海上單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)

孫伯娜，曾樹(shù)兵，顧琳婕，孫開(kāi)蓓，覃柳莎

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451）

1 背景介紹

在中國(guó)海上油氣的開(kāi)發(fā)中，早期常采用固定平臺(tái)加海底管道的開(kāi)發(fā)模式，即利用海上固定平臺(tái)對(duì)井口的采出物進(jìn)行初步加工處理，而后通過(guò)海底管道輸送到陸地終端再進(jìn)一步處理。隨著技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，采用井口平臺(tái)+FPSO的模式或者水下生產(chǎn)系統(tǒng)+FPSO的模式逐年發(fā)展成熟起來(lái)，運(yùn)用逐漸增多。井口采出物首先進(jìn)入井口平臺(tái)或水下生產(chǎn)系統(tǒng)，然后通過(guò)海底管道輸送至單點(diǎn)，利用單點(diǎn)的滑環(huán)，實(shí)現(xiàn)從固定端到旋轉(zhuǎn)端的流體輸送，進(jìn)而將油氣水等井流物輸送至FPSO的上部模塊工藝處理系統(tǒng)，進(jìn)行油氣水分離，處理合格的原油經(jīng)外輸油輪定期輸送至陸地油庫(kù)，處理合格的生產(chǎn)水可以外排或者反方向經(jīng)過(guò)單點(diǎn)輸送至注水井口進(jìn)行回注，分離出的天然氣可用作燃料氣等。

除海上油氣的開(kāi)發(fā)，在海上合格原油、液化LPG、LNG等的油氣運(yùn)輸中，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的應(yīng)用也逐漸增多，進(jìn)行油氣輸送的穿梭油輪，通常需要系泊到某區(qū)域的單點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)油氣的裝卸作業(yè)。

2 單點(diǎn)系泊的種類(lèi)及應(yīng)用范圍

2.1 應(yīng)用范圍分類(lèi)

隨著新型海洋石油開(kāi)發(fā)模式的發(fā)展，越來(lái)越多的單點(diǎn)應(yīng)用于海洋石油領(lǐng)域。從單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的應(yīng)用范圍來(lái)講，單點(diǎn)通常分為兩大類(lèi)：海上“FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)”和離/進(jìn)岸“單點(diǎn)系泊接/卸油終端系統(tǒng)”。

海上FPSO單點(diǎn)的主要作用為FPSO定位系泊與流體輸轉(zhuǎn)，即利用單點(diǎn)將FPSO定位于海上固定區(qū)域，基于FPSO的風(fēng)向標(biāo)的效應(yīng)，確保在各種風(fēng)浪流作用下FPSO的受力最小，從而保證FPSO 在海上長(zhǎng)期連續(xù)工作，部分形式的單點(diǎn)可以在惡劣條件下，實(shí)現(xiàn)FPSO解脫，從而保證了FPSO的安全性。另一方面，單點(diǎn)上通常包含旋轉(zhuǎn)接頭，即滑環(huán)，滑環(huán)的一端與固定部分相連（海底管道），另一端與旋轉(zhuǎn)端相連（FPSO上部模塊），從而可以實(shí)現(xiàn)井口流體、公用介質(zhì)、以及電力和通訊系統(tǒng)在固定端和旋轉(zhuǎn)端的之間的輸送。

進(jìn)/離岸單點(diǎn)用于離岸或上岸油氣的接卸，通?？纱婀潭ㄊ酱a頭。當(dāng)穿梭油輪進(jìn)行接/卸油作業(yè)時(shí)，可以系泊到單點(diǎn)，維持穿梭油輪的穩(wěn)定性，同時(shí)，將穿梭油輪的輸油管線與單點(diǎn)的輸油接口連接，從而實(shí)現(xiàn)接卸油工作。

2.2 結(jié)構(gòu)形式上分類(lèi)

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)通常可以分類(lèi)為懸鏈浮筒式系泊系統(tǒng)（C L A M）、單錨腿式系泊系統(tǒng)（SALM）,軟剛臂式系泊系統(tǒng)（SYS）、內(nèi)轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)（ITS）和外轉(zhuǎn)塔式系統(tǒng)（ETS）五大類(lèi)，每種形式的水深應(yīng)用范圍不同、外部環(huán)境應(yīng)用條件不同，能夠傳輸流體的通道數(shù)量也不同，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合各種內(nèi)部和外部條件進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，確保系泊功能和流體傳輸功能的實(shí)現(xiàn)。

3 單點(diǎn)系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)原則

單點(diǎn)的工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括油氣水輸送管線以及排放、公用系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)，設(shè)備、管道尺寸的計(jì)算以及壓力溫度等設(shè)計(jì)參數(shù)的確定，通常與FPSO上部模塊的工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則是一致的。但考慮到單點(diǎn)的功能性以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中要額外考慮以下設(shè)計(jì)原則：

1）滑環(huán)作為單點(diǎn)的核心組成部分，主要實(shí)現(xiàn)工藝流體和公用流體的傳輸，通常遵循以下幾個(gè)設(shè)計(jì)原則：

A）滑環(huán)的數(shù)量應(yīng)該盡量減少，能夠不經(jīng)過(guò)滑環(huán)的物流，即可滿足工藝操作要求的工況下，應(yīng)盡量減少滑環(huán)的數(shù)量，如可以采用軟管連接等滿足一些公用介質(zhì)間歇的操作；

B）當(dāng)輸送的公用流體介質(zhì)種類(lèi)多，流量小，接口管線尺寸較小的情況下，可以考慮設(shè)置多通道的公用滑環(huán)，既能滿足介質(zhì)輸送需要，也能減少滑環(huán)的數(shù)量，降低成本，節(jié)省布置空間；

C）考慮到滑環(huán)的泄漏可能性，對(duì)于關(guān)鍵物流，應(yīng)考慮設(shè)置備用滑環(huán)，避免因?yàn)樾孤┯绊懻５纳a(chǎn)操作；同時(shí)，為考慮后期流體的接入，也可提前預(yù)留滑環(huán)或滑環(huán)安裝的空間，方面后期改造，增加操作的靈活性，提高適應(yīng)性；

D)滑環(huán)的進(jìn)出口尺寸一般不超過(guò)12寸，當(dāng)超過(guò)該尺寸要求時(shí)，可以設(shè)置多個(gè)進(jìn)出口，避免增加滑環(huán)的數(shù)量；

E）考慮到經(jīng)濟(jì)性，流體經(jīng)過(guò)滑環(huán)的壓降一般不超過(guò)3公斤，流體經(jīng)過(guò)滑環(huán)的流速較在管線中的流速可以適當(dāng)提高；

2）對(duì)于單點(diǎn)的開(kāi)排、閉排以及放空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)滿足相關(guān)法律和法規(guī)的要求，可以通過(guò)設(shè)置滑環(huán)，將單點(diǎn)的排放接入到船體和上部模塊進(jìn)行對(duì)應(yīng)的排放系統(tǒng)處理，無(wú)法接入上部模塊時(shí)，要考慮在合適的安全區(qū)域進(jìn)行放空或排放，確保設(shè)計(jì)的本質(zhì)安全。

3）對(duì)于進(jìn)行油氣接卸作業(yè)的單點(diǎn)，工藝流程設(shè)計(jì)應(yīng)盡量簡(jiǎn)化，通常只設(shè)置滿足裝卸功能的工藝管線，不考慮額外的輔助和公用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

4 海上單點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例

4.1 某渤海FPSO軟鋼臂式單點(diǎn)工藝設(shè)計(jì)

某渤海FPSO位于水深24米的海域，接收來(lái)自兩個(gè)井口平臺(tái)的三條海底管道的井口來(lái)液，井口來(lái)液在FPSO上進(jìn)行油氣水三相分離，分離出合格的生產(chǎn)水反向輸送至其中一個(gè)井口平臺(tái)進(jìn)行生產(chǎn)水回注。由于設(shè)計(jì)的流體通道較少，水深較淺，因此采用技術(shù)較為成熟的軟鋼臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)。

● 主工藝流程設(shè)計(jì)

1）如圖一所示，單點(diǎn)上設(shè)置兩個(gè)生產(chǎn)滑環(huán)接收三條海底管道的油氣水混輸流體，實(shí)現(xiàn)混輸流體從固定端（海底管道）到旋轉(zhuǎn)端（FPSO）的輸送，三路海底管道的流體在進(jìn)入滑環(huán)前合并為兩路進(jìn)入兩個(gè)生產(chǎn)滑環(huán)，既滿足輸送需求，又減少了滑環(huán)的數(shù)量。

2）如圖一所示，單點(diǎn)上設(shè)置一個(gè)注水滑環(huán)，將旋轉(zhuǎn)端（FPSO）處理合格的生產(chǎn)水，經(jīng)過(guò)注水滑環(huán)輸送到固定端（注水海管），同時(shí)在生產(chǎn)和注水滑環(huán)的進(jìn)出口預(yù)留可拆卸短節(jié)，當(dāng)注水滑環(huán)泄漏時(shí)，可接入其中一個(gè)生產(chǎn)滑環(huán)，滿足注水需求，即利用生產(chǎn)滑環(huán)，實(shí)現(xiàn)了注水滑環(huán)的備用，避免了因注水滑環(huán)泄漏，導(dǎo)致平臺(tái)的生產(chǎn)關(guān)停。

圖1 渤海某軟鋼臂式單點(diǎn)主工藝流程設(shè)計(jì)

圖2 南海某內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)主工藝流程設(shè)計(jì)

● 公用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）單點(diǎn)上設(shè)置一條開(kāi)排管匯，接收收發(fā)球筒撬內(nèi)的維修排放，設(shè)置一條閉排管匯，接收管匯和收發(fā)球的閉式排放以及PSV的緊急泄放。設(shè)置開(kāi)排槽收集開(kāi)排，經(jīng)泵打入閉排罐，設(shè)置閉排罐接收閉排管匯和開(kāi)排泵來(lái)液，經(jīng)泵打入生產(chǎn)管匯。排放系統(tǒng)均設(shè)置在單點(diǎn)的固定端，不需要設(shè)置滑環(huán)。

2）單點(diǎn)上除儀表氣無(wú)其他公用消耗，由于用戶均位于旋轉(zhuǎn)端，因此不設(shè)置公用滑環(huán)，利用軟管從FPSO接一路儀表氣管線，供單點(diǎn)的液壓用戶等使用。

4.2 某南海FPSO內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)工藝設(shè)計(jì)

某南海FPSO位于水深約410米的海域，接收來(lái)自三個(gè)油田水下井口六條海底管道的井口來(lái)液，井口來(lái)液在FPSO上進(jìn)行油氣水三相分離。FPSO上模組塊和船體為單點(diǎn)提供置換介質(zhì)和公用介質(zhì)，如淡水、海水、公用、儀表氣等，同時(shí)，上部模塊的化學(xué)藥劑需要經(jīng)過(guò)單點(diǎn)輸送至水下生產(chǎn)系統(tǒng)?？紤]到水深等環(huán)境條件以及流體輸送需求較多，采用技術(shù)較為成熟的內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊系統(tǒng)。

●主工藝流程設(shè)計(jì)

1）如圖二所示，單點(diǎn)上設(shè)置六套收發(fā)球筒，接收六條海管三個(gè)油田的來(lái)液，因此設(shè)置三個(gè)生產(chǎn)滑環(huán)，分別接收三個(gè)油田的井流，同時(shí)考慮設(shè)置一路備用滑環(huán)，如圖二所示。雙海管設(shè)計(jì)可以形成環(huán)路，完成海管的清管、預(yù)熱和置換設(shè)計(jì)?；h(huán)不通球，每個(gè)油田設(shè)置一個(gè)生產(chǎn)滑環(huán)，可在滿足功能的基礎(chǔ)上，減少滑環(huán)的設(shè)置數(shù)量?；诨h(huán)尺寸的限制，油田二、三采用雙進(jìn)雙出設(shè)計(jì)。為滿足后期其他流體的接入，預(yù)留一個(gè)生產(chǎn)滑環(huán)，同時(shí)可作已建滑環(huán)的備用。

2）如圖二所示，為滿足海管的清管和置換需求，設(shè)置一個(gè)清管滑環(huán)。FPSO上部模塊的生產(chǎn)水和合格原油，經(jīng)置換泵增壓后通過(guò)清管滑環(huán)，利用管匯分配到六條海管，實(shí)現(xiàn)清管流體從旋轉(zhuǎn)端FPSO到固定端海底管道的輸送。

● 公用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）如圖三所示，單點(diǎn)上設(shè)置一個(gè)多通道的公用滑環(huán)，實(shí)現(xiàn)化學(xué)藥劑等多路公用介質(zhì)的輸送。為滿足水下生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)需要，需要將甲醇等化學(xué)藥劑注入臍帶纜，上部模塊的化學(xué)藥劑增壓后經(jīng)過(guò)公用滑環(huán)的藥劑通道，注入到臍帶纜，實(shí)現(xiàn)從旋轉(zhuǎn)端到固定端的輸送。

2）如圖三所示，在單點(diǎn)上設(shè)置了閉排系統(tǒng)接收來(lái)自滑環(huán)和收發(fā)球系統(tǒng)的緊急泄放和維修排放，設(shè)置的閉排罐分離出的液相和氣相分別通過(guò)公用滑環(huán)的閉排和放空通路接入到上部模塊對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)進(jìn)行處理，確保系統(tǒng)的本質(zhì)安全。設(shè)置了開(kāi)排系統(tǒng)接收甲板的開(kāi)式排放，并通過(guò)開(kāi)排泵打回至上?；虼w的相應(yīng)處理系統(tǒng)。

3）如圖三所示，對(duì)于儀表氣和氮?dú)?，單點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)端和固定端均有用戶需求，對(duì)于旋轉(zhuǎn)端的用戶直接利用管線分配到各個(gè)用戶，對(duì)于固定端用戶，通過(guò)公用滑環(huán)的儀表氣和氮?dú)馔?，?shí)現(xiàn)固定端到旋轉(zhuǎn)端的輸送，進(jìn)入分配到固定端的各個(gè)用戶。

4）如圖三所示，對(duì)于公用氣、淡水等，單點(diǎn)上只有旋轉(zhuǎn)端有用戶有連續(xù)需求，因此直接經(jīng)管匯分配至用戶，同時(shí)設(shè)置公用站，除滿足旋轉(zhuǎn)端的間歇用戶需求，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)軟管連接，滿足固定端間歇操作用戶的需求。

圖3 南海某內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)公用系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

4.3 某國(guó)外項(xiàng)目CALM式卸油單點(diǎn)的工藝設(shè)計(jì)

國(guó)外某海域新建一座原油接卸能力30萬(wàn)噸的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)。該單點(diǎn)系統(tǒng)位于水深約33米的海域，主要功能為接卸穿梭油輪輸送的原油以及實(shí)現(xiàn)油輪的系泊。根據(jù)環(huán)境特點(diǎn)及主要功能，該單點(diǎn)采用采用CLAM形式單點(diǎn)，即懸鏈浮筒式系泊系統(tǒng)。

● 主工藝流程設(shè)計(jì)

如圖四所示，裝有合格原油的油輪系泊到單點(diǎn)系統(tǒng)，通過(guò)漂浮軟管與單點(diǎn)的輸油管路連接，經(jīng)過(guò)單點(diǎn)的滑環(huán)，再通過(guò)水下軟管與水下管匯相連，經(jīng)過(guò)海底管道輸送到陸上的油庫(kù)，從而實(shí)現(xiàn)從旋轉(zhuǎn)端到固定端的輸送。相對(duì)于正常的FPSO單點(diǎn)，卸油單點(diǎn)的工藝設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，單點(diǎn)上設(shè)置兩條工藝主管匯以及一個(gè)跨接管匯，主工藝用于正常原油輸送，跨接管匯用于管線的置換和吹掃。除管匯，單點(diǎn)上沒(méi)有工藝設(shè)備，因此無(wú)需設(shè)置排放系統(tǒng)。通常也沒(méi)有淡水、儀表氣等公用介質(zhì)的用戶，因此不設(shè)置公用滑環(huán)和系統(tǒng)。

圖4 某國(guó)外CLAM式單點(diǎn)工藝流程設(shè)計(jì)

5 小結(jié)

隨著海洋石油的大力開(kāi)發(fā)以及原油、液化氣等的裝卸作業(yè)的逐漸增多，越來(lái)越多的不同種類(lèi)的單點(diǎn)應(yīng)用于不同海域，完成了油氣輸送，實(shí)現(xiàn)了FPSO和裝卸油輪的安全系泊，單點(diǎn)的工藝設(shè)計(jì)不斷優(yōu)化，在滿足基本功能需求的基礎(chǔ)上更加簡(jiǎn)易、可靠。