大型多功能油田增產(chǎn)船總體方案探討

薛江山

（上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

0 引言

油田開采通常分為投產(chǎn)、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、產(chǎn)量遞減和低產(chǎn)四個主要階段。油氣田（尤其是一些低滲透的油氣田）開采進(jìn)入中后期時，產(chǎn)量明顯降低，開采難度增加，常需要采用增產(chǎn)措施輔助作業(yè)，以提高效益。油氣田增產(chǎn)的措施有酸化、壓裂、防砂、堵水、補層等，其中，酸化和壓裂是主要的技術(shù)措施[1]。酸化措施是指以低于裂縫開始起裂時的壓力向地層孔隙空間注酸的工藝過程。水力壓裂措施是指向井內(nèi)注入壓裂液，使地層在壓裂液壓力的作用下形成拉應(yīng)力場，使得該層段內(nèi)局部應(yīng)力超過該巖石抗拉強度的過程[2]。

海上油氣田增產(chǎn)措施與陸地相似，但需將設(shè)備安置在生產(chǎn)平臺或船舶上方可完成。油田增產(chǎn)船是一種能使海上油田增產(chǎn)的海洋工程支持船舶，船上集成裝有油田增產(chǎn)系統(tǒng)，具有儲存、混合、泵注和現(xiàn)場控制的能力，是實現(xiàn)海上油氣田增產(chǎn)作業(yè)的一種有效途徑。

1 油田增產(chǎn)船現(xiàn)狀

據(jù)Offshore雜志統(tǒng)計，截止到2015年6月，各種類型的油田增產(chǎn)船共有35艘。其中有32艘分別隸屬于國外的 Baker Hughes、Halliburton和Schlumberger三家石油工程服務(wù)公司。另外，Simwell Services、Superior Energy Service、Mehran三家公司各擁有一艘油田增產(chǎn)船。其作業(yè)區(qū)域主要集中在墨西哥灣、北海、西非、中東和南美等地區(qū)。我國在該類船舶領(lǐng)域的設(shè)計建造經(jīng)驗較少，僅中海油在2014年建造過一艘。

目前，已運營的油田增產(chǎn)船船長多數(shù)為65 m～95 m，船寬為16 m～20 m，大部分屬于中小型船舶。表1摘錄了部分船舶的主要參數(shù)。

2 總體設(shè)計方案分析

油田增產(chǎn)船的船型選擇需要綜合考慮海上作業(yè)流程、作業(yè)能力和作業(yè)地點的要求。本課題結(jié)合某客戶的需求，開展了對大型多功能油田增產(chǎn)船的方案研究。

該船的設(shè)計目標(biāo)可滿足各種不同增產(chǎn)作業(yè)的要求，如壓裂、酸化、防砂等。船上配有專業(yè)增產(chǎn)設(shè)備、各種散料和化學(xué)添加劑的儲存與輸送裝置。除具有增產(chǎn)作業(yè)能力外，該船還具備對外消防、修井等多種功能[3]。

該船適用于無限航區(qū)，擬入 ABS（美國船級社），符合ABS Offshore Support Vessels入級規(guī)范，滿足 WS、WT-READY、Supply-HNLS、DPS-2、FFV Class1等入級符號的要求。

2.1 船型設(shè)計及總體布置

總體設(shè)計充分考慮了客戶對船舶性能、布置需要和作業(yè)能力等方面的要求，主甲板及艙室布置見圖1。本船設(shè)有一層連續(xù)主甲板，機艙位于船體中前部，酸罐儲存艙和高壓增產(chǎn)泵位于船體的中后方，規(guī)范中對增產(chǎn)劑儲存容器或儲存艙離舷側(cè)外板和船底外板的距離要求不小于760 mm，所以主甲板以下除首尾區(qū)域外，均為雙底雙殼結(jié)構(gòu)。主甲板以上首部設(shè)有兩層艏樓、三層生活區(qū)和一層駕駛室，生活樓前上方裝有一個鋁制直升機甲板，主甲板中部為各種散料儲存區(qū)，主甲板尾部留有250 m2的開闊甲板，用于增產(chǎn)作業(yè)時放置一些設(shè)備和化學(xué)添加劑。

圖1 主甲板及艙室布置

船體為鋼質(zhì)焊接的縱骨架式結(jié)構(gòu)，船前體有球鼻艏，船尾中部裝有尾鰭，可提高船體效率和操作性能。為減小船舶作業(yè)時產(chǎn)生的橫搖，主船體安裝了舭龍骨，并設(shè)有被動式減搖水艙。

該船的自持力為35天，可滿足54人工作生活和安全配置的需求，生活區(qū)設(shè)計符合MLC 2006的相關(guān)要求。船長超過100 m，船寬22 m，與現(xiàn)有的增產(chǎn)船相比，屬于大型油田增產(chǎn)船，其主要參數(shù)見表2。

表2 某大型多功能油田增產(chǎn)船主要參數(shù)

2.2 船舶穩(wěn)性

油田增產(chǎn)船是一種特殊用途船舶，其穩(wěn)性計算需滿足MSC.266 SPS Code，SOLAS及ABS規(guī)范的要求。

根據(jù)MSC.266 SPS Code規(guī)定，船舶完整穩(wěn)性需按照國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）的完整穩(wěn)性規(guī)則計算；船舶破損穩(wěn)性應(yīng)按照國際海上人命安全公約（International Convention for Safety of Life at Sea，SOLAS）對客船的要求計算，對于定員小于60人的船舶，要求的分艙指數(shù)可以取0.8R（R為船舶被要求的分艙指數(shù)）。

在選取完整穩(wěn)性工況時，還應(yīng)考慮船舶具有多種作業(yè)功能的情況。本船計算時按照ABS OSV規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)工況選取，并考慮對外消防、吊機工作等工況。圖2為典型工況的計算結(jié)果。

按SOLAS概率法計算破損穩(wěn)性，規(guī)范要求的分艙指數(shù) 0.8R為 0.5459，計算得到船舶在縱傾為0 m、-0.8 m、0.8 m狀態(tài)下達(dá)到的分艙指數(shù)A分別為0.588 8、0.580 6、0.596 0，滿足要求。

2.3 動力配置

該船采用電力推進(jìn)系統(tǒng)，根據(jù)船舶航速計算和動力定位分析的結(jié)果，配有4臺2 800 ekW的中速柴油發(fā)電機和2臺800 ekW的輔助/港口發(fā)電機。尾部設(shè)2臺2 200 kW全回轉(zhuǎn)可調(diào)距主推進(jìn)器，首部設(shè)有3臺1 500 kW管道式側(cè)向推進(jìn)器。

船舶阻力估算按照荷蘭水池Holtrop的預(yù)估方法[4]，推進(jìn)器功率和航速的關(guān)系如圖3所示。該方法分別計算摩擦阻力、興波阻力，并考慮附體結(jié)構(gòu)及船體首尾形狀對阻力的影響。根據(jù)計算結(jié)果，推進(jìn)器在全力運轉(zhuǎn)時，船舶航速可達(dá)13.5 kn左右，實取船舶設(shè)計航速為12 kn。

圖3 航速與推進(jìn)器功率

增產(chǎn)船靠近平臺作業(yè)時，必須有足夠的能力抵抗風(fēng)浪，并與平臺保持安全距離，該距離通常不大于10 m，但也不能小于5 m。海上定位措施，一般采用錨泊定位或動力定位（Dynamic Positioning，DP），考慮操作的靈活性及定位精度的要求，該增產(chǎn)船采用動力定位系統(tǒng)，動力定位等級為II級，在3級海況下（即浪高1.5 m、任意風(fēng)向的風(fēng)速20 kn、表面流速0.5 kn時），可滿足吊車工作的要求；在5級海況下（即浪高4 m，任意風(fēng)向的風(fēng)速30 kn，表面流速3 kn時），可滿足除吊車外的其他作業(yè)工況的要求。通過初步的DP能力分析，船舶在最大單點故障情況下，動力定位系統(tǒng)可滿足上述海況下的定位能力。

3 多功能作業(yè)能力

現(xiàn)有的油田增產(chǎn)船多為專用增產(chǎn)作業(yè)船，功能相對單一。本課題研究的船型是一艘多功能船，以油田增產(chǎn)作業(yè)為主，此外，還具有對外消防、海上救援、修井等功能。

3.1 增產(chǎn)作業(yè)能力

增產(chǎn)系統(tǒng)包括酸化處理設(shè)備、壓裂攪拌器、各類泵系、化學(xué)添加系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、壓力容器、電動單元、控制系統(tǒng)等。該船具有酸化、壓裂等多種增產(chǎn)作業(yè)能力。配有 6臺柴油機驅(qū)動壓裂泵，每臺功率約1 618 kW，最大壓力為103 MPa；兩臺酸系統(tǒng)高壓泵，每臺功率約441 kW，最大壓力為130 MPa；兩臺低溫泵，排量分別為85 m3/min和42 m3/min，額定壓力為70 MPa；兩根CONFLEX高壓軟管，額定壓力為103 MPa，每根長度至少為90 m。增產(chǎn)船與海上生產(chǎn)平臺間設(shè)有管路快速脫離和設(shè)備緊急關(guān)斷裝置，以提高安全性。

酸罐及混合酸罐容積為340 m3，支撐劑體積為200 m3，預(yù)混合罐容積為286 m3，氮氣儲存罐容積為53 m3，液體添加劑體積為62 m3，固體添加劑體積為20 m3，鉆井水艙容積為200 m3。

3.2 對外消防

該船的對外消防滿足ABS FFV Class1（FFV1）入級符號的要求[5]。船中部主甲板兩舷設(shè)有救助區(qū)域，舷墻設(shè)有2 m寬的舷門，船上裝備有2艘快速救助艇。

對外消防的兩座消防水炮位于駕駛室頂甲板的左右兩側(cè)，每座消防水炮的排出率為1 200 m3/h，射程大于120 m遠(yuǎn)、50 m高，2臺消防泵布置在生活樓下方的主船體內(nèi)，每臺排量1 350 m3/h，2臺馬達(dá)的功率均為700 kW。按照ABS OSV規(guī)范對FFV1的要求，需安裝固定的水噴淋系統(tǒng)，以保護露天甲板、主船體和生活區(qū)的外部立面。

3.3 連續(xù)油管作業(yè)

該船主甲板尾部留有250 m2的開闊面積，可布置一套緊湊的連續(xù)油管作業(yè)裝置，用于對海上油氣田的修井、鉆井、測井等進(jìn)行酸化、注氮排殘酸、沖砂、井底沖洗等作業(yè)。為配合連續(xù)油管作業(yè)，主甲板尾部左舷有一臺海工吊機，吊重25 t，吊裝半徑25 m，吊鉤的高度可達(dá)水面以上46 m。

圖4 連續(xù)油管裝置作業(yè)示意圖

連續(xù)油管作業(yè)裝置主要由注入頭、卷筒、控制房、動力單元4個部分組成，滿足API RP 5C7，Zone-II標(biāo)準(zhǔn)的要求。連續(xù)油管的直徑為1.25 m，作業(yè)深度可達(dá)5 000 m，連續(xù)油管作業(yè)裝置噴射器的最大拉力至少為35 t。

3.4 試井

船舶按照ABS WT-READY入級符號的要求設(shè)計，試井系統(tǒng)平時不儲存在船上，主甲板尾部應(yīng)預(yù)留試井系統(tǒng)的安裝位置。

4 結(jié)束語

近年來，國際油價持續(xù)低迷，而海上油氣田開發(fā)屬于高投入、高風(fēng)險的項目。因此，如何挖掘現(xiàn)有油井的潛力、使其產(chǎn)生最大經(jīng)濟效益，越來越受到各大油氣公司的重視，而油田增產(chǎn)船的研發(fā)符合海上油氣開采這一目標(biāo)。

本文結(jié)合油田增產(chǎn)船的發(fā)展現(xiàn)狀，深入探討了一型大型多功能油田增產(chǎn)船的總體設(shè)計方案和多功能作業(yè)的配置要求，有利于提升我國在大型海洋工程裝備（尤其是海洋油田增產(chǎn)裝備）方面的研發(fā)能力，也為將來大型油田增產(chǎn)船的進(jìn)一步研發(fā)提供參考。