南海大型FPSO面臨的挑戰(zhàn)與思考

南海大型FPSO面臨的挑戰(zhàn)與思考

范模

(中海油研究總院，北京 100028)

摘要：總結(jié)20多年來(lái)南海FPSO應(yīng)用的成功經(jīng)驗(yàn)與不足，歸納今后南海300～400 m水深以?xún)?nèi)使用FPSO的主要技術(shù)特征，提出南海廣大海域應(yīng)用FPSO所面臨深水、臺(tái)風(fēng)海況和高腐蝕等嚴(yán)重技術(shù)挑戰(zhàn)；并對(duì)FPSO船型、單點(diǎn)選型、噸位大小、島礁利用等方面進(jìn)行初步探討。

關(guān)鍵詞：南海；FPSO；成功與不足；挑戰(zhàn)與思考

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.001

中圖分類(lèi)號(hào)：U674.38；P751

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7953(2015)05-0001-04

收稿日期：2015-07-30

作者簡(jiǎn)介：第一范模(1960-)，男，學(xué)士，教授級(jí)高工，船舶設(shè)計(jì)大師

Abstract:The experiences and lessons for application of FPSOs in the south China sea in the past 20 years are summarized, the main technical characteristics of the FPSOs used in 300～400 m water-depth are concluded. The critical technical challenges faced by FPSOs in the south China sea are presented, such as deep water, severe sea condition, high causticity and so on, and the hull form design, single-point selection and displacement of the FPSO, as well as the usage of reefs are discussed preliminarily.

修回日期：2015-09-01

資助項(xiàng)目：中國(guó)海洋石油總公司油田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目

研究方向:海洋工程領(lǐng)域的浮式平臺(tái)、FPSO、單點(diǎn)及多點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

E-mail:fanmo@cnooc.com.cn

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置(FPSO)問(wèn)世于20世紀(jì)70年代中期，最早的FPSO是由一艘舊油船改建而成，1989年澳大利亞擁有世界上第一艘新建FPSO。90年代FPSO得到大規(guī)模發(fā)展。目前全世界已有140多艘FPSO服役，主要分布在英國(guó)北海、巴西沿海、西非沿海、澳大利亞海域和中國(guó)渤海與南海；噸位0.5萬(wàn)～40萬(wàn)t不等；作業(yè)水深15～2 500 m；高峰年產(chǎn)油為37萬(wàn)～1 300萬(wàn)m3，20世紀(jì)末FPSO基本以油船改建方案為主，現(xiàn)在多以新建為主。目前全世界改建方案約占67%，新建方案約占33%。FPSO由于具有海域適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好、可靠性高和可重復(fù)利用等特點(diǎn)，已被國(guó)際石油界廣泛地用于海上油氣開(kāi)發(fā)，并得到大力發(fā)展。目前已有不同類(lèi)型、不同性質(zhì)FPSO出現(xiàn)，如FDPSO、FLPG和圓型FPSO等，國(guó)際石油界正攻克技術(shù)難度更大、投資更大的FLNG。

自1989年7月“渤海友誼號(hào)”投產(chǎn)之后，中海油進(jìn)入了以FPSO為主要設(shè)施的海上石油開(kāi)發(fā)階段，20年間國(guó)內(nèi)海域共有16艘FPSO投入生產(chǎn)，目前仍有14艘FPSO服役，他們?cè)诤Ｑ笫烷_(kāi)發(fā)中發(fā)揮了重要作用。1990年在南?；葜萦吞锿懂a(chǎn)了“南海發(fā)現(xiàn)”FPSO，標(biāo)志著南海開(kāi)始了以FPSO為生產(chǎn)處理中心的油氣生產(chǎn)作業(yè)。南海作業(yè)高峰共有9艘FPSO在產(chǎn)，目前在產(chǎn)FPSO有7艘，見(jiàn)表1[1]。南海在產(chǎn)FPSO噸位從10萬(wàn)～25萬(wàn)t不等，總噸位為106萬(wàn)t，作業(yè)水深從90～310 m不等，他們支持著年產(chǎn)量100萬(wàn)t～450萬(wàn)t的油氣生產(chǎn)。

20多年來(lái)，F(xiàn)PSO為我國(guó)海洋石油開(kāi)發(fā)發(fā)揮了不可替代的作用。隨著油氣資源不斷地向深遠(yuǎn)海發(fā)展，且惡劣環(huán)境條件不斷出現(xiàn)，中海油面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，需要總結(jié)成功經(jīng)驗(yàn)與改進(jìn)不足，以解決深水與南沙油氣資源開(kāi)發(fā)，從戰(zhàn)略層面提出思考。

1成功與不足

1.1成功經(jīng)驗(yàn)

20多年來(lái)，中海油在南海已經(jīng)形成從設(shè)計(jì)、建造、操作與維護(hù)方面的成功經(jīng)驗(yàn)：采用FPSO與井口平臺(tái)或水下井口的相配合的油田開(kāi)發(fā)模式；發(fā)揮FPSO集輸中心作用；舊油船改裝方案與新建方案并舉；既有FPSO，又有FSO(南海盛開(kāi))；選用10萬(wàn)～25萬(wàn)DWT級(jí)FPSO，配以耐波性能優(yōu)良的船形浮體；采用內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，采用可解脫式系泊與永久系泊兩類(lèi)；采用串靠尾輸?shù)男队头绞剑簧顦遣贾糜隰翰?；采用了臺(tái)風(fēng)期間FPSO停產(chǎn)撤人的生產(chǎn)作業(yè)原則；老舊FPSO采用每5年塢修一次的維護(hù)保養(yǎng)方式，而新建FPSO頭10年采用不進(jìn)塢檢修等。

1.2不足的改進(jìn)

南海FPSO經(jīng)多年實(shí)踐，也反映出一些問(wèn)題，希望在新建FPSO上得到改進(jìn)與優(yōu)化。比較突出問(wèn)題為：?jiǎn)吸c(diǎn)系泊系統(tǒng)的斷纜事故、系泊纜配重塊丟失等，如2006年5月受臺(tái)風(fēng)“珍珠”影響，“南海勝利”號(hào)FPSO的10根系泊纜中有6根纜損壞，停產(chǎn)約14月，2007年7月臨時(shí)復(fù)產(chǎn)，2008年全面復(fù)產(chǎn)，由于斷纜部位多數(shù)位于浮筒附近的系泊鋼纜，該部位鋼纜疲勞問(wèn)題應(yīng)予以關(guān)注。其他單點(diǎn)系泊纜上也常發(fā)生斷絲、配重脫落等故障。南海老舊FPSO壽命已成為問(wèn)題，某些船體壽命已達(dá)38～39年，為油田安全生產(chǎn)敲響警鐘。

表1　中國(guó)海油南海海域現(xiàn)役FPSO匯總

根據(jù)10多年的實(shí)踐，將成功經(jīng)驗(yàn)予以固化，在系泊可靠性、油氣處理、設(shè)計(jì)年限與環(huán)境重現(xiàn)期等方面上做了調(diào)整，以滿足長(zhǎng)期使用要求，建議南海新建FPSO設(shè)計(jì)參考如下技術(shù)特征。

1)FPSO載重噸位為10萬(wàn)或15萬(wàn)DWT級(jí)。

2)最大年處理量300萬(wàn)～500萬(wàn)m3。

3)作業(yè)水深80～400 m。

4)500年一遇設(shè)計(jì)環(huán)境條件(主要針對(duì)：穩(wěn)性、單點(diǎn)受力軸承、錨樁、旋轉(zhuǎn)接頭等)；船體總縱強(qiáng)度、局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度采用100年一遇設(shè)計(jì)環(huán)境條件。

5)主船體結(jié)構(gòu)、單點(diǎn)受力軸承、旋轉(zhuǎn)接頭等為30年設(shè)計(jì)年限。

6)主船體前15年為不進(jìn)塢維護(hù)。

7)火炬和內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)位于船首，串靠卸油裝置與住艙區(qū)位于船艉，舯部布置生產(chǎn)甲板。

8)主船體為耐波形設(shè)計(jì)，非自航，船體為雙殼形式，生產(chǎn)甲板距離主甲板為4.5 m。

9)10萬(wàn)DWT級(jí)FPSO上部設(shè)施重0.8萬(wàn)～1.0萬(wàn)t，15萬(wàn)DWT級(jí)FPSO為1.2萬(wàn)～1.5萬(wàn)t。

10)工藝處理艙布置于儲(chǔ)油艙中央。

11)儲(chǔ)油艙與工藝處理艙采用深井泵，F(xiàn)PSO上不設(shè)獨(dú)立的貨油泵艙。

12)10萬(wàn)級(jí)FPSO配以4萬(wàn)～6萬(wàn)t級(jí)穿梭油船，15萬(wàn)級(jí)FPSO配以6萬(wàn)～10萬(wàn)t級(jí)穿梭油船。

13)穿梭油船采用艉串靠系泊方式，供應(yīng)船旁靠舯后右舷。

14)FPSO定員100人，救生艇配備標(biāo)準(zhǔn)高于運(yùn)輸油船，每舷為定員的1.5倍。

15)采用臺(tái)風(fēng)期間不解脫式的內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊系統(tǒng)。

16)系泊纜為34分組，且為錨鏈與鋼纜的組合纜，吸力錨或樁錨。

17)井流立管為柔性立管，口徑為12 in。

2挑戰(zhàn)與思考

2.1臺(tái)風(fēng)問(wèn)題與區(qū)域劃分

南海海域總面積約為達(dá)210萬(wàn)km2，占我國(guó)海域總面積300萬(wàn)km2的比例超過(guò)2/3，平均水深為1 212 m，最大水深5 559 m。南海與英國(guó)北海及墨西哥灣是世界上公認(rèn)的三大惡劣海域，主要特點(diǎn)都是浪大流急，南海臺(tái)風(fēng)主要集中于6～9月，年均臺(tái)風(fēng)次數(shù)4～6。近年來(lái)記錄顯示南海臺(tái)風(fēng)次數(shù)呈下降趨勢(shì)，但臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度不斷增大，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)與超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)時(shí)有出現(xiàn)。

南海南北長(zhǎng)約2 000 km，東西寬1 000 km，呈長(zhǎng)條形，臺(tái)風(fēng)路徑主要出現(xiàn)在菲律賓與臺(tái)灣島之間的巴氏海峽；潿洲灣因有海南島阻擋，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度有所下降；南沙海域遭遇臺(tái)風(fēng)幾律較少，多為熱帶風(fēng)暴。因此將南海海域劃分為若干區(qū)域，見(jiàn)圖1。

圖1　南海不同臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度區(qū)域

在A區(qū)中，由于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度大且次數(shù)多，F(xiàn)PSO宜采用船形浮體加內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，20多年的實(shí)踐證明該技術(shù)方案是成功的。在B區(qū)，由于水深僅40～60 m，不宜選用內(nèi)轉(zhuǎn)塔或外轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)；在C區(qū)，因風(fēng)浪小，上浪情況不易出現(xiàn)，環(huán)境力總體水平低，F(xiàn)PSO船體形式可以有多種選擇，如船形、八角形及半潛式等，定位系統(tǒng)可考慮單點(diǎn)式或多點(diǎn)式。

2.2深水挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)措施

南海海域水深基本可分為三部分：0～300 m大陸架，300～1 500 m大陸架向深水過(guò)度的海域，及2 000～5 500 m的深水海域。其中2 000～5 500 m水深海域約占1/3。從1990年惠州油田開(kāi)發(fā)以來(lái)，20多年間中海油一直在300 m水深之內(nèi)作業(yè)，2013年的“荔灣3-1”氣田水深已經(jīng)達(dá)到1 500 m。

南海深水海域應(yīng)用FPSO或FLNG關(guān)鍵在于定位系泊系統(tǒng)，由于南海海況惡劣，單點(diǎn)系泊裝置仍然是主要的定位系泊裝備。當(dāng)水深在300 m以?xún)?nèi)，如珠江口附近，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)有解脫式與永久式兩種，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)兩種技術(shù)方案均可行。解脫式與永久式單點(diǎn)設(shè)施，除有無(wú)解脫功能之外，從部件上看主要區(qū)別是有無(wú)浮筒，解脫式單點(diǎn)裝置有一個(gè)為系泊纜與立管提供浮力的浮筒，而永久式單點(diǎn)裝置則沒(méi)有。

當(dāng)大型FPSO采用3×5單點(diǎn)系泊形式，則水深為1 500 m時(shí)錨鏈-鋼纜-錨鏈系泊纜構(gòu)造的單根纜重量約為435 t，15根系泊纜懸掛重約為6 000多t；2 000 m水深的單根纜重量約為550 t，懸掛重約為8 000多t，隨著立管數(shù)量增加，懸掛重量也在增加。此時(shí)再采用可解脫式單點(diǎn)設(shè)施，需有一個(gè)很大浮力浮筒，單點(diǎn)系泊設(shè)施將難以設(shè)計(jì)。當(dāng)水深繼續(xù)增加，系泊纜與立管懸掛重量更重，則可解脫式單點(diǎn)設(shè)施不可行。因此，深水海域FPSO應(yīng)考慮使用不解脫式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，目前西非和巴西深水海域的FPSO均采用不解脫式系泊系統(tǒng)[2]。

深水中也采用另一種系泊纜構(gòu)造形式，即張緊式系泊纜[3]，中間段采用聚酯纖維纜，兩端使用錨鏈，對(duì)于1 500 m作業(yè)水深，其長(zhǎng)度約2 360 m，單根纜懸掛重約160 t，僅為錨鏈-鋼纜-錨鏈系泊纜重量的37%，這對(duì)于改善浮體垂向載荷很有利，這也是國(guó)外深水工程上被采用的原因之一。

2.3FPSO噸位與環(huán)境條件關(guān)系

FPSO噸位與油田產(chǎn)能、海洋環(huán)境條件和穿梭油船大小有著密切關(guān)系[4]。其FPSO儲(chǔ)油量可由如下公式求得。

(1)

式中：Q——FPSO儲(chǔ)油量，t；

W——穿梭油船噸位，載重量，t；

d——影響外輸作業(yè)的連續(xù)壞天氣時(shí)間，d；

q——油田原油日產(chǎn)量，t/d；

k——適量不可泵出的艙底油，t。

環(huán)境條件也是影響FPSO噸位的一個(gè)因素，南海北部的惡劣海區(qū)尤其突出。如圖2顯示，在珠江口海域使用小型FPSO時(shí)，應(yīng)額外關(guān)注上浪問(wèn)題，模型試驗(yàn)與海上實(shí)踐表明，珠江口海域不宜使用小于10萬(wàn)t級(jí)FPSO。

圖2　FPSO噸位與浪高關(guān)系

當(dāng)FPSO太大，浮體質(zhì)量大時(shí)，由于環(huán)境條件惡劣而使系泊力非常大，受目前工業(yè)產(chǎn)品能力限制，如錨鏈、鋼纜、錨機(jī)與受力主軸承等制約因素，不宜將FPSO噸位設(shè)計(jì)過(guò)大，否則會(huì)造成無(wú)法采購(gòu)相關(guān)產(chǎn)品。當(dāng)然隨著新材料不斷出現(xiàn)，若干年之后系泊能力會(huì)得到提高，但現(xiàn)階段應(yīng)考慮當(dāng)前產(chǎn)品能力。因此，海況惡劣海域存在最大噸位限制，前期規(guī)劃論證時(shí)應(yīng)予以重視。

國(guó)內(nèi)外FPSO統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)也證實(shí)了上述結(jié)論，巴西與西非海域環(huán)境條件良好，其25萬(wàn)～40萬(wàn)t級(jí)FPSO約占總數(shù)的55%～65%，10萬(wàn)～20萬(wàn)t級(jí)FPSO僅占6%～16%，見(jiàn)表2。在北海絕大部分FPSO為10萬(wàn)～20萬(wàn)t級(jí)，沒(méi)有大于25萬(wàn)t級(jí)的FPSO。在我國(guó)南海7艘FPSO中，6艘為10～15萬(wàn)t級(jí)，1艘為25萬(wàn)t級(jí)。

2.4島礁地形地貌利用的思考

南海油氣資源開(kāi)發(fā)中即將面對(duì)更南面的海域，如西沙和南沙等，這些海域有天然珊瑚島礁，某些島礁還具有瀉湖的地形地貌特征，其環(huán)礁面積有幾十～上百km2，瀉湖水域面積也有十幾～幾十km2，瀉湖水深約十幾～幾十m；島礁四周為珊瑚礁形成的環(huán)礁，環(huán)礁外水深1 000～2 000 m，見(jiàn)圖3。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)南沙群島海域有大大小小明島礁和暗島礁200多個(gè)，西沙和東沙群島也有相當(dāng)數(shù)量的明暗島礁。

表2　世界主要海域FPSO分布

圖3　南海瀉湖地貌特征

環(huán)礁內(nèi)瀉湖具有如下特征：水深淺、浪流非常小、沒(méi)有內(nèi)波。初步分析可以將FPSO放置于瀉湖內(nèi)，可避開(kāi)深水和大浪的不利影響，也可在珊瑚島礁上建設(shè)固定平臺(tái)、自升式平臺(tái)、油庫(kù)等石油生產(chǎn)設(shè)施，變深水油氣開(kāi)發(fā)為淺水開(kāi)發(fā)。還可以將油氣生產(chǎn)設(shè)施等設(shè)置于瀉湖內(nèi)，與深水平臺(tái)或水下井口等組合形成以島礁為中心半徑20～30 km開(kāi)發(fā)區(qū)域，可覆蓋1 200～2 800 km2面積海域。因此，開(kāi)發(fā)島礁附近油氣資源，不妨關(guān)注瀉湖與島礁充分利用，可能會(huì)帶來(lái)事半功倍的效果。

3結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)20多年的實(shí)踐，中海油已積累了一定的南海FPSO實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，有不少問(wèn)題需要冷靜思考，為今后FPSO提供更好的借鑒。同時(shí)還需要面向更為寬廣的南海海域，結(jié)合已有的認(rèn)識(shí)，充分借鑒國(guó)內(nèi)外成功經(jīng)驗(yàn)，提早進(jìn)行有針對(duì)性的研究，儲(chǔ)備開(kāi)發(fā)技術(shù)，以滿足向更南海域要油氣資源的需求，希望大家共同努力。

參考文獻(xiàn)

[1] 《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會(huì).海洋石油工程FPSO與單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京，石油工業(yè)出版，2007.

[2] CHRISTOPHER N. Mahoney and Chad Supan of Wood Group Mustang[C].2013 Worldwide Survey of Floating Production，Storage and Offloading (FPSO) Units，Offshore，2013.

[3] API Energy，.Planning Designing and Constructing Floating Production Systems[R].API Recommended Practice 2FPS Second Edition，2011.

[4] 范模.浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船設(shè)計(jì)方案論證的基本思路[J].中國(guó)海上油氣(工程)，2001，13(2)：9-11.

The Challenge and Thinking of Large FPSO in the South China Sea

FAN Mo

(CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China)

Key words: south China sea; FPSO; experiences and lessons; challenges and thinking