大型多功能油田增產(chǎn)船設(shè)備布置

吳 衛(wèi)，蘇立強(qiáng)，任韶琦

（上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

0 引言

根據(jù)油田開發(fā)過程中油井產(chǎn)量的變化，可以把油田開采分成 4個(gè)主要階段，投產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、產(chǎn)量遞減和低產(chǎn)。通過對(duì)我國油田開采階段及特征的分析，除了投產(chǎn)以外，其他 3個(gè)開采階段都需要增產(chǎn)措施的參與。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，國內(nèi)大多數(shù)油氣田都已經(jīng)進(jìn)入了開發(fā)的中后期，即開采的后 3個(gè)階段，客觀地說明了油田開采是離不開油田增產(chǎn)措施的[1]。

常規(guī)的油田增產(chǎn)作業(yè)方式是將作業(yè)設(shè)備分別放在生產(chǎn)平臺(tái)和各種輔助船舶，作業(yè)效率和安全難以保障，而油田增產(chǎn)船作為專業(yè)設(shè)計(jì)的增產(chǎn)作業(yè)平臺(tái)，作業(yè)效率和安全都有很大優(yōu)勢，特別是配備各種起重和增產(chǎn)修井設(shè)備，兼做起重、運(yùn)輸、對(duì)外消防，具備動(dòng)力定位，充分適合特定操作水域的專用多用途油田服務(wù)船，越來越受到眾多油氣公司的青睞。

1 船舶簡介

本文介紹的大型多功能油田增產(chǎn)船是一種既能滿足各種不同增產(chǎn)作業(yè)需求，又具有其他多功能用途的新型船舶。

船舶功能包括：增產(chǎn)作業(yè)功能，輔助井控及井口回流處理功能，吊機(jī)作業(yè)功能，對(duì)外消防功能。

增產(chǎn)作業(yè)功能有：壓裂作業(yè)、酸化處理、溶劑處理、利用聚合物凝膠技術(shù)進(jìn)行化學(xué)水和氣控處理、所有形式的增產(chǎn)和井口活化作業(yè)包括氮?dú)獗盟?、coil tubing作業(yè)（通過coil tubing unit的氮?dú)饣罨鳂I(yè)、連續(xù)泵送酸/溶劑/化學(xué)處理劑、井口維護(hù)和增產(chǎn)作業(yè)、底部清潔作業(yè)）、其他作業(yè)（井控作業(yè)、管路沖洗作業(yè)）。

船舶設(shè)計(jì)特點(diǎn)有：擁有全部增產(chǎn)系統(tǒng)的作業(yè)設(shè)備、混合系統(tǒng)設(shè)備、CTU裝置以及井口回流系統(tǒng)設(shè)備，儲(chǔ)存周期內(nèi)所有增產(chǎn)作業(yè)物料；擁有足夠的自由甲板面積，滿足船舶的多功能要求。甲板設(shè)備采用搭載模式，船舶可隨時(shí)組裝測井作業(yè)設(shè)備，也可兼作PSV用途；擁有自航能力，吃水淺，適合多數(shù)油田所在水域運(yùn)行作業(yè)；充分考慮了相關(guān)海域的環(huán)境條件和不同氣候狀況下的不同海況，能抵惡劣氣候，在一定條件下保證動(dòng)力定位能力，保障吊機(jī)作業(yè)和增產(chǎn)作業(yè)。

研究確定此船型設(shè)計(jì)的主要參數(shù)如下：船總長為103.8 m；垂線間長為95.8 m；船寬為22 m；載重量為4 500 t以上；航速為10 kn；定員為54人；動(dòng)力定位為2級(jí)，可在5級(jí)海況、3節(jié)海流的惡劣海況下工作。

配置包括：1）增產(chǎn)泵，6×2 250 hp（1 hp≈0.735 kW），2×600 hp，Max 15 kpsi（1 psi=6.895 kPa）；2）增產(chǎn)系統(tǒng)儲(chǔ)存設(shè)施，液貨約800 m3，干貨約200 m3；3）燃燒臂，2部；4）海工吊機(jī)，工作半徑25 m，起吊重量25 t，吊高46 m；5）配廢物環(huán)?；厥障到y(tǒng)；6）配載直升機(jī)起降平臺(tái)及設(shè)施。

2 設(shè)備布置

油田增產(chǎn)船設(shè)備布置的總體要求是重心低，重量分布均勻合理，可變載荷分布滿足整體穩(wěn)性要求。對(duì)主要設(shè)備在甲板上采用搭載的方式，靈活方便，滿足設(shè)備和管線，可快速脫卸、更換、安裝等功能。對(duì)酸罐和化學(xué)品罐的布置滿足船級(jí)社和IBC code的要求。

為簡明介紹總體布置方法和要求，整船設(shè)備布置按區(qū)域分為 2大部分，即主甲板部分和主船體部分。

2.1 主甲板設(shè)備布置

2.1.1 甲板吊機(jī)布置

甲板吊機(jī)（見圖1）包括1臺(tái)主服務(wù)折臂吊和2臺(tái)輔助服務(wù)吊機(jī)。主服務(wù)吊機(jī)是1臺(tái)電-液式折臂吊，能連續(xù)360°旋轉(zhuǎn)，可以獨(dú)立轉(zhuǎn)運(yùn)整個(gè)CTU裝置到井口平臺(tái)和執(zhí)行CTU工作。吊機(jī)能力為25 t@25 m，具有2 t的載人提升能力。吊機(jī)配有主動(dòng)升降補(bǔ)償系統(tǒng)，系統(tǒng)在3級(jí)海況操作時(shí)升沉補(bǔ)償范圍有±2.5 m。吊機(jī)安裝在剛性底座上面，底座的設(shè)計(jì)/位置能夠讓吊鉤在25 m半徑額定載荷25 t的情況下，達(dá)到水面以上46 m。輔助服吊機(jī)能力為5 t@15 m，伸縮式且能夠連續(xù)旋轉(zhuǎn)360°。

圖1 甲板吊機(jī)布置圖

考慮到主吊機(jī)主要用于井口作業(yè)，因此吊機(jī)的布置要利于井口設(shè)備吊運(yùn)，并方便執(zhí)行 CTU工作。由于船舶增產(chǎn)作業(yè)時(shí)，以船尾側(cè)左舷靠近井口平臺(tái)作業(yè)，因此吊機(jī)布置在尾部左舷合適位置。吊機(jī)在高度滿足作業(yè)操作要求下，盡可能降低重心。吊機(jī)高度要結(jié)合工作曲線進(jìn)行校核。

輔助吊機(jī)分布在左右舷側(cè)，盡可能覆蓋整個(gè)甲板儲(chǔ)存作業(yè)區(qū)域，能夠方便轉(zhuǎn)運(yùn)船舶內(nèi)外的貨物和設(shè)備。高度要足夠避開甲板儲(chǔ)存設(shè)備，能自由旋轉(zhuǎn)360°。

2.1.2 自由甲板區(qū)域

主甲板尾部擁有連續(xù)自由甲板面積250 m2（不包括儲(chǔ)存罐、設(shè)備和附件、coil tubing package、人員吊籃、過道等長期占用的面積），載荷不少于5 t/m2，能夠用來裝載所有酸化增產(chǎn)的化學(xué)品和添加劑，壓裂支撐劑和處理溶劑等。此外，在尾部主甲板處，主吊機(jī)工作范圍內(nèi)留有 80 m2專門用來轉(zhuǎn)移乘客的甲板凈面積。

自由甲板區(qū)域要避開系泊裝置，吊機(jī)底座和煙囪等位置，確保面積為有效使用面積。見圖2。

圖2 主甲板設(shè)備布置圖

2.1.3 增產(chǎn)物料儲(chǔ)存罐

增產(chǎn)物料儲(chǔ)存罐包括200 m3陶粒支撐劑罐，400 m3預(yù)混合罐，2個(gè)2 000 gal（1 gal=4.546 092 l）和2個(gè)5 000 gal氮?dú)鈨?chǔ)存罐及其他液體添加劑、固體添加劑等儲(chǔ)存罐。

因船舶主尺度限制，儲(chǔ)存罐都布置在主甲板上。儲(chǔ)存罐多數(shù)重量和尺寸比較大，可變載荷大，為使船體重量分布均勻，不影響船舶穩(wěn)性，應(yīng)盡可能布置在船中位置且左右對(duì)稱。從增產(chǎn)系統(tǒng)操作流程等因素方面考慮，這些物料儲(chǔ)存罐布置可按次序呈首尾展開布置。如散料需要先入攪拌器，然后由泵經(jīng)CTU打入井口，可按泵、攪拌器、散料罐的次序由井口位置向首依次布置。

對(duì)于氮?dú)夤薜牟贾?，根?jù)船級(jí)社要求：罐體布置離船側(cè)外板和船底外板的距離應(yīng)至少為760 mm；罐體和泵應(yīng)與機(jī)器處所、軸隧、干貨區(qū)、生活和服務(wù)處以及飲用水儲(chǔ)存區(qū)采用空艙、貨泵艙、燃油艙或類似布置隔離[2]。

因此，綜合系統(tǒng)流程，氮?dú)夤迲?yīng)布置在尾部井口作區(qū)域，且離舷側(cè)有足夠的安全距離。

另外，化學(xué)品罐的布置要滿足IBC code的要求。離舷側(cè)也應(yīng)有一定的安全距離，罐體周圍應(yīng)留有足夠的檢修空間，并采用圍堰保護(hù)。

2.1.4 輔助井控及井口回流處理設(shè)備布置

輔助井控及井口回流設(shè)備，包括額定壓力為15 000 psi的高壓節(jié)流管匯、處理能力達(dá)每天10 000桶液體及7百萬立方英尺氣體的三級(jí)（油-水-氣）分離器和兩臺(tái)電動(dòng)輔助泵。燃燒臂 2臺(tái)，每臺(tái)全燃燒可達(dá)每天10 000桶燃燒液和最大氣體量7百萬立方英尺。燃燒臂能夠展開舷外 135°。不銹鋼回流收集罐1個(gè)，總?cè)莘e45 m3。

結(jié)合井口作業(yè)位置和系統(tǒng)操作流程等因素，這套設(shè)備應(yīng)靠近尾部井口作業(yè)區(qū)域布置，從左舷往右依系統(tǒng)流程展開，先經(jīng)高壓節(jié)流管匯，再經(jīng)氣體分離去燃燒臂。節(jié)流管匯和分離器宜采用臥式設(shè)計(jì)和布置，方便管路支撐。

燃燒臂分別布置在左右舷兩側(cè)，以便根據(jù)風(fēng)向選擇燃燒臂。燃燒臂距離生活樓應(yīng)有一定的安全距離。安裝位置能盡量減少船舶甲板的熱輻射，特別是在最大流量和最不利氣候條件下的使用情況。燃燒臂的高度和位置能適宜展開，回收方便，且任何時(shí)候不影響其他甲板設(shè)備的使用。

2.1.5 增產(chǎn)發(fā)電機(jī)及輔助設(shè)備布置

配有兩臺(tái)1 200 ekW的增產(chǎn)發(fā)電機(jī)。輔助設(shè)備包括兩臺(tái)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的工作空壓機(jī)（750 ft3/min，120 psi）（1 ft3=26.316 85 l）及其他干燥器等設(shè)備。

因船舶主尺度限制，主船體空間不夠，對(duì)于增產(chǎn)發(fā)電機(jī)，設(shè)置專門的甲板艙室，靠近生活樓位置。發(fā)電機(jī)艙室盡可能位于主船體發(fā)電機(jī)室上面，以便排煙管能順道由煙囪排至大氣。

柴油驅(qū)動(dòng)的增產(chǎn)空壓機(jī)與增產(chǎn)發(fā)電機(jī)布置在一個(gè)艙室內(nèi)，減少燃油設(shè)備區(qū)域。

2.1.6 coil tubing

coil tubing尺寸比較大，而且是井口作業(yè)的主要設(shè)備，為操作和接管方便，將coil tubing布置在尾部甲板上，在吊機(jī)工作范圍內(nèi)，高度不妨礙主吊機(jī)的作業(yè)。

2.2 主船體布置

2.2.1 高壓泵布置

配有 6臺(tái)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的高壓三缸泵，總功率為13 200馬力。能泵送所有增產(chǎn)類型的化學(xué)劑，混合液和支撐劑，額定工作壓力 15 000 lbf/ft2（1 lbf=4.448 222 N，1 ft2=0.092 903 04 m2）。由于甲板空間有限，為避免船舶重心和重量過高，將高壓泵布置在主船體內(nèi)。另外，從設(shè)備功能上考慮，高壓泵是要往井口平臺(tái)泵送液體溶劑，為減少系統(tǒng)管路，高壓泵宜靠船體尾部布置。

為均勻分布重量，將 6臺(tái)高壓泵以左右舷對(duì)稱布置，形成1個(gè)獨(dú)立的高壓泵艙。左右舷側(cè)各3臺(tái)，中間留有足夠的通道和閥門管路附件的布置空間。

高壓泵在尾部主船體內(nèi)布置，有幾個(gè)地方需要重點(diǎn)考慮：

1）由于尾部線型變化比較大，需要考慮尾部型線特征和設(shè)備檢修空間要求。特別是水線下，舷側(cè)雙曲率收縮比較嚴(yán)重，需要仔細(xì)校核，確保安裝空間足夠。

2）型深比較小，又需要雙殼保護(hù)設(shè)計(jì)，尾部型線上收比較厲害，整體上空間受到壓縮，要結(jié)合排煙管路，通風(fēng)管路，吊梁線路等整體考慮，確保泵上部空間足夠。

3）為避免廢氣對(duì)平臺(tái)造成不利影響，以及盡可能小的減少排煙管占用甲板面積，排煙管采用集中從舷側(cè)排出，升高至足夠安全的高度。

2.2.2 酸罐及輔助設(shè)備布置

配置 HCL365酸儲(chǔ)存罐，總?cè)莘e有 1 870 bbl（1 bbl=0.159 m3），以及酸混合器和酸泵等輔助設(shè)備。

酸儲(chǔ)存設(shè)計(jì)成獨(dú)立的圓柱形罐，罐體制作能滿足ASME的相關(guān)要求，酸艙內(nèi)部所有結(jié)構(gòu)件需要防酸處理。

根據(jù)IBC code的要求：酸艙應(yīng)和機(jī)器處所、軸隧、干貨區(qū)、生活和服務(wù)處所以及飲用水儲(chǔ)存處所采用空艙、貨泵艙，或類似布置隔離，船殼不能作為酸艙艙壁，酸艙應(yīng)和燃油艙隔離，對(duì)于有毒和可燃?xì)怏w儲(chǔ)存區(qū)，應(yīng)提供機(jī)械通風(fēng)，至少為30次的換氣次數(shù)，送排風(fēng)機(jī)應(yīng)防靜電，無火花材料設(shè)計(jì)，電機(jī)要滿足危險(xiǎn)區(qū)防爆要求。排風(fēng)管的設(shè)計(jì)，距離通風(fēng)進(jìn)口以及生活樓和機(jī)械處所入口至少10 m[3]。

為滿足船級(jí)社及IBC code的要求，設(shè)置專門酸罐儲(chǔ)存艙，艙內(nèi)做特殊涂層處理。酸罐安裝區(qū)域及裝卸貨區(qū)域設(shè)置圍堰，圍堰及圍堰內(nèi)的甲板都涂有耐酸腐蝕涂層。

酸罐布置離船側(cè)外板和船底外板都應(yīng)有足夠的安全距離。由于罐體儲(chǔ)存體積和重量比較大，因此均考慮靠船中且左右舷對(duì)稱布置，這樣重量分布均勻，能減少可變載荷對(duì)船舶穩(wěn)性的影響，又能滿足距生活樓的安全距離要求。罐體采用立式布置，周圍留有600 mm的檢修空間。酸泵和酸混合器布置在酸艙內(nèi)，靠近酸罐以節(jié)省管路附件。

酸艙和機(jī)艙之間采用泵艙隔離。酸艙應(yīng)設(shè)有直接從開敞甲板進(jìn)出的開口，以及通過氣閘從泵艙進(jìn)出的開口。

2.2.3 主發(fā)電機(jī)及輔助設(shè)備布置

該船配置4臺(tái)主發(fā)電機(jī)，總功率為11 200 kW，2臺(tái)800 kW港口/輔助發(fā)電機(jī)。輔助設(shè)備包括泵等船舶系統(tǒng)設(shè)備。因主發(fā)電機(jī)艙不能跟酸艙直接相鄰，在主發(fā)電機(jī)艙和酸艙之間設(shè)有輔助泵艙，船舶系統(tǒng)設(shè)備泵等布置在輔助泵艙內(nèi)。主發(fā)電機(jī)應(yīng)沿船長方向布置，主機(jī)兩側(cè)留有足夠的維修空間和管路空間?？紤]尾部區(qū)域?yàn)榫谧鳂I(yè)區(qū)，主機(jī)發(fā)電機(jī)艙布置在首部。主發(fā)電機(jī)以及機(jī)艙左右兩側(cè)機(jī)械設(shè)備的重量，應(yīng)盡量保持平衡，以免影響船舶的傾側(cè)。同時(shí)為提高船舶穩(wěn)性，布置時(shí)應(yīng)使重心盡可能降低。主機(jī)布置時(shí)應(yīng)充分考慮船員對(duì)各設(shè)備的操作管理，檢查修理方便，合理考慮人員通道和各設(shè)備的維修空間。排氣管及機(jī)艙通風(fēng)管應(yīng)合理布置以滿足主機(jī)吊缸高度要求。

2.2.4 推進(jìn)器布置

該船配置 2臺(tái)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，每臺(tái)推進(jìn)器功率為2 200 kW。推進(jìn)器作為動(dòng)力設(shè)備也作為動(dòng)力定位裝置。由于尾部空間有限，推進(jìn)器采用臥式電機(jī)經(jīng)齒輪箱傳動(dòng)設(shè)計(jì)。

在推進(jìn)器與高壓泵艙之間設(shè)置輔助泵艙，布置推進(jìn)器輔助冷卻泵和增產(chǎn)服務(wù)泵等設(shè)備。以避免推進(jìn)器艙與高壓泵艙直接相鄰，滿足規(guī)范要求。

為保證推進(jìn)器的推力平衡，推進(jìn)器布置在船中對(duì)稱位置。推進(jìn)器間留有足夠的距離，以免相互干涉。

主船體設(shè)備布置見圖3。

圖3 主船體設(shè)備布置

3 結(jié)論

設(shè)備布置對(duì)船舶總體方案有重大影響，是船型選擇、主尺度確定的主要依據(jù)，嚴(yán)重影響船舶的建造成本。對(duì)于緊湊型船，集眾多功能系統(tǒng)和設(shè)備于一身，既要滿足規(guī)范要求，又要使用操作合理，也是船舶設(shè)計(jì)的一大難點(diǎn)，希望該船的布置方法能為今后新型增產(chǎn)船研發(fā)設(shè)計(jì)提供參考。