(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452)

目前，海上天然氣開采出來后，一般要經(jīng)過管線到達終端，或經(jīng)管道輸送銷售，或液化成為LNG后再通過運輸船進行運輸銷售。對于距已建成油氣田生產(chǎn)設施較近的邊際油氣田，采用“三一模式(即一座井口平臺+一條海底管道+一條海底電纜)”開發(fā)已經(jīng)獲得成功；對于距離現(xiàn)有生產(chǎn)設施20 km以外，不能依托已建成油氣田設施進行開發(fā)的規(guī)模較小的邊際油氣田，可采用“蜜蜂模式”[1-2]。由中海油建造運營的“海洋石油161”和“海洋石油162”，在渤海灣邊際油田開發(fā)生產(chǎn)中的成功實踐，充分說明“蜜蜂模式”適合邊際油氣田滾動開發(fā)，降低了小油氣田的開發(fā)投資，可實現(xiàn)邊際油氣田的經(jīng)濟開發(fā)。

東海邊小氣田眾多、離岸較遠，為有效開發(fā)這些氣田，考慮東海環(huán)境條件，借鑒以往邊際油田開發(fā)及項目研究經(jīng)驗，開展自升式LNG生產(chǎn)平臺方案分析。

1 基礎條件

自升式LNG生產(chǎn)平臺按滿足東海海域100 a一遇環(huán)境條件設計；平均水深小于120 m，設計壽命是25 a。參考東海海域水文氣象環(huán)境，風、波浪和海流極值見表1。

2 工程方案

2.1 開發(fā)思路

東海邊際氣田天然氣的產(chǎn)能規(guī)模在50萬～60萬m3/d，作業(yè)水深小于120 m，采用自升式LNG生產(chǎn)平臺+LNG運輸船的開發(fā)模式，見圖1。

表1 環(huán)境條件極值

圖1 總體開發(fā)模式示意

自升式LNG生產(chǎn)平臺兼有井口平臺的井口支撐功能。當需要生產(chǎn)作業(yè)時，將自升式LNG生產(chǎn)平臺拖航至目標氣田，采用就位錨和拖輪輔助實現(xiàn)平臺精就位，采用桶形基礎方式將樁腿牢牢地固定住，利用升降系統(tǒng)將平臺主體升至預定的作業(yè)高度并鎖緊主體，固定、連接井口管線及電纜，從而實現(xiàn)氣田的生產(chǎn)。

當一個氣田的生產(chǎn)作業(yè)任務結束時，將主體降至水面后進行拔樁、備航，再由拖輪將平臺拖至下一個氣田進行生產(chǎn)作業(yè)。

2.2 基本要求

自升式LNG生產(chǎn)平臺可實現(xiàn)邊際氣田的滾動開發(fā)，工藝處理系統(tǒng)模塊化布置，具有適用不同區(qū)塊作業(yè)的能力，有移動平臺的靈活性，又具有固定平臺的安全性；具有水上井口支撐裝置，可實現(xiàn)井口平臺的功能；具有外輸系統(tǒng)，可實現(xiàn)海上串靠外輸?？傮w結構和海工設備滿足東海海域100 a一遇環(huán)境條件要求。

3 自升式LNG生產(chǎn)平臺

自升式LNG生產(chǎn)平臺以海上可移動自升式平臺為母型，主要由主體、四條桁架式樁腿和齒輪齒條式升降系統(tǒng)組成。平臺具有一層連續(xù)主甲板，尾部為井口支撐及作業(yè)區(qū)，中部區(qū)域布置LNG工藝模塊，首部設置四層生活樓，生活樓前方設置直升機甲板。配有發(fā)電機組為生產(chǎn)工藝模塊、升降系統(tǒng)及其他系統(tǒng)設備提供動力。開敞甲板面積大約1 500 m2。

平臺可同時容納50人，并提供人員住宿、醫(yī)療、健身、娛樂、辦公等設施，滿員情況下在海上自持力為20 d。

3.1 選型分析

3.1.1 主體選型

目前，自升式平臺的主體形式主要是三角形和四邊形兩種。本平臺主甲板上需要搭載生產(chǎn)工藝模塊，艙內需要設置LNG儲罐，對于同尺度的三角形和四邊形兩種主體形式比較而言，四邊形平臺的甲板面積更大，更便于生產(chǎn)工藝模塊布置，且四邊形的主體艙內可以設置較少的大型LNG儲存艙，而三角形的主體艙內由于受到結構連續(xù)性以及不規(guī)則艙界的限制，而需要設置較多的小型LNG儲存艙，由于LNG儲存艙成本高昂，用四邊形主體艙形有利于減少建造成本。因此，方案采用四邊形主體形式。

3.1.2 樁腿及升降系統(tǒng)

四邊形形式的平臺一般配置4條或6條樁腿。本自升式LNG生產(chǎn)平臺尺度較小，采用4條樁腿既有利于甲板載荷的布置，也節(jié)省了建造成本。對于樁腿形式，主要有殼體式和桁架式兩種。前者主要用于60 m以下的水深，隨著水深越來越大，殼體式樁腿受到的波流載荷顯著加大，使樁腿尺寸顯著加大，空船重量顯著加大，經(jīng)濟性劣于桁架式樁腿，因此在水深超過60 m時，大多數(shù)平臺采用桁架式樁腿。

本平臺作業(yè)水深范圍在40～120 m，采用桁架式樁腿。為使樁基礎的承載力，站立穩(wěn)性等達到固定平臺有關規(guī)范的要求，采用桁架樁腿和桶形基礎的組合形式，見圖2。升降系統(tǒng)采用常規(guī)與桁架式樁腿組合使用的齒輪齒條式升降系統(tǒng)。

圖2 桶形基礎示意

3.1.3 線型和航行性能

本平臺的主要功能是實現(xiàn)天然氣的收集、處理、儲存和外輸，在作業(yè)區(qū)域一次拖航定位需長期站立作業(yè)，對航行性能無要求，故采用方駁形主體形式以降低建造成本。

3.1.4 LNG罐艙型選

LNG 儲存方式主要有四種：Type A型、Type B型、Type C型和薄膜型(GTT)，其中Type A型實際應用案例極少。Type B型中除了MOSS型以外的艙型實際應用案例極少，并且造價和建造周期難以控制，Type C型和薄膜型目前是最為廣泛使用的成熟艙型。

薄膜型艙要特別考慮晃蕩帶來的強度問題[3]，但自升式平臺在作業(yè)時處于站立狀態(tài)，無需考慮晃蕩的影響。

在避臺風期間，LNG裝置需要考慮人員撤離、生產(chǎn)停止的情況下貨艙壓力控制的問題。薄膜型艙蓄壓能力較Type C型艙差，有可能會需要采用冷排放的方式來解決壓力控制的問題。

在對空間的利用上，薄膜型艙是所有艙型中利用率最高的，Type C型艙的空間利用率要低很多，因此在對主尺度的影響上，薄膜型艙具有優(yōu)勢。在方案設計過程中，也發(fā)現(xiàn)平臺如果采用Type C型艙需要平臺主體有比較大的型深，造成主尺度設計不合理，所以本方案采用薄膜型艙。

3.2 總布置

本平臺總體布置圍繞著生產(chǎn)工藝流程展開，以分區(qū)明確、高效緊湊、安全舒適為原則。

主甲板具體規(guī)劃為：4條樁腿盡量靠首尾對稱布置在平臺主體兩舷側，以留出盡可能大的甲板面積和作業(yè)空間，首部左右樁腿之間區(qū)域設置為生活區(qū)，首樁腿以后區(qū)域設置為作業(yè)區(qū)，生活區(qū)與作業(yè)區(qū)之間安全隔開；露天甲板中部區(qū)域布置生產(chǎn)工藝模塊，兩側布置軟管絞車，實現(xiàn)產(chǎn)品外輸功能，尾部樁腿外側各布置一套燃燒臂，以供應急狀態(tài)下使用；左右舷和尾部中央?yún)^(qū)域分別設置三臺甲板起重機，分別用于模塊零部件及工裝工具的起重、輔助外輸作業(yè)、輔助井口區(qū)域作業(yè)以及物料食品供應等。

LNG需要低溫儲存，其儲存艙本體及其附屬設施造價昂貴，平臺主體內部的布置圍繞著LNG儲存艙的布置，以合理緊湊為原則展開。從經(jīng)濟性角度出發(fā)，LNG儲存艙的數(shù)量應盡量少，但艙容過大不易滿足破艙剩余穩(wěn)性的衡準，經(jīng)初步估算破艙穩(wěn)性，應至少設置4個1 800 m3的方形LNG儲存艙，并以空艙隔開以便于布置加熱系統(tǒng)。在LNG儲存艙和兩道旁縱艙壁之間的區(qū)域設置雙層底，雙層底內布置油水艙、雜艙及空艙；機泵艙及配電板間區(qū)域設置平臺甲板以充分利用高度空間提高艙內利用率；LPG和凝析油艙根據(jù)初步核算的艙容選擇布置在船中雙層底上的區(qū)域。見圖3。

圖3 總布置示意

3.3 主要量度

本平臺屬于功能導向布置地位型海上設施，其主尺度和主要參數(shù)由總體布置來決定，同時滿足規(guī)范法規(guī)的要求，包括主體的型式和尺度以及樁腿的型式、數(shù)量、尺度、間距等，見表2。

3.4 穩(wěn)性

經(jīng)計算分析，自升式LNG生產(chǎn)平臺漂浮狀態(tài)下各工況的完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性均能滿足規(guī)范要求。

表2 主要尺度

站立狀態(tài)下的總體性能分析(包括樁腿強度、平臺抗傾覆穩(wěn)性及鎖緊裝置能力)是平臺作業(yè)的重要基礎。在方案設計中，通過盡可能加大樁腿間距，合理布置受風部件盡量減少各工況下的受風面積，合理分配各部分重量重心使整個平臺的重心盡可能位于4條樁腿中心圍成的四邊形的對角線交點處等方法，使平臺在各工況下的樁腿強度，抗滑、抗傾穩(wěn)性均能滿足規(guī)范對固定平臺的相關要求。

3.5 工藝處理模塊

天然氣液化為LNG的主工藝流程包括：天然氣計量及穩(wěn)壓、天然氣凈化、天然氣液化、及冷劑制冷壓縮。

工藝處理模塊應滿足現(xiàn)行標準及規(guī)范、規(guī)則的要求，適合在海上高鹽霧、高濕度、高溫差的環(huán)境里生產(chǎn)。具有抵抗100 a一遇臺風能力。具有小型化、模塊化、分散化的特性，適合在有限的甲板空間內布置。

3.6 貨物艙壓控制

由于采用的是薄膜型液艙，考慮不受動載荷影響，設計壓力為0.04 MPa(G)，目前最高設計壓力可以達到0.07 MPa(G)。根據(jù)計算分析，當設計BOR為0.24%,設計壓力為0.04 MPa(G)，方案中LNG液艙的蓄壓能力在97%的裝載率下，約可以維持約9 d，艙壓大概上升30 kPa。因此如果停產(chǎn)時間能控制在一周內，薄膜型液艙可以保證沒有超壓。如停產(chǎn)時間超過一周有超壓產(chǎn)生，可考慮采用冷排放。

3.7 LNG貨物外輸

LNG 卸載輸送是自升式LNG生產(chǎn)平臺的重點和難點之一，也是項目開發(fā)中需要慎重決策的部分。本平臺作業(yè)于東海海域，海況條件比較惡劣，經(jīng)綜合比較目前FPSO、FLNG的各種外輸方式，本方案LNG貨物外輸采用串靠外輸?shù)姆绞健＜矗浩〉蜏剀浌?LNG運輸船(具有DP能力)。采用串聯(lián)卸貨方式可在較為惡略的海況條件下進行卸貨作業(yè)，極限平均波高可達4.5 m[4]。

根據(jù)作業(yè)海域風浪流的方向特征，其主要方向集中在南北兩個方向，為了便于利用風標效應使LNG運輸船位于安全船位，需要在兩個方向都具有外輸能力。為此，在平臺兩舷分別布置輸送軟管絞車，滿足在絕大多數(shù)的情況下實現(xiàn)下風側安全外輸，自升式LNG生產(chǎn)平臺采用雙外輸點方案。

每套LNG外輸系統(tǒng)由軟管絞車、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等組成，具有軟管收放、排管、靜態(tài)制動、管系吹掃、安全保護(應急釋放等)等功能。

外輸系統(tǒng)通過軟管絞車司機室操作臺進行本地操作，同時預留通信接口，以便中控系統(tǒng)對外輸系統(tǒng)進行監(jiān)測和控制。

4 結論

綜合上述，對于離岸較遠，數(shù)量較多，相對分散的邊際氣田采用自升式LNG生產(chǎn)平臺方案能夠實現(xiàn)邊際氣田的滾動開發(fā)。該平臺在壽命期內可重復使用，操作方便靈活，工藝系統(tǒng)模塊化便于升級改造，可有效降低邊小氣田的開發(fā)成本，提高項目的經(jīng)濟可行性。

此外，國內自升式平臺建造技術成熟，設備國產(chǎn)化率在不斷提高，使平臺建造周期、質量和投資都能得到有效保障。

自升式LNG生產(chǎn)平臺方案目前尚處于研究階段，作為邊際氣田開發(fā)的一種創(chuàng)新模式，后期將著重針對井口支撐、樁基礎、外輸系統(tǒng)及LNG工藝方面進行深入研究。該方案具有在類似氣田開發(fā)中進行推廣和應用的意義。