艙底驅(qū)氣工藝在某FPSO 洗艙作業(yè)中的應(yīng)用

曹貴，楊金蔚，張玉清，王偉，康俊偉

(中海石油(中國(guó))湛江分公司，廣東 湛江 524057)

0 引言

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(FPSO)通常與海上采油配合使用，在海上對(duì)開采的原油進(jìn)行處理、儲(chǔ)存、并輸送給駁運(yùn)的油輪，越來越多的使用在海洋石油勘探開發(fā)中。隨著海洋勘探開發(fā)向深海發(fā)展，越來越多的FPSO被建造和投入使用，根據(jù)檢驗(yàn)計(jì)劃或艙內(nèi)維修安排，需要對(duì)貨油艙進(jìn)行洗艙作業(yè)，以便驗(yàn)船師進(jìn)入艙內(nèi)進(jìn)行艙內(nèi)結(jié)構(gòu)、防腐涂層等方面的檢驗(yàn)或維修人員進(jìn)艙維修[1]。在進(jìn)入FPSO 艙室檢驗(yàn)或檢修前，需要對(duì)貨油及污油艙室進(jìn)行洗艙作業(yè)，達(dá)到人員進(jìn)入作業(yè)的條件，洗艙作業(yè)可以在停產(chǎn)后進(jìn)行，也可以邊生產(chǎn)邊洗艙，塢修前的洗艙是在裝置停產(chǎn)后進(jìn)行。驅(qū)氣環(huán)節(jié)作為洗艙作業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，提升驅(qū)氣效率是提升洗艙作業(yè)效率的重點(diǎn)。本文從影響洗艙效率的驅(qū)氣環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，提出并創(chuàng)新使用艙底驅(qū)氣工藝，經(jīng)過實(shí)施和驗(yàn)證，洗艙作業(yè)效率明顯提高、洗艙作業(yè)成本也明顯降低。為后續(xù)洗艙作業(yè)提供了實(shí)踐支撐。

1 FPSO 洗艙作業(yè)介紹

FPSO 洗艙作業(yè)方式分為常規(guī)原油洗艙、生產(chǎn)水+開洗艙機(jī)驅(qū)氣組合洗艙，其中驅(qū)氣環(huán)節(jié)影響因素多，對(duì)整個(gè)洗艙作業(yè)時(shí)間影響較大。對(duì)油氣水處理量較大的FPSO，提高洗艙作業(yè)效率，降低洗艙過程中風(fēng)險(xiǎn)和節(jié)約成本，意義重大。

1.1 常規(guī)原油洗艙

常規(guī)原油洗艙[2]包含以下步驟：(1) 洗艙前準(zhǔn)備工作；(2)原油洗艙，洗艙步驟：原油洗艙→熱水洗艙→海水洗艙→海水冷卻→掃艙；(3) 驅(qū)氣及除氣；(4) 人員下艙作業(yè)；(5)封艙惰化，投入使用[3]。

1.2 生產(chǎn)水+開洗艙機(jī)驅(qū)氣組合洗艙

改進(jìn)后的洗艙方式將洗艙水改為熱生產(chǎn)水，同時(shí)采用邊洗艙邊驅(qū)氣擾動(dòng)的方法，包含以下步驟：(1)洗艙前準(zhǔn)備工作；(2)生產(chǎn)水洗艙，洗艙步驟：熱生產(chǎn)水洗艙(同時(shí)進(jìn)行驅(qū)氣，多次控制洗艙機(jī)啟動(dòng)次數(shù))→驅(qū)氣→掃艙；(3)除氣；(4)人員下艙作業(yè)；(5)封艙惰化，投用。

1.3 兩種洗艙效果對(duì)比

原油洗艙和生產(chǎn)水驅(qū)氣組合洗艙效果對(duì)比見表1，生產(chǎn)水+開洗艙機(jī)驅(qū)氣組合洗艙的方式常用于邊生產(chǎn)邊洗艙的FPSO，減少了原油洗艙環(huán)節(jié)，縮短了驅(qū)氣時(shí)間，提高了洗艙作業(yè)效率，減少了加熱洗艙水的燃料消耗，同時(shí)也降低了洗艙水處理難度。

表1 原油洗艙和生產(chǎn)水驅(qū)氣組合洗艙效果對(duì)比

2 常規(guī)洗艙驅(qū)氣工藝

驅(qū)氣是洗艙作業(yè)過程中最重要的環(huán)節(jié)，洗艙過程中的驅(qū)氣是指將惰氣發(fā)生器產(chǎn)生(主要是N2和CO2)氣體，通過惰氣管線注入到艙室，在流速和布朗運(yùn)動(dòng)的作用下驅(qū)替艙室中的混合可燃?xì)怏w(主要是丙烷、丁烷等烴類氣體)，最終達(dá)到可以進(jìn)行除氣的作業(yè)條件(可燃?xì)鉂舛刃∮?%體積濃度)。

2.1 頂部驅(qū)氣工藝

洗艙常規(guī)頂部驅(qū)氣工藝：惰性氣體從艙室頂部惰氣管線入口流入，對(duì)艙室內(nèi)的可燃?xì)怏w進(jìn)行驅(qū)替和置換，然后從艙室頂部的透氣管線直接放空，通過不斷的稀釋，從而達(dá)到惰化艙室的效果，如圖1 所示。

圖1 常規(guī)頂部驅(qū)氣工藝示意圖

2.2 頂部驅(qū)氣工藝面臨難題

按照常規(guī)頂部驅(qū)氣作業(yè)，由于貨油艙在縱向上較深，在驅(qū)氣過程中受氣體流動(dòng)特性、密度差異等影響，艙室內(nèi)極易出現(xiàn)惰性氣體和可燃?xì)怏w分層現(xiàn)象，進(jìn)而造成大量的惰性氣體在艙室頂部快速的流進(jìn)流出，艙室底部可燃?xì)怏w滯留，驅(qū)替和稀釋效果較差，達(dá)不到對(duì)艙室的整體驅(qū)替惰化作用。最終出現(xiàn)艙室上部很快惰化合格，但中下部較重?zé)N類長(zhǎng)時(shí)間堆積聚集，導(dǎo)致艙室中下部可燃?xì)怏w濃度長(zhǎng)時(shí)間處于較高濃度，出現(xiàn)嚴(yán)重的“氣體分層”現(xiàn)象。如圖2 所示，由于受氣體分層的影響，密度相對(duì)較輕的惰性氣體在艙室頂部快進(jìn)快出，艙室底部的丙烷、丁烷等密度相對(duì)較大的烴類氣體得不到有效驅(qū)替，使得驅(qū)氣作業(yè)長(zhǎng)時(shí)間惰化不合格，從而影響整個(gè)洗艙作業(yè)進(jìn)度。

圖2 常規(guī)頂部驅(qū)氣示意圖

2.3 頂部驅(qū)氣工藝效率提升措施

針對(duì)于常規(guī)頂部驅(qū)氣工藝氣體分層的問題，目前主要有擾動(dòng)法驅(qū)氣、憋壓法驅(qū)氣兩種方式來打破艙內(nèi)氣體的平衡狀態(tài)，從而提高驅(qū)氣作業(yè)效率。

(1)擾動(dòng)法驅(qū)氣：出現(xiàn)艙室驅(qū)氣不合格時(shí)，洗艙監(jiān)督主要是通過多次啟動(dòng)洗艙機(jī)，通常采用90°向下的洗艙機(jī)角度(約30 min)利用洗艙水對(duì)艙內(nèi)可燃?xì)怏w進(jìn)行擾動(dòng)，間隔2 h 后重新啟動(dòng)洗艙機(jī)，在此期間一直進(jìn)行驅(qū)氣。實(shí)踐證明，在啟動(dòng)洗艙機(jī)10 次左右后，如圖3所示，洗艙和驅(qū)氣總時(shí)間24～30 h，艙內(nèi)可燃?xì)怏w濃度可降到2%體積濃度以下，擾動(dòng)法驅(qū)氣在一定程度上可以解決氣體分層現(xiàn)象，提高驅(qū)氣作業(yè)效率。

(2)憋壓法驅(qū)氣：在擾動(dòng)法驅(qū)氣的同時(shí)，也可對(duì)可燃?xì)鉂舛认陆挡幻黠@的艙室進(jìn)行憋壓法驅(qū)氣，關(guān)閉透氣出口，提高艙室惰氣壓力至0.01 MPa 左右，打開透氣出口快速進(jìn)行泄放，加速艙內(nèi)氣體的擾動(dòng)，以此來解決艙室內(nèi)氣體分層問題。采用憋壓法驅(qū)氣具有明顯的缺點(diǎn)：作業(yè)時(shí)間持續(xù)周期長(zhǎng)，作業(yè)效果不明顯，常常會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間、人力與物力，大大增加了油輪在驅(qū)氣工況下的高風(fēng)險(xiǎn)時(shí)段。

3 艙底驅(qū)氣新工藝

某FPSO 根據(jù)塢修項(xiàng)目計(jì)劃，于2022 年5 月開始進(jìn)行洗艙和驅(qū)氣作業(yè)，要共計(jì)對(duì)10 個(gè)貨油艙和4 個(gè)工藝艙共計(jì)14 個(gè)艙室開展驅(qū)氣作業(yè)，驅(qū)氣環(huán)節(jié)是洗艙作業(yè)過程中的重點(diǎn)及難點(diǎn)，該階段能否順利按時(shí)、按質(zhì)、按量完成，將對(duì)單點(diǎn)解脫以及整個(gè)塢修項(xiàng)目的進(jìn)展起到?jīng)Q定性影響。

FPSO 塢修前，在駁運(yùn)完原油后，利用預(yù)留的生產(chǎn)水進(jìn)行洗艙，由于作業(yè)時(shí)間緊，通常采用一個(gè)洗艙機(jī)循環(huán)(0°→180°→0°)洗艙，同時(shí)進(jìn)行驅(qū)氣，不再進(jìn)行多次啟動(dòng)洗艙機(jī)洗艙，用以減少作業(yè)時(shí)間和減少洗艙水用量，由于氣體密度差異，氣體分層現(xiàn)象明顯，存在洗艙后驅(qū)氣時(shí)間長(zhǎng)，使艙內(nèi)中下層可燃?xì)忾L(zhǎng)時(shí)間難以驅(qū)替合格，制約了塢修前各項(xiàng)作業(yè)的有序開展。如何在驅(qū)氣環(huán)節(jié)取得突破，避免氣體分層和減少作業(yè)時(shí)間，提高驅(qū)氣環(huán)節(jié)的效率，對(duì)于縮短洗艙作業(yè)時(shí)間尤為重要。

3.1 創(chuàng)新洗艙驅(qū)氣工藝

塢修項(xiàng)目時(shí)間短、工期緊，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的洗艙作業(yè)方案要求，每個(gè)作業(yè)艙室的洗艙機(jī)只開啟一次，且艙室清洗數(shù)量多，傳統(tǒng)的洗艙驅(qū)氣工藝面臨驅(qū)氣時(shí)間長(zhǎng)、艙室內(nèi)氣體分層問題，長(zhǎng)時(shí)間驅(qū)氣不合格，甚至?xí)绊懻麄€(gè)塢修的工作進(jìn)程。面對(duì)工期緊迫及技術(shù)上的困難，經(jīng)過對(duì)工藝流程的深度挖潛及詳細(xì)論證，調(diào)整現(xiàn)有的工藝流程方向，用艙底驅(qū)氣的模式代替艙頂部驅(qū)氣的模式進(jìn)行作業(yè)，提高驅(qū)氣效率。

艙底驅(qū)氣工藝?yán)碚摲治觯含F(xiàn)有的惰氣環(huán)網(wǎng)和貨油環(huán)網(wǎng)連接點(diǎn)可作為工藝流程突破口，利用原本設(shè)計(jì)給外輸貨油管系環(huán)網(wǎng)惰化的流程，從艙室底部的貨油吸入口反向注入惰氣對(duì)貨油艙進(jìn)行驅(qū)氣具備可行性。艙底驅(qū)氣工藝流程如圖4 所示。

圖4 艙底驅(qū)氣模式工藝流程示意圖

采用創(chuàng)新艙底驅(qū)氣模式：惰性氣體從遠(yuǎn)端貨油艙底向頂部透氣口以對(duì)角方式彌散推進(jìn)，自下而上的壓力差可形成較大的氣體沖擊速度，徹底解決惰性氣體在艙室頂部持續(xù)做“無用功”的氣體分層問題；同時(shí)惰性氣體從貨油艙底部進(jìn)入后，比較容易將可燃?xì)怏w驅(qū)替頂升到艙室頂部，通過透氣管系到放空塔排出。如圖5 所示，惰性氣體從艙室底部進(jìn)入，可有效驅(qū)替丙烷、丁烷等密度相對(duì)較大的烴類氣體，從而可大幅提升驅(qū)氣作業(yè)效率。

圖5 底部驅(qū)氣新工藝示意圖

3.2 艙底驅(qū)氣工藝現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用

為保證艙底驅(qū)氣工藝的順利開展，作業(yè)前需要進(jìn)行以下測(cè)試：(1)將貨油環(huán)網(wǎng)內(nèi)液體進(jìn)行清洗排空：將貨油環(huán)網(wǎng)內(nèi)的液體清洗、驅(qū)替，泄放至液位較低的貨油艙，為建立惰性氣體循環(huán)通道做好保障，確保低壓的惰性氣體能夠通過底部循環(huán)通道進(jìn)入貨油艙內(nèi)；(2)對(duì)惰氣管線上的蝶閥、單流閥開展開關(guān)測(cè)試，確保各類閥門能正常動(dòng)作：對(duì)貨油管系液壓閥進(jìn)行功能及密封測(cè)試，確保單艙惰化期間，各個(gè)艙室內(nèi)的氣體不會(huì)通過底部貨油吸入口互竄，影響整體惰化驅(qū)氣效果；(3)建立驅(qū)氣循環(huán)通道：導(dǎo)通惰氣環(huán)網(wǎng)和貨油環(huán)網(wǎng)連接點(diǎn)流程后，關(guān)閉目標(biāo)艙室透氣閥進(jìn)行憋壓試驗(yàn)，通過大艙壓力的上漲情況驗(yàn)證艙室底部驅(qū)氣流程暢通，確定正常后，打開目標(biāo)艙室透氣閥，從而建立自下而上的驅(qū)氣循環(huán)通道。

2022 年5 月某FPSO 開展塢修前洗艙作業(yè)，如表2 所示，2 右貨油艙采用頂部驅(qū)氣7 h 后頂部可燃?xì)鉂舛冉抵?% 體積濃度，但下層可燃?xì)鉂舛却笥?5%體積濃度，分層現(xiàn)象嚴(yán)重，短時(shí)間內(nèi)無法驅(qū)氣合格。隨后采用艙底驅(qū)氣模式，2 右貨油艙艙室內(nèi)可燃?xì)怏w濃度出現(xiàn)明顯下降，測(cè)試發(fā)現(xiàn)6～7 h 左右即可將單艙艙室內(nèi)可燃?xì)怏w濃度從高濃度降至合格范圍以內(nèi)(可燃?xì)鉂舛仍?%體積濃度內(nèi))。

表2 2 右貨油艙不同驅(qū)氣模式可燃?xì)鉂舛茸兓瘜?duì)比

如表3 所示，在對(duì)5 右貨油艙艙進(jìn)行頂部和底部驅(qū)氣的對(duì)比試驗(yàn)中，頂部驅(qū)氣9 h，可燃?xì)鉂舛葟?3%下降到16%。隨后切換至艙底驅(qū)氣模式，進(jìn)行底部驅(qū)氣后9 h 后，可燃?xì)鉂舛瓤焖傧陆?，?6% 下降到0.5%，單艙惰化效率得到顯著提升。

表3 5 右貨油艙不同驅(qū)氣模式可燃?xì)鉂舛茸兓瘜?duì)比

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)驅(qū)氣工藝相比，采用艙底驅(qū)氣工藝能夠有效解決惰氣和可燃?xì)獾臍怏w分層問題，通過從底部對(duì)角式彌散推進(jìn)，對(duì)艙室內(nèi)可燃?xì)膺M(jìn)行有效驅(qū)替，減少惰氣使用量以及洗艙機(jī)開啟次數(shù)，使得驅(qū)氣作業(yè)效率大幅提升。

3.3 艙底驅(qū)氣工藝取得的成效

某FPSO 裝置塢修前洗艙作業(yè)采取創(chuàng)新艙底驅(qū)氣方法，極大的提高了現(xiàn)場(chǎng)洗艙作業(yè)效率，同時(shí)取得了顯著的安全及經(jīng)濟(jì)效益，取得的成效主要為以下5 條：(1)本項(xiàng)目提出的底部驅(qū)氣工藝，首次運(yùn)用在塢修前的洗艙作業(yè)中，打破以往常規(guī)艙室頂部驅(qū)氣模式，成功開辟了洗艙驅(qū)氣新途徑，拓寬了油輪洗艙作業(yè)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)盲區(qū)，通過多次理論分析和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，惰性氣體從艙室底部進(jìn)入貨油艙后其擴(kuò)散分布的方式更加合理，驅(qū)氣效果穩(wěn)定，效率更高。(2)采用貨油艙艙室底部進(jìn)氣的驅(qū)氣方式后，洗艙機(jī)啟動(dòng)次數(shù)也隨之降至最低，解決了以往洗艙期間的洗艙水總量大和洗艙水處理難的問題，使洗艙作業(yè)順利高效進(jìn)行的同時(shí)，減少了處理洗艙水達(dá)標(biāo)的藥劑量及排海污水總量，更加綠色環(huán)保。(3)提高驅(qū)氣效率，單艙驅(qū)氣時(shí)間由原來20 h 明顯下降至6～7 h 左右，洗艙作業(yè)效率總體提升60%，洗艙作業(yè)總體時(shí)間比原計(jì)劃提前6 天完成，有力地保障了后續(xù)塢修作業(yè)的順利開展。(4)安全效益：底部驅(qū)氣模式大幅縮短作業(yè)時(shí)間，減少了油輪在驅(qū)氣工況下的高風(fēng)險(xiǎn)時(shí)段，帶來了明顯的安全保障。(5)經(jīng)濟(jì)效益：貨油艙室惰化時(shí)間大大縮短，大幅度減少惰氣發(fā)生器的運(yùn)行時(shí)間，采用底部驅(qū)氣作業(yè)期間共計(jì)減少柴油消耗127.5 t。

4 結(jié)語

綜上所述，采用艙底驅(qū)氣工藝可有效解決驅(qū)氣作業(yè)過程中艙室內(nèi)氣體分層現(xiàn)象，明顯縮短驅(qū)氣作業(yè)時(shí)間，大幅提升洗艙作業(yè)效率，減少洗艙作業(yè)高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)時(shí)間段，取得了顯著的安全經(jīng)濟(jì)效益。為后續(xù)同類型的洗艙作業(yè)提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)，也可在同類洗艙驅(qū)氣作業(yè)進(jìn)行推廣和應(yīng)用。