小型多邊形FPSO兩點(diǎn)外輸方案分析

時(shí)光志，夏華波，黃國(guó)良，王司祺，吳昊

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452)

中國(guó)海域環(huán)境惡劣，目前投產(chǎn)的FPSO均為船形，多采用具風(fēng)標(biāo)效應(yīng)的單點(diǎn)系泊式尾部輸油方式，關(guān)于系泊式外輸方式，已有的報(bào)道[1-6]未見涉及類似無風(fēng)標(biāo)效應(yīng)FPSO的外輸方案比選、外輸方式配置、大纜張力及偏移角計(jì)算、外輸操作模式及其可靠性分析。本文提出基于多點(diǎn)系泊方式的多邊形FPSO兩點(diǎn)外輸方式，論證其外輸方案可行性。

1 方案基本情況

采用多邊形FPSO，儲(chǔ)油量約3萬(wàn)～5萬(wàn)t，5口水下井口開發(fā)，電潛泵開采，由于浮體各向同性，采用張緊式多點(diǎn)系泊方式定位，動(dòng)態(tài)電纜、臍帶纜及柔性立管從浮體底部穿入，通過舷側(cè)艙室，在主甲板穿出，接至管匯。多邊形FPSO在作業(yè)海域永久系泊，臺(tái)風(fēng)不解脫。作業(yè)于南海深水海域，約為330 m，環(huán)境條件極為惡劣。主船體外徑為62 m，主甲板處外徑為68 m，模塊甲板處外徑為72 m，阻尼板處外徑為82 m，主甲板處型深28 m，工藝甲板處型深32m，設(shè)計(jì)吃水和壓載吃水分別為16.2 m與11.5 m。采用10邊的多邊形，5對(duì)貨油艙艙容為40 577 m3，壓載水33 327 m3。

圖1 多邊形FPSO總體方案示意

該多邊型FPSO不同于船形FPSO具有風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，不能采用傳統(tǒng)在艉部設(shè)置一套外輸?shù)姆桨?。初步考慮以下3種外輸卸油方案。

1)常規(guī)DP油船卸油方案，應(yīng)用于北海和巴西，適用于多點(diǎn)系泊，見圖2。

圖2 DP穿梭油船外輸方式

2)HILOAD定位卸油，增加1套裝置，常規(guī)卸油船在多點(diǎn)系泊FPSO位置的卸油(巴西進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用)，見圖3。

圖3 Hiload外輸方式

3)常規(guī)油船(加裝艏側(cè)推、艏裝載)加拖船輔助定位。

國(guó)內(nèi)暫無DP油船，Hiload方式在巴西工程示范應(yīng)用未取得理想效果，技術(shù)成熟性有待提高，故考慮采用常規(guī)油船方案。中國(guó)南海常年風(fēng)向分別為夏季西南風(fēng)與冬季東北風(fēng)，最大利用風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，在多邊形FPSO的東北和西南2個(gè)主環(huán)境方向上分別設(shè)1套外輸系統(tǒng)，采用常規(guī)提油船，油船配艏側(cè)推、艏裝載和艉部拖船。

2 方案關(guān)鍵技術(shù)

如圖4和圖5所示，多邊形FPSO采用兩點(diǎn)外輸方案，包含2個(gè)外輸平臺(tái)，2套外輸系統(tǒng)，布置在工藝甲板，該層甲板依次為生活區(qū)，電站、熱站及公用區(qū)，油氣處理區(qū)，水處理區(qū)，包含預(yù)留區(qū)。多邊形FPSO是相對(duì)固定不隨風(fēng)浪流旋轉(zhuǎn)的，采用常規(guī)油船串靠外輸方式，提油船距離FPSO約100 m時(shí)，值守拖船從FPSO向油船傳送外輸系泊大纜及漂浮軟管，根據(jù)風(fēng)向選擇東北或西南外輸點(diǎn)，使提油船利用風(fēng)標(biāo)盡量處于迎風(fēng)位置，根據(jù)作業(yè)天氣確定采用1艘或2艘拖船在提油船艉部輔助外輸操作。外輸?shù)某Ｒ?guī)油船配置艏側(cè)推、艏部裝載系統(tǒng)。

圖4 外輸方案示意

圖5 外輸方案布置

1)雙外輸點(diǎn)設(shè)計(jì)。外輸時(shí)提油船視風(fēng)向系泊在兩點(diǎn)中的其中1個(gè)外輸點(diǎn)，使提油船具有風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，雙外輸點(diǎn)核心理念是如何充分利用該風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，確保其在安全的下風(fēng)側(cè)外輸作業(yè)。雙外輸方案使其外輸在多數(shù)情況下與船形FPSO一樣實(shí)現(xiàn)風(fēng)標(biāo)作業(yè)，夏季風(fēng)時(shí)在東北側(cè)外輸點(diǎn)作業(yè)，冬季風(fēng)時(shí)在西南側(cè)外輸點(diǎn)作業(yè)，基本能覆蓋南海外輸作業(yè)窗口，實(shí)現(xiàn)下風(fēng)側(cè)安全外輸。

2)艏部接油方式。中國(guó)海域FPSO外輸為船舯接油，方案采用油船艏部裝載，屬國(guó)內(nèi)首次擬應(yīng)用案例。外輸時(shí)，提油船停泊在距FPSO約100 m的下風(fēng)側(cè)待命，值守拖船完成FPSO與油船間系泊大纜和漂浮軟管的傳輸，系泊大纜和外輸軟管分別連接至油船艏部系泊設(shè)備及油船艏裝載系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)艏部接油。與船舯接油相比，艏部接油有如下特點(diǎn)：艏部接油方式在國(guó)外應(yīng)用較普遍；可免去拖船從艏部到船舯傳輸軟管帶來的風(fēng)險(xiǎn)；避免外輸時(shí)軟管與FPSO或提油船的碰撞；縮短軟管長(zhǎng)度，減少約2/3軟管傳輸時(shí)間，節(jié)省軟管投資；艏裝載具備應(yīng)急解脫功能；是OCIMF的推薦操作模式，具有簡(jiǎn)易、便捷、通用的優(yōu)點(diǎn)。

3)艏側(cè)推。提油船配置艏側(cè)推，具備以下特點(diǎn)：更加靈活可靠的操縱性，協(xié)助靠泊，提高靠泊成功率；停在泊期間能有效降低大纜瞬間張力，減少碰撞風(fēng)險(xiǎn)；若油船受到較大的橫向力將發(fā)生艏向偏轉(zhuǎn)時(shí)，艏側(cè)推能夠抵消橫向作用，使油船盡量保持在較小的環(huán)境力艏向上；國(guó)內(nèi)帶艏側(cè)推的油船有8艘，其中一半在南海使用過；該功能和DP提油船的艏部側(cè)推相當(dāng)，費(fèi)用約30萬(wàn)美元。

4)艉部拖船。當(dāng)外輸大纜松弛或距FPSO較近時(shí)，利用艉部拖船進(jìn)行拖拽定位，確保外輸?shù)暮侠斫嵌扰c安全距離。拖船兼具作業(yè)守護(hù)、大纜和軟管傳輸、輔助消防等功能。天氣良好時(shí)，采用1艘拖船系泊于提油船的艉部拖帶作業(yè)，氣候條件較差時(shí)則采用2艘拖船系泊于提油船的艉部拖帶作業(yè)。弱風(fēng)標(biāo)配置2艘拖船，則弱風(fēng)標(biāo)效應(yīng)時(shí)，采用雙拖船拖艉，確保安全外輸，雙拖船為2個(gè)獨(dú)立動(dòng)力源，功能可靠、冗余度高、安全性好；降低使用FPSO應(yīng)急解脫的幾率，減少FPSO回接油管和大纜的時(shí)間。

3 外輸方案比較

兩點(diǎn)外輸與傳統(tǒng)外輸在大纜配置、接管方式與難度、提油船靠泊難度與風(fēng)險(xiǎn)等方面的對(duì)比見表1。

表1 2點(diǎn)外輸與傳統(tǒng)外輸提油作業(yè)外輸配置與作業(yè)難度比較

國(guó)外圓筒形FPSO提油方式為DP穿梭油船輸油，多邊形FPSO與國(guó)外圓筒形FPSO提油方式在外輸方案及設(shè)備配置方面的對(duì)比見表2。

表2 常規(guī)油船雙外輸點(diǎn)與DP外輸方案及設(shè)備配置對(duì)比

4 外輸分析

如圖6所示，風(fēng)浪流同向，從A～G方向來風(fēng)、流和浪進(jìn)行計(jì)算，具體數(shù)值見表3～4。根據(jù)南海以往的外輸條件經(jīng)驗(yàn)，確定多邊形FPSO外輸條件見表4。以惡劣環(huán)境時(shí)，1艘提油船正在提油作業(yè)，2艘艉部拖船牽引為例進(jìn)行分析，其中提油船為5萬(wàn)t，拖船分別為3 000 t和6 000 t。

表3 外輸環(huán)境方向

表4 多邊形FPSO外輸操作條件

圖6 波浪方向示意

多邊形FPSO通過多點(diǎn)系泊固定在某海域，外輸時(shí)系泊大纜兩端分別連接FPSO和提油船，2艘艉部拖船在FPSO艉部拖拽，方向及夾角見圖7。

圖7 外輸作業(yè)布置示意

其中，系泊大纜及拖船的拖力見表5、6。

表5 系泊大纜及拖船參數(shù)限制 kN

系泊大纜單纜安全因子為大纜破斷負(fù)荷與最大設(shè)計(jì)張力的比值，根據(jù)BV船級(jí)社NR494規(guī)范要求，選定單纜安全因子為3，即大纜允許的破斷載荷為2 160 kN。根據(jù)南海的作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，拖船的系柱拖力利用率分別考慮90%，50%。見圖8、9，外輸大纜靜態(tài)下的計(jì)算結(jié)果解讀如下。

圖8 90%系柱拖力時(shí)外輸關(guān)系

1)該外輸方式在南海作業(yè)，其靜態(tài)大纜張力滿足安全系數(shù)。

2)每個(gè)浪向均有可能達(dá)到大纜極限張力，故大纜張力與入射浪向角無關(guān)。

3)靜態(tài)大纜張力與風(fēng)浪相對(duì)夾角也無關(guān)。

4)靜態(tài)大纜張力與拖船角度有關(guān)，如拖船A角度，拖船B角度，拖船A、B相對(duì)角。

5)最大靜態(tài)張力發(fā)生在拖船A與拖船B同向或近似同向時(shí)，隨著相對(duì)夾角增大而大纜張力減小。

表6 各船舶相對(duì)運(yùn)動(dòng)角度限制

為了進(jìn)一步確認(rèn)該外輸方式的安全可靠性，在荷蘭Marin水池進(jìn)行模擬實(shí)操，模擬的船舶參數(shù)與計(jì)算假定一致，以測(cè)試本模式的可行性，結(jié)果見表7。

圖9 50%系柱拖力時(shí)外輸關(guān)系

表7 兩點(diǎn)外輸方案水池實(shí)操模擬結(jié)果

計(jì)算和水池試驗(yàn)結(jié)果表明：①除4 m及以上大風(fēng)浪條件下，使用2條拖船和提油船主機(jī)、艏側(cè)推，在各種不利天氣條件下，大纜張力可控；②大纜夾角在強(qiáng)對(duì)流和亂流測(cè)試中偏大但可糾正；③大纜夾角在正橫風(fēng)速10 m/s條件下夾角過大，但該條件出現(xiàn)的概率為1.10%。因此，該方案在南海外輸，大纜拉力可控，船舶偏移角在合理范圍，外輸方案可行。

5 結(jié)論

1)在南海應(yīng)用雙外輸點(diǎn)設(shè)計(jì)，能充分利用環(huán)境風(fēng)標(biāo)特點(diǎn)，保證作業(yè)時(shí)率。

2)艏部接油設(shè)計(jì)，能縮短軟管長(zhǎng)度，降低碰撞風(fēng)險(xiǎn)，提高作業(yè)效率。

3)提油船配艏側(cè)推設(shè)計(jì)，能保證操作的靈活性和最小外輸大纜系泊力。

4)雙艉部拖船設(shè)計(jì)，能保障作業(yè)的可靠性和作業(yè)時(shí)率。配置雙外輸點(diǎn)、艏側(cè)推、艏部接油、雙艉部拖船方式的常規(guī)油船兩點(diǎn)外輸方案，系泊大纜張力和船舶偏移角都能控制在合理的作業(yè)范圍，能夠在南海進(jìn)行無風(fēng)標(biāo)外輸安全作業(yè)。這種基于多邊形FPSO的兩點(diǎn)外輸方案可為中國(guó)海上油氣開發(fā)提供一種新的外輸模式。