南海擴(kuò)展式系泊FPSO外輸方案

楊 輝1, 陸家尉2, 唐 坤, 謝蘭江

(1.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451；2.深圳市杉葉實業(yè)有限公司， 廣東 深圳 518067；3.中海石油(中國)有限公司 深圳分公司， 廣東 深圳518067)

0 引 言

當(dāng)前，中國海上油氣田開發(fā)普遍采用常規(guī)FPSO作為海上油氣處理及原油儲存裝置，通過單點系泊系統(tǒng)進(jìn)行定位，由穿梭油船及輔助拖船采用串聯(lián)方式進(jìn)行原油外輸。近年來，隨著國際油價下跌，集油氣處理、鉆修井、原油/凝析油儲存和外輸?shù)榷喙δ苡谝惑w的新型平臺，如獨柱式SPAR平臺、半潛式平臺、圓筒形FDPSO等裝置日益成為眾多邊際油田及氣田開發(fā)方案的研究熱點。這些平臺與采用單點系泊的FPSO典型區(qū)別之一在于采用多點擴(kuò)展式系泊。由于擴(kuò)展式系泊系統(tǒng)無法像單點FPSO那樣具有風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，以及受南海多變的季風(fēng)氣候條件影響，安全、高效、經(jīng)濟(jì)的原油/凝析油外輸已逐漸成為制約擴(kuò)展式系泊儲油平臺在南海應(yīng)用的瓶頸。

本文結(jié)合南海海域環(huán)境特點及現(xiàn)有原油外輸工程實踐，針對擴(kuò)展式系泊儲油平臺開展外輸方案研究，推薦“雙卸油站+DP油船+艏裝載系統(tǒng)”的外輸方案，提出相關(guān)外輸作業(yè)流程和注意事項，供類似平臺外輸方案進(jìn)行設(shè)計參考。

1 現(xiàn)有外輸方式及其特點

海上外輸方式主要包括傳統(tǒng)油船串聯(lián)外輸、DP油船串聯(lián)外輸、旁靠外輸、單點系泊外輸以及HiLoad DP外輸?shù)葞追N形式。

圖1 傳統(tǒng)油船串聯(lián)外輸

1.1 傳統(tǒng)油船串聯(lián)外輸

目前單點FPSO使用最為廣泛的原油外輸形式是采用傳統(tǒng)油船進(jìn)行串聯(lián)外輸[1]，如圖1所示。提油船首部通過1～2根系泊纜連接于單點FPSO艉部，通過漂浮軟管將原油輸送至油船左舷船中處的裝載系統(tǒng)。兩船系泊距離為60～80 m。單點FPSO具有風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)，油船可隨FPSO繞單點旋轉(zhuǎn)，通常還需1～2艘輔助拖船在油船尾部進(jìn)行限位。

現(xiàn)有FPSO選擇傳統(tǒng)常規(guī)油船進(jìn)行原油外輸?shù)闹饕蛑皇强衫眉扔写?，?biāo)準(zhǔn)油船無需對船上設(shè)備進(jìn)行再改造即可投入外輸作業(yè)，市場上也較易租用到標(biāo)準(zhǔn)油船，同時此種外輸作業(yè)方式相對操作費用較低。然而，利用傳統(tǒng)油船進(jìn)行串聯(lián)外輸也存在一些缺點和不足，包括環(huán)境條件限制、操作上的局限與風(fēng)險，在一些具體海域有強(qiáng)制法規(guī)限制等。從環(huán)境限制分析，傳統(tǒng)油船串聯(lián)外輸存在以下不足：

圖2 風(fēng)浪中的油管牽引、連接操作

(1) 油船在接近FPSO、外輸及解脫過程中的操作性與定位能力不足，通常需1艘或多艘拖船輔助。

(2) 油管的牽引、連接需工作船輔助及人工操作，在不利的環(huán)境條件下，船員系泊作業(yè)、油管連接等操作困難，如圖2所示。

(3) 由于油船裝載系統(tǒng)位于船中，漂浮軟管相對較長，一般在200 m以上，管路阻力較大，增加了外輸泵功率需求。

(4) 漂浮軟管與作業(yè)船、油船間存在磨損，易導(dǎo)致油品泄漏，如圖3和圖4所示。

圖3 漂浮軟管與工作船間的磨擦 圖4 漂浮軟管磨損破壞

1.2 DP油船串聯(lián)外輸

目前DP油船串聯(lián)外輸在固定平臺和浮式平臺(擴(kuò)展式系泊、單點系泊FPSO)均已得到應(yīng)用[2]。當(dāng)采用DP油船時，油船船首系泊大纜可以取消。業(yè)主操作習(xí)慣及部分海域的地方法規(guī)決定了在某些海域主要采用DP油船進(jìn)行外輸作業(yè)，而“傳統(tǒng)油船+拖船輔助”的外輸方式僅作為應(yīng)急或備用方案。比如在墨西哥灣的Cascade/Chinook油田開發(fā)以及巴西所有擴(kuò)展式系泊FPSO的原油外輸中，就有強(qiáng)制規(guī)定使用DP油船的要求。目前挪威北海所有的穿梭油船均裝備DP系統(tǒng)以及用于系泊、軟管連接和保障安全的特殊設(shè)備[3]。

圖5 DP穿梭油船

DP油船(見圖5)是用于從海上儲油設(shè)施到陸地終端及煉化廠進(jìn)行原油傳輸?shù)奶厥獯啊P油船最早在1979年被應(yīng)用于挪威北海Statfjord海域。第一代DP穿梭油船采用傳統(tǒng)單體船進(jìn)行簡單改造，經(jīng)過幾十年的發(fā)展， DP油船已日趨先進(jìn)，包括采用加強(qiáng)型的船體設(shè)計以防止疲勞問題以及冗余的DP定位能力，如雙推進(jìn)器主機(jī)、高效舵、船首和/或側(cè)推[4-5]。DP油船通常還配置艏裝載系統(tǒng)(Bow Loading System，BLS)、自動通信系統(tǒng)等，另外近年來溢油泄漏監(jiān)測系統(tǒng)(Oil Spill Detection System， OSDS)已在大量的DP油船上采用[6]。在挪威北海，自從2007年Statfjord海域因油管斷裂發(fā)生原油泄漏事故以來，油管泄漏監(jiān)測已成為強(qiáng)制法規(guī)要求。

圖6 旁靠外輸

與傳統(tǒng)油船相比，采用DP油船提油在環(huán)境條件、油田以及基礎(chǔ)設(shè)施總布置、卸油頻率等方面有著不同的優(yōu)缺點。DP油船在外輸過程中能夠不依賴輔助拖船而安全地進(jìn)行定位，在深水或基礎(chǔ)設(shè)施受限時的原油外輸中成為理想選擇。采用DP油船也消除了因多艘輔助船舶接近生產(chǎn)設(shè)施而產(chǎn)生的操作風(fēng)險，但DP油船的操作對于船員培訓(xùn)和實際經(jīng)驗要求較高。目前全世界有200余艘DP油船，但我國國內(nèi)市場尚無營運的DP油船，具備相應(yīng)資質(zhì)的DP船員稀缺。

圖7 單點系泊外輸方案

1.3 旁靠外輸

在旁靠外輸中，穿梭油船直接綁扎旁靠于系泊平臺一側(cè)，并連接輸油管進(jìn)行外輸，如圖6所示。

出于浮體間的碰撞風(fēng)險及系泊操作難度考慮，傳統(tǒng)油船旁靠外輸通常不作為主要外輸方案。在一些環(huán)境條件相對溫和的海域，旁靠外輸僅作為FPSO/FSO(浮式儲油船，F(xiàn)loating Storage and Offloading)等的應(yīng)急或備用外輸方案。在這種情況下，旁靠外輸需對浮體及油船的相對運動給予特殊的考慮并進(jìn)行設(shè)計分析，分析工況包括油船靠船及離船等操作，并且對現(xiàn)場環(huán)境條件不確定性帶來的可能影響進(jìn)行敏感性分析。兩個浮體間的相對運動通常是旁靠外輸設(shè)計的控制因素[7]。

圖8 HiLoad DP外輸方案

1.4 單點系泊外輸

圖9 HiLoad DP裝置

單點系泊(Single Point Mooring，SPM)系統(tǒng)由單點浮筒、系泊系統(tǒng)、水下軟管等幾部分構(gòu)成，油船通過1～2根系泊大纜與浮筒連接，并可通過轉(zhuǎn)盤隨環(huán)境方向自由轉(zhuǎn)動，如圖7所示。兩種主要的單點系泊系統(tǒng)為懸鏈?zhǔn)藉^腿系泊(Catenary Anchor Leg Mooring，CALM)系統(tǒng)和單錨腿系泊(Single Anchor Leg Mooring，SALM)[8]系統(tǒng)。其中CALM系統(tǒng)使用最為普遍，其單點浮筒通過懸鏈?zhǔn)藉^纜及其錨樁進(jìn)行系泊定位，浮筒上設(shè)置滑環(huán)確保系泊油船可隨環(huán)境方向轉(zhuǎn)動?，F(xiàn)有的SPM系統(tǒng)除在世界范圍內(nèi)的淺水海域特別作為終端碼頭有廣泛使用外，還可作為鄰近深水海域采用擴(kuò)展式系泊FPSO的外輸系統(tǒng)進(jìn)行使用。

1.5 HiLoad DP及常規(guī)油船

HiLoad DP油船可認(rèn)為在傳統(tǒng)常規(guī)油船上加裝HiLoad DP裝置使其具有動力定位能力，從而可在外輸過程中確保油船能夠保持距FPSO/FSO等設(shè)施的安全距離和船首向，其核心技術(shù)包括意大利Remora公司的HiLoad吸附系統(tǒng)專利技術(shù)以及海上油流傳輸系統(tǒng)方面的專利技術(shù)[9]，如圖8所示。

HiLoad吸附安裝基于兩項基本原理：即靜水壓和摩擦吸附安裝于常規(guī)油船平直底板及舷側(cè)上。HiLoad裝置能夠安裝在任何常規(guī)油船或駁船上提供動力定位能力，無需對船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。HiLoad裝置通過靜水壓作用于船體底板上，產(chǎn)生較大的摩擦力，通常超過船體動力定位所需摩擦力的20倍以上。如果因惡劣天氣或特殊操作要求而需更大的摩擦力，吸附系統(tǒng)還可設(shè)計成真空形式以提供額外吸附力。HiLoad DP裝置如圖9所示。

2 南海環(huán)境特征

外輸海域具體的環(huán)境條件是選擇外輸方案的關(guān)鍵因素。受西伯利亞寒流和熱帶氣候體系影響，中國南海海域具有明顯的季風(fēng)特征：10月至翌年3月海面上盛行東北季風(fēng)；5月至8月，該海區(qū)主要受熱帶氣候所控制，海面上盛行西南季風(fēng)；4月和9月為季風(fēng)過渡月份。另外，熱帶氣旋和寒潮大風(fēng)是南海最顯著的氣候特點。受季風(fēng)氣候影響，南海每年10月至翌年4月盛行東北向浪，6月至7月盛行西南向浪，5月和9月為浪向過渡月份，但東北向浪仍居多，全年海流的主導(dǎo)方向為東北向。兩種季風(fēng)交替時期浪向多變，盛行浪向不明顯。由于冬季東北季風(fēng)風(fēng)速較夏季的西南季風(fēng)風(fēng)速大，一般冬季波高較夏季的大。在季風(fēng)的影響下，南海海流具有典型的季風(fēng)漂流特性：冬季盛行東北季風(fēng)，海面上盛行西南向漂流；夏季，在西南季風(fēng)期，海面上盛行東北向漂流。內(nèi)波是南海海域的又一典型特征，南海北部海域是海洋內(nèi)波發(fā)生最頻繁的海域之一。

圖10～圖12分別給出了南海某海域的風(fēng)、浪、流玫瑰圖，表1給出了該海域浪高及浪向的全年概率聯(lián)合分布，均符合南海海域典型的海況特征。

圖10 風(fēng)玫瑰圖(來向) 圖11 浪玫瑰圖(來向) 圖12 流玫瑰圖(去向)

波高/m≥< 浪向NNNENEENEEESESESSESSSWSWWSWWWNWNWNNW合計/%0 0.50.020.010.090.240.240.390.440.370.200.140.090.110.100.020.010.012.490.51.00.090.251.082.503.052.943.926.125.141.700.890.760.350.110.060.0429.001.01.50.060.492.264.903.842.331.893.358.171.550.500.430.280.040.030.0230.101.52.00.040.643.175.281.800.480.240.422.090.360.140.190.140.020.010.0215.002.02.50.030.753.653.560.530.090.060.070.310.060.060.100.080.010.010.019.392.53.00.040.843.031.780.150.040.030.040.080.030.030.040.050.010.010.016.183.03.50.020.802.120.770.060.010.010.020.040.010.010.020.030.010.010.013.943.54.00.020.551.150.230.010.020.010.010.020.010.010.010.01--0.012.064.04.50.010.240.560.060.010.010.020.010.01---0.01---0.954.55.00.010.150.180.01-0.010.010.010.01-------0.405.05.50.010.060.070.01------------0.185.56.0-0.020.040.01------------0.096.06.5-0.020.01-------------0.056.57.0-0.010.01-------------0.037.07.5--0.01-------------0.027.58.0----------------0.018.08.5----------------0.018.59.0----------------0.019.09.5----------------09.510.0----------------010.010.5----------------010.511.0----------------011.011.5----------------011.512.0----------------0合計0.354.8417.4019.409.686.326.6410.4016.103.871.731.671.060.220.150.13100

3 外輸方案推薦

選擇外輸方案首先需考慮外輸作業(yè)的安全，確保單一故障、誤操作或應(yīng)急操作不致于導(dǎo)致人員傷亡、過大的財產(chǎn)損失或環(huán)境污染，強(qiáng)調(diào)本質(zhì)安全[10]。外輸作業(yè)過程的主要風(fēng)險包括穿梭油船失位導(dǎo)致油管拉斷或油船碰撞平臺、輔助工作船接管操作時的撞船及人員傷亡、油管磨損泄漏等，設(shè)計中需對這些風(fēng)險予以充分考慮。同時，外輸作業(yè)還需考慮操作的經(jīng)濟(jì)性，實現(xiàn)高效便捷。

比較現(xiàn)有外輸方案，綜合擴(kuò)展式系泊平臺不可旋轉(zhuǎn)的特點以及南海多變的季風(fēng)氣候特征，推薦采用“雙卸油站+DP油船”的外輸方案，確保在任何環(huán)境方向下穿梭油船均可位于平臺下游，保障作業(yè)安全性和時效性。卸油站的位置主要取決于主環(huán)境方向，確保穿梭油船在外輸過程中的緊急情況或不可遇見的危險情況下，能夠自然漂離儲油平臺，從而保障外輸作業(yè)的安全。雙卸油站的設(shè)計能夠保障在任何環(huán)境方向下的外輸作業(yè)。根據(jù)主環(huán)境方向，其中一個卸油站朝向西南側(cè)，另一個朝向北側(cè)，如圖13所示。

圖14 “雙卸油站+DP油船”外輸方案實例

DP油船的使用可有效提高卸油操作的時效性并且減小因常規(guī)油船而采用多條工作船的操作風(fēng)險[11]， DP等級按現(xiàn)行工程作法建議為DP 2。DP油船推薦采用艏裝載系統(tǒng)BLS，帶艏裝載系統(tǒng)的DP油船在挪威北海、巴西及加拿大等海域廣泛使用，已被證明是安全和可靠的技術(shù)，相應(yīng)的船舶資源在國際上也比較豐富。DP油船的使用將不再需要輔助工作船，相應(yīng)地也可減少海上輔助工作船的費用。

圖15 DP油船艏裝載系統(tǒng)

“雙卸油站+DP油船”的外輸方案已有工程實踐，圖14給出了挪威北海Hummingbird/Chestnut油田在圓筒形FPSO上采用雙卸油站及動力定位油船進(jìn)行外輸?shù)膶嵗?/p>

圖15為DP油船艏裝載系統(tǒng)，該裝置可確保在惡劣海況下從FPSO到提油船間的油管傳送，更加高效和安全。在該系統(tǒng)中，油管通過設(shè)置在油船船首中部的艏裝載連接接頭進(jìn)行連接，具有在緊急情況下快速解脫的功能[12]。

4 作業(yè)流程

擴(kuò)展式系泊平臺具有不可旋轉(zhuǎn)的特點，其外輸操作與中國普遍采用的船形單點FPSO串聯(lián)外輸明顯不同。由于采用帶艏裝載系統(tǒng)的動力定位提油船，在外輸作業(yè)中油船與平臺間除油管外無需采用船首大纜進(jìn)行連接，油船通過動力定位系統(tǒng)進(jìn)行定位。

外輸操作流程主要包括進(jìn)船、油管連接、正常外輸、油管解脫及離船等操作[13]。在正常外輸作業(yè)時，油船首部將位于圖13中的中心安全扇區(qū)，該區(qū)域中心距平臺約為120 m，寬度為30 m(距中心±15 m)。中心安全區(qū)域外圍為警示區(qū)域，寬度為10 m，當(dāng)油船船首移動到該區(qū)域內(nèi)時外輸作業(yè)需停止。油船船首管匯距儲油平臺系泊錨纜的水平投影距離最小應(yīng)保持在20 m以上，以防止在應(yīng)急解脫情況下油管釋放時與錨纜發(fā)生碰撞破損。在任何情況下油船距平臺的距離應(yīng)不小于95 m。

以上外輸作業(yè)半徑及扇區(qū)寬度是依據(jù)國際上現(xiàn)有DP油船在失位情況下的操作經(jīng)驗而定的，在具體項目中還需綜合考慮操作者的實際操船技術(shù)水平。

4.1 油船進(jìn)船

穿梭油船在進(jìn)船靠近系泊平臺時需根據(jù)環(huán)境方向選擇下游卸油扇區(qū)及有利艏向進(jìn)行進(jìn)船，油船在DP 2操作系統(tǒng)控制下逐步進(jìn)入中心安全扇區(qū)。在通常情況下，每年10月至次年3月更多使用西南側(cè)的卸油站，每年4月至9月則更多使用北側(cè)卸油站，確保油船不會因環(huán)境力作用而漂向平臺，海況條件惡劣時，油船需在合適的錨地進(jìn)行待機(jī)而不得進(jìn)船。

4.2 引纜連接

圖16 采用投纜器進(jìn)行引纜投射

引纜一般可通過工作船或投纜器從平臺上傳送至油船，推薦采用投纜器形式以節(jié)省工作船相關(guān)費用并提高作業(yè)效率，如圖16所示。當(dāng)采用投纜器進(jìn)行引纜投送時，儲油平臺上的操作人員可將整個油船船長作為投射范圍。在此過程中油船船首可在中心安全區(qū)域或外圍警示區(qū)域內(nèi)，但不得進(jìn)入平臺95 m半徑范圍內(nèi)。引纜可通過油船上的絞車進(jìn)行牽引。

圖17 油管傳送 圖18 油管抵達(dá)油船

4.3 油管連接和傳送

完成引纜連接后，將平臺上的軟管系于引纜一端，油船通過絞車牽引油船引纜，如圖17和圖18所示。油管傳送應(yīng)在松弛狀態(tài)下進(jìn)行，涉及平臺及油船上的操作人員間的相互配合，在平臺下放油管時，油船上的牽引絞車進(jìn)行牽引操作，二者間下放且牽引的速度應(yīng)保持同步。此時平臺及油船上的操作人員應(yīng)密切配合和高度注意，避免應(yīng)力過大導(dǎo)致油管或外輸滾筒的損壞。

圖19 正常外輸

4.4 正常外輸

油管連接至DP油船艏裝載系統(tǒng)后，可進(jìn)行平臺與油船間的貨油傳輸，如圖19所示。卸油操作通過平臺的中央控制室完成。在卸油過程中，當(dāng)油船船首因某種原因超出中心安全區(qū)時會激發(fā)應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)，油管應(yīng)急解脫。

4.5 解脫

油管正常解脫是上述過程的逆過程，此時油船船首可在中心安全區(qū)域或外圍警示區(qū)域內(nèi)。在應(yīng)急解脫情況下，DP油船艏裝載系統(tǒng)會快速釋放油管，油管將從儲油平臺上自由懸掛下來。為防止油管在應(yīng)急解脫時碰撞平臺的系泊錨纜，油船船首管匯距錨纜水平投影距離最小應(yīng)保持在20 m以上。

5 結(jié) 語

南海季風(fēng)氣候和復(fù)雜多變的環(huán)境以及擴(kuò)展式系泊儲油平臺不可旋轉(zhuǎn)的特點，導(dǎo)致現(xiàn)有普遍用于FPSO外輸?shù)某Ｒ?guī)油船串聯(lián)的卸油方式不能滿足擴(kuò)展式系泊儲油平臺的外輸需求?！半p卸油站+DP油船+艏裝載系統(tǒng)”外輸方案能夠保證在任意環(huán)境方向下油船可選擇下游扇區(qū)進(jìn)行卸油操作，具有在環(huán)境載荷作用下油船自然遠(yuǎn)離儲油平臺從而實現(xiàn)外輸作業(yè)本質(zhì)安全的特點。同時DP油船及艏裝載系統(tǒng)的使用可有效提高外輸作業(yè)時效，無需使用系泊大纜以及工作船輔助，在一定程度上可節(jié)省操作費用，對于遠(yuǎn)離陸地的深海油氣田開發(fā)意義重大。

“雙卸油站+DP油船+艏裝載系統(tǒng)”的外輸方案具有先進(jìn)、安全、高效的特點，是海上原油外輸技術(shù)的發(fā)展方向。引進(jìn)和發(fā)展該技術(shù)對于傳統(tǒng)單點FPSO外輸方案的升級換代也具有重要意義。