譚家翔

(中海油能源發(fā)展股份有限公司，天津 300452)

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深水FPSO發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

譚家翔

(中海油能源發(fā)展股份有限公司，天津 300452)

考慮到深水FPSO設(shè)計(jì)復(fù)雜、定制化程度較高的現(xiàn)狀，通過(guò)調(diào)研FPSO在全球的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析國(guó)外主流FPSO設(shè)計(jì)企業(yè)在系泊纜、立管和轉(zhuǎn)塔方面的設(shè)計(jì)情況，總結(jié)FPSO未來(lái)的發(fā)展特點(diǎn)。

深水FPSO；發(fā)展現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

1 FPSO全球應(yīng)用概況

據(jù)Offshore Magazine統(tǒng)計(jì)，截止2015年8月,

全球已投入使用的FPSO約有161艘，F(xiàn)PSO應(yīng)用較多的區(qū)域?yàn)榘臀?、英?guó)、中國(guó)和西非，其中巴西為37艘，數(shù)量位列首位，具體分布如圖1所示。

圖1 全球FPSO地理分布

目前現(xiàn)有的FPSO運(yùn)營(yíng)模式主要有2種：一種是油田作業(yè)者為船東，例如,各大石油公司，其中中海油擁有的數(shù)目最多，為16艘；另一種是FPSO總包商作為船東，自主融資建造后租借給石油公司，BW offshore和SBM公司是代表，分別擁有14艘和13艘。

自從1977年FPSO Castellon使用以來(lái)，F(xiàn)PSO的技術(shù)發(fā)展迅速，其生產(chǎn)率覆蓋范圍包含7 000～250 000 bbl/d，儲(chǔ)存容量覆蓋范圍包含24 000～2 200 000 bbl，總井口數(shù)多達(dá)163口，立管數(shù)多達(dá)80根。目前FPSO應(yīng)用水深最深的是荷蘭殼牌在美國(guó)墨西哥灣的Turitella，由SBM設(shè)計(jì)，水深為2 896 m。

全球FPSO發(fā)展大體上經(jīng)歷了4個(gè)階段，即：

1)1976—1985年，為FPSO的早期發(fā)展階段，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的應(yīng)用使FPSO成為一種海上油氣生產(chǎn)裝置。

2)1986—1994年，為FPSO的成長(zhǎng)期，這一時(shí)期FPSO技術(shù)得到迅速推廣，數(shù)量以平均每年2艘以上的速度增加。

3)1995—1998年，為FPSO的擴(kuò)展期，這一時(shí)期FPSO數(shù)量大幅增加，以平均每年8艘以上的速度遞增。

4)1999年以來(lái)，F(xiàn)PSO的數(shù)量迅速增加，在技術(shù)上也得到較大突破，作業(yè)水深由原來(lái)的幾百米到現(xiàn)在的幾千米。特別是2002年以后，海上油氣開發(fā)又在向LPGFPSO、LNGFPSO、LNGFSRU 、FPDSO 等形式發(fā)展。

在FPSO的40年發(fā)展歷史中，最初的10年為FPSO概念形成階段，并逐步開始商業(yè)應(yīng)用；中間20年FPSO的概念和技術(shù)得到穩(wěn)步發(fā)展并廣泛被采用；后10年FPSO的數(shù)量迅猛增加，技術(shù)迅速提升，F(xiàn)PSO的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓寬。

2 FPSO組成系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)

通常，一艘FPSO主要由船體、上部模塊、轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)、系泊錨鏈及立管系統(tǒng)等組成。

2.1 FPSO船體

目前FPSO船體型式主要有3種：船型FPSO、多體式生產(chǎn)FPSO[1]和圓形FPSO，見圖2，現(xiàn)有的絕大多數(shù)FPSO均為船型FPSO。目前FPSO船體主要有2種來(lái)源：一種是新建，另一種是由現(xiàn)有油輪進(jìn)行改造?？紤]是否新建的因素有：油田的設(shè)計(jì)壽命；項(xiàng)目的時(shí)間要求；市場(chǎng)現(xiàn)有可供改裝的且設(shè)計(jì)要求油輪的可用性；油田經(jīng)濟(jì)性評(píng)估；船廠的建造總裝能力。FPSO船體設(shè)計(jì)工作主要包括：總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、輪機(jī)設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)和防腐設(shè)計(jì)等。

圖2 FPSO的3種形式

目前國(guó)內(nèi)船體建造主要由各大船廠來(lái)執(zhí)行，主要有：上海外高橋造船廠、中船重工大連造船廠、中遠(yuǎn)船務(wù)造船廠、上海滬東中華造船(集團(tuán))有限公司、上海江南造船廠、大連新船重工船廠等。船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要由708研究所承擔(dān)。

2.2 上部模塊

上部模塊是FPSO的另一個(gè)核心系統(tǒng)，與油輪相比，F(xiàn)PSO多了生產(chǎn)工藝流程模塊、火炬塔、特殊的外輸油系統(tǒng)、首部輸油系統(tǒng)以及直升機(jī)平臺(tái),見圖3。FPSO上部模塊各部分的布置是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，要全面考慮這些構(gòu)成合理布局以及他們之間的協(xié)調(diào)。

圖3 FPSO 上部模塊一般組成

目前，我國(guó)現(xiàn)有的FPSO設(shè)計(jì)中上部模塊布置的順序大體有兩種方法[2]。

1)單點(diǎn)→生活樓→堆場(chǎng)→電站→熱站→生產(chǎn)工藝流程模塊→火炬塔→尾部外輸油系統(tǒng)(如“渤海友誼”號(hào)、“渤海長(zhǎng)青”號(hào)、“渤海明珠”號(hào)、“渤海世紀(jì)”號(hào)、“海洋石油113”號(hào)FPSO的布置)。

2)火炬塔→單點(diǎn)→生產(chǎn)工藝流程模塊→熱站→電站→堆場(chǎng)→生活樓→艉部外輸油系統(tǒng)(如“南海奮進(jìn)”號(hào)和“海洋石油111”號(hào)FPSO的布置)。

FPSO生產(chǎn)工藝功能是進(jìn)行油、氣、水等生產(chǎn)處理，大致分為三大類系統(tǒng)。

1)主要工藝系統(tǒng)。是指將各井口平臺(tái)輸送來(lái)的生產(chǎn)流體進(jìn)行脫氣、脫水及脫除雜質(zhì)等的原油處理系統(tǒng),以達(dá)到外輸標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)要保證原油回收率最大。尚應(yīng)考慮除砂、防蠟、破乳及消泡的措施。

2)輔助工藝系統(tǒng)。主要包括生產(chǎn)污水處理系統(tǒng)、火炬放空系統(tǒng)、化學(xué)藥劑注入系統(tǒng)、開式排放及閉式排放系統(tǒng)及燃料氣處理系統(tǒng)。

3)公用系統(tǒng)。主要包括熱介質(zhì)系統(tǒng)、儀表氣系統(tǒng)、海水系統(tǒng)、柴洶系統(tǒng)及淡水/熱水系統(tǒng)等。

海油工程股份有限公司是目前國(guó)內(nèi)FPSO上部模塊最大的設(shè)計(jì)、采辦、建造商。

2.3 系泊系統(tǒng)

典型的系泊系統(tǒng)包括以下幾個(gè)主要部分：絞車；導(dǎo)纜孔，系纜卷車和系鏈盤；連接器；錨鏈，鋼纜和纖維纜；錨樁。

圖4是一個(gè)典型的永久式系泊系統(tǒng)，采用了張緊式的系泊系統(tǒng)，錨樁采用吸力錨型式。

圖4 永久式系泊系統(tǒng)

系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，是針對(duì)具體項(xiàng)目分析和設(shè)計(jì)的高度定制化方案，并且還需要應(yīng)用模型和計(jì)算機(jī)軟件分析，以得到最佳設(shè)計(jì)方案[3]。設(shè)計(jì)系泊系統(tǒng)時(shí)主要考慮的影響因素有以下幾個(gè)方面。

設(shè)計(jì)環(huán)境，船體特征，船體位移和運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)塔位置和船體風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)，系泊纜材質(zhì)，系泊纜分布。系泊纜材質(zhì)類型從以往項(xiàng)目來(lái)看，主要有錨鏈、鋼纜和聚酯纖維纜，具體選擇受油田具體海況影響比較大，一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于深水(400 m以上)系泊，懸浮部分使用部分鋼纜代替錨鏈，以增加系泊纜的強(qiáng)度，并減小頂部張力。在超深水(1 500 m以上)系泊中，通常采用更輕的聚酯纖維纜替代鋼纜，聚酯纖維纜的優(yōu)點(diǎn)是：強(qiáng)度/重量比大、彈性好，成本也比鋼纜低得多。

目前國(guó)外設(shè)計(jì)系泊系統(tǒng)的主要有以下工程公司：

Aker Solutions；Amog Consulting；Cortland Company；Deepsea Group Ltd.；Floatec；Houston Offshore Engineering；KBR (Granherne Subsidiary)；Loc Norge As；MCS Kenny；Mooring System Solutions Pyt Ltd.；SBM Offshore；Sigma Offshore；Technip；Viking Sea Tech As；WorleyParsons；Offspring International (Oil)；Boskalis Offshore；SOFEC；Delmar System；Vryhof Engineering Ltd.；InterMoor；Cotec,Inc；London Marine Consultants

2.4 FPSO轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)

FPSO轉(zhuǎn)塔是一個(gè)緊湊的多功能結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)。轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)集成了FPSO系泊系統(tǒng)，錨樁和立管的安裝設(shè)備，流體輸送系統(tǒng)包括清管器收發(fā)設(shè)備、測(cè)量、化學(xué)注入設(shè)備和水下控制等系統(tǒng)，是一個(gè)非常復(fù)雜、設(shè)備齊全的系統(tǒng)。

轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)作為FPSO的核心技術(shù)之一，主要被西方幾家公司掌握，其技術(shù)難點(diǎn)主要包括轉(zhuǎn)塔主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軸承設(shè)計(jì)選型、滑環(huán)設(shè)計(jì)選型和龍門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。其中滑環(huán)系統(tǒng)和軸承系統(tǒng)科技含量高，技術(shù)難度尤其大，主要被幾家公司所掌握。圖5是一種用于深水FPSO的不可解脫式內(nèi)轉(zhuǎn)塔。

圖5 轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)

全球的轉(zhuǎn)塔設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)有SBM、APL (NOV)、SOFEC(MODEC)、LMC(London Marine Consultants)、Teekay和Bluewater等公司。2003—2013年在全球深水領(lǐng)域FPSO轉(zhuǎn)塔設(shè)計(jì)中，SBM、APL和SOFEC 3家占據(jù)了轉(zhuǎn)塔市場(chǎng)份額的77%，其中SBM占比31%，APL占比27%，SOFEC占比19%，見圖6。

圖6 FPSO轉(zhuǎn)塔市場(chǎng)份額

SBM、NOV(原APL)和MODEC均為全球領(lǐng)先的轉(zhuǎn)塔設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，這3家企業(yè)均擁有轉(zhuǎn)塔設(shè)計(jì)專利。這3家的轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，見表1。

表1 國(guó)外品牌深水FPSO轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.5 FPSO立管系統(tǒng)

海洋立管是油田開發(fā)的最關(guān)鍵的界面，海洋立管的總體設(shè)計(jì)，不僅對(duì)立管本身，而且對(duì)上部浮體的結(jié)構(gòu)選擇與設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)性能的好壞、油田的總體布局等，都有著重大的影響。FPSO上立管的選擇和設(shè)計(jì)面臨的首要挑戰(zhàn)是：由于FPSO的運(yùn)動(dòng)給立管帶來(lái)巨大的水動(dòng)力而導(dǎo)致的疲勞損傷。

影響FPSO立管選型、設(shè)計(jì)的主要因素有：

海況/水深；

FPSO 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)要求；

立管終端位置及其安裝方式；

立管內(nèi)的溫度控制；

立管尺寸；

油田規(guī)劃/安裝時(shí)間表/費(fèi)用。

目前主流的立管類型有4種：鋼懸鏈?zhǔn)搅⒐?、頂張力立管、柔性立管和混合塔式立管，見圖7。

圖7 深水FPSO立管系統(tǒng)類型

從實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，在同一項(xiàng)目中經(jīng)常會(huì)使用多種類型立管，總體來(lái)看，鋼懸鏈?zhǔn)搅⒐芎晚攺埩α⒐苁褂帽壤^高，如圖8所示。

圖8 深水FPSO立管系統(tǒng)不同類型使用比例

國(guó)際上知名的立管設(shè)計(jì)公司有Aker Soultions, SBM, Technip和2H offshore等。隨著油氣田開采走向越來(lái)越深的海域，新的立管設(shè)計(jì)型式也不斷涌現(xiàn)。比如2H Offshore設(shè)計(jì)的自由站立式混合立管塔、Technip的采用干樹TTR的FPSO設(shè)計(jì)等一些新概念。

圖9 2H Offshore自由站立式混合立管塔

圖10 Technip干樹TTR

3 未來(lái)深水FPSO發(fā)展趨勢(shì)概述

近年來(lái)，F(xiàn)PSO工作環(huán)境、水域深度的要求不斷提高，市場(chǎng)需求逐漸多樣化，F(xiàn)PSO和其他海上設(shè)施結(jié)合、集成更多功能，衍生出更多設(shè)備類型[4-6]，見圖 11。

圖11 FPSO發(fā)展類型

未來(lái)新建FPSO將逐漸以上述幾類復(fù)合型FPSO為主。在性能方面，未來(lái)FPSO發(fā)展將呈現(xiàn)以下特點(diǎn)。

1)深水和超深水。特別是在西非、巴西和墨西哥灣，超深水FPSO比例較高。

2)抗冰/抗颶風(fēng)。加拿大、挪威和俄羅斯等地區(qū)對(duì)FPSO抗冰性能要求較高，墨西哥灣和中國(guó)南海對(duì)抗颶風(fēng)性能要求較高。

3)可解脫式轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)。保證在颶風(fēng)和破冰時(shí)的安全。

4)圓筒式FPSO。無(wú)需轉(zhuǎn)塔，就能很好地適應(yīng)風(fēng)、浪、流對(duì)船體的影響，同時(shí)也可減少普通船體結(jié)構(gòu)艏部和艉部的縱搖，使整體結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。

總的來(lái)說(shuō)，未來(lái)FPSO將向著功能集成性更強(qiáng)、作業(yè)深度更深、抗災(zāi)害能力更強(qiáng)等方向發(fā)展。

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TAN Jia-xiang

(CNOOC Energy Technology & Service-Oil Production Services Co., Tianjin 300452, China)

The deep water FPSO is a very complex and highly customized system. The current situation of development and application of FPSO in the world were investigated from view of design of mooring rope, riser and turret system of the deep water FPSO, the development tendency of deep water FPSO in the future were discussed also.

deep water FPSO; development situation; development tendency

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.017

2016-07-10

工信部項(xiàng)目(E-J214A004.01)

譚家翔(1965—)，男，學(xué)士，高級(jí)工程師

U674.38;P751

A

1671-7953(2016)05-0065-06

修回日期：2016-08-10

研究方向:海洋工程技術(shù)

E-mail:tanjiaxiang@cnooc.com.cn