钢桩内排泥设备在海洋废弃平台拆除中的应用

张晓 马春杰 张喆

(中海石油(中国)有限公司天津分公司工程建设部，天津 300452)

0 引言

一般海洋石油平台到了作业寿命的后期，如果没有其他用途，就必须进行废弃拆除。国外废弃海洋平台拆除作业从1973年墨西哥湾外大陆架第一座废弃平台拆除开始，至今已有近40年的历史，积累了丰富的施工和现场经验，其中墨西哥湾也是拆除海洋平台数量最多的海域，特别在2006年以后，每年平均拆除的平台结构数量在100座以上[1]。我国从20世纪90年代初开始对渤海2号、渤海8号等浅水简易平台进行了拆除作业，而到2008年年底在渤海海域达到废弃阶段的桩基式平台有40多座，南海海域有8座桩基式平台进入废弃阶段，随着平台结构使用寿命的临近，尤其到2020年，2002年以前建设的所有平台结构几乎都将进入废弃阶段，废弃平台拆除将在我国海洋领域形成一个新的产业，发展拆除技术和装备也迫在眉睫[2，3]。

海上油田废弃平台拆除工作是一项受多种因素制约且涉及诸多技术领域的综合性系统工程[4，5]。在拆除平台桩基时，钢桩切割可以采用内切割或外切割方式。如果采用外切割方式，则首先需要在钢桩外部吹泥造坑，由于海水的流动性，淤泥容易回淤，因此，为了施工人员及设备的安全，所造的坑需要有一定的坡度，如果在泥面以下4 m位置切割，则需要造直径约为20 m，深5 m以上的大坑，操作难度较大，危险性较高，施工工期较长。如果采用内切割的方式，则需将钢桩内部的淤泥排出，导管架桩内排泥作业是切割桩腿之前最重要的工序，也是最费时、费力的工序，传统排泥方法受排泥深度、桩的倾斜度、泥质以及钢桩内空间狭小的影响很大，但比较需要外部造坑的外切割方式而言，内排泥工作量相对比较小，且风险较低。在曹妃甸1-6油田废弃平台拆除项目中，通过自主创新，研制了一套具有国际先进水平的钢桩内排泥设备，这套设备的应用，大大缩短了海上拆除施工工期，降低了拆除弃置费用。

本文对钢桩内排泥设备原理及工程应用情况进行了介绍，工程实践表明，该技术成熟可靠，极大的提高了施工效率，节约了施工时间及成本，具有广泛的应用前景。

1 钢桩内排泥设备技术原理

该设备的原理是利用水泵注入的水通过管线出口端口径变小来增加水流的喷出速度，利用高速水流对钢桩内泥质进行冲击，将淤泥击散，同时利用气举和泵吸的方式将泥水混合的泥浆从钢桩内排出。

设备的主要部位为排泥混合舱，主要由喷嘴、注水管线、气管以及排泥管线组成。注水管线连接注水泵，水泵注入的水流通过注水管线经喷嘴的变径变成高速水流，喷射到钢桩内淤泥上，将淤泥打散。气管连接气源，利用气举原理将泥浆从排泥管线排出。如果利用泵吸的方式排泥，排泥管线也可连接到泥浆泵上，泥浆泵可以通过排泥管线将泥浆抽出。排泥混合舱示意图如图1所示。

图1 排泥混合舱示意图

该装置与传统的排泥装置不同，该装置采用外露喷射装置，整个内排泥装置的水下部分均为机械结构装置，电器设备均安装在平台上，不需要专门的防水处理;在测量排泥深度方面，只需在吊装设备的钢丝绳上做好标记，通过测量钢丝绳上标记点沿受力方向平移的距离即能推算出排泥的深度，无需专门的数据感应设备，因此系统安全可靠、便捷、环保。该装置既可以用泥浆泵吸泥，又可以用气举法排泥，可以适用不同的工况要求，适用范围广。通过试验，排泥效果良好。

2 工程应用实例

曹妃甸1-6油田位于天津港大沽锚地外，距天津塘沽约16海里，于1995年5月投产。由于油井出水严重，当年10月关井停产，废弃设施已闲置17年之久。由于该油田废弃设施位于锚地附近，对过往船舶航行安全造成一定威胁，同时为恢复海洋环境主导功能，保护海洋环境，决定对该油田的设施进行全部拆除，主要包括一座四腿导管架、一根1 500 m的双层海底管道及两口油井永久封堵弃置及井口设施拆除工作。同时该废弃平台拆除也是钢桩内排泥设备首次应用于我国海上油气田拆除废弃设施作业。

在海上实际施工当中，主要利用气举法进行内排泥作业，钢桩内排泥示意图如图2所示，施工步骤如下:

1)将内排泥设备和绞车吊至工作平台上，并对绞车进行固定;2)在搭建的工作甲板上连接钢桩内排泥设备的所有管线;3)将钢桩内排泥设备连接在绞车上;4)绞车将钢桩内排泥设备下放到钢桩内部，直至内排泥设备到达桩内泥面为止;5)绞车钢丝绳拉直，在钢丝绳上做好标记;6)打开高压水泵;7)1 min后打开吸泥泵将钢桩内部的泥浆抽出;8)随着排泥作业的进行，逐渐放松钢丝绳，时刻保证排泥设备贴近桩内泥面;9)观察钢丝绳标记的位置，根据标记位置的变化推算出排泥深度，待下降到要求深度时停止排泥;10)使用绞车将钢桩内排泥设备提出。

图2 排泥示意图

为保证设备的工作效率，在实际使用中应注意:

1)选择合适的喷嘴口径;2)排泥设备外壁安装导向滑轮，克服钢桩斜率以及钢桩内壁障碍物对设备下放的影响;3)减少混合舱底部支撑的长度，使得喷嘴尽量贴近泥面，目的是增加水流对淤泥的冲击力;4)尽量延长并适当加粗排泥管线，使其尽量贴近泥面，以增加排泥效果;5)排泥混合舱重量适宜，既能保证设备的搬运、下放，又能防止设备运转时喷出水流形成较高的反冲力，将设备顶起而降低排泥效率;6)相应提高注水压力及气源供气量，有助于提高排泥效率。

在海上施工过程中，由于钢桩内泥质较粘、较硬，设备排泥效率不高，面对困难，技术人员集思广益，根据现场实际情况对排泥设备进行了几次改造，通过改造，排泥效率得到了极大提高:

1)把每个喷嘴上的四个小孔换成了一个稍大的孔，而此喷嘴口径小于四个小口径之和，这样喷出的水流会更加的集中而且力度较大，会提高喷嘴水流对泥层的冲击力;2)切除内排泥设备原有的四根支撑腿，使喷嘴与排泥管线吸水口尽可能接近泥面，目的是依靠喷嘴将泥土从下而上被水翻起，而吸水口依靠强大吸力将泥浆全部吸走;3)向下延长排泥管线，使排泥管线吸水口尽可能贴近泥面;4)增加内排泥设备配重，防止喷出水流形成较高的反冲力，将设备顶起而降低排泥效率;5)在设备底端焊接四根能轻松扎入泥层之中的扎钎，通过设备运行时自然发出的震动，松动桩底泥层;6)将排泥管线加粗至8寸并继续向下延伸超出喷嘴30 cm的距离，提高排泥管线排泥量。

通过上述改进排泥效率得到了极大的提高，内径1.14 m的桩腿从最初排一根桩用时33.5 h到最后排一根桩用时3.5 h，从效率上计算即从开始0.157 m/h到最后1.240 m/h近8倍速度的提升，尤其是最后一次改进后，整个排泥管线吸泥口完全扎入到泥层之中，依靠气举形成的强大吸力排出海面的污水中含有很多的泥沙和泥块，真正实现了排泥效率的最大化。施工使用的钢桩内排泥设备如图3所示。

3 结论与展望

在对曹妃甸1-6油田废弃导管架拆除作业中，高效完成了钢桩内排泥作业。在积累了钢桩内排泥成功经验的同时，也带来了经济性及安全环保效益，主要包括:1)经济性:钢桩内排泥设备的应用，为项目节约1 500人工时，节约人工费用约8万元，节约设备和耗材费用约40万元，节约船舶费用约100万元，总计节省近150万元。2)零风险:钢桩内排泥设备，不需水下人员对其进行配合操作，只需利用卷扬机将其下放到钢桩内泥面位置即可，作业时是在海底泥面以下4 m处，工作时形成的高压水完全不会对平台上的施工人员造成伤害。同时装置与传统的排泥装置不同，该装置采用外露喷射装置，整个内排泥装置的水下部分均为机械结构装置，电器设备均安装在平台上，不需要专门的防水处理，因此系统安全可靠。3)污染物零排放:该设备主要介质为水和气，安全环保，无污染，不会产生对海洋环境污染的物质排放，不会影响海洋生态平衡。4)无噪声污染:作业时除高压水泵设备运转外，没有其他明显噪声产生，不会对鱼类等生物及渔业的发展造成影响。

图3 施工使用的钢桩内排泥设备

钢桩内排泥设备在渤海湾曹妃甸1-6油田设施废弃拆除项目中的首次成功应用表明，该技术是成熟可靠的，具有广泛的应用前景，也为今后我国海上油气田废弃拆除工作积累了宝贵的施工经验和技术基础。

[1]Win Thornton，James Wiseman.Current Trends and Future Technologies for the Decommissioning of Offshore Platforms[A].Proceedings of the Thirty-second Annual Offshore Technology Conference，2003.

[2]王 勇，戴 兵，高军伟.废弃海洋石油平台的拆除[J].机械工程师，2010(1):134-136.

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[4]阎闳生，郭海涛，韩圣章.废弃海洋桩基平台拆除方案的系统决策研究[J].海洋技术，2004，23(4):81-84.

[5]李新仲，徐本和.海上油气田的废弃处置[J].中国海上油气，2003，15(1):46-49.

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[7]A Della Greca.Offshore Facility Management:How to Render Rational the Underwater Inspection and removal Planning[A].Proceeding of the Sixteenth International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering[C].1997.