李 達，白雪平，易 叢

(中海油研究總院，北京 10028)

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“海洋石油118”單點系泊系統(tǒng)選型設(shè)計

李 達，白雪平，易 叢

(中海油研究總院，北京 10028)

根據(jù)南海恩平24-2油田海域的特點，確定“海洋石油118”FPSO系泊系統(tǒng)方案采用帶可解脫裝置的臺風期不解脫型內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)。針對近年來南海海域日益惡劣的風、浪和流等海洋環(huán)境條件、南海海域的環(huán)境條件分布和入級要求，確定了單點系泊系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)。針對設(shè)計中出現(xiàn)的問題，從波浪特性研究出發(fā)，提出可行的解決辦法，總結(jié)南海海域內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)的研究思路和方法，推薦單點的設(shè)計標準，提出今后南海內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點技術(shù)工作建議。

南海海域；浮式生產(chǎn)儲油裝置；內(nèi)轉(zhuǎn)塔；單點系泊系統(tǒng)；海洋環(huán)境條件

20世紀80年代以來，南海海域北部大陸架的陸坡油氣田經(jīng)成功勘探發(fā)現(xiàn)后，陸續(xù)進入油氣田開發(fā)和油氣開采階段。到目前為止，南海海域油氣田已經(jīng)歷了近30年的勘探開發(fā)實踐，陸續(xù)在南海北部陸坡建成文昌、番禺、惠州、陸豐、流花等一系列300 m水深以內(nèi)的油田群，形成了成熟的開發(fā)模式。其中，固定平臺加浮式生產(chǎn)儲油裝置(floating production storage and offloading system, FPSO)的獨立開發(fā)模式在南海油田開發(fā)中應用最廣泛。

恩平24-2油田所在海域水深86-96 m。根據(jù)油田地理位置、環(huán)境條件特點及油藏開發(fā)參數(shù)，確定采用如下設(shè)施。

1)新建1座鉆采平臺(EP24-2DPP)，平臺帶模塊鉆機、一級工藝及二級水處理設(shè)施。

2)新建1條FPSO——“海洋石油118”FPSO，F(xiàn)PSO帶電站、三級原油處理設(shè)施。

3)新建1條海底混輸管道，將平臺上處理得到的含水30%油氣水混輸至FPSO進一步處理。

4)新建1條海底復合電纜，從FPSO向固定平臺供電，以及實現(xiàn)平臺與FPSO間通信。

恩平24-2油田開發(fā)示意圖如圖1所示。

圖1 恩平24-2油田開發(fā)示意

“海洋石油118”FPSO位于EP24-2DPP平臺西北2.2 km處。FPSO所在區(qū)域水深為87 m，F(xiàn)PSO具備定位系泊、油氣水生產(chǎn)處理、原油儲存、原油計量外輸?shù)裙δ?，海洋石?18船體主要設(shè)計特點和參數(shù)見表1。

表1 海洋石油118船體主要設(shè)計特點和參數(shù)

由于南海風、浪和流等環(huán)境條件極為惡劣，且環(huán)境條件的方向性不明顯，結(jié)合南海海域多年的開發(fā)實踐，單點系泊系統(tǒng)由于其具備可360°自由轉(zhuǎn)動的風向標效應，成為海洋石油118定位系泊系統(tǒng)的惟一選擇，F(xiàn)PSO效果圖如圖2所示。內(nèi)轉(zhuǎn)塔形式單點系泊系統(tǒng)由于具備在南海海域操作維護經(jīng)驗豐富、適應極端海況能力強、通道數(shù)量限制低等優(yōu)勢，被確定為海洋石油118的單點系泊形式。

圖2 海洋石油118 FPSO效果圖

近年來，南海海域臺風頻發(fā)，其強度和頻率相比以往更加惡劣，近期發(fā)生的臺風樣本不斷充實到新的環(huán)境條件統(tǒng)計中，極端環(huán)境條件統(tǒng)計結(jié)果呈現(xiàn)日益惡化的趨勢，百年一遇最大波高相比幾年前的統(tǒng)計值增加了5%。根據(jù)以往南海海域的FPSO操作經(jīng)驗，實際發(fā)生的環(huán)境條件超出原設(shè)計極端環(huán)境條件的事例也時有發(fā)生，給油氣生產(chǎn)帶來了重大的安全挑戰(zhàn)，對單點系泊系統(tǒng)造成的影響尤其明顯。單點系泊系統(tǒng)在極端環(huán)境條件下的失效通常可造成數(shù)億、甚至數(shù)十億元的直接經(jīng)濟損失，失效造成的停產(chǎn)同時還造成巨大的間接經(jīng)濟損失。在單點系泊系統(tǒng)的實際生產(chǎn)操作過程中，系泊鋼纜磨損斷絲現(xiàn)象較為普遍，當部分系泊鋼纜因為磨損斷絲而失效時，油田開發(fā)設(shè)施安全保障就成為挑戰(zhàn)。

單點系泊系統(tǒng)如何在控制工程投資成本的前提下，更好地適應日益惡化的極端環(huán)境條件、提高單點系泊系統(tǒng)在生產(chǎn)操作中的可靠性、有效降低因單點問題而造成停產(chǎn)風險或損失的可能性，是南海海域單點系泊系統(tǒng)研究和設(shè)計過程中必須解決的難題。為此，在借鑒以往項目成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，從“海洋石油118”FPSO內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)研究和設(shè)計工作出發(fā)，進行技術(shù)論證和設(shè)計分析工作，提出解決辦法。

1 單點選型

“海洋石油118”內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系統(tǒng)總體方案的研究比選主要從工程投資、安全可靠性、生產(chǎn)操作便利、海上安裝和油田投產(chǎn)工期等方面展開，比選匯總見表2，最終推薦采用帶解脫裝置的臺風期不解脫內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)作為海洋石油118單點總體方案，解脫時間為1～3 d。

表2 海洋石油118單點比選匯總表

不帶解脫裝置的臺風期不解脫型單點(方案2B)雖然投資最低，但其方案未得到推薦，主要是基于幾點考慮。

1)從單點海上安裝角度。在FPSO到達油田現(xiàn)場后，不帶解脫裝置的單點的每一根系泊纜以及立管、動態(tài)電纜等均需要單獨與FPSO進行連接，連接工作需要大量的持續(xù)好天氣時間。由于南海海域10月份開始進入冬季季風氣候，很難滿足連續(xù)2～3周持續(xù)氣候窗的要求。

2)從油田投產(chǎn)時間角度。由于FPSO建造和回接等工作是油田投產(chǎn)的關(guān)鍵路徑，相比其他方案，F(xiàn)PSO回接工作時間長約20 d(不計天氣影響)，直接導致油田投產(chǎn)時間較其他方案晚20 d以上，對油田投產(chǎn)影響太大。

3)從安全角度。規(guī)范對于系泊纜的破斷要求是單根纜破損后仍要保證其安全性，根據(jù)海上操作經(jīng)驗，單根纜破損的情況時有發(fā)生，當單根纜破損后，系泊系統(tǒng)解脫困難，其抵御臺風的能力就大大降低，一旦超出設(shè)計條件，系泊系統(tǒng)就極可能發(fā)生失效，導致災難性的后果，相比帶解脫裝置的系泊系統(tǒng)的安全性差了很多。

4)從生產(chǎn)操作角度。由于解脫和回接工作量巨大，任何一次FPSO解脫塢修將導致油田停產(chǎn)時間增加約1個月，停產(chǎn)損失相對較大。

臺風解脫型內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(方案1)的投資高、且每年停產(chǎn)時間長，且其安全可靠性相比方案2A無顯著提高，還存在來不及撤離的風險，故該方案未被推薦采用。

從近10年南海FPSO生產(chǎn)和操作經(jīng)驗來看，帶解脫裝置的臺風期不解脫型單點有了較為成熟的使用經(jīng)驗，綜合比選分析后，推薦海洋石油118采用帶解脫裝置的臺風期不解脫型內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點。當發(fā)生系泊纜破斷或船體需要維修等特殊情況時時，系泊系統(tǒng)解脫，動態(tài)電纜、立管隨單點浮筒沉入水下，船體撤離。

根據(jù)恩平24-2油田開發(fā)方案，單點液體滑環(huán)數(shù)量確定為2用1備；根據(jù)油田生產(chǎn)安全和海域基礎(chǔ)資料搜集的需求，設(shè)置1套在線監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測風、浪和流環(huán)境條件、FPSO運動軌跡以及單點系泊纜的受力，為生產(chǎn)維護提供指導，為以后項目積累原始基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 單點設(shè)計條件和準則

2.1 設(shè)計極端環(huán)境條件選擇

對于深水平臺，普遍的做法是采用百年一遇作為極端環(huán)境條件，千年一遇作為生存條件(完整工況安全系數(shù)為1.0)。這種采用“操作條件-極端條件-生存條件”的設(shè)計理念俗稱“三點設(shè)計”理念。應該說，提高設(shè)計準則的做法可以起到有效應對系泊系統(tǒng)失效風險的作用。

同時，設(shè)計準則也與環(huán)境條件基礎(chǔ)本身高度相關(guān)，目前國內(nèi)南海海況給出的極端環(huán)境條件表明，千年一遇海況比百年一遇海況有義波高提高13.8%，這與國外“三點設(shè)計”理念里所采用的環(huán)境條件變化趨勢不同，墨西哥灣千年一遇比百年一遇環(huán)境條件有義波高提高25%以上，其他海域的趨勢也與墨西哥灣接近。因此，如在南海采用“三點設(shè)計”理念進行系泊系統(tǒng)設(shè)計，當百年一遇完整工況系泊纜安全系數(shù)為1.67時，其千年一遇的安全系數(shù)通常在1.2～1.3之間，萬年一遇的安全系數(shù)在1.1～1.2之間，均明顯高于業(yè)界1.0安全系數(shù)的要求，這將導致“三點設(shè)計”理念不可行，也就是生存條件對于目前的南海環(huán)境條件不具現(xiàn)實意義。如何選擇極端條件，就成為需要解決的問題。南海FPSO操作經(jīng)驗和教訓表明，在南海用百年一遇設(shè)計環(huán)境條件無法滿足系泊系統(tǒng)安全操作的需求。根據(jù)恩平海域的環(huán)境條件，200年一遇(13.5 m)和500年一遇(14.2 m)分別比百年一遇的有義波高(13.0 m)提高3.8%和9.2%。

基于南海近年極端環(huán)境條件有逐漸惡化的趨勢，以及南海FPSO操作經(jīng)驗，“海洋石油118”單點按照百年一遇和五百年一遇極端條件進行設(shè)計。百年一遇須嚴格遵循規(guī)范進行設(shè)計，而五百年一遇設(shè)計時，應結(jié)合南海的實際情況考慮波陡限制條件、系泊系統(tǒng)腐蝕速度等參數(shù)，以便提高設(shè)計環(huán)境后，通過科學設(shè)計，有效控制系泊系統(tǒng)投資增加。

2.2 環(huán)境條件相對角度組合

對于單點系泊系統(tǒng)設(shè)計而言，風、浪和流組合，以及波高和周期的關(guān)系，與單點工程投資關(guān)系巨大。在沒有完整的海域風浪流相關(guān)性數(shù)據(jù)時，需遵循規(guī)范對系泊分析選取的極端條件下風、浪和流組合條件的要求，各規(guī)范的要求見表3。

表3 規(guī)范規(guī)定的極端條件風浪流組合

由表3可見，BV船級社對風浪流的組合要求最高。BV規(guī)范除對夾角有要求外，當其中一個環(huán)境要素主導時，其他要素可以根據(jù)海域?qū)嶋H環(huán)境條件或規(guī)范進行折減。從恩平油田海域的惡劣環(huán)境條件現(xiàn)有數(shù)值模型分析得出：風和浪的相關(guān)性較好，夾角范圍較窄，而風和流，以及波和流的相關(guān)性相對較差?？紤]到數(shù)值模型里分析得到的風和流，以及浪和流的夾角樣本相對發(fā)散，但基本集中在-90°～90°之間，經(jīng)過研究和船級社招標后確定，系泊系統(tǒng)設(shè)計以BV規(guī)范為基礎(chǔ)，即百年一遇(入級強制要求)和五百年一遇極端環(huán)境條件組合均采用BV船級社規(guī)范的要求。

2.3 波浪敏感性分析參數(shù)

BV規(guī)范在設(shè)計極端環(huán)境條件除了有方向組合的要求外，還有敏感性分析的要求。如果波浪是控制參數(shù)時，要求考慮±15%譜鋒(或跨零)周期敏感性，但波浪可以適當根據(jù)波陡限制而調(diào)整。由于南海波浪條件極為惡劣，通常波浪都是系泊系統(tǒng)分析的控制參數(shù)。根據(jù)南海的波浪特性以及以往南海系泊系統(tǒng)分析報告，經(jīng)常出現(xiàn)-15%譜鋒(或跨零)周期產(chǎn)生更大的低頻力的情況，可能導致最大系泊力增加10%～20%，從而可能導致工程投資增加數(shù)千萬元，因此對于敏感性分析的數(shù)據(jù)應力求更加科學。從提高系統(tǒng)可靠性、科學設(shè)計的角度確定敏感性分析原則：百年一遇極端條件敏感性分析與以往項目一樣，不考慮波陡限制；五百年一遇極端條件敏感性分析遵循公認的波浪破碎準則，滿足理論上的波陡(最大波高對應的波陡不超過1/7)限制要求，最大有效波高滿足如下條件：

(1)

式中：HSM——最大有效波高；

TZ——跨零周期(與譜鋒周期按照規(guī)范換算)；

DSS——通常取3 h(10 800 s)。

這樣，當考慮五百年一遇-15%譜鋒(或跨零)周期敏感性分析時，根據(jù)BV規(guī)范推薦做法并征得BV船級社同意，波高根據(jù)波陡限制可折減12.7%，波高由14.2 m降低為12.4 m。此外，考慮到單點作業(yè)海域各方向極值環(huán)境條件的差異，在設(shè)計時適當考慮了環(huán)境條件的方向性。

2.4 設(shè)計年限和腐蝕裕量

考慮到海洋石油118是恩平油田區(qū)域的中心設(shè)施，其不僅為恩平24-2油田服務，也為潛在的周邊油田開發(fā)服務，另外，恩平海域系泊纜疲勞通常不是突出問題(2 m以下有效波高比例約90%)，為盡量避免在生產(chǎn)過程中更換系泊纜而帶來的昂貴工程費用，系泊纜及相應的受力結(jié)構(gòu)(包括樁、系泊浮筒結(jié)構(gòu)和主軸承)按照30年設(shè)計年限設(shè)計。

不同規(guī)范的腐蝕裕量要求見表4。由表4可見，BV規(guī)范最為嚴格。事實上，根據(jù)南海操作維護經(jīng)驗，錨鏈腐蝕問題并不嚴重。綜合規(guī)范規(guī)定、考慮南海使用經(jīng)驗等因素，確定了錨鏈腐蝕裕量的考慮原則：百年一遇條件按入級船級社(BV)進行設(shè)計，五百年一遇按每年0.3 mm設(shè)計，根據(jù)要求定期檢測，腐蝕達到更換條件時及時更換。

表4 各國規(guī)范對腐蝕裕量的要求 mm/年

2.5 其他設(shè)計準則

各系泊系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范都有幾乎相同的安全系數(shù)要求，系泊系統(tǒng)分析采用動力方法，完整狀態(tài)的安全系數(shù)須不小于1.67，破損狀態(tài)安全系數(shù)不小于1.25。

海洋石油118遵循以往南海FPSO的操作經(jīng)驗，在臺風來臨前，油田停止生產(chǎn)，人員撤離，海底管線完成置換，主電站停止運行?？紤]到動態(tài)立管和動態(tài)電纜在安全需求上比系泊系統(tǒng)稍低，動態(tài)立管和動態(tài)電纜只需滿足規(guī)范最低要求，即百年一遇極端環(huán)境條件即可。綜合考慮到南海海域環(huán)境條件分布，以及工程船的操作限制環(huán)境條件，單點的解脫和回接限制環(huán)境條件為有效波高2 m，1分鐘平均風速10 m/s，表層流速為0.5 m/s，其對應的可操作概率約為80%。

其他設(shè)計準則遵循入級規(guī)范要求。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系泊纜布置

對于恩平24-2FPSO而言，由于水深僅87 m，接近內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點所適用的最淺水深極限，這給單點和立管系統(tǒng)設(shè)計帶來挑戰(zhàn)：①系泊纜懸鏈線效應極不明顯，在惡劣臺風條件作用下，其恢復力較難滿足；②立管和電纜系統(tǒng)由于水深淺，而且要兼顧FPSO最偏移下的連接工況和FPSO解脫后浮筒入水2個主要工況，其立管構(gòu)造非常難實現(xiàn)。根據(jù)初步的立管形態(tài)分析，其對FPSO偏移非常敏感，且立管與電纜間存在碰撞的風險，考慮到立管系統(tǒng)的不確定性和技術(shù)難度。為了避免在設(shè)計立管在技術(shù)上的難度，在選擇系泊纜方位時，朝著有利于立管系統(tǒng)設(shè)計的方向，即最極端環(huán)境條件方向來自于In-line方向，如圖3所示，最惡劣海況是來自正東向的風浪流。

圖3 海洋石油118系泊纜布置示意

由于采用方向性設(shè)計，東向的風浪流條件明顯比西向的要惡劣，導致東向(A組)的系泊纜比西北(C組)和西南(B組)兩組系泊纜要長。通過加長A組系泊纜，降低系泊纜的軸向剛度來降低系泊纜剛度，以保證系泊纜受力滿足規(guī)范要求。

3.2 系泊分析

系泊分析考慮8個主要波浪方向，按照方向性設(shè)計，風、浪和流間夾角遵循入級規(guī)范(BV)，以及波浪周期的敏感性。FPSO考慮裝載工況(壓載、50%裝載、75%裝載,以及滿載)。系泊分析考慮完整工況和單根纜破斷工況，極端條件分別考慮五百年一遇和百年一遇臺風工況。

分析所采用的水動力系數(shù)通過頻域方法結(jié)合模型試驗計算求得，系泊分析采用時域分析方法。在進行深入系泊分析前，首先在360°范圍內(nèi)以各種風浪流夾角進行進行系泊分析結(jié)果的初步搜索，每個工況模擬3 h。根據(jù)初步搜索結(jié)果，選出相對惡劣的工況，針對每個工況進行不少于30個波浪種子的詳細系泊分析，30組波浪種子對應系泊分析結(jié)果的平均值作為系泊系統(tǒng)受力和FPSO船體運動設(shè)計值。進行單根纜破斷分析時，選擇系泊纜受力最大和受力第二大的系泊纜分別破斷進行單根纜破斷系泊分析。

根據(jù)給定的環(huán)境條件和規(guī)范要求，進行系泊系統(tǒng)分析，確定了系泊鋼纜、錨鏈以及配重塊的分布，也就是單根纜的構(gòu)造，每組系泊纜從錨端開始，分別是錨鏈-下鋼纜-調(diào)整錨鏈-配重錨鏈-上鋼纜構(gòu)成，每組系泊纜數(shù)量為4根，錨鏈的直徑為157 mm(R3S級)，鋼纜直徑為131 mm，每根纜配重塊的總重量約為70 t。

根據(jù)設(shè)計結(jié)果，百年一遇完整工況下系泊纜最小安全系數(shù)為1.77，五百年一遇的最小安全系數(shù)為1.68(均大于規(guī)范要求的1.67)。設(shè)計五百年一遇比百年一遇系泊力增加約9.6%，也就是說，系泊錨鏈和鋼纜較百年一遇加粗4 mm左右。可以說，通過盡可能少的投資增加，大幅度提高了系泊系統(tǒng)的安全可靠性。

3.3 立管和動態(tài)電纜布置

立管和動態(tài)電纜設(shè)計需要綜合考慮立管和電纜數(shù)量、水深、FPSO最大偏移等因素，對于水深較淺的海域，如恩平24-2油田海域，由于其FPSO在系泊系統(tǒng)破斷工況下偏移量大(約38 m)及單點具有可解脫功能，其立管和動態(tài)電纜形態(tài)中，只有陡波型(steep-wave)能滿足要求，由于立管和電纜對海底的作用力要求高，需要設(shè)置海底基盤。

3.4 配重塊設(shè)計

南海以往設(shè)計的配重塊均為軸向受拉固定，但其存在著螺栓上螺帽振動脫落的問題，致使南海FPSO配重塊存在較嚴重的丟失現(xiàn)象，有的甚至丟失達60%以上。針對該問題，“海洋石油118”FPSO在配重塊設(shè)計上進行了改進，新形式的配重塊見圖4。該配重塊通過螺栓穿入錨鏈，受力以抗剪切為主，很大程度避免了以往的問題。同時，由于配重塊存在的偏心問題，有效避免了安裝時錨鏈扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生。

圖4 新型式配重塊

4 結(jié)束語

1)綜合單點工程投資、安全可靠性、生產(chǎn)操作便利、海上安裝和油田投產(chǎn)工期等因素，帶可解脫裝置的臺風期不解脫型內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)仍然是目前為止南海FPSO單點的最佳解決方案。

2)“海洋石油118”FPSO單點采用五百年一遇和百年一遇極端設(shè)計環(huán)境條件，有助于應對南海海域日益惡劣的環(huán)境條件，以及油公司日益提高的生產(chǎn)安全要求。在提高設(shè)計標準的同時，對設(shè)計環(huán)境條件組合、波浪形成機理、腐蝕余量等方面進行科學設(shè)計，可以實現(xiàn)設(shè)計安全可靠性大幅度提高、但工程投資不大幅增加的目標。

3)鑒于單點設(shè)計極端環(huán)境條件準則與工程投資和設(shè)施安全可靠性高度相關(guān)，建議針對具體海域及其環(huán)境條件進行科學分析，確定適宜的極端環(huán)境條件設(shè)計準則。

4)鑒于目前南海海域環(huán)境條件基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺乏，可能導致系泊系統(tǒng)設(shè)計的盲目保守，建議加強環(huán)境條件監(jiān)測和研究工作，從環(huán)境條件方向相關(guān)性、波浪譜特性、風浪流的形成機理、極值條件數(shù)據(jù)統(tǒng)計等方面開展研究工作，提高系泊系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)的針對性，從而有效降低工程投資。

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Selection and Design on Single Point Mooring System of HYSY118 FPSO

LI Da, BAI Xue-ping, YI Cong

(CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China)

In light of the characteristics in Enping 24-2 oil field, the proposal of the single point mooring system for the HYSY118 FPSO was confirmed, the internal turret type mooring system with disconnectable function which need not be disconnected in typhoon condition. For the increasing terrible wind, wave, current and other offshore environmental conditions at south China sea in recent years, and classification requirements, the standards and rules of SPM design and the homologous design parameters are determined. On the basis of above, this paper summarizes the research idea and method of the single point mooring system in south China sea, recommends the standard of SPM system design, proposes some valuable proposals on the technical work of the subsequent internal turret mooring system.

south China sea; FPSO; internal turret; single point mooring system; offshore environmental condition

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.041

2016-01-22

李 達(1979—)，男，碩士，高級工程師

U674.38

A

1671-7953(2016)05-0166-06

修回日期：2016-02-25

研究方向:浮體結(jié)構(gòu)物設(shè)計及安裝分析

E-mail:lida@cnooc.cm.cn