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陆海定向钻滑动式撬装结构研究及其工程应用

发布日期:2022-06-16 浏览量:208

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陆海定向钻作为一种海洋管道登陆的施工工艺,具有保护海岸线地貌的优势,能最大程度地降低施工对环境的影响。

然而,定向钻钻机安装在海上的施工驳船上时,由于受风浪和洋流影响,导致船体和钻机产生不规则运动,从而影响钻机和管道施工。

为了消除这一问题,专家团队研制了滑动式撬装结构用于连接钻机和驳船,确保钻机和管道的安全。

该撬装结构成功应用于孟加拉单点系泊项目6条陆海定向钻,保证了陆海定向钻施工的顺利进行。


孟加拉项目工程概况


孟加拉单点系泊项目位于孟加拉湾北部,主要包含海底管道、陆上管道、罐区和站场、单点系泊系统等设施,如下图所示:


孟加拉单点系泊项目布置


其中海管登陆段是整个项目的关键控制性节点之一,涉及南北两处海管登陆点,共6条登陆管道,施工困难重重:

口径大、距离长、多管并行、海底流速大

海岸沿线筑有防波堤,且存在海龟自然保护区

孟加拉国经济发展落后,施工资源匮乏,海湾状况恶劣

雨季长,不具备连续施工条件


经过科学论证和综合研判,该项目的陆海定向钻最终选择使用平板驳船作为海上支持平台,在陆上提前预制整条管道,避免回拖过程受焊接速度和焊接合格率的影响。


施工时,在陆上放置钻机钻导向孔,在海上锚定平板驳船并在其主甲板上放置钻机进行扩孔和回拖,同时在陆上放置推管机助力回拖。陆海定向钻施工如下图所示:


陆海定向钻施工示意图


撬装结构研究

定向钻钻机安装在海上的施工驳船上,驳船在风、浪、流等多种因素作用下会产生六自由度不规则运动,驳船运动产生的力会传递到钻机上,如果钻机和驳船刚性连接,钻机和管道在作业海域海况的影响下产生的瞬间拉力极值可能高出钻机和管道许用拉力,对钻机和管道造成破坏。


为了消除瞬间过大拉力,研制了一种既可以相对滑动、又能限位且带有高弹缓冲装置的滑动式撬装结构用于连接钻机和驳船,可以缓冲瞬间拉力,确保钻机和管道的安全。


撬装结构示意


该撬装结构分为钻机走道和前部档桩两部分,前部档桩通过焊接固定在驳船甲板上,是整个结构的主要受力构件,钻机走道用于连接驳船甲板和钻机。


钻机走道又分为上、下两部分,下部直接刚性连接到驳船甲板,作为钻机轨道上部的滑动轨道;上部直接连接钻机,起到固定钻机的作用,如下图所示。

钻机和撬装结构就位示意


钻机和撬装结构在驳船上安装就位后,钻机连同钻机走道上部可以在钻机走道下部上有限度的相对滑动,且钻机走道和前部档桩之间设置了安全缓冲装置,可避免由于驳船受风、浪、流的影响其水动力瞬间传递至钻机,造成钻机拉力过大,损坏钻机。


其中,缓冲装置是通过模拟驳船水动力和钻机拉力而专门设计定制的构件,也是整个橇装结构能将陆上钻机应用到海上作业的关键部件。带缓冲功能的限位滑动式撬装结构是陆海定向钻施工系统的核心组成部分,通过该撬装结构实现了陆地定向钻机适用于海上施工作业。


采用ANSYS软件进行了钻机撬装结构有限元分析(如下图所示),分析结果为撬装结构最终定型提供了理论依据。




工程应用


在确定撬装结构方案后,完成了结构设计、材料选择和整体系统可靠性分析,于2018年年底完成了撬装结构的制作。2019年年初在孟加拉湾海域开展了撬装结构的海上试验工作,取得了预期效果,并于2019年应用于孟加拉单点系泊系统项目陆海定向钻施工(如下图所示),成功完成该项目的6条陆海定向钻施工,包括4条直径18in(1in=25.4mm)的管道、2条直径36in的管道,最长穿越距离1.6km。


撬装结构现场应用


施工期间,设备工作状态良好,承受最大拖拉力1700kN。该撬装结构还经受住了孟加拉湾恶劣海况的考验,尤其是在2019年5月4日,热带气旋“法尼”从孟加拉国西南部登陆,施工海域位于热带气旋影响区边缘,现场最大风力达到8级,设备在此恶劣海况下依然能保持在工作状态,保证了陆海定向钻施工的连续顺利进行。


该项目的6条管道陆海定向钻工程是目前世界上最大规模的陆海定向钻工程,该工程的顺利完成获得了业主方及国际专业监理的一致称赞。同时也为中石油及国内其他管道行业在长距离、大口径管道陆海登陆段穿越施工方面积累了陆上预制管道、海上驳船布置钻机回拖的陆海定向钻技术实战的宝贵经验。


结语


本文介绍的这套带缓冲功能的限位滑动式撬装结构具有结构简洁、安全可靠、成本低、适用性强等优点,用于陆海定向钻作业时把定向钻钻机固定在驳船上,成功解决了陆地定向钻机无法适用于驳船上作业的技术难题,大幅提升施工安全性,降低了施工作业风险,而且相比于传统的采用铺管船配合进行陆海定向钻的方式,可大幅降低陆海定向钻的施工成本。


在国家“一带一路”政策的支持下,基础设施建设投资大幅增长,油气管道领域迎来了新一轮建设高峰,由于陆海定向钻技术具有保护原有自然环境、不影响航道通行、施工周期短、工程成本低等特点,目前越来越多的项目选择将该技术应用于工程实践中。此外,当前国内外沿海城市市政排污管道也涉及大量海洋管道登陆工程,也将为陆海定向钻技术带来更加广阔的市场。随着陆海定向钻技术的广泛应用,本文介绍的滑动式撬装结构的应用也将日趋广泛。