西非深水FPSO總體設計研究

童　波

(中國船舶工業(yè)集團公司第七O八研究所， 上海 200011)

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西非深水FPSO總體設計研究

童波

(中國船舶工業(yè)集團公司第七O八研究所， 上海 200011)

摘要：該文首先分析了FPSO(浮式生產(chǎn)儲卸油裝置)作為西非深水油氣田開發(fā)裝備的必要性，調(diào)研西非FPSO的系統(tǒng)組成和生產(chǎn)處理能力，研究西非海域海況特點，提出目標FPSO設計海況。其次闡述目標FPSO船型和主尺度設計時的考慮因素，分析西非FPSO總布置原則和關鍵區(qū)域布置要點。最后基于西非海況特點完成風生浪和涌浪共同作用下的運動響應預報，提出多點系泊方案并完成極限強度和疲勞強度的校核，從而提出一新型西非深水FPSO總體設計方案。

關鍵詞：FPSO； 總體設計； 總布置； 運動性能； 多點系泊

0引言

西非是近年來油氣勘探開發(fā)市場增幅最大的地區(qū)之一，除了傳統(tǒng)的安哥拉和尼日利亞，該地區(qū)新興市場如加納、利比亞、剛果等也對油氣開發(fā)裝備有較大需求，其中58%的海洋裝備用于500 m水深以上，1 500 m以上的超深水也占有相當比例。

深海油氣田生產(chǎn)開發(fā)的海上裝置主要有FPSO、半潛式平臺、張力腿平臺和SPAR等型式，其中FPSO是一種兼有原油處理、儲存和卸油功能的浮式油氣生產(chǎn)設施。FPSO長期系泊于某一固定海域，將開采的海底原油進行油、水、氣分離處理后注入貨油艙臨時儲存，再由穿梭油輪或海底管線外輸[1]。分離出來的生產(chǎn)水經(jīng)過凈化處理排?；蚧刈⒕?，天然氣根據(jù)其產(chǎn)量用于動力裝置的燃料進行外輸或回注。經(jīng)統(tǒng)計西非海域總共46座浮式生產(chǎn)裝置，其中FPSO有39艘。水面設施的選型取決于油田開發(fā)模式，海上開采、處理的合格原油主要通過以下方式外輸：

(1)對于離岸較近或海底基礎設施建設發(fā)達的海域，例如墨西哥灣，較多采用半潛式平臺、TLP或“SPAR+海底管線”的開發(fā)模式，其原油外輸不受海況氣象條件的影響。

(2)對于新開發(fā)油田或邊際油田，無發(fā)達海底基建，例如西非、巴西等海域，通常需要穿梭油輪進行外輸作業(yè)，具備較大儲油功能的FPSO成為油田開采的必需裝備。具體型式可采用“水下生產(chǎn)系統(tǒng)+FPSO+穿梭油輪”的開發(fā)模式，或在生產(chǎn)鏈中再加入另一個井口平臺(半潛平臺或TLP)，進行井液預處理，再輸送到FPSO。

相對海底管道外輸，隨著該模式油田產(chǎn)量的變化需調(diào)整穿梭油輪的供應數(shù)量和頻率，F(xiàn)PSO外輸作業(yè)易受惡劣天氣的影響，通常連接工況的有義波高不超過4.5 m，外輸時間在24 h以內(nèi)，串靠尾輸時穿梭油輪通常具有動力定位能力，F(xiàn)PSO艙容也應考慮一定外輸時間窗口關閉的緩沖儲量。

該文以西非海域油田開發(fā)為研究對象，調(diào)研主要油田區(qū)塊的特性以及該地區(qū)已投產(chǎn)的FPSO型式，提出適合西非海域作業(yè)的深水FPSO總體方案。

1功能概述

經(jīng)調(diào)研近年已交船的西非FPSO作業(yè)海域水深多在1 000 m以上，F(xiàn)PSO儲油量2×106桶，采用多點系泊定位。立管連接至船中左右舷，系泊系統(tǒng)多由“4×4根鋼絲繩+錨鏈組合的系泊纜”組成，每根系泊纜通過樁基錨固定在海底。FPSO處理的合格原油經(jīng)艏部兩根管線輸送至單點系泊的浮筒，浮筒距離FPSO 1海里(1海里=1.852 公里)，浮筒至少可系泊1.5×105t載重量的穿梭油輪。外輸計量站位于FPSO，串靠外輸作為輔助備用方案。

FPSO生產(chǎn)設施包括氣液分離，油水分離，氣體壓縮、脫水后外輸，生產(chǎn)水處理排海，海水處理后回注油田等功能。動力系統(tǒng)多采用燃氣透平發(fā)電機，惰氣系統(tǒng)使用碳氫氣體。水下系統(tǒng)(SPS)和回注水系統(tǒng)提供化學藥劑，化學藥劑注入系統(tǒng)，獨立的甲醇注入系統(tǒng)防止SPS和上部模塊水合物生成。

經(jīng)分析比較該目標FPSO生產(chǎn)處理能力如下：原油日產(chǎn)量1.9×105桶，氣處理能力1.15 mm3/d，水處理能力7.87×104桶，單次外輸量9.5×105桶，外輸流量6 600 m3/h，外輸溫度15℃。上部模塊工藝、動力電力模塊，火炬系統(tǒng)和管廊架等總重量4.8×104t。

2環(huán)境條件

西非海域地處熱帶區(qū)域，海況情況較好，百年一遇有義波高約3 m，常年主導浪向明顯，存在涌浪現(xiàn)象。由于西非海域的海洋環(huán)境要素沒有相關性，產(chǎn)生源各不相同，環(huán)境條件極值不會同時出現(xiàn)，所有可能方向的組合均應考慮。

2.1季風

西非海域1月～4月在中部和南部海域盛行東北風，風速大于7 m/s，南部海域高達9 m/s。在北部海域為西南風，風速在6 m/s以下，低風帶在30° N 附近，呈東北-西南走向。北部的西南風和中部的東北風構(gòu)成了一個反氣旋式的環(huán)流。從5月開始，在赤道附近東北風開始轉(zhuǎn)為東南風，風速在5 m/s 左右，中北部環(huán)流變化不大，中部的東北風有所加強。6月～9月，北部的低風帶繼續(xù)維持，強度和范圍略有變化，南部的東北風場有所發(fā)展，并在南部東南風場和中部的東北風場間有一風速低值帶，風速大多低于3 m/s。10月～12月，南部的東南風繼續(xù)維持較大風速，南部的低風帶向大陸方向收縮，北部的低風帶向東發(fā)展，基本占據(jù)25° N 以北海域。

2.2颮

西非海洋極端氣象由颮引起。颮是陸上形成的雷暴，可引起突然且猛烈的風暴，持續(xù)時間不到一小時。值得注意的是這些極端風和極端浪是不相關的，因此應明確兩組風速：定常風和颮。另外設備設計方應考慮干燥季節(jié)風攜帶的沙塵，會影響內(nèi)燃機和HVAC設備空氣吸入。

2.3波浪

西非海域在11月～次年3月，波高較大，在1.8 m～2.7 m之間；4月～10月，有義波高較小，多在1.2 m～1.8 m之間。西非海岸具有溫和的海浪條件，受南大西洋生成的長周期涌的影響，涌的方向通常從南到西，涌和風生浪同時存在。

2.4海流

西非北部海域的流速較小，一般低于0.1 m/s，大致呈反氣旋式環(huán)流。中部為西向流，流速在0.1 m/s～0.2 m/s；南部1月～4月為西北向流， 5月在5° N以北開始出現(xiàn)東北向流；6月～12月，以5° N 為界，南部為西北向流，北部為東向流，流速大多在0.5 m/s以上。

2.5水溫

從全年來看西非海域的海面溫度在16℃～30℃。11月～次年4月溫度較低，北部海溫最低達16℃，向南溫度遞增到28℃左右。5月海溫開始升高，7月～9月溫度達到全年的最高值。

根據(jù)調(diào)研資料，西非FPSO設計海況見表1。

表1　西非FPSO設計海況

3船型與主尺度

基于西非海域海洋環(huán)境特點，位于西非海域的FPSO可以采用多點系泊方式，并使主船體正對常年主導浪向，無需采用價格較貴的單點系泊轉(zhuǎn)塔裝置。多點系泊FPSO主船體前后共設四個系泊點，左右對稱。每個系泊點有3～4根系泊鏈，所有系泊點的系泊鏈都是從主甲板上的止鏈機構(gòu)沿舷側(cè)垂直向下延伸，在距基線一定高度處，系泊鏈通過導鏈孔，與船體呈一定的夾角伸向海底。這種系泊方式適用于海況比較溫和的海域，如西非、印尼海域等。

多點系泊FPSO由于不具備風標效應，為便于船廠建造，一般首尾采用折角線型，也無需設置艏樓防止甲板上浪。通常多點系泊FPSO一端布置生活樓，另一端布置火炬塔和外輸裝置，生活樓需要位于上風向，此端正對主導浪向。線型設計應考慮減小波浪載荷的影響，同時應考慮砰擊載荷進行結(jié)構(gòu)加強。拖帶設備和防撞艙壁設置在外輸端，此端的船體形狀和結(jié)構(gòu)應考慮穿梭油輪碰撞的風險以及減小拖航阻力。

由于熱帶海域海生物生長和腐蝕較為嚴重，長期系泊海上的FPSO采用無海底門設計，通過配置舷外海水提升泵實現(xiàn)海水壓載、冷卻、消防等功能。

西非FPSO的主尺度范圍相對比較集中，特別是船寬、型深、吃水、貨艙容積。船長的變化主要取決于不同F(xiàn)PSO工藝流程艙的數(shù)量和容積要求，在滿足FPSO貨艙艙容的基本要求和主尺度合理范圍的前提下，盡量增加船寬和型深，控制船長，以降低建造成本，目標深水FPSO主要要素和設計時考慮的因素見表2。

表2　西非深水FPSO主要要素

4總布置特點

FPSO總體布置與作業(yè)海域、油品特性、生產(chǎn)流程、動力配置方案以及外輸油方式等因素密切相關。FPSO總體布置依賴于設計基礎、船型總體方案以及遵循的設計規(guī)范。根據(jù)國際上FPSO的總布置設計理念，在設計初始階段就應該利用全船HAZID(危險性定義研究)和HSE(健康、安全及環(huán)境研究)，指導FPSO的總體布置，先確定設計的合理性，再進行深化設計[2]。FPSO總體布置基于以下幾方面要求：

(1) 生活區(qū)位于工藝處理設施的上風向。

(2) 公用系統(tǒng)，電力系統(tǒng)靠近生活樓位于工藝處理設施的上風向。

(3) 立管支撐架靠近船中。

(4) 含碳氫化合物處理設備位于下風向，特別是高壓天然氣壓縮設備靠近火炬塔。

(5) FPSO船中設置管廊架，設置通行布橋和設備運送的吊梁。

(6) 生活區(qū)設置為應急避難所。

(7) 直升機甲板臨近生活區(qū)。

4.1典型船體分艙布置

貨油艙呈3列布置在貨艙區(qū)，根據(jù)工藝流程需要可能還包括：生產(chǎn)水艙、污油艙、脫鹽水艙、甲醇艙等。

典型船體分艙布置需注意以下幾點：

(1) 深水FPSO貨油艙區(qū)域可為單底結(jié)構(gòu)。

(2) 舷側(cè)為雙殼結(jié)構(gòu)，并延伸到整個貨油艙區(qū)域。

(3) 機艙區(qū)用雙底雙殼結(jié)構(gòu)保護，提高該段的結(jié)構(gòu)抗剪切能力。

(4) 甲醇艙(methanol tank)需通過隔離空艙與其他貨油艙完全隔離。

(5) 機艙區(qū)需通過隔離空艙或泵艙與貨艙區(qū)完全隔離。

(6) 工藝流程艙可能包括2個生產(chǎn)水艙和2個(及以上)脫鹽水艙。

需要關注的是，合理分艙對FPSO總縱強度有相當大的影響。FPSO一般在滿載工況出現(xiàn)最大中垂靜水彎矩和剪力，所以除滿足基本艙容要求外，分艙的目標要能夠盡量降低靜水彎矩和剪力值。

4.2外輸系統(tǒng)布置

FPSO通過多點系泊定位在工作海域上，在FPSO附近設置了1～2個外輸浮筒。外輸浮筒也同樣采用多點系泊方式，穿梭油船通過纜索單點系泊在浮筒上。外輸油總管在FPSO艏部舷側(cè)向下與外輸油立管相連接，外輸油立管從海底或水面下足夠深的位置延伸至2 km外系泊浮筒，并與浮筒上的漂浮軟管相接，穿梭油船系泊于浮筒上接收來自FPSO的原油。

外輸浮筒上設有原油輸入和輸出接頭，輸入接頭通過輸油軟管與FPSO相連，而輸出接頭通過輸油軟管與穿梭油船相連。外輸準備工作完成后，打開FPSO的輸油開關，原油就通過外輸浮筒輸入到穿梭油船上。這種輸油方式的特點是輸油效率較高，F(xiàn)PSO原油外輸周期較短，另外由于FPSO與穿梭油船不直接連接，一定程度上增加了FPSO的安全性。

該系統(tǒng)作為30萬噸FPSO外輸油的主系統(tǒng)，穿梭油船不必靠近FPSO，避免了與FPSO相撞的危險。浮筒可設置在環(huán)境條件相對好一些的海區(qū)，同時穿梭油輪與浮筒相撞受損的概率非常小。其缺點是外輸管系長度相對較長，阻尼損耗和油溫下降都較大。由于該FPSO在熱帶海區(qū)，所以不必考慮油溫問題。

4.3生活樓布置

生活樓布置的原則是降低潛在危險源對生活樓及安全控制設施的影響，其途徑是：增加分隔空間、使用防火墻(或隔離艙)和利用主導風向。采用多點系泊方式的FPSO沒有風標效應，一般位于海況條件較好的作業(yè)海域，在進行海上多點布錨時，就考慮船位方向和主導風/浪向一致[3]。多點系泊FPSO一般尾部朝向主導風/浪向，而船首部處于下風向。在此基本布局下，從船尾到船首的總體布置流程如下：生活樓/直升機甲板/主機艙→動力模塊/熱站→油水處理工藝模塊→火炬塔→首部串靠外輸油裝置。

這樣生活樓遠離油氣較密集的立管區(qū)域和外輸油區(qū)域，并位于工藝模塊區(qū)可能產(chǎn)生危險油氣煙火的上風向較安全。另外在生活樓和工藝模塊區(qū)之間一般布置有電站、熱站和FPSO公用設備區(qū)，客觀上增加了一道與危險區(qū)的隔離。發(fā)電機組和鍋爐模塊布置在貨艙區(qū)主甲板，生活樓位于上風向，故相關的排氣不會影響到生活樓的主進風道，發(fā)電機組和鍋爐也不用增加額外的排氣凈化裝置。

4.4多點系泊FPSO立管支撐件

所有的立管為柔性，并通過I型套管懸掛在左右兩舷的突出平臺上。立管的數(shù)量根據(jù)油田作業(yè)以及預留管線的要求確定，立管中心線縱向間距約3 m，橫向距舷邊至少2 m，立管支撐件將來自立管的載荷傳遞到主船體。I型套管的上端支撐承受垂向力，下端支撐承受水平力。為防止立管受供應船的撞擊而損壞，在I型套管外側(cè)需設置立管防護結(jié)構(gòu)。根據(jù)作業(yè)要求，需選取基于正常操作和意外事故的供應船碰撞能量，以進行防護結(jié)構(gòu)的設計。防護結(jié)構(gòu)應能承受因意外事故碰撞而產(chǎn)生的塑性變形，變形后的防護構(gòu)件需距立管300 mm以上。

圖1　立管布置示意圖

4.5海水提升沉箱

海水提升沉箱包括：主海水提升沉箱和應急提升沉箱。拖航時沉箱底部和船底齊平，以減少拖航阻力。在海水定點作業(yè)時，沉箱自身可延伸下沉10 m，同時利用延伸的橡皮軟管，可在海平面以下100 m處取水。海水處理沉箱的基本結(jié)構(gòu)和海水提升沉箱基本類似，為防止沉箱受供應船撞擊而損壞，在沉箱外側(cè)需設置相應的管狀防護結(jié)構(gòu)。

圖2　海水提升沉箱布置示意圖

5運動性能

5.1不同風、浪、流的組合

根據(jù)規(guī)范BV NI_493(“Classification of Mooring System for Permanent Offshore Units”， 2004)[4]，赤道(西非)海域的海況條件主要可分為以下四種主導模式：

(1) 涌主導海況；

(2) 浪主導海況；

(3) 風主導海況；

(4) 流主導海況。

根據(jù)規(guī)范，采用不同回歸周期的環(huán)境參數(shù)進行組合，在多點系泊FPSO運動性能預報中，風主導海況和流主導海況不考慮，僅考慮涌主導和風生浪主導兩種模式。

5.2波浪譜的確定

要反映西非海域主涌、次涌和風生浪的波浪能量分布特點，需要使用Ochi-Hubble雙峰波浪譜來模擬風浪及主涌的共同作用，另外再設置一個JONSWAP波浪譜模擬次涌。Ochi-Hubble雙峰波浪譜和JONSWAP波浪譜疊加來模擬西非海域的海況。

根據(jù)BV規(guī)范的要求，需要對波浪周期敏感性分析，除了考慮(HS，Tp)的組合之外，還需考慮(HS，0.85Tp)和(HS，1.15Tp)的組合。波浪能量主要集中在主涌和風生浪部分，波浪周期敏感性分析只針對主涌和風生浪部分，及雙峰譜部分。次涌能量較小，不進行敏感性分析可以滿足工程精度需要。

5.3短期預報值

短期預報的數(shù)值計算原理和流程較為常規(guī)，具體結(jié)果見表3。此外，該船在哈爾濱工程大學“風浪流水池”進行了模型試驗，以滿載涌主導海況為例對比數(shù)值計算和模型試驗結(jié)果，兩者匹配性較好，該水動力模型可用于定位計算分析。

表3　不同工況運動響應

6定位能力

該FPSO多點系泊系統(tǒng)共有16根系泊纜，分為4組，每組4根，相鄰兩組對應的系泊纜之間的夾角為120°，每一組內(nèi)相鄰兩根系泊纜之間的夾角為5°。每根系泊纜由三部分組成，上部與船體連接的為錨鏈，中間為鋼絲繩，下端為錨鏈，系泊纜參數(shù)見表4，每根系泊纜拋出的長度為4 000 m。

表4　系泊纜參數(shù)

西非海域風浪流的方向分布規(guī)律如下所示：

(1) 風浪和風的夾角不超過45°。

(2) 涌浪的角度在-45°～45°范圍內(nèi)變化。

(3) 風浪的角度在0°～360°范圍內(nèi)變化。

(4) 流的角度在0°～360°范圍內(nèi)變化。

按照BV規(guī)范NR_445(“Rules for the classification of offshore Units”，2010)[5]，以滿載狀態(tài)為例，不同主導模式海況組合下船體偏移和系泊纜張力校核結(jié)果見表5、表6。

表5　系泊纜張力校核結(jié)果

表6　船體偏移校核結(jié)果

按照BV規(guī)范NR_445系泊纜疲勞壽命校核結(jié)果見表7，以滿載狀態(tài)為例。

表7　系泊纜疲勞壽命校核結(jié)果

上述結(jié)果表明，該FPSO系泊系統(tǒng)極限強度、疲勞強度和船體偏移均滿足設計要求。

7結(jié)語

該文以西非深水FPSO為研究對象，介紹FPSO在西非油氣開發(fā)中的應用現(xiàn)狀，以及油田開發(fā)模式?jīng)Q定的水面設施選型。調(diào)研近年已交船的西非FPSO船型特點，系統(tǒng)組成和生產(chǎn)處理能力。分析西非海域風浪流等海況環(huán)境特點，提出目標FPSO設計海況參數(shù)。闡述西非FPSO的船體線型和主尺度確定依據(jù)，分析總布置原則，說明船體分艙、外輸系統(tǒng)、甲板面布置流程、立管以及海水提升沉箱等多點系泊FPSO的關鍵布置要點。闡述西非海域主涌、次涌和風生浪的波浪能量分布特點，以此為基礎進行運動性能預報，并與模型試驗比對，最后提出系泊系統(tǒng)設計方案，進行系泊強度和定位能力校核，從而完成西非深水FPSO的總體設計。

參考文獻

[1]金曉劍. FPSO最佳實踐與推薦做法[M]. 青島：中國石油大學出版社,2012.

[2]金強. 秦皇島32-6油田浮式生產(chǎn)儲油船(FPSO ) 總體設計[J]. 船舶，2003，14(2): 32-39.

[3]中國安監(jiān)總局. FPSO安全規(guī)則[S]. 2010.

[4]BV NI 493.Classfication of Mooring Systems for Permanent Offshore Units[S].2004.

[5]BV NR 445. Rules for the Classification of Offshore Units[S].2010.

收稿日期：2015-08-07

作者簡介：童波(1983-)，男，工程師。

文章編號：1001-4500(2016)03-0011-08

中圖分類號:P75

文獻標識碼：A

General Design Research for Deepwater FPSO in West Africa

TONG Bo

(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011， China)

Abstract：Firstly， the necessity for FPSO used in West Africa oil development was analyzed. The system and process facility for FPSO used in West Africa was investigated. The sea state in West Africa and the design parameters for wind/wave/current were determined. Then,the vessel type and main dimension was illuminated. The general arrangement principle and design outline for special area was analyzed. The motion for numerical calculation which is based on wind wave and swell was compared with model test. The spread mooring system was designed and the mooring line strength was checked. At last,the general design for deepwater FPSO for West Africa was completed.

Keywords：FPSO; general design; general arrangement; motion performance; spread mooring