南海自航FLNG臺風(fēng)期間解脫方案設(shè)計

(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)

我國海上天然氣資源傳統(tǒng)開發(fā)方式為井口平臺+海底管道，海底天然氣資源通過井口、海管到達(dá)平臺，脫除大部分水、CO2、SO2、汞、重組分等雜質(zhì)，經(jīng)壓縮機(jī)加壓后輸入海底管道送達(dá)陸地終端。該模式因為適應(yīng)水深淺、依托海底管網(wǎng)等特點不適用于中遠(yuǎn)海氣田和深水氣田開發(fā)。據(jù)統(tǒng)計70%以上的資源因為水深、遠(yuǎn)離陸地和管道、氣田規(guī)模、開發(fā)年限等原因，無法得到有效的開發(fā)，而浮式生產(chǎn)存儲液化天然氣設(shè)施(LNG floating production storage and floating unit，F(xiàn)LNG)具備可適應(yīng)深水開發(fā)、無需依托固有設(shè)施、重復(fù)利用等優(yōu)點，特別適合于中遠(yuǎn)海氣田和深水氣田開發(fā)[1-3]。本公司從2013年開始將FLNG開發(fā)模式作為氣田開發(fā)的手段之一，但一直未實現(xiàn)FLNG進(jìn)行工程化，本文提出了一種自航FLNG設(shè)計，針對避臺進(jìn)行解脫方案分析。

1 方案概述

以我國南海某氣田為目標(biāo)，南海夏季多臺風(fēng)，中國海油南海運(yùn)營大部分海上設(shè)施在面臨臺風(fēng)正面襲擊時，通常采用不解脫、只撤人的避臺策略，但由于FLNG液貨艙儲存超低溫且性質(zhì)不穩(wěn)定的LNG，如果FLNG采用不解脫方案設(shè)計，在溫度升高過程中會產(chǎn)生大量的BOG，而持續(xù)低溫和BOG都會對船體結(jié)構(gòu)帶來較大影響[4]。

因此，提出一種臺風(fēng)期解脫單點系泊系統(tǒng)且具備航行能力的新型FLNG設(shè)計方案。目標(biāo)氣田位于南海瓊東南盆地，水深約1 300 m，以一年一遇臺風(fēng)條件為生存工況，環(huán)境條件見表1。

表1 環(huán)境條件

主風(fēng)向為NE，該海域季風(fēng)特征明顯，冬季盛行偏NE風(fēng)，夏季盛行偏S風(fēng)。主浪向為ENE。主流向為W～E。

氣田開發(fā)采用FLNG+水下生產(chǎn)系統(tǒng)的開發(fā)方式，水下生產(chǎn)設(shè)施與FLNG之間通過海管和臍帶纜連接，見圖1。

圖1 氣田開發(fā)方案

水下生產(chǎn)系統(tǒng)采出的原料氣經(jīng)由海管通過單點滑環(huán)送至FLNG上部處理設(shè)施處理，天然氣和凝析油處理合格后分別進(jìn)行儲存和外輸，生產(chǎn)污水進(jìn)入生產(chǎn)水處理系統(tǒng)處理達(dá)標(biāo)后排海。

新建FLNG裝置艏部設(shè)內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊定位于目標(biāo)海域，系泊系統(tǒng)設(shè)計條件為一年一遇臺風(fēng)條件，系泊方式為3×3，具備快速解脫能力，F(xiàn)LNG解脫后系泊浮筒下沉至水面以下約40 m處，可抵御百年一遇的海流作用。FLNG主布置圖和主尺度見圖2和表2。

圖2 FLNG總布置示意

表2 FLNG主尺度

FLNG船體部分采用雙甲板、雙底、雙舷側(cè)的結(jié)構(gòu)型式，主船體包括艏部(包括生活樓和內(nèi)轉(zhuǎn)塔)、貨艙區(qū)(包括工藝艙和污油艙)、機(jī)艙和尾部。自首向尾被水密橫艙壁劃分為首尖艙、單點艙、貨艙區(qū)、機(jī)艙和尾尖艙。貨艙區(qū)被劃分為1對凝析油貨艙、4對LNG貨艙和1對污油水艙，LNG液貨艙采用雙排艙，貨艙之間設(shè)有隔離空艙，橫艙壁和中心縱艙壁均為平面艙壁。在主甲板與中縱艙壁之間設(shè)置貫穿貨艙區(qū)的防火逃生安全通道?；鹁嫠O(shè)在船尾右側(cè)，向船尾方向傾斜，高度約80 m。

FLNG配備尾部吊艙式推進(jìn)裝置和艏側(cè)推，臺風(fēng)到來前與單點系泊系統(tǒng)解脫實現(xiàn)自航避臺，臺風(fēng)過后，尾部吊艙推進(jìn)器與首側(cè)推配合進(jìn)行FLNG安裝定位，回接系泊系統(tǒng)和立管。在LNG外輸作業(yè)時，通過尾部吊艙推進(jìn)器配合與穿梭LNG船進(jìn)行定位和系泊。

2 南海臺風(fēng)情況分析

臺風(fēng)影響范圍情況如下。

1)內(nèi)圈，又稱臺風(fēng)眼區(qū)，其直徑一般為5～30 n mile，大的超過50 n mile，小的不到5 n mile，絕大多數(shù)呈圓形，也有橢圓形或不規(guī)則的。

2)中圈，又稱渦旋區(qū)，也叫云墻區(qū)，由一些高大的對流云組成，直徑一般為100 n mile有時可達(dá)200 n mile；

3)外圈，又稱為大風(fēng)區(qū)，自臺風(fēng)邊緣到渦旋區(qū)外緣，直徑為200～300 n mile，有時可達(dá)400～550 n mile，其主要特點是風(fēng)速向中心急增，風(fēng)力可達(dá)7級以上。經(jīng)統(tǒng)計7級大風(fēng)已經(jīng)開始影響船舶航行和作業(yè)，南海固定平臺一般認(rèn)為應(yīng)在7級風(fēng)影響前完成避臺準(zhǔn)備工作[5-6]。

經(jīng)統(tǒng)計1994—2013年期間途經(jīng)目標(biāo)氣田及附近海域的臺風(fēng)共計81個，7級風(fēng)影響半徑參見圖3。

圖3 途經(jīng)目標(biāo)氣田及附近海域臺風(fēng)外圈半徑統(tǒng)計

外圈半徑最小54 n mile，最大500 n mile，77.8%的臺風(fēng)外圈半徑在100～300 n mile范圍內(nèi)。其平均半徑計算如下：

(1)

式中：Rn為臺風(fēng)臺風(fēng)外圈半徑的算數(shù)平均數(shù)，單位n mile；R1～R81為81個臺風(fēng)的大圈半徑，單位n mile；n為臺風(fēng)個數(shù)，設(shè)為81。

由式1,可得出：Rn=198.08 n mile，取整選取Rn=200 n mile

臺風(fēng)的移動速度：經(jīng)統(tǒng)計臺風(fēng)的平均移動速度VT約為10.8～16.2 kn，保守選取VT=16.2 kn。

據(jù)統(tǒng)計，影響目標(biāo)海域的超強(qiáng)臺風(fēng)優(yōu)勢路徑為由東向西，強(qiáng)臺風(fēng)的優(yōu)勢路徑為由東南向西北，臺風(fēng)的優(yōu)勢路徑為由東向西，強(qiáng)熱帶風(fēng)暴的優(yōu)勢路徑有由東向西和由東南向西北兩條。

由統(tǒng)計可知，海南島東部沿海和廣東沿海部分區(qū)域為臺風(fēng)登陸顯著區(qū)域。

3 FLNG撤離

中海油針對南中國海域多臺風(fēng)的情況，提出了臺風(fēng)撤離的應(yīng)急響應(yīng)計劃和紅、黃、綠三色報警區(qū)域，以目標(biāo)海上設(shè)施為中心從內(nèi)向外依次劃分為FLNG撤離避臺區(qū)域(紅色報警)、FLNG解脫(黃色報警)和臺風(fēng)報警區(qū)域(綠色報警)。

3.1 區(qū)域計算

3.1.1 FLNG解脫時間確定

因部分工作可以同時作業(yè)，F(xiàn)LNG解脫作業(yè)總時間T1=24 h。

表3 FLNG解脫時間統(tǒng)計

3.1.2 撤離區(qū)域計算

假設(shè)FLNG避臺區(qū)域為海南三亞港，而且臺風(fēng)外圈經(jīng)過三亞，則FLNG的撤離最小距離的計算過程如下。

T2=L三亞/VF

(2)

LT1=(T2+T3)×VT

(3)

LF1=LT1-L三亞

(4)

式中：T2為FLNG從FLNG系泊點到達(dá)三亞泊地所需時間，h；L三亞為FLNG系泊定位點到三亞泊地的直線距離，設(shè)為80 n mile，位置見圖4；VF為FLNG的航行速度，設(shè)為9 kn；LT1為臺風(fēng)在FLNG撤離和迎臺準(zhǔn)備時間內(nèi)經(jīng)過的路程，n mile；T3為FLNG在泊地做好迎接臺風(fēng)準(zhǔn)備時間，設(shè)為11 h；LF1為FLNG撤離時距離臺風(fēng)的最小距離，n mile。

由式(2)～(4)可得出：LT1=324 n mile，LF1=244 n mile，大于臺風(fēng)的外圈平均半徑Rn，出于方便計算和保守原則，選取LT1、LF1和Rn較大者并取整，所以FLNG撤離距離R撤離=330 n mile。

R解脫=T1×VT+R撤離

(5)

式中：R解脫為FLNG解脫距離，n mile。

由式(5)可得出：R解脫=718.8 n mile，取整選取R解脫=720 n mile。

由于臺風(fēng)路徑的不確定性(見圖5)，應(yīng)該根據(jù)氣象服務(wù)部門發(fā)布的可能路徑及移動速度等臺風(fēng)信息提前報警，做好撤離解脫準(zhǔn)備工作，臺風(fēng)報警距離計算如下。

LT4=T4×VT

(6)

R報警=LT4+R撤離

(7)

式中：T4為臺風(fēng)發(fā)生初期天氣預(yù)報時間間隔，設(shè)為9 h。LT4為T4時間內(nèi)臺風(fēng)經(jīng)過的路程，n mile；R報警為FLNG臺風(fēng)報警距離。

由式(6)～(7)可得出：R報警=865.8 n mile，取整選取R報警=870 n mile。

綜上，將FLNG臺風(fēng)報警范圍設(shè)為720～870 n mile，F(xiàn)LNG解脫范圍設(shè)為250～720 n mile，F(xiàn)LNG撤離范圍設(shè)為250 n mile，見圖6。

圖4 FLNG避臺路線示意

圖5 2004年12月颶風(fēng)南馬多爾前往南海某FPSO臺風(fēng)影響范圍

圖6 FLNG臺風(fēng)報警、解脫和撤離范圍

3.2 避臺作業(yè)

當(dāng)臺風(fēng)的外圈進(jìn)入臺風(fēng)報警區(qū)域時，F(xiàn)LNG就會接到陸地氣象部門發(fā)布的臺風(fēng)預(yù)警，并將持續(xù)報告臺風(fēng)位置和移動路徑，以便FLNG作業(yè)人員作出正確的判斷。FLNG現(xiàn)場作業(yè)人員將使用綠、黃、紅的報警系統(tǒng)來通告全船人員。

1)臺風(fēng)報警。當(dāng)臺風(fēng)進(jìn)入臺風(fēng)報警區(qū)域時，工作人員全船通報臺風(fēng)情況并發(fā)出綠色報警，F(xiàn)LNG工作人員不撤離，將在大風(fēng)條件下安全作業(yè)，和附近平臺、守護(hù)船舶溝通協(xié)調(diào)，做好迎臺準(zhǔn)備。FLNG總監(jiān)和陸地辦公室溝通，確定現(xiàn)場應(yīng)急響應(yīng)計劃-臺風(fēng)撤離，允許采取適當(dāng)?shù)拇胧┤鐪p產(chǎn)、緊急外輸、調(diào)節(jié)液貨艙液位、疏散非必要人員等。

2)FLNG解脫。工作人員持續(xù)接收陸地提供的天氣報告，跟蹤臺風(fēng)運(yùn)動軌跡，向FLNG總監(jiān)和安全總監(jiān)匯報并評估臺風(fēng)進(jìn)入撤離區(qū)域的可能性，向FLNG全船發(fā)出黃色警報。

FLNG總監(jiān)對FLNG和船上人員的安全負(fù)最終責(zé)任，在此階段根據(jù)情況下達(dá)關(guān)閉生產(chǎn)并與系泊系統(tǒng)斷開連接命令，工作人員根據(jù)撤離程序完成關(guān)井、生產(chǎn)系統(tǒng)停車、回收海水提升系統(tǒng)軟管和提升泵、系泊系統(tǒng)解脫，展開解脫作業(yè)。如情況持續(xù)惡化，在與陸地溝通確定后，允許提前下達(dá)避臺撤離指令。

3)撤離避臺。當(dāng)臺風(fēng)進(jìn)入FLNG撤離區(qū)域，工作人員經(jīng)FLNG總監(jiān)許可后，發(fā)出紅色警報，由FLNG總監(jiān)下達(dá)避臺撤離指令，F(xiàn)LNG依據(jù)臺風(fēng)撤離計劃向避臺目的地航行，航行過程中和達(dá)到目的地后工作人員做好迎臺準(zhǔn)備工作，等待臺風(fēng)。

4)恢復(fù)生產(chǎn)。臺風(fēng)離開后，F(xiàn)LNG自航到油田區(qū)域，在拖輪和工程船輔助下，打撈系泊浮筒，回接系泊系統(tǒng)和海管。

根據(jù)南海某FPSO避臺經(jīng)驗，臺風(fēng)經(jīng)過，準(zhǔn)備撤離或撤離的停產(chǎn)平均天數(shù)為3.5 d。以該FPSO經(jīng)歷臺風(fēng)最多的1999年為例，共經(jīng)歷2次臺風(fēng)準(zhǔn)備撤離，3次臺風(fēng)撤離，按照統(tǒng)計時間，約17.5 d因臺風(fēng)停產(chǎn)。

常規(guī)FPSO臺風(fēng)來臨時，也需要面臨一次臺風(fēng)停產(chǎn)3 d左右，且人員還需借助直升機(jī)撤離?？紤]到自航FLNG經(jīng)歷臺風(fēng)期間，人員不撤離，可以進(jìn)行相關(guān)維修工作，因此，F(xiàn)LNG與常規(guī)FPSO一年的作業(yè)天數(shù)相近，按照330 d作業(yè)考慮。

4 結(jié)論

FLNG作為未來我國南海深遠(yuǎn)海天然氣開發(fā)的必要設(shè)施，預(yù)計會在未來5～10年內(nèi)出現(xiàn)，自航FLNG解決了FLNG臺風(fēng)自存的關(guān)鍵問題。本文提出了完整的FLNG避臺策略，包括臺風(fēng)報警、解脫和撤離區(qū)域的計算方法；通過確定完整合理的解脫時間和解脫作業(yè)程序，保證FLNG 330 d的生產(chǎn)時率。綜上所述，自航FLNG應(yīng)用于南海氣田開發(fā)是可行的。