基于落石管动力定位抛石船工作原理的浅水精准抛石施工技术

杨巍，马洪新，杨宝峰，陈勇，黄昆，郭斌，王彬海洋石油工程股份有限公司，天津300461

基于落石管动力定位抛石船工作原理的浅水精准抛石施工技术

杨巍，马洪新，杨宝峰，陈勇，黄昆，郭斌，王彬
海洋石油工程股份有限公司，天津300461

针对落石管动力定位船资源少且费用高的现状，基于落石管动力定位抛石船工作原理设计了渤海等浅海海域精准抛石方法。详细介绍了浅水精准抛石方法的设计思路与内容，采取以锚系浮吊和散货船配合施工的方法代替动力定位船，以落石管底部安装声纳的技术代替ROV监测回填高度。设计的此浅水精准抛石方法能够实现精准、快速抛石目的，且费用远低于落石管动力定位抛石船。具体阐述了此技术在渤海海域某穿越航道的海底管道上的成功应用情况。

浅水抛石；落石管抛石技术；精准抛石

随着海洋油气田的大力开发，需要对海底管道进行抛石保护处理的情况越来越多，尤其是海底管道的悬空处理保护、挖沟回填保护和跨航道保护等。因此精准抛石变得越来越重要，近年来落石管动力定位抛石技术得到了快速发展。落石管动力定位抛石船能够精准且较快地完成抛石，但其费用较高，对于渤海等浅水海域来讲施工成本较高，且全球资源较少，2011年统计全球只有12艘落石管动力定位船，资源调动也相对困难。因此，借鉴落石管动力定位船的工作原理研究了适用渤海等浅水海域的浅水精准抛石技术，此技术既能实现精准抛石又能大幅削减船舶施工成本。

1 落石管动力定位抛石船工作原理

落石管动力定位抛石船由落石管模块、落石管、石料储斗、传输带及专用ROV等组成，如图1所示。

图1　落石管动力定位抛石船组成示意

抛石船的动力定位功能能够很好地实现船舶在深水的准确定位，并使船舶准确移船以保持船舶的稳定性从而满足施工条件。抛石船上的石料储斗可装载大量的石料，目前比利时Jan De Nul公司的Simon Stevin船能最大装载33 500 t石料。储斗内装备一台挖掘机，挖掘机将石料移送至传输带上，传输至石料给料器，然后倒入落石管内，最终抛在海床位置。落石管模块由多节落石管连接，落石管连接完成后最终离海床约几米距离，其末端采用专用ROV不断纠正水流产生的偏差，实现精准抛石。

2 浅水精准抛石施工技术

借鉴落石管动力定位抛石船的工作原理，进行了浅水精准抛石施工技术研究和设计。

（1）作业船舶的系泊与定位方面。鉴于使用海域为浅海，动力定位法一般在深海使用，且费用较高。因此设计采用常规的锚系浮吊船进行施工移船定位以保证施工的稳定性，同时可为施工人员提供食宿。

（2）石料装载方面。如对浮吊船改装设计增加石料储斗，实现的难度较大，且会产生大量的改造费用，因而设计使用散货船，此类船舶自身能够装载大量石料，同时每艘运石船上配备两台挖掘机，用挖掘机来进行石料的抛填。浮吊船现场抛锚定位后，为实现散货船的稳定性，装载大量石料的散货船带缆于浮吊船，通过浮吊船的绞锚移位来实现运石散货船的准确移船定位。因施工时浮吊船需进行抛锚，因此选用的散货船长度必须小于浮吊船。

（3）精准抛石方面。水下抛石施工易受水深、流速、流向等因素影响，如果挖掘机直接将石料倒入海里，最终石料到达海底会存在很大的偏移，无法实现精确抛石。因此也借鉴落石管动力定位船的做法，在散货船一侧的船舷中部焊接落石管，以减少石料到达海底的偏移量。由于此设计适用范围为浅水，焊接的落石管可选用直接预制的直管道，管道长度根据施工处水深决定，一般比施工处水深小2 m左右。为便于不同粒径的石料下落，管道直径为1 m左右。在管道上端焊接一转向结构并将其固定于船舷上。非施工时，通过滑轮组收紧管道底端钢丝绳，使管道平行回收至船舷。施工时，放松滑轮组钢丝绳将管道底端缓慢放入水中直至垂直海底，然后收紧前后两条牵引绳使其固定。管道入水稳定后，在其顶部插入漏斗，以方便挖掘机装入石料。

（4）抛填高度方面。石料到达海底后，需观测抛填高度。鉴于落石管动力定位船落石管底部的专用ROV成本较高，本次设计使用在落石管底部焊接两个双频剖面声呐，如图2所示，使用声呐随时扫测监控回填高度。

图2　落石管底部装载的声呐设备

根据以上技术设计的浅水精准抛石系统如图3、图4所示，可以灵活选用符合要求的锚系浮吊船和散货船，且无需对船舶进行任何改造，在保证浅海区域能实现精准抛石的前提下节省施工成本。

图3　运石船抛石设计示意

图4　浮吊船与运石船带缆后的抛石设计示意

本次设计的浅水精准抛石技术与落石管动力定位抛石技术对比见表1，可以看出，与落石管动力定位抛石技术相比，此浅水精准抛石技术可用资源较多，能实现精准抛石，且费用远低于落石管定位抛石船。

3 浅水精准抛石技术在海底管道保护上的应用

对于穿越航道的海底管道，航道活动将对海底管道的正常运行产生重大影响，尤其是疏浚、船舶的抛锚、拖网、沉船、大件落物及船舶的搁浅等都会对管道产生影响［4-5］。因此跨航道的海底管道一般都需进行抛石回填保护，跨航道的抛石回填必须按照设计要求进行精准抛石，如果抛填的高度低于设计高度，将达不到对管道的保护厚度，抛填高度高于设计高度时，将对后期的航道疏浚产生影响。下面以渤海某穿越航道的海底管道为例，具体阐述此精准抛石技术的应用。

3.1浅水精准抛石施工要求

表1　落石管动力定位抛石技术与本文技术对比

根据设计要求需对穿越航道的450 m海底管道进行精准抛石回填保护，回填厚度为3.5 m。该区域水深22 m左右，经过计算回填量约3万m3。施工时选择船长约90 m的锚系浮吊船作为定位船舶；选择4艘船长约80 m、装载量为3 000 m3左右的散货船作为石料的运输和抛石船，每艘船上都焊有直径为800 mm，长20 m的活动落石管，4艘运石船往返于施工现场和码头运输石料，运石船到达现场与浮吊船带缆后再将活动的落石管通过绞车放入海里，落石管底部焊接有2个双频剖面声呐，每艘运石船配有2台挖掘机。

3.2精准抛石施工过程

（1）浮吊船到达现场就位后抛8个工作锚，将需回填的区域划分为若干个边长为2 m的正方形网格，计算每个网格内海底需要回填的石方量。

（2）当一艘运石船到达施工现场后，运石船带缆于浮吊船（如图5所示），再将落石管放入水中。

图5　运石散货船带缆浮吊船

（3）利用DGPS对落石管位置进行定位，当落石管在某一指定的边长2 m网格上方时，按照计算得出的该网格内需要的石方量，用挖掘机将石料倒入落石管内，如图6所示。

图6　挖掘机将石料送入落石管内

（4）因挖掘机倒入落石管内的石方量是估计量，需利用落石管下方的声呐监测此网格内的抛填高度，如图7所示。若监测发现此网格内回填量不够，可再实时补抛适当石方量。

图7　声呐扫测到的抛填高度

（5）当网格内的海底回填高度满足要求后，再通过浮吊绞锚移位带动运石船的落石管移到下一网格位置。抛填时做好记录，以保证抛填时不漏抛、不重抛，达到施工平整度。

（6）通过此方法对回填区域进行抛填，因落石管底端声呐监测的回填高度精度不高，故所有网格抛填完成后需使用多波束对所有回填区域高度进行精确扫测。对不符合要求的部位，需要再计算补填量并进行补抛。

根据此方法实现了3.5 m的抛石回填厚度，精准地达到了回填要求。

4 结束语

基于落石管动力定位抛石船工作原理设计的浅水精准抛石施工技术已经在渤海海域得到了很好的应用，该技术能够实现浅水海底精准抛石回填，较好地达到设计的抛石要求。与落石管动力定位抛石船相比，节省了施工成本，可在以后的渤海等浅水海域抛石回填中推广应用。

［1］梁富浩，张印桐，刘春厚，等.落石管抛石技术的发展及在我国深水油气田开发中的应用前景［J］.中国海上油气，2011，23（2）：135-139.

［2］TIDEWAY.Rock placement operations for BP-skarv project ［R］.the Netherlands：Tideway，2008.

［3］孙涛，朱长青.长江航道整治工程水下抛石施工工艺及质量控制［J］.水运工程，2012，417（10）：162-168.

［4］马坤明，刘志刚，李庆，等.穿越航道的海底管道堆石保护设计方法研究与讨论［J］.中国造船，2012，53（S1）：132-135.

［5］李学楠，雷震名，马坤明，等.跨航道海底管线的保护［J］.中国石油和化工标准与质量，2012，32（7）：235.

［6］刘利佳，何钱金.浅析西气东输二线管道工程抛石回填施工方法及质量控制［J］.中国水运，2013，13（6）：276-277.

Accurate Rock Dumping Construction Technique in Shallow Water Based on Working Principle ofDP Ship with Rock Dumping Pipe

YANG Wei，MAHongxin，YANG Baofeng，CHEN Yong，HUANG Kun，GUO Bin，WANG Bin
China Offshore OilEngineering Company，Tianjin 300461，China

Facing the current situation of less resource of DP ship with rock dumping pipe and high cost，the accurate rock dumping method used in shallow water is designed based on the working principle of a DP ship with rock dumping pipe.The design thoughts and contents are illustrated.In the design，an anchored floating crane and a bulk cargo ship are used together instead of one DP ship，a sonar is installed at the bottom of rock dumping pipe instead of ROVto monitor refilled rock height.This new technique can realize accurate and fast rock dumping with much lower cost than the DP ship with rock dumping pipe.Its successfullapplication in a subsea pipeline protection in BohaiSea is introduced in detail.

rock dumping in shallow water；technique using rock dumping pipe；accurate rock dumping

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.04.005

杨巍（1987-），男，四川绵阳人，工程师，2009年毕业于大庆石油学院测控技术与仪器专业，现从事海底管道方面的技术工作。Email：yangwei5@mail.cooec.com.cn

2015-12-26；

2016-04-10