針對邊際油田開發(fā)的簡易單錨腿單點系泊系統(tǒng)研究

王琳，馬紅城，唐建華

1.中國船級社海工審圖中心，天津300457

2.天津市海王星海上工程技術(shù)有限公司，天津300384

3.中海油能源發(fā)展股份有限公司油田建設(shè)分公司海管技術(shù)服務(wù)中心，天津300452

針對邊際油田開發(fā)的簡易單錨腿單點系泊系統(tǒng)研究

王琳1，馬紅城2，唐建華3

1.中國船級社海工審圖中心，天津300457

2.天津市海王星海上工程技術(shù)有限公司，天津300384

3.中海油能源發(fā)展股份有限公司油田建設(shè)分公司海管技術(shù)服務(wù)中心，天津300452

單點系泊系統(tǒng)因其投資小、易于回收、施工簡便、工期較短，抵抗惡劣環(huán)境優(yōu)勢明顯等諸多優(yōu)點，越來越廣泛地應(yīng)用于邊際油田的開發(fā)。參考國內(nèi)外單點系泊系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗，開發(fā)出一種新型的簡易單錨腿系泊裝置——配重緩沖和浮筒緩沖綜合型系泊裝置，文章對設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)進行了說明，并對該系泊裝置的系泊原理、系泊剛度和系泊力進行深入研究，為淺海水域中小油田和邊際油田的開發(fā)提供一種選擇方案。

邊際油田；單點系泊；系泊力

0 引言

海上油田的原油輸出目前大多采用海底管道或油輪駁運。對于穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)油田，兩種輸油方式各有利弊；當油田開采前景不確定時，因海底管道投資大、施工難度大、工期長且難以回收，選用油輪駁運更適合。油輪駁運需設(shè)單點系泊系統(tǒng)供?？?，該系統(tǒng)可系住油輪，并能使其處于波流力和風力合阻力為最小的位置。另外，油輪噸位增加時，原油運輸費用明顯下降，故大型油輪應(yīng)運而生。因此，從可靠性和經(jīng)濟性考慮，淺海水域邊際油田和中小油田采用單點系泊系統(tǒng)是一種最佳選擇。

1 單點系泊系統(tǒng)特點

單點系泊系統(tǒng)主要有兩種基本類型，即懸鏈式浮筒系泊系統(tǒng)和單錨腿系泊系統(tǒng)。單錨腿系泊系統(tǒng)又分為配重緩沖系統(tǒng)和浮筒緩沖系統(tǒng)。

單點系泊系統(tǒng)主要特點有：

（1）安全性高。能夠避免由于油輪碰撞造成重要結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的風險，其遠程操作球閥和泄漏檢測系統(tǒng)能減小環(huán)境污染的風險。而且能夠通過位移變化吸收消耗能量，大大減緩外力產(chǎn)生的位移以及系纜載荷，因此單點系泊系統(tǒng)具有較強抵抗環(huán)境力的能力；另外出油軟管高懸于水面以上，使之避開了波流環(huán)境力的影響。

（2）易操作。起錨和系泊可以在沒有拖船拖曳的情況下安全操作，只需一艘生活支持船舶。

（3）可靠性好。系統(tǒng)簡單增加了其可靠性，轉(zhuǎn)環(huán)不再受軸向載荷和彎曲載荷的影響。

（4）經(jīng)濟性好。其結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了維護和維修費用顯著減小，同時其主要構(gòu)件也可以在相近水深和環(huán)境條件下重復使用。

其他優(yōu)勢還有：不需要拖輪，油輪不需要手工操舵等。

2 簡易單錨腿系泊系統(tǒng)的主要部件

在結(jié)合配重緩沖單點和浮筒緩沖單點產(chǎn)品技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究出一種更適用于淺海邊際油田開發(fā)的新型單點系泊系統(tǒng)——簡易單錨腿系泊系統(tǒng)，它由三大部分組成（見圖1）：

（1）由吸力錨形成的海底錨固裝置（基礎(chǔ)）。

（2）由緩沖系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、系泊剛臂和系泊纜組成的系泊裝置。

（3）由錨頂輸油轉(zhuǎn)盤、輸油軟管、油管接頭及出油軟管組成的輸油管路裝置。

圖1 簡易單錨腿系泊系統(tǒng)

2.1 緩沖系統(tǒng)

緩沖系統(tǒng)由浮筒、重塊和中間立柱組成。其作用是為整個系泊系統(tǒng)提供恢復力矩。輸油軟管和其他管道從立柱中通過，受到良好的保護。

本文提出的理論與方法在湖南省國土資源一張圖信息發(fā)布系統(tǒng)建設(shè)中得到了部分應(yīng)用，也奠定了其進一步開展研究實現(xiàn)的基礎(chǔ)。湖南省國土資源一張圖信息發(fā)布系統(tǒng)是本省“金土工程二期”的重要任務(wù)，該系統(tǒng)經(jīng)過多年的建設(shè)和推廣，目前已覆蓋至12個市州、65個縣的國土資源管理部門。其部分功能展示如圖7。

系泊浮筒的浮力略微大于系統(tǒng)重量，使重塊-浮筒系統(tǒng)呈上浮狀態(tài)，直到浮筒浮出水面達到浮力和重力與系泊力或極端環(huán)境力平衡狀態(tài)。

浮筒尺寸主要由所受重力浮力以及結(jié)構(gòu)要求而決定，因此應(yīng)滿足兩方面要求，一是強度，二是穩(wěn)定性，包括在無鏈拖航和最惡劣外界環(huán)境中的穩(wěn)定性。浮筒應(yīng)能承受最大系泊負荷和外界環(huán)境負荷，浮筒殼體分隔為多個水密艙并滿足一艙破損時浮筒不沉不翻。

2.2 系泊纜和剛性臂

系泊纜是系泊船只的主要部件。其作用是連接系泊旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)與緩沖系統(tǒng)，調(diào)節(jié)由于潮差變化引起的重塊-浮筒系統(tǒng)位置變化，避免對旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的影響。

API規(guī)范規(guī)定，根據(jù)系泊載荷，系泊纜最多有兩根。系泊載荷是設(shè)計單點系泊系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，一般通過計算和實驗得到，但目前尚無權(quán)威的經(jīng)驗公式。目前國內(nèi)外海上油田的單點系泊系統(tǒng)，大多采用尼龍纜繩，兩端加接一小段耐磨鐵鏈，以避免摩擦損壞；與油輪連接的一端，還需加接一個能夠快速連接和解脫的止鏈器。

剛性臂通過軸承與緩沖系統(tǒng)連接，保護輸油軟管免受環(huán)境力造成的損壞，同時保證系泊纜解脫后能浮在水面上，同時在冰期能夠防止軟管被擠壓破壞。

2.3 旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)在水下，通過軸承的連接，能帶動輸油管道作水平面內(nèi)360°的轉(zhuǎn)動和水深方向的轉(zhuǎn)動，在風波流的組合作用下，連同油輪進行轉(zhuǎn)動，起到了良好的風標效應(yīng)，避免了油輪承受橫向的惡劣載荷，降低了相應(yīng)的設(shè)計強度要求。

2.4 輸油軟管

單點系泊系統(tǒng)的輸油軟管一般有兩段，一段是從管匯連接到浮筒上的旋轉(zhuǎn)頭，稱為水下軟管；另一段是從流體旋轉(zhuǎn)頭連接到儲油輪，稱為漂浮軟管。水下軟管由鋼材和塑性材料構(gòu)成，其鋼材部分提供機械強度，而塑性材料部分起防漏作用。它具有耐酸性、抗腐性、承受高壓的特點。漂浮軟管是特制的壓力橡膠管，為了便于安裝，制成分節(jié)，用鋼接頭連成一串置于水中或浮于水面，漂浮軟管外層包有浮力材料，以便漂浮安置；管端標有識別浮標，以便油輪發(fā)現(xiàn)和打撈，接通油輪管道。漂浮軟管內(nèi)一般裝有能自動關(guān)閉的截止閥，以防止解脫時原油溢出。

2.5 下部基礎(chǔ)

下部基礎(chǔ)連接于海床上，主要承受水平載荷和豎向載荷的作用。

3 單點系泊系統(tǒng)工作原理

著重介紹單錨腿浮筒緩沖系統(tǒng)的工作原理。當船舶受到環(huán)境力作用時，系泊纜上有荷載張力T1；由于T1作用，使得單錨腿浮筒偏離初始的平衡位置，與水平向夾角為θ3，見圖2。系泊纜用于平衡浮筒的浮力和系泊纜的環(huán)境力，其張力T1可以分解為水平力Th和垂直力Tv，而水平力Th將抵抗船舶承受的環(huán)境力，使船舶平衡于新位置，即被系泊住。當環(huán)境力消失后，船舶恢復到初始平衡位置。

圖2 環(huán)境載荷作用下系統(tǒng)受力圖

實際海況作用下，系泊油輪和緩沖系統(tǒng)都有動力響應(yīng)，二者相互影響，使受力狀況更加復雜，一般通過海洋工程水動力計算軟件進行系泊系統(tǒng)的受力分析，條件允許情況下配合開展實驗，根據(jù)計算和實驗結(jié)果優(yōu)化系泊系統(tǒng)設(shè)計方案。

4 系泊力分析

在本項單點系泊系統(tǒng)研究中，還著重研究了船舶受到環(huán)境力作用時的受力狀態(tài)。根據(jù)規(guī)范進行計算，得到時域內(nèi)系泊力曲線如圖3所示。

圖3 系泊力時域計算結(jié)果

對波流載荷根據(jù)方向進行組合，其中：當風浪從艏向刮來，海流從與艏向成夾角45°方向刮來時，此種載荷組合系纜力最大，為548 kN，系泊鏈的最小破斷力為3 200 kN，安全系數(shù)為3 200/548≈5.8，大于2倍安全系數(shù)，滿足規(guī)范要求。

當船舶偏離平衡位置后，系泊系統(tǒng)力-位移特性曲線見圖4，此曲線是系統(tǒng)特性研究的基礎(chǔ)。如果曲線斜率較小，說明在較小外力作用下，結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)較大的水平位移，結(jié)構(gòu)剛度較??；反之系統(tǒng)剛度則大。剛度太大時，則容易造成系泊構(gòu)件的疲勞破壞。

從圖4可以看出，當船舶位移大于39.5 m（系泊力800 kN）后，系泊力增長較快，因此該系泊系統(tǒng)最大系泊力應(yīng)控制在曲線出現(xiàn)陡增趨勢之前。良好的系泊系統(tǒng)是各種參數(shù)達到最佳的平衡。

圖4 單錨腿浮筒系泊系統(tǒng)特性曲線

5 結(jié)束語

本文介紹了一種簡易綜合型單點系泊系統(tǒng)，并對其可行性進行了分析研究，采用此種裝置進行淺海邊際油田和中小油田的開發(fā)，是一種經(jīng)濟的方式，適合海上油田早期生產(chǎn)，也適應(yīng)油田開發(fā)過程中油氣處理能力的變化。它可以經(jīng)過略微改造后重復利用，從而減少油田開發(fā)投資，具有很好的經(jīng)濟價值，可為邊際油田的開發(fā)提供更多的選擇方案。

[1]張鈞.海上采油工程手冊[M].北京：石油工業(yè)出版社，2001.

[2]范模.兩點系泊系統(tǒng)的研究[J].中國海上油氣（工程），2003,15（6）：13-15.

[3]APIRP 2SK2005，Design and Analysis of Station Keeping Systems for Floating Structures[S].

[4]DNV-OS-E301，Position Mooring[S].

Research on Simple Single Point Mooring System with Single Anchor for MarginalOilfield Development

Wang Lin1，Ma Hongcheng2，Tang Jianhua3
1.Offshore Engineering Plan ApprovalCenter of CCS，Tianjin 300457，China
2.Neptune Offshore Engineering Development Co.，Ltd.，Tianjin 300384，China
3.Offshore Pipeline Technical Service Center of CNOOC Energy Technology＆Services-Oilfield Engineering Co.，Tianjin 300452，China

The single point mooring system is more and more widely used in marginal oilfield development for its low investment，easy recovery，easy construction，shorter construction duration and obvious advantage against poor environmental conditions.A new mooring system associated withcountrweight buffer and pontoon buffer is developed based on the domestic and foreign design experience.Its key design techniques are illustrated，and its mooring principle，mooring stiffness and mooring force are studied.It provides an alternative option for developments of smalland medium oilfields and marginaloilfields in shallow waters.

marginaloilfield；single point mooring；mooring force

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.04.004

王琳（1985-），女，河北衡水人，工程師，2007年畢業(yè)于天津大學船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計制造專業(yè)，碩士，現(xiàn)主要從事海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究工作。

2013-12-30