時光志,夏華波,黃國良,王司祺,吳昊
(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)
中國海域環(huán)境惡劣,目前投產(chǎn)的FPSO均為船形,多采用具風(fēng)標效應(yīng)的單點系泊式尾部輸油方式,關(guān)于系泊式外輸方式,已有的報道[1-6]未見涉及類似無風(fēng)標效應(yīng)FPSO的外輸方案比選、外輸方式配置、大纜張力及偏移角計算、外輸操作模式及其可靠性分析。本文提出基于多點系泊方式的多邊形FPSO兩點外輸方式,論證其外輸方案可行性。
采用多邊形FPSO,儲油量約3萬~5萬t,5口水下井口開發(fā),電潛泵開采,由于浮體各向同性,采用張緊式多點系泊方式定位,動態(tài)電纜、臍帶纜及柔性立管從浮體底部穿入,通過舷側(cè)艙室,在主甲板穿出,接至管匯。多邊形FPSO在作業(yè)海域永久系泊,臺風(fēng)不解脫。作業(yè)于南海深水海域,約為330 m,環(huán)境條件極為惡劣。主船體外徑為62 m,主甲板處外徑為68 m,模塊甲板處外徑為72 m,阻尼板處外徑為82 m,主甲板處型深28 m,工藝甲板處型深32m,設(shè)計吃水和壓載吃水分別為16.2 m與11.5 m。采用10邊的多邊形,5對貨油艙艙容為40 577 m3,壓載水33 327 m3。
圖1 多邊形FPSO總體方案示意
該多邊型FPSO不同于船形FPSO具有風(fēng)標效應(yīng),不能采用傳統(tǒng)在艉部設(shè)置一套外輸?shù)姆桨?。初步考慮以下3種外輸卸油方案。
1)常規(guī)DP油船卸油方案,應(yīng)用于北海和巴西,適用于多點系泊,見圖2。
圖2 DP穿梭油船外輸方式
2)HILOAD定位卸油,增加1套裝置,常規(guī)卸油船在多點系泊FPSO位置的卸油(巴西進行了試驗應(yīng)用),見圖3。
圖3 Hiload外輸方式
3)常規(guī)油船(加裝艏側(cè)推、艏裝載)加拖船輔助定位。
國內(nèi)暫無DP油船,Hiload方式在巴西工程示范應(yīng)用未取得理想效果,技術(shù)成熟性有待提高,故考慮采用常規(guī)油船方案。中國南海常年風(fēng)向分別為夏季西南風(fēng)與冬季東北風(fēng),最大利用風(fēng)標效應(yīng),在多邊形FPSO的東北和西南2個主環(huán)境方向上分別設(shè)1套外輸系統(tǒng),采用常規(guī)提油船,油船配艏側(cè)推、艏裝載和艉部拖船。
如圖4和圖5所示,多邊形FPSO采用兩點外輸方案,包含2個外輸平臺,2套外輸系統(tǒng),布置在工藝甲板,該層甲板依次為生活區(qū),電站、熱站及公用區(qū),油氣處理區(qū),水處理區(qū),包含預(yù)留區(qū)。多邊形FPSO是相對固定不隨風(fēng)浪流旋轉(zhuǎn)的,采用常規(guī)油船串靠外輸方式,提油船距離FPSO約100 m時,值守拖船從FPSO向油船傳送外輸系泊大纜及漂浮軟管,根據(jù)風(fēng)向選擇東北或西南外輸點,使提油船利用風(fēng)標盡量處于迎風(fēng)位置,根據(jù)作業(yè)天氣確定采用1艘或2艘拖船在提油船艉部輔助外輸操作。外輸?shù)某R?guī)油船配置艏側(cè)推、艏部裝載系統(tǒng)。
圖4 外輸方案示意
圖5 外輸方案布置
1)雙外輸點設(shè)計。外輸時提油船視風(fēng)向系泊在兩點中的其中1個外輸點,使提油船具有風(fēng)標效應(yīng),雙外輸點核心理念是如何充分利用該風(fēng)標效應(yīng),確保其在安全的下風(fēng)側(cè)外輸作業(yè)。雙外輸方案使其外輸在多數(shù)情況下與船形FPSO一樣實現(xiàn)風(fēng)標作業(yè),夏季風(fēng)時在東北側(cè)外輸點作業(yè),冬季風(fēng)時在西南側(cè)外輸點作業(yè),基本能覆蓋南海外輸作業(yè)窗口,實現(xiàn)下風(fēng)側(cè)安全外輸。
2)艏部接油方式。中國海域FPSO外輸為船舯接油,方案采用油船艏部裝載,屬國內(nèi)首次擬應(yīng)用案例。外輸時,提油船停泊在距FPSO約100 m的下風(fēng)側(cè)待命,值守拖船完成FPSO與油船間系泊大纜和漂浮軟管的傳輸,系泊大纜和外輸軟管分別連接至油船艏部系泊設(shè)備及油船艏裝載系統(tǒng),實現(xiàn)艏部接油。與船舯接油相比,艏部接油有如下特點:艏部接油方式在國外應(yīng)用較普遍;可免去拖船從艏部到船舯傳輸軟管帶來的風(fēng)險;避免外輸時軟管與FPSO或提油船的碰撞;縮短軟管長度,減少約2/3軟管傳輸時間,節(jié)省軟管投資;艏裝載具備應(yīng)急解脫功能;是OCIMF的推薦操作模式,具有簡易、便捷、通用的優(yōu)點。
3)艏側(cè)推。提油船配置艏側(cè)推,具備以下特點:更加靈活可靠的操縱性,協(xié)助靠泊,提高靠泊成功率;停在泊期間能有效降低大纜瞬間張力,減少碰撞風(fēng)險;若油船受到較大的橫向力將發(fā)生艏向偏轉(zhuǎn)時,艏側(cè)推能夠抵消橫向作用,使油船盡量保持在較小的環(huán)境力艏向上;國內(nèi)帶艏側(cè)推的油船有8艘,其中一半在南海使用過;該功能和DP提油船的艏部側(cè)推相當,費用約30萬美元。
4)艉部拖船。當外輸大纜松弛或距FPSO較近時,利用艉部拖船進行拖拽定位,確保外輸?shù)暮侠斫嵌扰c安全距離。拖船兼具作業(yè)守護、大纜和軟管傳輸、輔助消防等功能。天氣良好時,采用1艘拖船系泊于提油船的艉部拖帶作業(yè),氣候條件較差時則采用2艘拖船系泊于提油船的艉部拖帶作業(yè)。弱風(fēng)標配置2艘拖船,則弱風(fēng)標效應(yīng)時,采用雙拖船拖艉,確保安全外輸,雙拖船為2個獨立動力源,功能可靠、冗余度高、安全性好;降低使用FPSO應(yīng)急解脫的幾率,減少FPSO回接油管和大纜的時間。
兩點外輸與傳統(tǒng)外輸在大纜配置、接管方式與難度、提油船靠泊難度與風(fēng)險等方面的對比見表1。
表1 2點外輸與傳統(tǒng)外輸提油作業(yè)外輸配置與作業(yè)難度比較
國外圓筒形FPSO提油方式為DP穿梭油船輸油,多邊形FPSO與國外圓筒形FPSO提油方式在外輸方案及設(shè)備配置方面的對比見表2。
表2 常規(guī)油船雙外輸點與DP外輸方案及設(shè)備配置對比
如圖6所示,風(fēng)浪流同向,從A~G方向來風(fēng)、流和浪進行計算,具體數(shù)值見表3~4。根據(jù)南海以往的外輸條件經(jīng)驗,確定多邊形FPSO外輸條件見表4。以惡劣環(huán)境時,1艘提油船正在提油作業(yè),2艘艉部拖船牽引為例進行分析,其中提油船為5萬t,拖船分別為3 000 t和6 000 t。
表3 外輸環(huán)境方向
表4 多邊形FPSO外輸操作條件
圖6 波浪方向示意
多邊形FPSO通過多點系泊固定在某海域,外輸時系泊大纜兩端分別連接FPSO和提油船,2艘艉部拖船在FPSO艉部拖拽,方向及夾角見圖7。
圖7 外輸作業(yè)布置示意
其中,系泊大纜及拖船的拖力見表5、6。
表5 系泊大纜及拖船參數(shù)限制 kN
系泊大纜單纜安全因子為大纜破斷負荷與最大設(shè)計張力的比值,根據(jù)BV船級社NR494規(guī)范要求,選定單纜安全因子為3,即大纜允許的破斷載荷為2 160 kN。根據(jù)南海的作業(yè)經(jīng)驗,拖船的系柱拖力利用率分別考慮90%,50%。見圖8、9,外輸大纜靜態(tài)下的計算結(jié)果解讀如下。
圖8 90%系柱拖力時外輸關(guān)系
1)該外輸方式在南海作業(yè),其靜態(tài)大纜張力滿足安全系數(shù)。
2)每個浪向均有可能達到大纜極限張力,故大纜張力與入射浪向角無關(guān)。
3)靜態(tài)大纜張力與風(fēng)浪相對夾角也無關(guān)。
4)靜態(tài)大纜張力與拖船角度有關(guān),如拖船A角度,拖船B角度,拖船A、B相對角。
5)最大靜態(tài)張力發(fā)生在拖船A與拖船B同向或近似同向時,隨著相對夾角增大而大纜張力減小。
表6 各船舶相對運動角度限制
為了進一步確認該外輸方式的安全可靠性,在荷蘭Marin水池進行模擬實操,模擬的船舶參數(shù)與計算假定一致,以測試本模式的可行性,結(jié)果見表7。
圖9 50%系柱拖力時外輸關(guān)系
表7 兩點外輸方案水池實操模擬結(jié)果
計算和水池試驗結(jié)果表明:①除4 m及以上大風(fēng)浪條件下,使用2條拖船和提油船主機、艏側(cè)推,在各種不利天氣條件下,大纜張力可控;②大纜夾角在強對流和亂流測試中偏大但可糾正;③大纜夾角在正橫風(fēng)速10 m/s條件下夾角過大,但該條件出現(xiàn)的概率為1.10%。因此,該方案在南海外輸,大纜拉力可控,船舶偏移角在合理范圍,外輸方案可行。
1)在南海應(yīng)用雙外輸點設(shè)計,能充分利用環(huán)境風(fēng)標特點,保證作業(yè)時率。
2)艏部接油設(shè)計,能縮短軟管長度,降低碰撞風(fēng)險,提高作業(yè)效率。
3)提油船配艏側(cè)推設(shè)計,能保證操作的靈活性和最小外輸大纜系泊力。
4)雙艉部拖船設(shè)計,能保障作業(yè)的可靠性和作業(yè)時率。配置雙外輸點、艏側(cè)推、艏部接油、雙艉部拖船方式的常規(guī)油船兩點外輸方案,系泊大纜張力和船舶偏移角都能控制在合理的作業(yè)范圍,能夠在南海進行無風(fēng)標外輸安全作業(yè)。這種基于多邊形FPSO的兩點外輸方案可為中國海上油氣開發(fā)提供一種新的外輸模式。