南海中等水深邊際油田浮式生產(chǎn)儲油裝置設(shè)計(jì)方案

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(1.中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300452；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

南海近30年來相繼勘探發(fā)現(xiàn)了數(shù)十個(gè)小型油田，這些油田由于水深、儲量規(guī)模小、采出率低、距離已有設(shè)施遠(yuǎn)，常規(guī)工程方案開發(fā)都沒有經(jīng)濟(jì)效益。國內(nèi)有學(xué)者考慮從避免使用單點(diǎn)系泊降低投資的角度研究八角形和圓筒形FPSO及FDPSO[1-8]，但這些裝備規(guī)模偏大，不足以支撐邊際油田的開發(fā)，國外有類似圓筒形FPSO的應(yīng)用案例[9-10]，但涉及到專利費(fèi)，在中國海域的推廣有一定難度。為此，借鑒國內(nèi)外類似方案，根據(jù)邊際油田的產(chǎn)量，縮減規(guī)模，簡化配置，應(yīng)用國產(chǎn)化設(shè)備，提出多邊形FPSO方案。

1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

作業(yè)海域?yàn)橹袊虾?，水?30 m，百年一遇季風(fēng)為作業(yè)條件，百年一遇臺風(fēng)為生存條件。

開發(fā)裝備能夠重復(fù)利用，生產(chǎn)設(shè)施處理能力的覆蓋范圍要廣，綜合考慮南海的中質(zhì)油和稠油特性，暫不考慮H2S、CO2問題，并且需要預(yù)留工藝處理區(qū)，以適應(yīng)將來的生產(chǎn)擴(kuò)容及改造。

FPSO設(shè)計(jì)處理規(guī)模按南海某油田5口井配產(chǎn)1.1倍設(shè)計(jì)，處理能力分別為：最大液處理能力16 800 m3/d，最大水處理能力16 050 m3/d，最大油處理能力2 533 m3/d。其他主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：定員60人，設(shè)計(jì)壽命25年，自持力30 d，入級CCS，10年不進(jìn)塢維修，外輸周期14 d。

排放指標(biāo)為：原油含水率不大于0.5%；含油量不大于45 mg/L。

表1 環(huán)境條件

2 開發(fā)方案選型

針對邊際油田的有效開發(fā)，裝備需要小型化，根據(jù)目前適合南海100～400 m水深的裝備研究和應(yīng)用情況，結(jié)合國內(nèi)外類似案例，提出了4型開發(fā)裝備，見表2。經(jīng)過各方面比較，最終選擇多邊形FPSO作為深入研究的方案。其開發(fā)示意圖見圖1，多邊形FPSO采用水下井口，電潛泵采油，多點(diǎn)系泊定位，串靠外輸卸油。

3 多邊形FPSO總體方案

3.1 船型及功能定位

采用多邊形FPSO，柱型筒體、底部阻尼板和上部外飄結(jié)構(gòu)，貨油艙區(qū)為雙舷側(cè)、雙底，多點(diǎn)系泊定位。生活樓、直升機(jī)甲板、卸油設(shè)備、火炬塔、主電站、配電設(shè)備、公用系統(tǒng)和工藝處理設(shè)備位于上甲板上方的工藝甲板上。

表2 深水邊際油田浮式裝備特點(diǎn)

多邊形FPSO是一個(gè)帶電站和油氣水處理系統(tǒng)的浮式生產(chǎn)系統(tǒng)，帶有60人生活樓，具有發(fā)電、生產(chǎn)和生活支持、油氣水處理、儲油和外輸功能，可為水下生產(chǎn)系統(tǒng)提供電力和控制。圖2為多邊形FPSO主視圖。

3.2 主尺度及艙容

關(guān)于多邊形FPSO邊數(shù)的選取，考慮八角形已有專利保護(hù)，邊數(shù)進(jìn)一步減少將損失排水量，需要增加尺度滿足重量需求，導(dǎo)致鋼料增加，系泊系統(tǒng)配置增大，經(jīng)濟(jì)性不利。過多的邊數(shù)將導(dǎo)致徑向艙壁數(shù)量增加，液艙增多，管系復(fù)雜，同樣不利于成本控制，結(jié)合FPSO分艙布置確定采用十邊形方案。世界范圍內(nèi)惡劣海況下應(yīng)用的類似圓筒形FPSO最小直徑60 m，如果尺度再小則甲板面布置困難，且隨著主尺度降低，垂蕩固有周期減小。為使其固有周期避開波浪能量集中范圍，經(jīng)過計(jì)算優(yōu)選，最終確定主尺度和艙容見表3。

表3 十邊形FPSO主尺度與艙容

3.3 總布置

方案布置特點(diǎn)為：①貨油壓載泵采用泵艙泵型式，筒體中心為機(jī)泵艙區(qū)；②貨油艙通過舷側(cè)壓載艙，雙層底壓載艙保護(hù)，滿足MARPOL要求；③依據(jù)破艙穩(wěn)性要求確定貨油艙數(shù)量和壓載艙連通，降低系統(tǒng)成本；④依據(jù)運(yùn)動(dòng)性能和穩(wěn)性優(yōu)化阻尼板設(shè)計(jì)，提升作業(yè)能力；⑤系泊系統(tǒng)采用多點(diǎn)系泊設(shè)計(jì)，分3組，每組3根系泊纜；⑥立管區(qū)域布置在壓載艙，接口在主甲板；⑦主甲板外圍和工藝甲板之間有向外延伸的防浪墻，而且在主甲板圓周處，接近防浪墻附近還有擋板，可有效地保護(hù)區(qū)域內(nèi)的設(shè)備及管纜等不受到海水侵蝕；⑧FPSO使用串靠卸油方式，采用2套滾筒裝置回收輸油軟管；⑨在工藝生產(chǎn)區(qū)，為盡可能減少危險(xiǎn)源對生活區(qū)域的影響，火炬塔需位于下風(fēng)口，延伸于舷側(cè)之外，做到離生活區(qū)最遠(yuǎn)。

根據(jù)上述原則，確定工藝甲板布置見圖3。危險(xiǎn)區(qū)，包含油/水處理、火炬臂、井控、清管；模塊和模塊之間安全通道3 m以上用于管纜之間的布置和連接；安全區(qū)，布置生活樓，直升機(jī)平臺；中間區(qū)布置電站、熱站、公用系統(tǒng)及配電裝置；2臺300 kN吊機(jī)對稱布置；2個(gè)外輸延伸平臺，根據(jù)南海環(huán)境布置2套外輸裝置。主甲板上的設(shè)備主要有錨機(jī)及其液壓泵站附屬系統(tǒng)，立管、動(dòng)態(tài)電纜、臍帶纜,淡水艙，飲用水艙，應(yīng)急發(fā)電機(jī)室，甲板泡沫間，生活設(shè)備艙，閉排，管纜，等，見圖4。

3.4 裝載和穩(wěn)性

完整穩(wěn)性遵循IS CODE(2008)，考慮了8種裝載工況，多邊形FPSO拖航吃水7 m，在位作業(yè)吃水11.5～16.5 m，最小初穩(wěn)性高3.0 m，滿足規(guī)范要求。

破艙穩(wěn)性遵循MARPOL73/78規(guī)則，沿船長范圍1艙破損，由于在深水區(qū)，不考慮底部破損?？紤]了滿載、50%裝載、對艙裝載、隔艙裝載、檢修工況、壓載、拖航，共7種裝載狀態(tài)，最終均滿足規(guī)范要求。穩(wěn)性計(jì)算見表4。

3.5 運(yùn)動(dòng)性能

考慮滿載、壓載及拖航工況，包含生產(chǎn)作業(yè)與風(fēng)暴自存，采用SESAM軟件進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算(見表5、6)。結(jié)果表明，生存滿足15%水深立管位移要求，作業(yè)滿足設(shè)備橫搖10°的要求。

表4 裝載穩(wěn)性計(jì)算

表5 滿載、壓載穩(wěn)性計(jì)算

表6 拖航穩(wěn)性計(jì)算

3.6 系泊系統(tǒng)

張緊式采用聚酯纖維纜，重量輕，且錨泊線分布較短，投資低。另外，目前在役的圓筒形FPSO均采用錨鏈+聚酯纜+錨鏈形式的張緊式系泊，因此，采用張緊式系泊。

錨鏈采用無檔錨鏈，避免有檔錨鏈中的橫檔脫落導(dǎo)致強(qiáng)度大大降低的問題；合成纜一般采用聚酯纜，由于它的強(qiáng)度與重量之比遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的鋼絲繩和錨鏈。通過調(diào)研，選擇FPSO的單根系泊纜為錨鏈(R4S無檔)+聚酯纜+錨鏈(R4S無檔)的組合方式。

綜合考慮成本和技術(shù)，該系泊系統(tǒng)采用9根錨纜，為3×3布置，如圖5和6所示。每一組內(nèi)相鄰2根錨纜之間的夾角為5°，3組相互之間夾角為120°，沿順時(shí)針分別為1～9號錨纜，錨纜總長1 350 m，預(yù)張力3 122 kN。定位能力分析考慮頂端和底端錨鏈的腐蝕，腐蝕量為0.4 mm/a，服役時(shí)間為30 a，腐蝕總量為12 mm，系泊纜具體參數(shù)見表7。

表7 系泊纜配置

表8 系泊分析結(jié)果

表8為系泊分析。由表8可見：完整工況系泊力安全系數(shù)大于1.67；破斷工況系泊力安全系數(shù)大于1.25；聚酯纜運(yùn)動(dòng)中不碰海底；最大偏移滿足立管15%水深的運(yùn)動(dòng)限制要求。故系泊計(jì)算滿足規(guī)范和立管參數(shù)限制要求。

3.7 管纜方案

本方案共2根7 in立管，5根3 kV動(dòng)態(tài)電纜，1根0.6-1.0 kV的臍帶纜。考慮立管、臍帶纜和電纜的受力及安全要求[10]，管纜區(qū)域布置在壓載艙，由剛性管道組成導(dǎo)向立管，從主船體最下端延生到主甲板，海管海纜自下而上貫穿在剛性立管中，柔性立管在主甲板管纜區(qū)域與模塊的進(jìn)口管匯系統(tǒng)相連，管匯區(qū)與周邊設(shè)置防爆墻，臍帶纜與主甲板上TUTA連接，電纜進(jìn)入主甲板電纜接線箱。見圖7。

3.8 外輸方式

國外圓筒形FPSO方案中，外輸采用DP穿梭油船方式，由于中國海域目前還未有該卸油方式，且此方式投資較高，故目前未采用該方案。Hiload卸油方式在巴西試驗(yàn)應(yīng)用失敗，目前也不宜采用。在南海由于風(fēng)浪大，旁靠方式風(fēng)險(xiǎn)高，系泊系統(tǒng)受力大，不是合適的選擇。圖8為南海風(fēng)浪流玫瑰圖。

由圖8可見，南海主環(huán)境方向?yàn)闁|北、西南，環(huán)境方向規(guī)律性比較強(qiáng)，考慮到國內(nèi)提油輪的現(xiàn)狀和投資的控制，目前階段考慮外輸方式為2點(diǎn)串靠卸油，見圖9。串靠方案，拖輪輔助定位，海況好則1個(gè)拖船，海況差則2個(gè)拖船輔助。

該方案借鑒國外艏裝載提油模式，能有效避免溢油風(fēng)險(xiǎn)，縮短油管長度，降低成本，是OCIMF推薦模式。有研究表明[11]，不配置艏側(cè)推的傳統(tǒng)提油船不適用于類似多邊形FPSO的浮體。目前，國內(nèi)已有部分提油船安裝了艏側(cè)推。因此，艏側(cè)推+艏部接油的提油船串靠方案可行。

提油操作和應(yīng)急程序：如圖10，系泊大纜單邊夾角小于30°為安全區(qū)域；30°～45°為調(diào)整區(qū)域，準(zhǔn)備啟動(dòng)拖輪限位；45°～60°為警戒區(qū)域；超過60°隨時(shí)準(zhǔn)備撤離，在90°前完成停輸及解脫。

4 結(jié)論

南海深水邊際油田的開發(fā)需求推動(dòng)了多邊形FPSO在南海中等水深海域的研究應(yīng)用。目前該FPSO設(shè)計(jì)技術(shù)正處在研究階段，還沒有實(shí)際工程應(yīng)用。分析認(rèn)為，多邊形FPSO應(yīng)用在南海海域，技術(shù)上是可行的，相比較半潛、圓筒形FPSO、船形FPSO，其投資更有優(yōu)勢。后續(xù)將緊密結(jié)合生產(chǎn)方需求和國內(nèi)設(shè)備廠家實(shí)際情況，優(yōu)化方案，降低投資，盡快推動(dòng)多邊形FPSO在南海深水邊際油田開發(fā)中的應(yīng)用。

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