南海中等水深邊際油田浮式生產儲油裝置設計方案

，，，，，

(1.中海油能源發展采油服務公司，天津 300452；2.中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

南海近30年來相繼勘探發現了數十個小型油田，這些油田由于水深、儲量規模小、采出率低、距離已有設施遠，常規工程方案開發都沒有經濟效益。國內有學者考慮從避免使用單點系泊降低投資的角度研究八角形和圓筒形FPSO及FDPSO[1-8]，但這些裝備規模偏大，不足以支撐邊際油田的開發，國外有類似圓筒形FPSO的應用案例[9-10]，但涉及到專利費，在中國海域的推廣有一定難度。為此，借鑒國內外類似方案，根據邊際油田的產量，縮減規模，簡化配置，應用國產化設備，提出多邊形FPSO方案。

1 設計基礎

作業海域為中國南海，水深330 m，百年一遇季風為作業條件，百年一遇臺風為生存條件。

開發裝備能夠重復利用，生產設施處理能力的覆蓋范圍要廣，綜合考慮南海的中質油和稠油特性，暫不考慮H2S、CO2問題，并且需要預留工藝處理區，以適應將來的生產擴容及改造。

FPSO設計處理規模按南海某油田5口井配產1.1倍設計，處理能力分別為：最大液處理能力16 800 m3/d，最大水處理能力16 050 m3/d，最大油處理能力2 533 m3/d。其他主要設計參數為：定員60人，設計壽命25年，自持力30 d，入級CCS，10年不進塢維修，外輸周期14 d。

排放指標為：原油含水率不大于0.5%；含油量不大于45 mg/L。

表1 環境條件

2 開發方案選型

針對邊際油田的有效開發，裝備需要小型化，根據目前適合南海100～400 m水深的裝備研究和應用情況，結合國內外類似案例，提出了4型開發裝備，見表2。經過各方面比較，最終選擇多邊形FPSO作為深入研究的方案。其開發示意圖見圖1，多邊形FPSO采用水下井口，電潛泵采油，多點系泊定位，串靠外輸卸油。

3 多邊形FPSO總體方案

3.1 船型及功能定位

采用多邊形FPSO，柱型筒體、底部阻尼板和上部外飄結構，貨油艙區為雙舷側、雙底，多點系泊定位。生活樓、直升機甲板、卸油設備、火炬塔、主電站、配電設備、公用系統和工藝處理設備位于上甲板上方的工藝甲板上。

表2 深水邊際油田浮式裝備特點

多邊形FPSO是一個帶電站和油氣水處理系統的浮式生產系統，帶有60人生活樓，具有發電、生產和生活支持、油氣水處理、儲油和外輸功能，可為水下生產系統提供電力和控制。圖2為多邊形FPSO主視圖。

3.2 主尺度及艙容

關于多邊形FPSO邊數的選取，考慮八角形已有專利保護，邊數進一步減少將損失排水量，需要增加尺度滿足重量需求，導致鋼料增加，系泊系統配置增大，經濟性不利。過多的邊數將導致徑向艙壁數量增加，液艙增多，管系復雜，同樣不利于成本控制，結合FPSO分艙布置確定采用十邊形方案。世界范圍內惡劣海況下應用的類似圓筒形FPSO最小直徑60 m，如果尺度再小則甲板面布置困難，且隨著主尺度降低，垂蕩固有周期減小。為使其固有周期避開波浪能量集中范圍，經過計算優選，最終確定主尺度和艙容見表3。

表3 十邊形FPSO主尺度與艙容

3.3 總布置

方案布置特點為：①貨油壓載泵采用泵艙泵型式，筒體中心為機泵艙區；②貨油艙通過舷側壓載艙，雙層底壓載艙保護，滿足MARPOL要求；③依據破艙穩性要求確定貨油艙數量和壓載艙連通，降低系統成本；④依據運動性能和穩性優化阻尼板設計，提升作業能力；⑤系泊系統采用多點系泊設計，分3組，每組3根系泊纜；⑥立管區域布置在壓載艙，接口在主甲板；⑦主甲板外圍和工藝甲板之間有向外延伸的防浪墻，而且在主甲板圓周處，接近防浪墻附近還有擋板，可有效地保護區域內的設備及管纜等不受到海水侵蝕；⑧FPSO使用串靠卸油方式，采用2套滾筒裝置回收輸油軟管；⑨在工藝生產區，為盡可能減少危險源對生活區域的影響，火炬塔需位于下風口，延伸于舷側之外，做到離生活區最遠。

根據上述原則，確定工藝甲板布置見圖3。危險區，包含油/水處理、火炬臂、井控、清管；模塊和模塊之間安全通道3 m以上用于管纜之間的布置和連接；安全區，布置生活樓，直升機平臺；中間區布置電站、熱站、公用系統及配電裝置；2臺300 kN吊機對稱布置；2個外輸延伸平臺，根據南海環境布置2套外輸裝置。主甲板上的設備主要有錨機及其液壓泵站附屬系統，立管、動態電纜、臍帶纜,淡水艙，飲用水艙，應急發電機室，甲板泡沫間，生活設備艙，閉排，管纜，等，見圖4。

3.4 裝載和穩性

完整穩性遵循IS CODE(2008)，考慮了8種裝載工況，多邊形FPSO拖航吃水7 m，在位作業吃水11.5～16.5 m，最小初穩性高3.0 m，滿足規范要求。

破艙穩性遵循MARPOL73/78規則，沿船長范圍1艙破損，由于在深水區，不考慮底部破損。考慮了滿載、50%裝載、對艙裝載、隔艙裝載、檢修工況、壓載、拖航，共7種裝載狀態，最終均滿足規范要求。穩性計算見表4。

3.5 運動性能

考慮滿載、壓載及拖航工況，包含生產作業與風暴自存，采用SESAM軟件進行水動力計算(見表5、6)。結果表明，生存滿足15%水深立管位移要求，作業滿足設備橫搖10°的要求。

表4 裝載穩性計算

表5 滿載、壓載穩性計算

表6 拖航穩性計算

3.6 系泊系統

張緊式采用聚酯纖維纜，重量輕，且錨泊線分布較短，投資低。另外，目前在役的圓筒形FPSO均采用錨鏈+聚酯纜+錨鏈形式的張緊式系泊，因此，采用張緊式系泊。

錨鏈采用無檔錨鏈，避免有檔錨鏈中的橫檔脫落導致強度大大降低的問題；合成纜一般采用聚酯纜，由于它的強度與重量之比遠大于傳統的鋼絲繩和錨鏈。通過調研，選擇FPSO的單根系泊纜為錨鏈(R4S無檔)+聚酯纜+錨鏈(R4S無檔)的組合方式。

綜合考慮成本和技術，該系泊系統采用9根錨纜，為3×3布置，如圖5和6所示。每一組內相鄰2根錨纜之間的夾角為5°，3組相互之間夾角為120°，沿順時針分別為1～9號錨纜，錨纜總長1 350 m，預張力3 122 kN。定位能力分析考慮頂端和底端錨鏈的腐蝕，腐蝕量為0.4 mm/a，服役時間為30 a，腐蝕總量為12 mm，系泊纜具體參數見表7。

表7 系泊纜配置

表8 系泊分析結果

表8為系泊分析。由表8可見：完整工況系泊力安全系數大于1.67；破斷工況系泊力安全系數大于1.25；聚酯纜運動中不碰海底；最大偏移滿足立管15%水深的運動限制要求。故系泊計算滿足規范和立管參數限制要求。

3.7 管纜方案

本方案共2根7 in立管，5根3 kV動態電纜，1根0.6-1.0 kV的臍帶纜?？紤]立管、臍帶纜和電纜的受力及安全要求[10]，管纜區域布置在壓載艙，由剛性管道組成導向立管，從主船體最下端延生到主甲板，海管海纜自下而上貫穿在剛性立管中，柔性立管在主甲板管纜區域與模塊的進口管匯系統相連，管匯區與周邊設置防爆墻，臍帶纜與主甲板上TUTA連接，電纜進入主甲板電纜接線箱。見圖7。

3.8 外輸方式

國外圓筒形FPSO方案中，外輸采用DP穿梭油船方式，由于中國海域目前還未有該卸油方式，且此方式投資較高，故目前未采用該方案。Hiload卸油方式在巴西試驗應用失敗，目前也不宜采用。在南海由于風浪大，旁靠方式風險高，系泊系統受力大，不是合適的選擇。圖8為南海風浪流玫瑰圖。

由圖8可見，南海主環境方向為東北、西南，環境方向規律性比較強，考慮到國內提油輪的現狀和投資的控制，目前階段考慮外輸方式為2點串靠卸油，見圖9。串靠方案，拖輪輔助定位，海況好則1個拖船，海況差則2個拖船輔助。

該方案借鑒國外艏裝載提油模式，能有效避免溢油風險，縮短油管長度，降低成本，是OCIMF推薦模式。有研究表明[11]，不配置艏側推的傳統提油船不適用于類似多邊形FPSO的浮體。目前，國內已有部分提油船安裝了艏側推。因此，艏側推+艏部接油的提油船串靠方案可行。

提油操作和應急程序：如圖10，系泊大纜單邊夾角小于30°為安全區域；30°～45°為調整區域，準備啟動拖輪限位；45°～60°為警戒區域；超過60°隨時準備撤離，在90°前完成停輸及解脫。

4 結論

南海深水邊際油田的開發需求推動了多邊形FPSO在南海中等水深海域的研究應用。目前該FPSO設計技術正處在研究階段，還沒有實際工程應用。分析認為，多邊形FPSO應用在南海海域，技術上是可行的，相比較半潛、圓筒形FPSO、船形FPSO，其投資更有優勢。后續將緊密結合生產方需求和國內設備廠家實際情況，優化方案，降低投資，盡快推動多邊形FPSO在南海深水邊際油田開發中的應用。

[1] 唐友剛，肖泥土，陳勃任，等.八角形FPSO與穿梭油輪串靠外輸中碰撞風險分析[J].海洋工程,2017,35(2):7-12.

[2] 陳勃任.八角形FPSO串靠外輸系統耦合動力響應分析[D].天津:天津大學,2015.

[3] 范模，王春升，張理，等.八角形浮式生產儲油裝置關鍵技術與應用探索[J].中國海上油氣,2008，20(3):195-198.

[4] 王世圣，趙晶瑞，謝彬，等.深水八角形FDPSO總體性能分析[J].船海工程,2014,43(3):183-189.

[5] 李達，范模.潛水八角形FPSO永久多點系泊系統研究[J].中國海上油氣,2012,24(4):66-70.

[6] 吳家鳴.不同類型移動式鉆井裝置作業與結構特點比較[J].船舶,2013,24(4):7-12.

[7] 曾冬，莫辛，李雄巖，等.修鉆井作業系統在圓筒形FPSO上的應用研究[J].海洋工程裝備與技術,2008,20(3):195-198.

[8] 薛洪志，張圓緣.圓筒形海洋平臺及張緊式系泊系統耦合水動力分析[J].船海工程,2015,44(增刊):189-192.

[9] 李亮，邵建文，李葳蕤.圓筒型FPSO船體結構布置[J].船海工程,2015,44(增刊):7-10.

[10] 王國棟，王春升，張明，等.適用于南海中等水深邊際油田開發的八角形FPSO上部模塊總體布置研究與探討[J].中國造船,2016,57(增刊1):41-42.

[11] 陸家尉，孫鋼，王浩明.圓筒形FWPSO在中國南海海域的適用性分析[J].中國造船,2016,57(增刊1):142-143.