淺析圓筒型FWPSO在中國南海的適用性

1、淺析圓筒形FWPSO在中國南海海域的適用性內(nèi)容概要：隨著能源市場需求的不斷增加，人們對深海石油的開采將不斷加強。同時海洋油氣的開采也在向環(huán)境更惡劣的深海發(fā)展，這就對海洋工程設(shè)備提出了更高安全性、低成本、靈活快速等特殊要求。圓筒形FWPSO集生產(chǎn)、儲油、外輸?shù)榷喙δ苡谝惑w，具有易搬遷、重復(fù)利用等特點，被稱為“流動的生產(chǎn)儲油平臺”。同時圓筒形FWPSO具有較強的抵御惡劣作業(yè)環(huán)境的能力，更加適合深海作業(yè)，具有廣闊的市場前景。目前國際上只有歐洲少數(shù)的幾個油公司針對北海部分邊際油田進行此項技術(shù)的開發(fā)工作，并在一定范圍內(nèi)投入了實際使用。而國內(nèi)在此項海洋工程技術(shù)上的研究及應(yīng)用尚處于初始階段。本文結(jié)合中國南海

2、海域油氣開發(fā)的復(fù)雜情況，針對圓筒形FWPSO的設(shè)計、建造和安裝以及有針對性的外輸模式等方面展開研究，探討此項技術(shù)在中國南海海域的可行性。為打破此項國外技術(shù)壟斷，形成具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的FWPSO打下基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：圓筒形FWPSO 中國南海 可行性 外輸模式 一 引言 本文基于對中國南海流花油田的開發(fā)，總結(jié)流花油田的環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合整理和分析南中國海多條FPSO提油作業(yè)有關(guān)的環(huán)境參數(shù)、作業(yè)數(shù)據(jù)、及經(jīng)驗和教訓(xùn)，圍繞圓筒形FWPSO外輸?shù)目傮w設(shè)計和風險分析，通過模擬外輸過程和模型試驗研究，分析外輸?shù)目尚行院涂煽啃?。擬定適合中國南海的圓筒形FWPSO原油外輸?shù)某醪椒桨?，為其它深水油氣田及邊際油田的

3、開發(fā)提供一種嶄新的、更為經(jīng)濟與安全可靠的外輸提油工程方案和技術(shù)儲備。二 國外圓筒形FWPSO發(fā)展現(xiàn)狀與外輸應(yīng)用圓筒形的FPSO與船型的FPSO相比，在相同儲油量的情況下，具有更大的水線面面積，提高了穩(wěn)定性和工作甲板的承載能力。對稱形狀的浮體，結(jié)構(gòu)簡潔，建造工藝比船型FPSO簡單，適合模塊化的設(shè)計和建造，成本低，周期短。圓筒形的設(shè)計消除了艏搖激勵，也使浮體水下部分水動力完全相同，不僅適用于淺海，而且在深海復(fù)雜的環(huán)境條件下更加凸顯出其優(yōu)越性。目前，圓筒形FWPSO在歐洲北海海域被廣泛使用，其中圓筒形WIDP FPSO服役于英國北海的四個油田，分別是 Lewis， Harris， Uist 和 Ba

4、rra，其在適用性和流動性方面的優(yōu)勢可見一斑，挪威和巴西的圓筒形FWPSO已經(jīng)建造投產(chǎn)多年，保持了良好的安全生產(chǎn)、安全外輸記錄。在原油外輸模式方面，根據(jù)考察，國外圓筒形FWPSO外輸采用DP提油輪操作模式，在整個作業(yè)過程中，具體操作步驟如下：1）DP提油輪按照既定的航線設(shè)計，合理控制船速，慢慢接近FPSO的艉部。DP提油輪靠近至FPSO艉部后，通過高空拋纜設(shè)備，牽引系泊大纜從FPSO至提油輪并連接。 2）DP提油輪從FPSO處牽引外輸油管至提油輪的艏裝載系統(tǒng)，并連接。 3）開始正常外輸作業(yè)，依靠動力定位系統(tǒng)調(diào)整和穩(wěn)定船位，保持安全距離。4）外輸結(jié)束，拆管、解纜離開。DP提油輪的關(guān)鍵設(shè)備有艏裝載

5、系統(tǒng)、艏側(cè)推、艉側(cè)推、定位軟件和動力定位系統(tǒng)。三 圓筒形FWPSO在中國南海海域的適用性論證1 圓筒形FWPSO采用傳統(tǒng)船型FPSO外輸模式的風險及不適用性 傳統(tǒng)FPSO外輸模式主要通過FPSO及提油輪的風標效應(yīng)來完成系泊作業(yè)，以下結(jié)合南海具有代表性的兩個終端的提油靠泊實例來做說明：1.1 靠泊在夏季弱風弱流的狀態(tài)下，風流對船舶的作用力方向常常變化不定，會造成FPSO艏向的大幅變動。下圖1.2.1所示提油案例為惠州油田2015年8月17日的靠泊過程，從10:10至10:53，F(xiàn)PSO南海發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)動幅度接近90°。圖1.2.1 FPSO單邊擺動狀態(tài)在FPSO艏向單邊偏轉(zhuǎn)時，該風流的作用力

6、同時也對提油輪的正?？坎串a(chǎn)生側(cè)面推力，將使提油輪沿A-B-C-D的偏轉(zhuǎn)方向逐漸對準風流合力方向，最終可以與FPSO成合理的安全角度順利靠泊。（如圖1.2.2）圖 1.2.2番禺油田外輸靠泊實例：FPSO左右擺動在風流作用下，F(xiàn)PSO艏向會產(chǎn)生大幅擺動，該風流的作用力同時也對提油輪的正常靠泊產(chǎn)生側(cè)面推力，將使提油輪沿A-B-C-A-B-C的偏轉(zhuǎn)方向逐漸對準風流合力方向，最終可以與FPSO成合理的安全角度順利靠泊。（如圖 1.2.4）圖1.2.4 FPSO左右擺動通過上述兩種靠泊情況的分析，圓筒形FWPSO因為其位置相對穩(wěn)定，不隨風流影響轉(zhuǎn)動，延誤操縱時機，系泊船長需要額外的輔助設(shè)備來克服外界風流

7、影響以穩(wěn)定自身船位，達到安全和高效靠泊目的。所以不配備艏側(cè)推的傳統(tǒng)提油輪不適用于圓筒形FWPSO。1.2 接管在傳統(tǒng)外輸模式下，提油輪在靠泊前，輔助拖輪需提前將外輸軟管傳送至FPSO左前端進行固定準備，待提油輪系泊結(jié)束后再將外輸軟管從FPSO前端卸下傳送至提油輪船舯進行接管作業(yè)。風浪較大時，在外輸軟管傳遞過程中會出現(xiàn)拖輪上下顛簸，甚至擦碰提油輪的危險，而提油輪在利用船吊接油管時也會出現(xiàn)很大的困難。如圖（1.2.5 1.2.6） 圖 1.2.5 圖 1.2.61）圓筒形FWPSO如果也采用此種作業(yè)模式，首先因為圓筒形的設(shè)計，在拖輪準備外輸軟管時，使之在其結(jié)構(gòu)上沒有合適的懸掛固定位置（如圖 1.2

8、.7）；又因為圓筒形FWPSO在其筒體周圍布置多組系泊錨鏈，在外輸軟管準備時，如果外輸軟管繞圓筒FWPSO筒體臨時固定，錨鏈對軟管在風浪作用下可形成持續(xù)性擦碰，及易導(dǎo)致軟管磨損破壞。圖 1.2.82）傳統(tǒng)船舯接管模式正常外輸時，由于油管海面長度較長，在大風浪天氣影響下，油管會出現(xiàn)擦碰提油輪球鼻艏的現(xiàn)象，容易造成油管損壞（如圖 1.2.9）圖 1.2.93） 在傳統(tǒng)船舯接管模式中，由于海面風浪變化，在拖輪傳送油管的過程中，容易使油管在風浪流的作用下漂至拖輪和提油輪之間，影響油管傳送并容易使油管受擠壓而損壞油管。（如圖 1.2.10）圖 1.2.10傳統(tǒng)船舯接管模式的作業(yè)程序和存在的風險，不適用于

9、對作業(yè)安全和效率要求更高的圓筒形FWPSO。1.3 在泊下圖1.2.11為流花015船次外輸記錄，當天風力不大于5m/s, 風向無變化，風標效應(yīng)微弱，提油船系順時針從270°經(jīng)過010°最后轉(zhuǎn)到170°。如無拖輪協(xié)助，船型FPSO和提油輪在自由漂浮狀態(tài)下碰撞可能性極大。圖 1.2.11當采用圓筒形FWPSO時，提油輪同樣也會因風標效應(yīng)產(chǎn)生上述的大幅度偏轉(zhuǎn)而貼碰FWPSO。綜上幾個方面針對圓筒形FWPSO存在的風險及不確定性，適用于傳統(tǒng)船型FPSO的提油模式不適用于圓筒形FPSO的提油。2 適用于圓筒形FWPSO的外輸模式的研究論證根據(jù)對中國南海海域多年氣候特點的分

10、析，以及杉葉公司二十多年來提油、拖尾海上作業(yè)項目的經(jīng)驗數(shù)據(jù)總結(jié)，配合圓筒形FWPSO在設(shè)計構(gòu)造以及外輸方面的特點，主要從以下幾個方面進行論證：2.1 氣象資料1）風流資料：以下氣象資料主要參考流花16-2油田/流花11-1油田調(diào)整聯(lián)合開發(fā)前期研究（ODP階段）中海油研究總院相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的風向和浪向均為來向，流向為去向。從數(shù)據(jù)中可以得知，流花海域主風向為NE, 次主風向為SSW，海域主流向為W，主浪向為NE。綜合分析風浪流的合力效應(yīng)，若在該海域使用圓筒形FWPSO，則一年中該海域大部分的風流合力主要作用在圓筒形FWPSO的東北側(cè)和西南側(cè)。風浪流年度分布參見以下各玫瑰圖：（圖3.1.1、

11、3.1.2、3.1.3） 圖3.1.1 風玫瑰 (年) 圖3.1.2 波浪玫瑰 (年) 圖3.1.3 表層流玫瑰 (年)2）南海內(nèi)波流：內(nèi)波流是南海特有的海面現(xiàn)象，俗稱亂流。南海內(nèi)波流具有流速快，帶波浪，突發(fā)性強的特點。當船舶遭遇內(nèi)波流的時候，會造成船舶運動的劇烈變化，給海上作業(yè)造成設(shè)備性損壞。根據(jù)統(tǒng)計資料，在中國南海海域，內(nèi)波流的運行軌跡一般為東南向西北（圖 3.1.4）。當船舶遭遇內(nèi)波流的姿態(tài)不同時，風險也不同。 圖 3.1.4當提油輪艏向為西北時，內(nèi)波流從提油輪艉部過來，造成整個船系船速變化快，提油輪前沖后退位移量大。當提油輪前沖時，有碰撞FPSO危險；當提油輪后退時，大纜的瞬間張力大，

12、有崩斷系泊大纜的危險；（見圖3.1.5、3.1.6） 圖 3.1.5 圖 3.1.6當提油輪艏向?qū)χ鴸|南，內(nèi)波流從提油輪前側(cè)部過來（此種風險稍大）：船速變化相對小，大纜的瞬間也相對可控；提油輪無超越FPSO情況發(fā)生，無碰撞危險；（圖 3.1.7）圖 3.1.7當南海內(nèi)波流從船舶兩舷正橫方向過來時，船舶容易左右偏蕩，但無相互碰撞危險，系泊大纜的張力也可控，是遭遇內(nèi)波流時候最有利的局面因此根據(jù)南海氣象資料和南海特有內(nèi)波流的特點，在采用圓筒形FWPSO時，可在在圓筒形FPSO的西南和東北側(cè)設(shè)置系泊點，以有利于靠泊、在泊和抵抗內(nèi)波流。（如圖 3.1.8）圖 3.1.82.2 外輸軟管的布置要求及艏裝載

13、系統(tǒng)由于圓筒形FWPSO無法做到將300多米長的外輸油管懸掛在四周，以騰挪出足夠空間給提油輪靠泊，所以必須縮短油管，并采取用牽引方式將油管從FPSO側(cè)傳遞到提油輪側(cè)。鑒于此，可以考慮在提油輪船首配備國外圓筒形FWPSO提油模式中的艏裝載系統(tǒng)。如圖（3.2.1 3.2.2）艏裝載系統(tǒng)是圓筒形FWPSO的外輸基本要求，其能有效避免溢油風險，大幅降低油管成本，是OCIMF的推薦操作模式，也能被廣大油運公司接受。該系統(tǒng)在外輸期間可以有效避免油管跟FPSO和提油輪的摩擦傷害，消除了拖輪轉(zhuǎn)運油管所帶來的風險；同時減少了甲板占用面積，可為其他設(shè)備的安裝節(jié)約空間。 圖 3.2.1 圖 3.2.2 2.3 艏側(cè)

14、推和船尾雙拖輪的運用 在國外圓筒形FWPSO外輸模式中，為保證外輸作業(yè)的安全與效率，其廣泛采用了DP提油輪，但針對國內(nèi)目前使用DP提油輪的現(xiàn)狀以及DP提油輪昂貴的造價，這里可考慮在提油輪船首加裝艏側(cè)推，在外輸過程中使用兩條拖輪拖艉來替代DP提油輪的穩(wěn)定船身作用。目前已有部分提油輪安裝艏側(cè)推，艏側(cè)推裝置極大提高海上外輸安全性，減小在惡劣天氣下的大纜瞬間張力，減低與FPSO的碰撞風險。還能輔助提油輪碼頭靠泊，降低港口拖輪使費。該功能和DP提油輪的艏部側(cè)推相當。雙拖輪拖艉可有效取代DP功能中的艉側(cè)推功能，且為兩個獨立動力源，功能更可靠，安全性更高。相比船型FPSO的兩條拖輪提油模式，成本未增加。通過

15、近幾年來南海其它油田的艏向控制作業(yè)，尤其是杉葉公司番禺油田的長時間在線換錨鏈作業(yè)，證明了用雙拖輪拖艉來控制十萬噸級的船舶是完全可行的。 2.4 監(jiān)控系統(tǒng) 針對DP系統(tǒng)中的定位軟件，杉葉公司的提油監(jiān)控AIS（國際海事組織強制使用的船舶自動識別系統(tǒng)）軟件和可開發(fā)的DGPS定位監(jiān)控軟件（番禺艉拖時使用過），作業(yè)原理互不相同，相互替代，可使其應(yīng)用于圓筒形FWPSO的外輸作業(yè)。3 論證下的外輸模式作業(yè)步驟論證外輸模式下冬季和夏季的靠泊步驟：1） 冬季東北季風影響下靠泊過程：圖3.6.1：在靠泊的過程中提油輪從圓筒形FWPSO的西南方向接近，提油輪在距離圓筒形FWPSO 1海里左右?guī)Ш梦餐?，另一條拖輪則拉

16、住大纜引繩在FWPSO附近等待提油輪靠近圖3.6.2：待提油輪接近到FWPSO約250米時，待命拖輪則通過火箭槍將大纜引繩傳送給提油輪 圖3.6.1圖3.6.2圖3.6.3：在提油輪接到大纜引繩之后，將引繩與船頭絞纜機連接，然后慢慢將大纜絞上提油輪直到帶妥。待命拖輪在附近守護，不需要參加輸送油管過程圖3.6.4：待提油輪大纜帶妥之后，F(xiàn)WPSO將油管引繩傳送給提油輪，連接好油管。此油管連接過程較目前安全性大大提高，應(yīng)急解脫過程也相對安全了許多。 圖3.6.3 圖3.6.42） 夏季西南風季節(jié)靠泊過程：夏季與冬季的靠泊有兩點不同之處第一點：由圖3.6.5可見提油輪在距離FWPSO約1海里處帶好尾

17、拖之后從東北方向慢慢接近FWPSO夏季外輸點。第二點：由圖3.6.7可見，由于圓筒形FWPSO外輸點固定，風標效應(yīng)弱，拖輪在傳送好引繩之后，繼續(xù)到提油輪尾部并帶好拖纜,如圖3.6.8。 圖3.6.5 圖3.6.6 圖3.6.7 圖3.6.84 論證下可用于圓筒形FWPSO的外輸模式的理論和模擬驗證 上述第2節(jié)研究的外輸模式分別經(jīng)過了DNV的理論計算和荷蘭MARIN的模擬實驗，理論及實驗結(jié)果如下：DNV計算結(jié)果：1）DNV靜態(tài)計算結(jié)論：圖4.1.1靜態(tài)計算認為，在風速10m/s浪高2.4米時，正橫方向來風、流和涌，提油輪可保持安全船位，外輸無風險。2）DNV動態(tài)計算：The feasibilit

18、y analyses show that offloading from a cylindrical FWPSO is feasible taken the stated system into account. However, the used hawser or the environmental conditions for operation should be reevaluated to assure that the safety requirements are complied with.Tunnel thrusters could also be considered t

19、o reduce the mean hawser tension, or more important the hawser angle. For the critical transverse load cases, this will reduce the tanker motion in line with the hawser. This may beneficially affect the extreme tension response動態(tài)計算認為，在風速10m/s浪高2.4米時，正橫方向來風、流和涌，提油輪可保持安全船位，但可能出現(xiàn)的最大大纜張力為239噸（各種最不利峰值累加，概率極?。?。DNV建議在改用SWL更大的外輸大纜或降低環(huán)境條件的情況下