通向欧洲意大利的输气管道时, 成功地在608m深的海域中铺设了500 mm管径的管道。

铺管船由于受到使用范围的限制, 不为大众所了解, 但随着近年来海上油气开发的日益红火,逐渐进入人们的视野。在20 世纪,铺管船的设计、建造及使用主要以欧洲的荷兰、挪威、意大利以及美国等少数几个国家为主, 而国内以中海油为首的海油工程公司亦只有几艘船龄较长的改造船投入使用。20 世纪后期,以海油工程公司为主的一些国内用户开始大规模建造。

近年来,随着船舶建造技术的发展,新技术的泛应用,铺管船的发展取得很大的进步。从采用锚泊定位、作业水深仅300 m以内浅水的铺管船,发展到采用动力定位、能满足3 000 m以内作业水深的深海作业铺管船;船只吨位也从几千吨、到上万吨、乃至十几万吨;船型从早期的单体驳船型发展为单体船、双体船、半潜船。同时,铺管专用装备,如:张紧器、A&R绞车、托管架的技术进步, 为铺管船由浅海走向深海提供了必要的保证。

3铺管船国内建造开发现状

中海油作为海洋石油勘探开发的先驱, 承担着国内绝大部分的海上油气勘探、开采的任务;中石油、中石化亦在上世纪70年代先后启动海上油气的勘探、开采工作,但主要的开采工作集中在浅海区域。近年来,海洋石油的勘探工作取得突飞猛进的发展,勘探工作已达到或超过3 000m水深的超深水区域。随着深海油气田的陆续发现, 后续开采工作已提上议程。由于适合深水油田的钻井船、采油平台等已相继建成, 然而能满足深水铺管作业的铺管船在国内的建造才刚起步, 铺管装备的严重缺乏已经影响到油田开发的连续性。

近年来,国内加大了铺管船的研发、建造力度, 已有部分船舶建成投产。如2001年交船的中海油“蓝疆”号铺管船, 该船由GUSTO设计,烟台莱佛士船厂建造;2007年交船的广州打捞局“华天龙”号轮(铺管预留),该船由七★八研究所设计, 上海振华港机建造。近期在设计、建造中的有:七★八研究所为中海油设计的浅水铺管船,该船已在振华港机开工建造,预计年底投入使用;七★八研究所为上海打捞局设计的3 800 t起重铺管船(铺管预留),已开工建造,预计2009年投入使用;上海船舶设计研究院为中海油设计的深水铺管船,亦已在江苏熔盛开工建造,预计2010年投入使用;中石油的浅水铺管船已经完成立项,并进入设计阶段;南通亚华为SapuraAcergy公司建造的“Sapura3000”号已开工;SeaTrucks Group公司在江苏各船厂建造的“JASCON18”、“JASCON25”、“JASCON28”、“JASCON34”号等4艘铺管船,已完成船体建造,现正在新加坡安装铺管设备,计划2009年投入使用;另2艘“JASCON”系列船舶也已开工建造。

4铺管船技术难点分析

铺管船专业特点明显, 国外部分设计公司如GUSTO,通过几十年设计与工程实践的积累,已开发出一系列的船型。在国内,该类型船的研制工作才刚刚开始。由七 ★八研究所为中海油设计的浅水铺管船项目,属国内首次自主研发项目,经与海油工程公司合作,重点解决了该船主要技术参数的确定、铺管方式的选取、船体耐波性的要求、船平台功能要求、铺管线设计等五方面的难点,为同类型的船舶设计积累了宝贵的经验。

4.1 主要技术参数的选用

对铺管船来说, 关键的技术参数主要包括目标工程的铺管水深及对应的铺管管径、对应海区的海况条件及符合作业的工作环境, 管线的转运及贮存要求等主要技术要求。铺管船作业水深一般划分为超浅水、浅水和深水,超浅水一般指作业水深不超过30m～50m的浅海区域,浅水为作业水深不超过300m的区域,而深水铺管船一般能满足最大作业水深为3 000 m以内的深海区域。铺管管径是指该船能铺设的海底管线的大小,它对应的是一个管径范围。现在主流的铺管船能铺设的管径范围一般为4″～48″,若包括涂层为4″～60″,现能做到最大的铺管管径可达60″。对一艘铺管船来说,铺管水深和对应的铺管管径直接反映了该船的铺管能力。

工作海区的海况条件及符合作业的工作环境是铺管船设计的关键参数, 直接影响到船平台能否满足铺管作业的要求。一般来说, 铺管船的作业环境条件定义如下:风速<16m/s、有义波高<2.5m、波浪周期6.0 s～12 s、流速<2 kn,风向:全风向。当然,以上参数根据目标工程海域情况作适当调整。

铺管船作业环境条件参数的高低直接反映该船的主尺度要求,并对造价产生较大的影响。参数偏低,满足不了作业海区作业的要求;参数偏高,造价相应提高、运营成本上升。因此, 综合平衡各参数指标,提出合适的作业环境条件, 是铺管船建造成功与否的关键。

为满足铺管船连续作业,同时综合考虑管线的运输成本,对管线的转运及贮存要求应有具体的指标要求。为保证铺管作业的连续性, 铺管船一般考虑能贮存5 000 t～12 000 t的管材及相应耗材,而60″管单节管最大重量为40 t,船上通常能贮存的管线为200 ～300根。通常,铺管作业的速度为每天3 km～8km不等,即每天消耗250～650根单节管不等(单节管管长一般为12.2m)。因此,单靠船平台上贮存的管线很难保证工程施工作业的连续性,需考虑专用运管船随时补充。过大的贮存量会导致船平台主尺度过大,性能较差。因此, 应对合理的贮存量与管线补给的即时性综合评估,提出合适的贮存量。

4.2 铺管方式的选取

现在主流的铺管方式有三种:S-Lay、J-Lay、Reel-Lay三种型式, 对应不同的铺管水深及铺管管线规格,铺管方式参照以下原则选取:

(1)S-Lay适于浅水区管线铺设, 也比较适合深水区的小管径管线的铺设;

(2)J-Lay在深水区大管径管线的铺设中有很大的优势;

(3)Reel-Lay在深水区小管径管线的铺设中有很大的优势。

注:“ ”号越多表明更优, “ -”号表示不适用

现在一般工程应用上S-Lay和J-Lay两种铺管方式选用较多, 但由于J-Lay方式的铺管速度较S-Lay方式慢,通过管线入水方式的调整和托管架的设计, S-Lay方式逐渐在深水区域上也得到了良好的应用。Alseas公司曾经有过在2 000m以上水深应用S-Lay的工程经历。由于Alseas公司在深水S-Lay领域取得的成功, 世界上新造铺管船的主流船型均采用S-Lay。J-Lay方式由于系统简单, 在一些深水使用的大型船舶加、改装项目上得到很好的应用。

4.3 船体耐波性

船体耐波性能的优劣, 直接关系到铺管作业的有效工作时间。在铺管作业过程中,经常会发生管线断裂现象,主要是由于受海浪等外界条件影响,船平台的漂移与管线的受力不匹配,使管线受外力超出管线的应力水平而导致的。另外,耐波性的好坏还直接影响到船上工人的施工作业。一般来说,主要应考虑船平台的固有横摇周期与目标工程区域的波浪周期间的关系, 设计上应避免两周期在同一区域内, 一般考虑有2s左右的差距。在我国南海水域,波浪的固有周期一般为7s～12s秒之间,该指标对船体耐波性设计有很高的技术难度。

4.4 船平台功能要求

要满足铺管作业的要求,在铺管船设计时需重点考虑船型选择、作业定位、主起重机等方面的要求,以保证铺管作业的效率。首先,从船型选择上进行分析,现有的铺管船船型一般为单体驳船型、单体船型、半潜船型等三种船型,不同的船型选择, 适合不同的工程需要。

(1)单体驳船型,一般比较简易,采用锚泊定位方式, 造价较便宜, 主要针对浅水、超浅水。但其机动性差,作业时需较多的辅助船舶;

(2)单体船型,设备配置一般比较考究, 大多采用动力定位和锚泊定位的组合方式, 既能以锚泊定位方式在浅水区域作业, 又能以动力定位方式在深水区域作业,但造价较高;

(3)半潜船型,主要铺管对象是深水区域作业, 一般采用动力定位的方式,该类型的船一般在设计时除了考虑铺管作业外,还配有大型起重机,能满足海上大型结构物的吊装, 以及有大量的人员居住舱室,可以作为平台支持船使用。该类型船造价非常昂贵。

其次,铺管船在作业时有准确的定位要求,现在的定位方式一般有锚泊定位和动力定位两种方式。采用锚泊定位的船,由于装机功率相对较小,船体本身亦不是很复杂,因此造价相对较低,作业时需配备2 ～3艘起抛锚船为其不停地交替起抛锚作业,一般最大作业水深不超过300 m。水深过深,需配备较长的缆绳,且锚机负荷增大, 建造和运营成本上升, 铺管效率也受影响。采用动力定位的船, 需配备较强的推进器功率,并且有些船考虑到动力定位的可靠性, 一般采用 DP-2 或 DP-3级 , 因此装机功率较大 ,并且船体结构和系统复杂, 技术含量相对较高 。此类船一般考虑可在深水区域作业或不能采用抛锚定位的水域作业,现已有可满足最大作业水深不超过3 000 m的深水铺管船。考虑到运营成本或定位有特殊要求等因素, 部分铺管船采用锚泊定位和动力定位相结合的方式, 能满足普通工程的要求。而半潜船型,由于其目标工程主要是深水区域,因此基本采用动力定位的方式。

另外,铺管船均配有供管材转运用的起重机,起重能力一般为30 t～100 t,主要用于管材从运输船上过驳到铺管船, 以及从堆厂到作业线的吊运。铺管船除配备管材运转用的起重机外,一般均配备一定能力的主起重机。主起重机的主要功能包括:起吊本身的托管架、起吊大型作业设备、完成一些海上结构物的吊装。一般单节托管架重量300 t～500 t;海上安装的中、小型结构物, 模块800t～1 200t, 而大型构件有超过5 000 t。因此,对于专用的铺管船,一般主起重机的起吊能力配置在500t以下, 此类船一般以驳船型居多;如果需要兼顾部分海上吊装作业,配备的主起重机的起吊能力考虑在1 200t ～1 600 t;在一些大型的铺管船上,由于考虑船的适用性,该类型的船功能多样化,主起重机的起吊能力配置可达4 000 t～8 000 t,在采用半潜船型的多功能起重铺管船上,经常配置两台主起重机。

4.5 铺管线设计

铺管船的关键在铺管线的设计,核心技术包括管线应力分析、铺管作业流程、托管架设计等。根据目标工程的铺管水深要求、环境条件要求以及所要铺设的管线大小,进行管线应力分析计算,提出船体设计坡度的要求,张紧器的数量及技术参数,托管架以及各支撑滚轮的受力要求等。铺管作业流程的布置直接关系到铺管作业的效率,需要重点考虑管线如何上船、铺设的是单节管还是双节管、管线上船后的施工工艺流程、焊接站的数量及布置位置、出现坏焊的管线如何退管等因素。托管架连接在船艉, 用于支撑管线离开船艉后的上弯段,以保证管子在入水的时候有一个合适的弯曲度。托管架一般分为固定式和浮式两种。由于该设备受力复杂,因此设计上有非常大的难度,同时对建造的工艺水平要求也相当高。

5 结 语

随着国际油价的日益走高、国家石油战略的实施,海洋石油的开采将进入黄金期 ,为海洋石油开发配套的大型装备的建造成为近几年投资的热点。海底管线的敷设工程量急剧增加, 国内现有的铺管船已不能满足实际工程的需要。而经历近几年的技术贮备,无论是设计、建造, 还是实际工程使用等各个环节,已建立起了一支比较成熟的队伍。