海上油田浮式儲(chǔ)油裝置原油外輸提效作業(yè)探究

楊 秘

(中海石油(中國(guó))有限公司曹妃甸作業(yè)公司 天津 300459)

0 引 言

渤海某油田分5個(gè)生產(chǎn)作業(yè)區(qū)塊，各區(qū)塊分別建有固定平臺(tái)，油田產(chǎn)液在平臺(tái)就地部分脫水脫氣后經(jīng)海底管道輸送到浮式儲(chǔ)油裝置進(jìn)一步處理，處理后原油在浮式儲(chǔ)油裝置FPSO中儲(chǔ)存，按油田常規(guī)作業(yè)程序儲(chǔ)存累積30萬桶時(shí)采用提油輪串靠模式外輸，原油外輸作業(yè)過程中需要油田2條守護(hù)船全程進(jìn)行拖帶和守護(hù)支持。油田在中后期綜合調(diào)整開發(fā)過程中，整體效果表現(xiàn)良好，產(chǎn)油量由 6000m3/d向9000m3/d不斷攀升，由于產(chǎn)量跨越式提升，每月度原油外輸作業(yè)頻次也將由4船次遞增到6船次，外輸頻次大幅上升，同時(shí)由于僅一套外輸作業(yè)人員，存在冬季惡劣海況等影響不能及時(shí)完成外輸作業(yè)，從而造成油田限產(chǎn)或關(guān)停的風(fēng)險(xiǎn)。而且，F(xiàn)PSO不能像其他船舶一樣可以隨時(shí)離開，而是長(zhǎng)期系泊于某一固定海域，所以系泊系統(tǒng)在極端環(huán)境荷載作用下的安全特性一直是學(xué)者所關(guān)心的問題[1-3]，尤其是采用水下軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的FPSO，其安全性備受關(guān)注。

本文針對(duì)油田現(xiàn)有資源單點(diǎn)系泊系統(tǒng)、系泊大纜、守護(hù)船、提油輪及浮式儲(chǔ)油裝置原油裝載能力進(jìn)行了深入的分析研究，油田現(xiàn)有配備資源具備滿足增加每船次原油輸送量的能力，可以通過增加每船次外輸量來降低外輸作業(yè)頻率。

1 核算建?；A(chǔ)

1.1 軟剛臂及系泊鏈參數(shù)

FPSO系泊系統(tǒng)包括船艏支撐結(jié)構(gòu)、錨鏈、水下軟剛臂、系泊轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)塔樁基礎(chǔ)等[4]，如圖1所示。

圖1 海洋石油112系泊系統(tǒng)示意圖 Fig.1 Schematic diagram of HYSY 112 mooring system

軟剛臂是三角形框架結(jié)構(gòu)，一端與系泊轉(zhuǎn)盤連接，另一端與船艏支撐結(jié)構(gòu)相連。參數(shù)如表1所示。

表1 軟剛臂及系泊鏈參數(shù) Tab.1 Parameters of soft rigid arm and mooring chain

1.2 FPSO主要參數(shù)

浮式儲(chǔ)油裝置FPSO主要參數(shù)如表2所示。

表2 FPSO主要參數(shù) Tab.2 Main parameters of FPSO

1.3 提油輪主要參數(shù)

建模參考提油輪滿載排水量61000t，外輸原油裝載量按30萬桶和40萬桶進(jìn)行。主要參數(shù)如表3所示。

表3 提油輪主要參數(shù) Tab.3 Main parameters of shuttle tanker

1.4 大纜拉伸剛度

FPSO與提油輪之間的外輸大纜長(zhǎng)80m(斷面周長(zhǎng)533mm，直徑170mm，破斷力為560t)，表4給出外輸大纜拉伸剛度特性。

表4 大纜拉伸剛度特性 Tab.4 Tensile stiffness characteristics of hawser

1.5 校核規(guī)范

對(duì)于軟剛臂系泊的系泊鏈，根據(jù)DNV-OS-E301-Position Mooring采用分項(xiàng)系數(shù)法進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核。根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，系泊系統(tǒng)需對(duì)以下3種極限狀態(tài)進(jìn)行分析：最大極限狀態(tài)(ULS)，要求每根系泊纜都有足夠的強(qiáng)度能抵御極限環(huán)境條件產(chǎn)生的載荷；偶然極限狀態(tài)(ALS)，系泊系統(tǒng)有足夠的能力抵御一根系泊纜失效、一個(gè)螺旋槳或者螺旋槳控制或動(dòng)力系統(tǒng)由于未知原因失效的狀況，控制或者動(dòng)力系統(tǒng)的失效可能導(dǎo)致多個(gè)螺旋槳無法工作；疲勞極限狀態(tài)(FLS)，單根系泊鏈有足夠的能力抵御循環(huán)載荷。

根據(jù)規(guī)范定義，系泊系統(tǒng)失效產(chǎn)生的后果可分為兩級(jí)，如表5所示。

表5 最大極限狀態(tài)的分析安全系數(shù) Tab.5 Analysis safety factor of maximum limit state

Ⅰ級(jí)：系泊系統(tǒng)失效不太可能導(dǎo)致不可接受的后果，比如生命損失、與相鄰的海上設(shè)施發(fā)生碰撞、油氣不受控制地外泄、平臺(tái)傾覆或下沉等。

Ⅱ級(jí)：系泊系統(tǒng)失效可能會(huì)導(dǎo)致不可接受的后果，比如生命損失、與相鄰的海上設(shè)施發(fā)生碰撞、油氣不受控制地外泄、平臺(tái)傾覆或下沉等。

在FPSO生產(chǎn)作業(yè)中有多根軟管和電纜連接到軟剛臂系統(tǒng)的系泊塔上，因此，不允許發(fā)生系泊纜破斷的情況，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為最大極限狀態(tài)(ULS)，系泊系統(tǒng)失效后果為Ⅱ級(jí)，對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)條件方程為：

其中：Sc為特征強(qiáng)度，Tc-mean為特征平均張力，Tc-dyn為特征動(dòng)態(tài)張力(幅值)，meanγ為平均張力分項(xiàng)安全系數(shù)，dynγ為動(dòng)態(tài)張力分項(xiàng)安全系數(shù)。

系泊分析中系泊纜的最小破斷強(qiáng)度考慮系泊纜的腐蝕，對(duì)于初始直徑為156mm的錨鏈，考慮10mm的腐蝕量(146mm＝156mm-25年×0.4mm/年)，最小破斷強(qiáng)度mbsS ＝18877kN。

1.6 校核參數(shù)

根據(jù)APL設(shè)計(jì)報(bào)告《SAL Yoke system-Mooring system Design analysis》和《Model test reports of SAL Yoke system for CFD11 FPSO》水池實(shí)驗(yàn)報(bào)告，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)限制條件是100RP設(shè)計(jì)海況，外輸校核工況則選取1RP作業(yè)海況進(jìn)行單點(diǎn)系泊力可行性校核評(píng)估，100RP設(shè)計(jì)極限值為7550kN。

根據(jù)水池實(shí)驗(yàn)結(jié)果，一年一遇環(huán)境條件具體參數(shù)如表6所示。波浪采用Jonswap譜模擬，風(fēng)采用NPD風(fēng)譜，流采用剖面流，并根據(jù)APL設(shè)計(jì)報(bào)告《Model Test Calibration analysis》[5]，得到100年一遇極限設(shè)計(jì)工況設(shè)計(jì)極限值為7550kN。

表6 校核基本輸入?yún)?shù) Tab.6 Check basic input parameters

2 外輸配套系統(tǒng)能力分析

2.1 系泊裝置能力分析

2.1.1 系泊裝置模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

FPSO工作水深24m，模型實(shí)驗(yàn)于2002年在上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開展。模型實(shí)驗(yàn)的目的是為驗(yàn)證水下軟剛臂系統(tǒng)在淺水中的性能。根據(jù)水池實(shí)驗(yàn)室選取典型風(fēng)浪流組合工況及計(jì)算海況如表7所示。

表7 模型實(shí)驗(yàn)外輸操作工況計(jì)算海況 Tab.7 Calculated sea state under offloading conditions of model experiment

基于以上水池實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果，選取了3種實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏大的典型外輸海況No.030227、No.030228、No.030230作為本次單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)適應(yīng)性分析輸入海況。

2.1.2 數(shù)值模型分析模型

通過采用HydrostarV8.10進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算和海洋工程時(shí)域動(dòng)力分析軟件Orcaflex10.3d進(jìn)行系泊力計(jì)算。計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 浮式儲(chǔ)油裝置和提油輪組合系泊計(jì)算模型 Fig.2 Combined mooring calculation model of FPSOand shuttle tanker

2.1.3 系泊力分析結(jié)果

置、提油輪及拖輪三者共線，根據(jù)一年一遇操作工況，在Orcaflex10.3d中分別對(duì)原30萬桶外輸及考慮拖輪提供20t的平均拉力，且浮式儲(chǔ)油裝置外輸 新增到40萬桶，對(duì)浮式儲(chǔ)油裝置從滿載到壓載和提油輪從壓載到40萬桶裝載量進(jìn)行了校核，發(fā)現(xiàn)浮式儲(chǔ)油裝置壓載狀態(tài)、提油輪近滿載狀態(tài)時(shí)，單點(diǎn)系泊 系統(tǒng)受力最大。水池實(shí)驗(yàn)室選取典型風(fēng)浪流組合工況，兩種外輸裝載方式下計(jì)算結(jié)果見表8。

表8 系泊力校核表 Tab.8 Mooring force check table

單點(diǎn)系泊力及提油輪大纜拉力與提油輪裝載量正相關(guān)，在原有典型設(shè)計(jì)工況及假設(shè)條件初步校核情況下，由30萬桶增大到40萬桶的原油外輸量，其中1年一遇海況輸入條件下，系泊力增加3%左右，日常典型外輸工況下系泊力增大1%左右，大纜拉力增大5%左右；按照原設(shè)計(jì)及一年一遇設(shè)計(jì)工況校核，單點(diǎn)系泊受力及大纜拉力均有所增加，單點(diǎn)系泊受力達(dá)到最大值471.08t，仍未超過100年一遇設(shè)計(jì)極限值。單點(diǎn)系泊系統(tǒng)滿足增加每船次輸油量能力到38萬桶的要求。

2.2 外輸系泊大纜能力分析

大纜絞車技術(shù)規(guī)格書參數(shù)：設(shè)計(jì)負(fù)荷5700kN，拉力計(jì)范圍0～5700kN。大纜尺寸70cm(周長(zhǎng))，材質(zhì)尼龍，外包橡膠，長(zhǎng)度80m，破斷力7688kN，破斷試驗(yàn)8304kN。從上述參數(shù)可以看出，大纜的破斷力遠(yuǎn)大于大纜絞車設(shè)計(jì)載荷。結(jié)合油田外輸30萬桶外輸工況作業(yè)下大纜最大拉力44.88t(歷史外輸大纜拉力記錄)，按原設(shè)計(jì)建模及一年一遇設(shè)計(jì)工況校核，增大到40萬桶的原油外輸工況下，在側(cè)向來風(fēng)(45°入射)，浪、流同向的典型組合工況下，大纜拉力計(jì)算均值的最大值達(dá)到78.9t，占設(shè)計(jì)極值(570t)的14%左右，未超過設(shè)計(jì)極限值，大纜滿足增加每船次輸油量能力要求。

2.3 守護(hù)船拖帶能力分析

參照《海洋石油外輸作業(yè)提油輪與拖輪協(xié)同作業(yè)指南》[6]要求，串靠外輸作業(yè)時(shí)至少配備2艘能夠互為備用的守護(hù)船，協(xié)助提油輪完成系泊、裝載、離泊作業(yè)。每艘拖輪的系柱拖力不少于70t，主機(jī)功率不小于6000馬力；若提油輪超過8萬載重噸，應(yīng)對(duì)海區(qū)特點(diǎn)和作業(yè)環(huán)境進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估后決定是否選用更大功率的拖輪。

油田外輸作業(yè)主要采用6～8萬噸級(jí)提油輪進(jìn)行外輸，可裝載原油量均高于38萬桶。負(fù)責(zé)協(xié)助外輸作業(yè)的2條守護(hù)船配置主要參數(shù)為：主機(jī)功率分別為6400馬力(4700kW)和6800馬力(5000kW)，系柱拉力分別為78t和81t。守護(hù)船主拖纜和索節(jié)澆筑接頭均有檢驗(yàn)且在有效期內(nèi)，安全工作負(fù)荷分別為190t和213t；連接守護(hù)船主拖纜及提油輪的船用纖維繩均有檢驗(yàn)且在有效期內(nèi)，均滿足拉力100t。2條守護(hù)船的系柱拉力均約為80t，拖輪尾拖帶系統(tǒng)規(guī)格均不小于80t，可滿足增加每船次輸油量尾拖帶作業(yè)能力要求。

2.4 浮式儲(chǔ)油裝置原油裝載能力分析

油田儲(chǔ)油裝置外輸作業(yè)提效前能力：貨油艙合計(jì)8個(gè)艙室，其中1個(gè)貨油艙作為艙底水轉(zhuǎn)駁及應(yīng)急狀態(tài)下使用，正常狀態(tài)下7個(gè)艙室裝載能力8.4萬m3，按日產(chǎn)9000m3、原油外輸每船次38萬桶進(jìn)行核算，原油艙室裝載緩沖能力僅為2.6d，故存在惡劣海況等因素造成未能及時(shí)外輸使油田被迫限產(chǎn)或關(guān)停的風(fēng)險(xiǎn)，需要調(diào)整增加原油裝載能力。

油田采取措施控制污水量和完成艙室維護(hù)，再釋放出2個(gè)艙室用于增加原油裝載能力，根據(jù)裝載手冊(cè)核算增加原油裝載量約2.4萬m3，合計(jì)原油裝載能力10.8萬m3，按日產(chǎn)9000m3、原油外輸每船次38萬桶進(jìn)行核算，原油艙室裝載緩沖能力提升到4.9d，基本滿足應(yīng)對(duì)惡劣海況的裝載緩沖周期需求，從而滿足增加每船次輸油量需要的艙室裝載能力要求。

3 結(jié)論及應(yīng)用

綜上，參照浮式儲(chǔ)油裝置單點(diǎn)原設(shè)計(jì)建立水動(dòng)力及系泊分析數(shù)值模型，在典型外輸作業(yè)海況下校核表明，油田現(xiàn)有配置單點(diǎn)系泊受力、大纜拉力及現(xiàn)有拖輪資源的校核結(jié)果，滿足原油外輸作業(yè)由30萬桶擴(kuò)大至38萬桶的目標(biāo)要求。

該項(xiàng)措施已在油田現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用，降低了外輸作業(yè)頻率30%，每月度減少了提油輪2航次和2條守護(hù)船資源使用各2d，同時(shí)減少了守護(hù)船外輸支持期間燃油費(fèi)用。該項(xiàng)提效措施的實(shí)施顯著緩解了油田船舶緊張等資源壓力，在保障原油安全及時(shí)外輸?shù)耐瑫r(shí)又提高了資源利用效率，滿足了油田其他生產(chǎn)的用船需求，為油田降低桶油成本起到了積極作用?！?/p>