FPSO單點系泊系統(tǒng)改裝選型

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300451)

FPSO單點系泊系統(tǒng)改裝選型

李鵬

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300451)

針對未來多油田替代需求，舊油船改裝FPSO能夠適用于多個油田替產(chǎn)需求，通過對比分析不同F(xiàn)PSO的單點系泊系統(tǒng)差異性和改裝選型關(guān)鍵點，得到改裝量最少、海上安裝最便利的單點系泊系統(tǒng)改裝方案，使其能夠與原FPSO水下系泊腿的回接，單點艙室設(shè)備滿足立管、滑環(huán)等工藝設(shè)備的對接，實現(xiàn)多油田的替換生產(chǎn)。

單點系泊系統(tǒng)；改裝；替換生產(chǎn)

雖然大多數(shù)FPSO的設(shè)計壽命都在20年左右，但據(jù)統(tǒng)計[1]，除非洲剛果西北海岸的Conkuati FPSO實現(xiàn)了20年不進塢外，世界各國FPSO普遍在15年左右進塢維修，按照投產(chǎn)時間推算，中國南海海域FPSO即將迎來輪流進塢維修的周期。而近年來，受全球油氣價格影響，上游產(chǎn)業(yè)對壓縮投資成本及減少停產(chǎn)天數(shù)的需求越來越迫切，這就需要在整體維修方案中考慮FPSO的替產(chǎn)方案，在滿足經(jīng)濟性的前提下盡可能減少停產(chǎn)天數(shù)，保持油田產(chǎn)量[2]。在替代方案中，單點系泊系統(tǒng)成為制約FPSO替換生產(chǎn)的瓶頸之一。由于系泊系統(tǒng)的設(shè)計來自不同的設(shè)計公司，雖然有過類似工程先例[3]，但其水上旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和其他水下系泊系統(tǒng)完全匹配的難度較大，需要進行取舍(如減少立管數(shù)量和限制儲油量)、可行性研究和工程方案設(shè)計[4]。

以南海勝利號和海洋石油111號FPSO為例，分析將一艘舊油船改裝為FPSO，使其分別適應(yīng)2艘現(xiàn)役FPSO水下系泊系統(tǒng)，分析改裝關(guān)鍵技術(shù)點，并提出初步的輪換替產(chǎn)海上安裝方案。

1 內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)對比分析

1.1 設(shè)計環(huán)境基礎(chǔ)對比

南海勝利號位于流花油田，海洋石油111號位于番禺油田，從地理位置上看，2個油田同屬南海北部珠江口盆地，2區(qū)塊在同一緯度上且彼此相鄰，其中流花油田靠東，水深較深。2艘FPSO的單點系泊系統(tǒng)同為百年一遇環(huán)境條件，由于地理位置相近，設(shè)計環(huán)境條件相似，系泊力相近，使水下錨泊系統(tǒng)互換成為可能。2油田設(shè)計環(huán)境對比見表1。

表1 設(shè)計環(huán)境條件對比

歷史上南海勝利號遭遇過較強的臺風襲擊，由于其所在的流花油田更接近臺風形成的東南方向，及時臺風轉(zhuǎn)向也更有可能掃過該區(qū)塊，是設(shè)計環(huán)境條件方面相對惡劣的原因之一。

1.2 水下系統(tǒng)對比

南海勝利號與海洋石油111號的系泊系統(tǒng)設(shè)計來自不同的設(shè)計公司，其中南海勝利號于1996年投產(chǎn)，其水下系泊系統(tǒng)使用了均布式10根系泊腿，每根系泊腿自海底至FPSO由大抓力錨、錨鏈、鋼纜、提升錨鏈組成，其水下管線包括3根動態(tài)立管，其中6 in測試立管1根，13.5 in生產(chǎn)立管2根。兩者系泊對比見圖1。

圖1 系泊布置對比

海洋石油111號于2003年投產(chǎn)，其水下系泊系統(tǒng)使用了分組式9根系泊腿，每組3根系泊腿，分組之間120°，同組系泊腿之間5°，每根系泊腿自海底至FPSO由吸力錨、錨鏈、鋼纜、索接頭組成，其水下管線包括2根12 in生產(chǎn)立管，2根動態(tài)電纜。而2根生產(chǎn)立管和1根動態(tài)電纜與中水浮筒搭接，提供造彎浮力。

表2 水下系泊系統(tǒng)對比

針對水下系泊系統(tǒng)與船體的連接結(jié)構(gòu)，2艘FPSO也采用了不同的設(shè)計，其中海洋石油111采用STP(submerged turret production)浮筒將9根系泊腿匯集在一起，船體通過液壓鎖緊裝置與STP浮筒連接；而南海勝利號采用錨鏈轉(zhuǎn)盤(chaintable)形式，省去浮筒中間過渡，直接將提升鏈穿過水下轉(zhuǎn)盤提升至單點艙，通過止鏈器鎖定。通過對比，海洋石油111解脫后海上將保留STP浮筒，而南海勝利號解脫后海上僅保留系泊鏈，若要與新改造FPSO連接，需要加裝類似的浮筒裝置。

1.3 水上系統(tǒng)對比

南海勝利號與海洋石油111號的水上單點系統(tǒng)設(shè)計也有很大區(qū)別(見圖2)，其中海洋石油111滑環(huán)堆棧位于單點艙內(nèi)，包括一組雙通道液體滑環(huán)、一組雙通道高壓電滑環(huán)、公共滑環(huán)及通訊滑環(huán)，立管末端位于STP浮筒頂部，即在完成STP浮筒回接的過程中順帶完成了立管的固定，同時STP浮筒還布置有滑動軸承，實現(xiàn)船體和系泊系統(tǒng)的相對運動。

圖2 單點艙結(jié)構(gòu)對比

而南海勝利號的滑環(huán)裝置位于主甲板以上，包括一組三通道液體滑環(huán)、公共滑環(huán)，由于沒有電力輸出需求而未設(shè)置高壓電滑環(huán)，立管末端位于主甲板，在完成提升鏈操作后需要繼續(xù)提升立管完成生產(chǎn)系統(tǒng)的海上回接，2組主軸承設(shè)置在單點艙內(nèi)，分別靠近主甲板和船底。

通過對比，由于立管數(shù)量和尺寸和圓周布置角度的不一致，無法舊油船改裝FPSO的單點系統(tǒng)無法同時滿足不同型號的立管回接要求，因此，可考慮將改裝FPSO的滑環(huán)堆棧提高，在底部設(shè)置變徑模塊(見圖3)，根據(jù)不同的立管布置數(shù)量和角度，加裝不同的變徑模塊，實現(xiàn)立管對接型式的切換。而針對小尺寸的測試立管，由于替代方案的局限性和臨時性，考慮暫不回接。

圖3 加裝變徑模塊示意

2 系泊系統(tǒng)改裝關(guān)鍵技術(shù)可行性分析

2.1 目標船的選取

針對改裝目標船的選擇，海洋石油111載重量為15萬t，南海勝利號載重量14.4萬t，考慮目前流花油田及番禺油田短期替代開發(fā)，生產(chǎn)工藝流程不可能全面匹配，因此選擇11萬噸級阿芙拉型舊油船作為目標船是比較適宜的。在替代生產(chǎn)期間實施一定的限產(chǎn)，同時達到降低系泊載荷、降低改造投資的目的。

2.2 定位形式的選取

針對系泊形式的選擇，為匹配原水下系泊系統(tǒng)，降低改裝工作量，可考慮的系泊系統(tǒng)方案主要有內(nèi)轉(zhuǎn)塔式、外轉(zhuǎn)塔式單點系泊系統(tǒng)，動力定位系統(tǒng)。三種形式各有優(yōu)缺點，其中內(nèi)轉(zhuǎn)塔式由于轉(zhuǎn)塔位于船體內(nèi)，對于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、滑環(huán)系統(tǒng)和水下連接部分的保護較好，但需要在改裝船體內(nèi)部結(jié)構(gòu)且占用裝載量，改裝工作程量較大[5]；外轉(zhuǎn)塔由于轉(zhuǎn)塔位于船體外，與船體的改造相對獨立，改裝工程量較小，但單點結(jié)構(gòu)迎風迎浪，其遮蔽性較差，適用于環(huán)境條件較為溫和的海域[6]；動力定位系統(tǒng)的優(yōu)勢是能夠不借助水下錨系進行海上限位，但其劣勢是運行期間需要消耗燃油，其推動力也需要較高的電站匹配，因此在電站改裝、動力定位控制系統(tǒng)、推進器系統(tǒng)改裝方面工程量較大，因此適用于超深水系泊腿投資過高的海域，或與水下系泊系統(tǒng)同時選配小功率的動力定位系統(tǒng)，發(fā)揮臨時或輔助限位的作用。

由于本方案盡可能考慮使用原水下系泊系統(tǒng)，由于本項目環(huán)境條件較惡劣，使用外轉(zhuǎn)塔改裝后海上連接需要將立管和系泊腿提出水面，船體的縱搖下沉和波面浮力可能導(dǎo)致立管屈曲，而動力定位系統(tǒng)需要加裝大功率電站，原水下錨泊系統(tǒng)沒能實現(xiàn)再利用，提高了投資成本。綜合考慮，仍選用內(nèi)轉(zhuǎn)塔改裝方案。

2.3 單點艙結(jié)構(gòu)的選取

內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點艙結(jié)構(gòu)形式有兩種選擇方案，按照海洋石油111的浸沒式轉(zhuǎn)塔(submerged turret production STP)進行改裝，按照南海勝利號的內(nèi)轉(zhuǎn)塔轉(zhuǎn)塔錨鏈轉(zhuǎn)盤形式進行改裝。見圖4。

圖4 兩種轉(zhuǎn)塔與FPSO船體連接形式示意

轉(zhuǎn)塔形式的選擇要綜合考慮以下因素。

1)系泊系統(tǒng)載荷。

2)單點主軸承橫向及垂向載荷。

3)需要懸掛的管纜數(shù)量。

4)工藝系統(tǒng)及滑環(huán)組的復(fù)雜程度。

5)整體造價。

6)海上安裝的風險。

7)后期其他油田替產(chǎn)的需求。

鑒于本方案需滿足2個油田的臨時替產(chǎn)需求，由于2艘FPSO目前錨纜數(shù)及分布不同(分別為分組9根、均布10根)，如果系泊定位僅采用錨鏈轉(zhuǎn)盤形式，則需分別在番禺油田和流花油田設(shè)計建造浮筒與單點進行連接，同時番禺油田臨時替產(chǎn)工作結(jié)束后，該浮筒需再次拆卸并棄置，造成改裝成本及海上安裝次數(shù)的增加。如果系泊定位采用STP形式，則需在流花油田重新設(shè)計建造浮筒滿足10根錨纜連接需求，相對改裝工程量，特別是海上安裝工程量將大幅減少。同時，選擇STP形式的單點艙結(jié)構(gòu)，可以合理避開轉(zhuǎn)塔主軸承的采購和安裝，從而降低船廠改裝工程量和改裝成本。還能提高未來同尺寸其他STP浮筒型單點系泊系統(tǒng)FPSO替產(chǎn)的可能性[7]。

綜合考慮，本方案宜采用STP單點轉(zhuǎn)塔形式的改造方案。

3 改裝方案設(shè)計

3.1 限制條件

由于項目尚處于預(yù)研階段，F(xiàn)PSO系泊系統(tǒng)狀態(tài)、生產(chǎn)需求等尚未明確，因此暫時考慮以下邊界條件，在一定的限制條件下進行概念設(shè)計分析。

1)番禺油田替產(chǎn)方案中，不考慮FPSO對周邊平臺供電。

2)流花油田替產(chǎn)方案中，沿用原水下系泊系統(tǒng)，不考慮其維修更換。

3)流花油田替產(chǎn)方案中，沿用原立管系統(tǒng)，不考慮其維修更換。

4)輪換替代方案中，考慮先在番禺替產(chǎn)，再移位至流花油田替產(chǎn)。

3.2 改裝方案

船廠改造期間，主要分為2大項工程：舊油船改裝工程(見圖5)，為流花油田系泊腿新建一套STP單點浮筒[8]，見圖6。其中油船改裝工程須在原船體艏部開月池，作為單點艙使用，安裝單點回接配合圓柱形結(jié)構(gòu)，并加裝配合環(huán)，甲板面安裝系泊絞車及其附屬動力系統(tǒng)，單點艙內(nèi)安裝滑環(huán)組塊，配裝密封液壓控制系統(tǒng)，整個單點艙配合椎體與原海洋石油111單點STP浮筒尺寸完全配合以便完成海上回接[9]。而其中流花新建單點浮筒工程須建造10腿T形轉(zhuǎn)塔，以配合原南海勝利號水下10條系泊鏈的連接，安裝錐形浮筒，與改裝FPSO的配合椎體匹配[10]。

海上安裝期間，改造后的FPSO單點與懸浮在水下的浮筒連接，將兩根立管與單點滑環(huán)完成管線連接后，即可開展替代生產(chǎn)的各項作業(yè)。生產(chǎn)期間，F(xiàn)PSO具備風向標效應(yīng)來圍繞單點旋轉(zhuǎn)。外輸期間，外輸油船與FPSO尾部串連進行艉輸，同時有一艘拖船在外輸油船艉部拖艉。外輸油船臨時復(fù)產(chǎn)期間，不考慮FPSO對外供電，油田的各個平臺可使用臨時電站提供電力。

替代勝利號的總體方案如下：勝利號解脫后，原勝利號系泊系統(tǒng)末段系泊鏈改裝為系泊纜和快速接頭，將改裝后的10條系泊腿及2根生產(chǎn)立管與重新設(shè)計制造的浮筒相連接；待改造后FPSO拖航至指定位置，浮筒回接至單點艙，連接相應(yīng)立管與艙內(nèi)生產(chǎn)管線，并開展替產(chǎn)的作業(yè)。生產(chǎn)與外輸方式與前面的表述一致。

圖5 FPSO主要改裝模塊示意

圖6 新建單點浮筒示意

3.3 海上安裝方案

考慮改裝后的FPSO在首先在番禺油田替產(chǎn)，原海洋石油111號FPSO解脫后，改裝FPSO拖航至番禺油田，與原水下STP完成海上回接，完成調(diào)試后接替生產(chǎn)；流花油田原10條系泊腿錨鏈末端改造，實現(xiàn)與新建STP浮筒連接件的海上安裝，同時水下立管接入新建STP浮筒的立管懸掛通道，完成海上回接前的準備，改裝FPSO在番禺油田完成替產(chǎn)工作后，與STP浮筒解脫，拖航至流花油田，與準備好的STP浮筒完成回接，調(diào)試完成后接替生產(chǎn)。改裝及海上安裝步驟見表2。

表2 改裝及海上安裝步驟

4 結(jié)論

系泊系統(tǒng)的改裝是舊油船改裝FPSO工程的重要組成部分，通過2艘目標FPSO的對比和適用性分析，可以發(fā)現(xiàn)雖然單點系統(tǒng)的設(shè)計不同，理論上可以實現(xiàn)以一艘改裝FPSO分別適應(yīng)2個油田替產(chǎn)的功能。但要實現(xiàn)工程化，仍需開展如單點轉(zhuǎn)塔載荷評估，立管懸掛載荷評估，鎖緊裝置鎖緊力評估，系泊腿改裝系泊力評估等相關(guān)分析論證工作和關(guān)鍵替換設(shè)備設(shè)計工作。

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Conversion Research on Single Point Mooring System of FPSO

LIPeng

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Company, Tianjin 300451, China)

When the FPSO returns to the shipyard for maintenance, it is necessary to consider the alternative FPSO to continue production by replacing the original one temporarily. For the target of a converted single point mooring FPSO suitable for alternative oil fields in the future, a study was carried out to get the best solution with less amount of modification and convenient offshore installation, which is applicable for both the connection between mooring legs and mooring connectors, and the connection between swivel and risers.

single point mooring; conversion; substitute production

U661.3

A

1671-7953(2017)05-0094-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.024

2017-07-12

修回日期：2017-08-31

李鵬(1984—)，男，碩士，工程師

研究方向：海洋結(jié)構(gòu)物水動力性能