(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務分公司,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、海管到達平臺,脫除大部分水、CO2、SO2、汞、重組分等雜質,經壓縮機加壓后輸入海底管道送達陸地終端。該模式因為適應水深淺、依托海底管網等特點不適用于中遠海氣田和深水氣田開發(fā)。據統(tǒng)計70%以上的資源因為水深、遠離陸地和管道、氣田規(guī)模、開發(fā)年限等原因,無法得到有效的開發(fā),而浮式生產存儲液化天然氣設施(LNG floating production storage and floating unit,FLNG)具備可適應深水開發(fā)、無需依托固有設施、重復利用等優(yōu)點,特別適合于中遠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FLNG進行工程化,本文提出了一種自航FLNG設計,針對避臺進行解脫方案分析。
以我國南海某氣田為目標,南海夏季多臺風,中國海油南海運營大部分海上設施在面臨臺風正面襲擊時,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不穩(wěn)定的LNG,如果FLNG采用不解脫方案設計,在溫度升高過程中會產生大量的BOG,而持續(xù)低溫和BOG都會對船體結構帶來較大影響[4]。
因此,提出一種臺風期解脫單點系泊系統(tǒng)且具備航行能力的新型FLNG設計方案。目標氣田位于南海瓊東南盆地,水深約1 300 m,以一年一遇臺風條件為生存工況,環(huán)境條件見表1。
表1 環(huán)境條件
主風向為NE,該海域季風特征明顯,冬季盛行偏NE風,夏季盛行偏S風。主浪向為ENE。主流向為W~E。
氣田開發(fā)采用FLNG+水下生產系統(tǒng)的開發(fā)方式,水下生產設施與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
水下生產系統(tǒng)采出的原料氣經由海管通過單點滑環(huán)送至FLNG上部處理設施處理,天然氣和凝析油處理合格后分別進行儲存和外輸,生產污水進入生產水處理系統(tǒng)處理達標后排海。
新建FLNG裝置艏部設內轉塔單點系泊定位于目標海域,系泊系統(tǒng)設計條件為一年一遇臺風條件,系泊方式為3×3,具備快速解脫能力,FLNG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、雙舷側的結構型式,主船體包括艏部(包括生活樓和內轉塔)、貨艙區(qū)(包括工藝艙和污油艙)、機艙和尾部。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置貫穿貨艙區(qū)的防火逃生安全通道。火炬塔設在船尾右側,向船尾方向傾斜,高度約80 m。
FLNG配備尾部吊艙式推進裝置和艏側推,臺風到來前與單點系泊系統(tǒng)解脫實現自航避臺,臺風過后,尾部吊艙推進器與首側推配合進行FLNG安裝定位,回接系泊系統(tǒng)和立管。在LNG外輸作業(yè)時,通過尾部吊艙推進器配合與穿梭LNG船進行定位和系泊。
臺風影響范圍情況如下。
1)內圈,又稱臺風眼區(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200 n mile;
3)外圈,又稱為大風區(qū),自臺風邊緣到渦旋區(qū)外緣,直徑為200~300 n mile,有時可達400~550 n mile,其主要特點是風速向中心急增,風力可達7級以上。經統(tǒng)計7級大風已經開始影響船舶航行和作業(yè),南海固定平臺一般認為應在7級風影響前完成避臺準備工作[5-6]。
經統(tǒng)計1994—2013年期間途經目標氣田及附近海域的臺風共計81個,7級風影響半徑參見圖3。
圖3 途經目標氣田及附近海域臺風外圈半徑統(tǒng)計
外圈半徑最小54 n mile,最大500 n mile,77.8%的臺風外圈半徑在100~300 n mile范圍內。其平均半徑計算如下:
(1)
式中:Rn為臺風臺風外圈半徑的算數平均數,單位n mile;R1~R81為81個臺風的大圈半徑,單位n mile;n為臺風個數,設為81。
由式1,可得出:Rn=198.08 n mile,取整選取Rn=200 n mile
臺風的移動速度:經統(tǒng)計臺風的平均移動速度VT約為10.8~16.2 kn,保守選取VT=16.2 kn。
據統(tǒng)計,影響目標海域的超強臺風優(yōu)勢路徑為由東向西,強臺風的優(yōu)勢路徑為由東南向西北,臺風的優(yōu)勢路徑為由東向西,強熱帶風暴的優(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)域為臺風登陸顯著區(qū)域。
中海油針對南中國海域多臺風的情況,提出了臺風撤離的應急響應計劃和紅、黃、綠三色報警區(qū)域,以目標海上設施為中心從內向外依次劃分為FLNG撤離避臺區(qū)域(紅色報警)、FLNG解脫(黃色報警)和臺風報警區(qū)域(綠色報警)。
3.1.1 FLNG解脫時間確定
因部分工作可以同時作業(yè),FLNG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FLNG避臺區(qū)域為海南三亞港,而且臺風外圈經過三亞,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,設為80 n mile,位置見圖4;VF為FLNG的航行速度,設為9 kn;LT1為臺風在FLNG撤離和迎臺準備時間內經過的路程,n mile;T3為FLNG在泊地做好迎接臺風準備時間,設為11 h;LF1為FLNG撤離時距離臺風的最小距離,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。
由于臺風路徑的不確定性(見圖5),應該根據氣象服務部門發(fā)布的可能路徑及移動速度等臺風信息提前報警,做好撤離解脫準備工作,臺風報警距離計算如下。
LT4=T4×VT
(6)
R報警=LT4+R撤離
(7)
式中:T4為臺風發(fā)生初期天氣預報時間間隔,設為9 h。LT4為T4時間內臺風經過的路程,n mile;R報警為FLNG臺風報警距離。
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臺風報警范圍設為720~870 n mile,FLNG解脫范圍設為250~720 n mile,FLNG撤離范圍設為250 n mile,見圖6。
圖4 FLNG避臺路線示意
圖5 2004年12月颶風南馬多爾前往南海某FPSO臺風影響范圍
圖6 FLNG臺風報警、解脫和撤離范圍
當臺風的外圈進入臺風報警區(qū)域時,FLNG就會接到陸地氣象部門發(fā)布的臺風預警,并將持續(xù)報告臺風位置和移動路徑,以便FLNG作業(yè)人員作出正確的判斷。FLNG現場作業(yè)人員將使用綠、黃、紅的報警系統(tǒng)來通告全船人員。
1)臺風報警。當臺風進入臺風報警區(qū)域時,工作人員全船通報臺風情況并發(fā)出綠色報警,FLNG工作人員不撤離,將在大風條件下安全作業(yè),和附近平臺、守護船舶溝通協調,做好迎臺準備。FLNG總監(jiān)和陸地辦公室溝通,確定現場應急響應計劃-臺風撤離,允許采取適當的措施如減產、緊急外輸、調節(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,跟蹤臺風運動軌跡,向FLNG總監(jiān)和安全總監(jiān)匯報并評估臺風進入撤離區(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最終責任,在此階段根據情況下達關閉生產并與系泊系統(tǒng)斷開連接命令,工作人員根據撤離程序完成關井、生產系統(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,允許提前下達避臺撤離指令。
3)撤離避臺。當臺風進入FLNG撤離區(qū)域,工作人員經FLNG總監(jiān)許可后,發(fā)出紅色警報,由FLNG總監(jiān)下達避臺撤離指令,FLNG依據臺風撤離計劃向避臺目的地航行,航行過程中和達到目的地后工作人員做好迎臺準備工作,等待臺風。
4)恢復生產。臺風離開后,FLNG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。
根據南海某FPSO避臺經驗,臺風經過,準備撤離或撤離的停產平均天數為3.5 d。以該FPSO經歷臺風最多的1999年為例,共經歷2次臺風準備撤離,3次臺風撤離,按照統(tǒng)計時間,約17.5 d因臺風停產。
常規(guī)FPSO臺風來臨時,也需要面臨一次臺風停產3 d左右,且人員還需借助直升機撤離??紤]到自航FLNG經歷臺風期間,人員不撤離,可以進行相關維修工作,因此,FLNG與常規(guī)FPSO一年的作業(yè)天數相近,按照330 d作業(yè)考慮。
FLNG作為未來我國南海深遠海天然氣開發(fā)的必要設施,預計會在未來5~10年內出現,自航FLNG解決了FLNG臺風自存的關鍵問題。本文提出了完整的FLNG避臺策略,包括臺風報警、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的生產時率。綜上所述,自航FLNG應用于南海氣田開發(fā)是可行的。