楊秘,余俊雄,李海濤,侯嘉民
(中海石油(中國)有限公司 曹妃甸作業(yè)公司,天津 300459)
海上油田開發(fā)模式中,較多設(shè)計采用單點系泊和FPSO集中進行油田群的油氣水處理,并使用油船串靠接收處理后的原油,進行輸運送。原油外輸配套設(shè)施能力和作業(yè)方式與油藏產(chǎn)能相關(guān)。隨油田的滾動開發(fā)建設(shè),油田的產(chǎn)能逐步升高,需要向外運送的原油量大幅增加,按原設(shè)計模式和每船次原油輸送量標準也導致作業(yè)頻次大幅上升,從而產(chǎn)生了占據(jù)較多配套船舶資源的問題;另外,存在因惡劣海況不能及時外輸,造成油田限產(chǎn)或關(guān)停的風險。為此,對原設(shè)計每船次外輸30萬桶提升到40萬桶的可行性進行分析。
海上原油外輸模式一般為,一艘船舶牽引提油船,提油船再通過纜繩連接FPSO,F(xiàn)PSO通過軟鋼臂連接到永久系泊裝置單點上。單點系泊系統(tǒng)需要承受原油外輸工作過程中3艘船舶的拉力,故在原油輸送作業(yè)時單點系泊系統(tǒng)受力及安全性一直是學者所關(guān)心的問題。
FPSO系泊系統(tǒng)包括:船首支撐結(jié)構(gòu)、錨鏈、水下軟剛臂、系泊轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)塔樁基礎(chǔ)等,見圖1。
圖1 海洋石油112系泊系統(tǒng)示意
軟剛臂是三角形框架結(jié)構(gòu),一端與系泊轉(zhuǎn)盤連接,另一端與船首支撐結(jié)構(gòu)相連。參數(shù)見表1。
表1 軟剛臂及系泊鏈參數(shù)
浮式儲油裝置FPSO主要參數(shù)見表2。
表2 FPSO主要參數(shù)
提油船滿載排水量61 000 t,外輸原油裝載量按30萬桶和40萬桶進行。主要參數(shù)見表3。
表3 提油船主要參數(shù)
FPSO與提油船之間的外輸大纜長80 m。(周長21 in,直徑170 mm,破斷力=5 600 kN)。外輸大纜拉伸剛度特性見表4。
表4 大纜拉伸剛度特性
對于軟剛臂系泊的系泊鏈,根據(jù)DNV-OS-E301-Position Mooring采用分項系數(shù)法進行設(shè)計和校核。根據(jù)設(shè)計標準,系泊系統(tǒng)需對3種極限狀態(tài)進行分析。
1)最大極限狀態(tài)(ULS)。要求每根系泊纜都有足夠的強度能抵御極限環(huán)境條件產(chǎn)生的載荷。
2)偶然極限狀態(tài)(ALS)。系泊系統(tǒng)有足夠的能力抵御1根系泊纜失效、1部螺旋槳或者螺旋槳控制、動力系統(tǒng)由于未知原因失效的狀況。控制或者動力系統(tǒng)的失效可能導致多個螺旋槳無法工作。
3)疲勞極限狀態(tài)(FLS)。單根系泊鏈有足夠的能力抵御循環(huán)載荷。
根據(jù)規(guī)范定義,系泊系統(tǒng)失效產(chǎn)生的后果可分為兩級,見表5。
表5 最大極限狀態(tài)的分析安全系數(shù)
Ⅰ級。系泊系統(tǒng)失效不太可能導致不可接受的后果,比如生命損失、與相鄰的海上設(shè)施發(fā)生碰撞、油氣不受控制的外泄、平臺傾覆或下沉等。
Ⅱ級。系泊系統(tǒng)失效可能會導致不可接受的后果,不可接受的后果,比如,生命損失、與相鄰的海上設(shè)施發(fā)生碰撞、油氣不受控制的外泄、平臺傾覆或下沉等。
在FPSO生產(chǎn)作業(yè)中有多根軟管和電纜連接到軟剛臂系統(tǒng)的系泊塔上,不允許發(fā)生系泊纜破斷的情況,因此設(shè)計標準為最大極限狀態(tài)(ULS),系泊系統(tǒng)失效后果為Ⅱ級,對應有:
--mean·--dyn·≥0
其中:為特征強度;-mean為特征平均張力;為特征動態(tài)張力(幅值);為平均張力分項安全系數(shù);為動態(tài)張力分項安全系數(shù)。
對于初始直徑為156 mm錨鏈,考慮10 mm的腐蝕量,系泊纜的最小破斷力為18 877 kN。
根據(jù)APL設(shè)計報告《SAL Yoke system-Mooring system Design analysis》和《Model test reports of SAL Yoke system for CFD11 FPSO》水池實驗報告,單點系泊系統(tǒng)設(shè)計限制條件是100RP設(shè)計海況,而外輸校核工況則選取1RP作業(yè)海況進行單點系泊力可行性校核評估,100RP設(shè)計極限值為7 550 kN,校核設(shè)計輸入?yún)?shù)及設(shè)計條件見表6。
表6 校核基本輸入?yún)?shù)
根據(jù)水池實驗結(jié)果,1年1遇環(huán)境條件下,波浪采用Jonswap譜模擬,風采用NPD風譜,流采用剖面流,并根據(jù)APL設(shè)計報告《Model Test Calibration analysis》,得到100年1遇極限設(shè)計工況設(shè)計極限值為7 550 kN。
2.1.1 系泊裝置模型試驗
FPSO工作水深24 m,為驗證水下軟剛臂系統(tǒng)在淺水中的性能,根據(jù)水池實驗室選取典型風浪流組合工況,計算結(jié)果見表7。
表7 模型實驗外輸操作工況計算海況
基于表7所示水池實驗計算結(jié)果,選取3種實驗結(jié)果偏大的典型外輸海況No.030227, No.030228, No.030230,作為單點系泊系統(tǒng)設(shè)計分析輸入海況。
2.1.2 數(shù)值模型分析模型
數(shù)字模型分析選取3種實驗結(jié)果偏大的典型外輸海況No.030227,No.030228, No.030230,作為本次單點系泊系統(tǒng)設(shè)計應性分析輸入海況。通過采用HydrostarV8.10進行水動力計算以及海洋工程時域動力分析軟件Orcaflex10.3d進行系泊力計算。
2.1.3 系泊力分析結(jié)果
考慮拖船提供200 kN的平均拉力,且浮式儲油裝置、提油船及拖船三者共線,根據(jù)1年1遇操作工況,在Orcaflex10.3d中分別對原30萬桶外輸及擴大外輸新增到40萬桶外輸,對浮式儲油裝置從滿載到壓載,以及提油輪從壓載到40萬桶裝載量進行校核,浮式儲油裝置壓載狀態(tài),提油船近滿載狀態(tài)時,單點系泊系統(tǒng)受力最大。水池實驗室選取典型風浪流組合工況,2種外輸裝載方式計算結(jié)果見表8。
表8 系泊力校核表
單點系泊力及提油船大纜拉力與提油船裝載量成正相關(guān),在原有典型設(shè)計工況及假設(shè)條件初步校核下,原油外輸量由30萬桶增大到40萬桶,一年一遇海況輸入條件下,系泊力增加3%左右,日常典型外輸工況下系泊力增大1%左右,大纜拉力增大5%左右;按照原設(shè)計及一年一遇設(shè)計工況,單點系泊受力及大纜拉力均有所增加,單點系泊受力達到最大值47 108 kN,未超過百年一遇設(shè)計極限值。單點系泊系統(tǒng)滿足每船次輸油量增加的能力要求。
根據(jù)大纜絞車技術(shù)規(guī)格書參數(shù):設(shè)計負荷5 700 kN,拉力計范圍0~5 700 kN。大纜尺寸21 in(周長),材質(zhì)尼龍,外包橡膠,長度80 m,破斷力7 688 kN,破斷試驗8 304 kN。從上述參數(shù)可以看出,大纜的破斷力遠大于大纜絞車設(shè)計載荷。結(jié)合油田歷史外輸30萬桶外輸工況作業(yè)下大纜最大拉力4 488 kN(歷史外輸大纜拉力記錄),按原設(shè)計建模及一年一遇設(shè)計工況校核下,增大到40萬桶的原油外輸工況下,在側(cè)向來風(45°入射),浪、流同向的典型組合工況下,大纜拉力計算均值的最大值達到789 kN,占設(shè)計極值(5 700 kN)的14%左右,未超過設(shè)計極限值,大纜滿足每船次輸油量增加的能力要求。
參照《外輸作業(yè)提油輪與拖輪協(xié)同作業(yè)指南》要求,串靠外輸作業(yè)時至少配備2艘能夠互為備用的守護船,協(xié)助提油輪系泊、裝載、離泊作業(yè)。每艘拖輪的系柱拖力不少于700 kN,主機功率不小于4 440 kW;若提油船載重量超過8萬t,應根據(jù)海區(qū)特點和作業(yè)環(huán)境進行風險評估后,決定是否選用更大功率的拖船。
油田外輸作業(yè)主要采用6萬~8萬t級提油船進行外輸,可裝載原油量均高于40萬桶。負責協(xié)助外輸作業(yè)的2艘守護船配置主要參數(shù)為:主機功率分別為4 740 kW和5 030 kW,系柱拉力分別為780 kN和810 kN。守護船主拖纜和索節(jié)澆筑接頭均有檢驗何在有效期內(nèi),安全工作負荷分別為1 900 kN和2 130 kN;連接守護船主拖纜及提油船的船用纖維繩均有檢驗且在有效期內(nèi),均滿足拉力1 000 kN。2艘守護船的系柱拉力約為800 kN,拖船尾拖帶系統(tǒng)規(guī)格不小于800 kN,可滿足每船次輸油量增加的能力要求。
油田儲油裝置外輸作業(yè)提效前能力:貨油艙合計8個艙室,其中1個貨油艙作為艙底水轉(zhuǎn)駁及應急狀態(tài)下使用,正常狀態(tài)下7個艙室裝載能力8.4萬m,按日產(chǎn)9 000 m、原油外輸每船次40萬桶進行核算,原油艙室裝載緩沖能力僅為2.6 d,存在惡劣海況等因素造成未能及時外輸油田被迫限產(chǎn)或關(guān)停的風險,需要調(diào)整增加原油裝載能力。
油田采取措施控制污水量以及完成艙室維護,再釋放出2個艙室用于增加原油裝載能力,根據(jù)裝載手冊核算增加原油裝載量約2.4萬m,合計原油裝載能力10.8萬m,按日產(chǎn)9 000 m、原油外輸每船次38萬桶進行核算,原油艙室裝載緩沖能力提升到4.9 d,基本滿足應對惡劣海況的裝載緩沖周期需求,從而滿足每船次輸油量增加的能力要求。
由每船次外輸30萬桶提升到40萬桶,經(jīng)建立典型外輸海況和數(shù)字模型計算結(jié)果表明,單點系泊、系泊大纜拉力遠低于設(shè)計極限值,F(xiàn)PSO裝載能力及值守船拖帶能力均可滿足。油田現(xiàn)場開展由30萬桶逐步增大到40萬桶的應用實驗,較好解決了現(xiàn)場作業(yè)有可能存在的影響,降低了外輸作業(yè)頻率30%、延長作業(yè)周期、減少外輸作業(yè)的船舶資源占用和不及時外輸作業(yè)關(guān)停的風險??蔀轭愃朴吞镒鳂I(yè)提供借鑒。