如何減小惡劣海況下FPSO船體晃動(dòng)對(duì)工藝流程的沖擊

李 強(qiáng)

（秦皇島32-6/渤中作業(yè)公司，天津 300450）

1 研究海上浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油輪（FPSO）船體晃動(dòng)的意義

1.1 研究FPSO船體晃動(dòng)對(duì)工藝流程沖擊的目的和意義

由井口平臺(tái)將原油采至地面，通過海管輸送到海上浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油輪（FPSO）進(jìn)行油氣水分離處理和外輸是海上最主要的油氣生產(chǎn)方式之一。FPSO的構(gòu)成較為復(fù)雜，它需要在不同水深中開展作業(yè)，需要適應(yīng)水下30～2 000 m的各類工況，因此要保證系統(tǒng)控制的效果始終處于最佳狀態(tài)，這也就需要保證將FPSO船體與單點(diǎn)系泊系統(tǒng)及油氣生產(chǎn)模塊構(gòu)成緊密有效的連接，之后借助點(diǎn)泊系統(tǒng)明確自身位置，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自由轉(zhuǎn)向，使它受到損壞的可能性大幅度降低。

目前，海上的氣候并非處于長(zhǎng)期穩(wěn)定的狀態(tài)，因此FPSO也會(huì)在這一環(huán)境下面臨諸多變化，所有船只都會(huì)因海浪的拍擊而發(fā)生搖晃，并且此類搖晃是無(wú)法避免的，為實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定運(yùn)行，需要采取一系列保障措施使FPSO可以應(yīng)對(duì)各類風(fēng)浪的沖擊，避免因風(fēng)浪沖擊而導(dǎo)致出現(xiàn)意外報(bào)警的情況。

1.2 國(guó)內(nèi)外FPSO的發(fā)展現(xiàn)狀

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，某石油公司開始進(jìn)行游輪改裝，選擇將一艘重量接近58 000 t的油輪改裝為FPSO且取得了較好的改裝效果，F(xiàn)PSO的應(yīng)用使得石油行業(yè)得到了進(jìn)一步的發(fā)展。FPSO的儲(chǔ)油量極高，轉(zhuǎn)移效果較好，并且因其為油輪改裝而成，故投資較少，具有極強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。截至目前，F(xiàn)PSO已經(jīng)在各海域穩(wěn)定生產(chǎn)多年，可以抵御極端惡劣天氣。近年來(lái)，英國(guó)生產(chǎn)的FPSO可在1 500 m深的海域中工作，并且可以抵抗18 m高的巨浪，F(xiàn)PSO的技術(shù)應(yīng)用得到了空前的革新和發(fā)展。

我國(guó)目前擁有FPSO的公司僅有一家，即中國(guó)海洋石油公司；1986年，我國(guó)首次設(shè)計(jì)并投入使用的FPSO是“南海希望號(hào)”，其同樣是由舊油輪改造而成。3年后，由我國(guó)自主研發(fā)建造的FPSO“渤海友誼號(hào)”投入使用，這充分體現(xiàn)了我國(guó)對(duì)FPSO發(fā)展的重視，這也是海洋石油行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域。

1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容

本文針對(duì)常見海況下FPSO的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)展開分析，對(duì)在不同風(fēng)力和浪高條件下工藝流程中分離器液位、油水界面及各級(jí)處理產(chǎn)品的變化進(jìn)行分析，并研究FPSO船體晃動(dòng)對(duì)原油處理工藝流程的沖擊。針對(duì)沖擊，研究如何在現(xiàn)有工藝流程下，通過采取一系列的措施降低由FPSO船體晃動(dòng)對(duì)流程帶來(lái)的不良影響。

2 常見海況及FPSO運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)分析

2.1 風(fēng)力等級(jí)表

表1所列風(fēng)速是指離地10 m處的風(fēng)速值。不同的風(fēng)力將產(chǎn)生不同的海浪浪高，對(duì)小型FPSO的穩(wěn)定性沖擊也不一樣。本文分析不同的風(fēng)力產(chǎn)生的涌浪對(duì)FPSO上不同設(shè)備的影響，通過工藝流程中分離器液位、油水界面及各級(jí)處理產(chǎn)品的變化，研究降低風(fēng)力對(duì)工藝流程的不良影響。

表1 風(fēng)力等級(jí)表

2.2 單點(diǎn)系泊FPSO運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)

綜上所述，F(xiàn)PSO具有廣闊的發(fā)展與應(yīng)用前景。相對(duì)于陸地終端和海上處理平臺(tái)CEP，F(xiàn)PSO的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用效果都具有較大的優(yōu)勢(shì)。但從總體來(lái)看，其運(yùn)動(dòng)性能略遜一籌，以往使用的FPSO不能對(duì)自身的工作方向與工作性能進(jìn)行精準(zhǔn)的定位，并且在復(fù)雜環(huán)境下的聯(lián)合使用效果也較差，導(dǎo)致FPSO在運(yùn)動(dòng)方面存在缺陷。若想進(jìn)一步擴(kuò)大單點(diǎn)FPSO的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，使其使用效果進(jìn)一步凸顯，需要對(duì)其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。因此，單點(diǎn)系泊的FPSO應(yīng)用技術(shù)得以開發(fā)與應(yīng)用，可以根據(jù)不同的海面變化情況，將自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)加以調(diào)整，其主要可分為3種方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)：一是垂直面運(yùn)動(dòng)，垂直面運(yùn)動(dòng)分為垂蕩運(yùn)動(dòng)與縱搖運(yùn)動(dòng)，在垂直面運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)過程中，需要將平臺(tái)張力的效果與平臺(tái)設(shè)計(jì)的要求考慮于其中，以此提高原油工藝流程抵抗液位和油水界面波動(dòng)等干擾能力，同時(shí)化解海浪帶來(lái)的油水分離問題，F(xiàn)PSO未來(lái)的發(fā)展變化在此范圍內(nèi)也得到了限制，在各種環(huán)境下進(jìn)行垂直運(yùn)動(dòng)都會(huì)受到來(lái)自浮動(dòng)效應(yīng)等因素的干擾。針對(duì)于單點(diǎn)系泊FPSO而言，當(dāng)單點(diǎn)系泊FPSO遇到巨浪時(shí)，其甲板設(shè)備勢(shì)必會(huì)受到海浪沖擊力的影響，因此現(xiàn)場(chǎng)可通過降低設(shè)備液位、增加化學(xué)藥劑注入量等方式，避免FPSO的設(shè)備出現(xiàn)處理能力下降而導(dǎo)致產(chǎn)品不合格等問題[1]。二是水平面運(yùn)動(dòng)，縱蕩、橫蕩和艏搖等均屬于水平面運(yùn)動(dòng)，單點(diǎn)波系FPSO采用了水平面內(nèi)進(jìn)行共振運(yùn)動(dòng)的方式降低其水平區(qū)間內(nèi)的變化，從而降低其出現(xiàn)約束力的可能性。通過計(jì)算，當(dāng)浪高在10 m以內(nèi)，對(duì)于FPSO設(shè)備流程的沖擊可得到控制，但海浪浪高于10 m以后，其運(yùn)行的穩(wěn)定性容易遭到破壞，導(dǎo)致FPSO失去處理終端作用，因此水平面運(yùn)動(dòng)并不利于單點(diǎn)系泊FPSO的使用。三是橫搖運(yùn)動(dòng)，F(xiàn)PSO最初是由油輪改造而來(lái)，因此其主體形態(tài)與運(yùn)動(dòng)方式仍保留著船自身的特點(diǎn)。當(dāng)風(fēng)浪不斷升高時(shí)，F(xiàn)PSO會(huì)出現(xiàn)大幅度的橫搖，而此類橫搖將會(huì)對(duì)FPSO的工作人員的工作與生活造成不良影響，因此大量的船只都能通過調(diào)整其壓載艙液位降低其橫搖的效果。

船體隨風(fēng)浪晃動(dòng)會(huì)造成設(shè)備液位波動(dòng)、油水界面不穩(wěn)定、傳感器數(shù)據(jù)失真，是影響FPSO工藝流程穩(wěn)定性的主要因素，因此如何減小由于船體運(yùn)動(dòng)對(duì)流程造成的沖擊，成為海上生產(chǎn)團(tuán)隊(duì)比較重視的一個(gè)問題。

3 FPSO船體晃動(dòng)對(duì)原油流程的沖擊

FPSO船體晃動(dòng)會(huì)直接影響油、水工藝流程的穩(wěn)定性，對(duì)生產(chǎn)工藝流程的順利運(yùn)轉(zhuǎn)造成較大的沖擊。現(xiàn)以明珠號(hào)FPSO為例，分別對(duì)不同浪高條件下，油、水處理工藝流程遭到的沖擊進(jìn)行分析。

3.1 某小型FPSO工藝流程簡(jiǎn)介

將井口平臺(tái)的產(chǎn)出油水混合物，經(jīng)混輸海管匯集到“明珠號(hào)V-801”進(jìn)行油、氣、水分離，分離出的水會(huì)進(jìn)入生產(chǎn)水艙T-741A/B，從而進(jìn)行進(jìn)一步的水處理，而原油脫出的氣體將作為燃料氣進(jìn)入F-821A/B被利用。將E-701A/B改至V-801之前，單點(diǎn)來(lái)液在進(jìn)入V-801之前分流一部分來(lái)液先進(jìn)入E-701A/B，通過E-701A/B進(jìn)行預(yù)加熱后再進(jìn)入V-801，主要目的是提高V-801入口介質(zhì)溫度從而提高V-801的處理效果。V-801內(nèi)62 ℃左右的原油通過兩臺(tái)并聯(lián)的熱處理器換熱器，被加熱到82℃左右后進(jìn)入V-702，原油進(jìn)入V-702后進(jìn)行進(jìn)一步的脫水和脫氣，分離出的水進(jìn)入E-842冷卻后入生產(chǎn)水艙T-741A/B進(jìn)行進(jìn)一步的水處理，原油中脫出的氣體通過火炬分液罐后到火炬進(jìn)行燃燒，經(jīng)過進(jìn)一步脫水后的原油由原油增壓泵P-701D/E、P-801F增壓后，進(jìn)入兩臺(tái)并聯(lián)的電脫水器預(yù)熱器E-703-A/B進(jìn)行進(jìn)一步加熱，達(dá)到電脫水器的處理溫度。來(lái)自原油增壓泵的82℃的原油經(jīng)過該換熱器的管程后被加熱到110 ℃左右，然后進(jìn)入電脫水器V-703A/B，原油在進(jìn)入電脫水器之前會(huì)被加熱至110 ℃左右，以此降低原油的黏度和提高油水之間的比重差，增強(qiáng)電脫水器脫水的效果。電脫水器脫出的水進(jìn)入E-841A/B冷卻后，通過進(jìn)入生產(chǎn)水艙T-741A/B進(jìn)行進(jìn)一步的水處理，分離出的合格原油（含水率≤0.5%）進(jìn)入兩臺(tái)并聯(lián)的合格原油換熱器E-701A/B，與單點(diǎn)來(lái)液進(jìn)行換熱。換熱降溫到95 ℃左右的合格原油再進(jìn)入兩臺(tái)并聯(lián)的合格原油冷卻器E-704C/D，通過冷卻海水進(jìn)行冷卻到90℃左右進(jìn)入下艙原油換熱器E-804，經(jīng)過冷卻達(dá)到合格下艙溫度75 ℃左右進(jìn)入貨油艙[2]。工藝流程圖如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

3.2 船體晃動(dòng)對(duì)某小型FPSO工藝流程沖擊的分析

入口分離器V-801運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定，在惡劣的海況下，船體晃動(dòng)加劇了井液在分離器中的運(yùn)動(dòng)，使得分離器很難達(dá)到靜置沉降的效果。

當(dāng)原油的乳狀液在電場(chǎng)作用下發(fā)生水電反應(yīng)時(shí)，會(huì)將水滴界面膜的強(qiáng)度降低，實(shí)現(xiàn)水滴間的碰撞，從而達(dá)到分離原油的目的。原油首先進(jìn)入弱電場(chǎng)，由于其含水率高，碰撞概率大，分離效果好，大水滴脫除出來(lái)，降低了原油的導(dǎo)電率，為原油進(jìn)入強(qiáng)電場(chǎng)提供了有利的電場(chǎng)條件[3]。當(dāng)小水滴在中等強(qiáng)度的電場(chǎng)中受到電場(chǎng)力，成為大水滴沉降下來(lái)，最后進(jìn)入最上面的強(qiáng)電場(chǎng)，更小的水滴則會(huì)受到更強(qiáng)的電場(chǎng)力，成為大水滴沉降下來(lái)。

由于電脫水器V-703A/B是滿罐操作，因此船體晃動(dòng)對(duì)于電脫水器的影響并不大。在一定時(shí)間范圍內(nèi)，當(dāng)電脫水器V-703A/B壓力和油水界面維持相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，在不同風(fēng)級(jí)時(shí)測(cè)量得出口原油含水率及乳化情況。隨著風(fēng)力的升高，原油含水率和乳化數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

4 減小FPSO船體晃動(dòng)對(duì)工藝流程帶來(lái)的沖擊措施

在確定船體晃動(dòng)對(duì)流程造成的具體沖擊后，根據(jù)某小型FPSO的實(shí)際情況，提出以下方案，確保工藝流程穩(wěn)定。

（1）在入口分離器V-801和熱處理器V-702中保留相對(duì)穩(wěn)定的液位。V-801 中液位高度在2 100 mm左右為宜，這樣既能避免由船體晃動(dòng)、液位不穩(wěn)定造成的誤報(bào)警，又能保持較高的油水分離界面。V-702液位高度也盡量保持在2 100 mm，最好不超過2 300 mm。通過LCV8990控制好V-801液位高度，在保證入口分離器液位符合要求的前提下，V-702中液位可以適當(dāng)浮動(dòng)。

（2）在大風(fēng)來(lái)臨之前（通過表1可知，浪高超過3 m時(shí)，船體晃動(dòng)對(duì)流程的影響程度隨之升高），可以通過適當(dāng)提高化學(xué)藥劑的注入量來(lái)降低影響，提高化學(xué)藥劑的注入量，可以有效提高分離效果，維持流程的穩(wěn)定性[4]。

（3）加強(qiáng)各級(jí)分離器下艙水水質(zhì)監(jiān)測(cè)。船體晃動(dòng)對(duì)流程造成一定的影響后，原油含水率上升，乳化升高，必然造成下艙水含油率升高，增大了水工藝流程的壓力。當(dāng)發(fā)現(xiàn)下艙水水質(zhì)不符合要求時(shí)，可以通過關(guān)閉水相出口閥門，從而提高油水界面，保證下艙水水質(zhì)。若罐內(nèi)液位上升，而下艙水不滿足下艙條件時(shí)，可以打開水相閉排，將其放入slop艙進(jìn)行沉降處理。

（4）加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)巡檢，保證流程運(yùn)轉(zhuǎn)良好。應(yīng)確保對(duì)火炬分液罐中液位的連續(xù)監(jiān)測(cè)，適當(dāng)時(shí)可手動(dòng)啟泵多抽水。

（5）提前與外輸部門進(jìn)行溝通，在大風(fēng)來(lái)臨之前，通過轉(zhuǎn)水、倒艙等措施將slop艙的液位盡量降低，保障在大風(fēng)期間維護(hù)流程的穩(wěn)定性，以及滿足隨時(shí)能向slop艙中放入生產(chǎn)水的需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過分析船體晃動(dòng)對(duì)流程帶來(lái)的沖擊，提前進(jìn)行干預(yù)，調(diào)整各級(jí)設(shè)備液位，調(diào)整化學(xué)藥劑注入量，加強(qiáng)對(duì)各級(jí)設(shè)備參數(shù)的監(jiān)測(cè)，預(yù)留部分艙容回收未處理合格的原油，有效地維護(hù)FPSO流程的穩(wěn)定性。海上氣候復(fù)雜多變，為了更好地確保FPSO流程的穩(wěn)定性，未來(lái)還需增大FPSO噸位，盡量減小風(fēng)浪帶來(lái)的沖擊，同時(shí)增強(qiáng)傳感器的抗干擾能力，從而確保油、水工藝流程的穩(wěn)定性、高效性、安全性。