(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。
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。火炬塔設(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。
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)海域的超強臺風(fēng)優(yōu)勢路徑為由東向西,強臺風(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。
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)。
3.1.1 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
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。
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。