一種遠海油氣作業后勤保障的浮式碼頭概念設計

張俊明，鄧文彪，王偉濤，樊天慧，劉 鯤*

(1.中海油海南能源有限公司，海南 海口 570105；2.華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州 510641)

0 引 言

隨著近幾十年的開發，陸上和近海海域的油氣資源日益枯竭，海上資源開發終將走向遠海。然而，海上作業平臺依賴后勤基地的水、燃料、鉆井設備及其他消耗品的供應，后勤支持不力將嚴重影響鉆井作業，甚至導致作業停滯[1]。遠海海域距離我國大陸上千公里，若采用平臺供應船(Platform Supply Vessel，PSV)、三用工作拖船(Anchor Handling Tug Supply，AHTS)等傳統方式，會導致船舶使用頻率高，物資供給效率低，后勤保障成本高、效率低。遠海海域作業環境惡劣，會給基于陸地基地的遠程補給作業特別是長航時直升機作業帶來巨大風險。RAHMAN等[2]使用故障樹和貝葉斯網絡的方法，對海上遠程作業進行風險性分析，分析結果表明，總的來說海上補給作業的失效概率與岸基距離正相關，并隨著距離的增加而大幅增加應急反應和調用岸站物資等作業的失效概率。劉代杰等[3]以海洋石油981號遠海海域深水作業為例，介紹中海油遠海海域深水勘探開發的后勤支持實踐情況，闡述海洋石油981號進行鉆井作業的有關后勤支持工作，并對相關問題進行分析。王建華等[4]應用基于開源平臺OpenFOAM開發的船舶與海洋工程力學計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)求解器——naoe-FOAM-SJTU，對1座分布式系泊系統的浮式碼頭在入射波浪作用下的運動響應進行數值模擬研究，以分析系泊系統的有效性。

綜合考慮可能的作業海域、航程、氣候及綜合經濟效益等因素影響，結合國內外的發展現狀，遠海后勤支持浮式碼頭被認為是一種有效提高綜合作業保障能力的方法。在充分調研海上油氣作業后勤補給需求的基礎上，通過開展浮式碼頭功能體系研究及船型方案論證研究，建立浮式碼頭功能體系，確定浮式碼頭技術指標，分別基于新造模式和現役船舶改造模式提出相應的設計方案，并通過開展2種方案的經濟性論證分析優選設計方案，對優選方案進行細化，形成目標船總體設計方案。

1 浮式碼頭功能體系

浮式碼頭需要考慮停靠岸基基地進行集中補給，力爭一次性配備2～3個作業現場所需要的各種物資和材料。浮式碼頭主要功能[5]如下：用于與陸基支援特別遙遠的海上開發，為直升機操作提供1個中間點，可加油和交替降落，使中轉距離更短；在發生火災、溢油和下沉等情況下，為緊急情況的應急反應提供1個前置基地或應急資產。

通過對現有岸基補給碼頭深入調研，同時確保浮式碼頭具有一定的自航能力，不僅可適應目標海域環境條件，而且可進靠岸基基地集中補給，在最大程度上滿足前置基地功能，最終確定遠海油氣作業后勤保障的浮式碼頭功能體系，如圖1所示。

圖1 浮式碼頭功能體系

(1)儲存功能

浮式碼頭作為前置后勤基地，必須滿足遠海1口井(水深為1 000 m，井深為3 000 m)探井的正常勘探作業物資需求，且兼顧遠海勘探作業應急與安防保障需求。

(2)轉運功能

浮式碼頭需要滿足50人的食宿要求，其中包含2班(21人/班)，加上浮式碼頭的8名工作人員(不包括常駐船員)，碼頭配備設備和對外補給能力應滿足至少3艘PSV進行遠海鉆探作業的后勤保障。

(3)停靠功能

浮式碼頭必須滿足2艘補給船同時停靠進行裝卸和補給作業的要求，同時應滿足直升機停靠及供油的要求。

(4)航行與定位功能

航行功能：航速不低于8 kn，其主尺度滿足航道、航路和交通管制等要求。定位功能：應滿足8級風正常作業和10級風安全錨泊的要求，同時具備300 m水深錨泊定位能力。

(5)應急與安防功能

配備應急設備清單和備用應急指揮中心，中心配備應急設備和用品，并在需要時進行安排和部署。配備視頻會商系統，開通海衛通網絡，保證與岸站聯系通暢。應具備醫療救治、機械維修、備件供應、垃圾處理及其他功能。

2 浮式碼頭概念設計

2.1 船體選型

浮式碼頭遠海海域適應性問題與船舶的運動性能、穩性、定位能力及船舶作業操作密切相關，直接影響船舶的設計方案和建造成本。目前可供浮式碼頭選型的平臺包括半潛式平臺、自升式平臺、深吃水立柱式平臺(Deep-Draft Spar Type Platform，Spar平臺)、張力腿平臺(Tension Leg Platform，TLP)和船式平臺。多平臺特點對比如表1所示。

表1 多平臺特點對比

與浮式碼頭較為接近的船型為浮式生產儲卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading，FPSO)，據2010年8月Offshore雜志統計資料，全世界各海域共有186座FPSO[6]。在海洋工程裝備方面經過近20 a的發展，我國已是世界上擁有新造FPSO最多的國家，具有豐富的設計和建造經驗[7]。因此，浮式碼頭選取船式平臺設計，可滿足遠海大型浮式結構物的基本要求，實現主要功能定位，并具有較好的海域適合性及優異性能，在艙容、載重量、靠泊能力和自航能力等方面具有較大優勢。

2.2 主尺寸確定

根據補給能力需求及詳細物料清單，初步設計的浮式碼頭主要技術參數如表2所示，其中：DP(Dynamic Positioning)為動力定位。

表2 浮式碼頭主要技術參數

(1)浮式碼頭總長

總長選擇的主要考慮因素為：耐波性、穩性、總布置(甲板面積)、倉儲空間、質量和強度等。

從布置角度考慮，浮式碼頭具有島礁開發支撐模塊、油水補給模塊、漁業冷藏加工模塊、生活居住與醫療救助模塊、清潔能源模塊和油田開發支撐模塊，占用甲板面積較大，艙容需求大，為保證倉儲空間及充足的作業甲板面積，總長不宜太緊湊。

從運動性能角度考慮，在總長與波浪波長比≤0.75時船舶運動性能良好。根據遠海作業海域波浪觀測結果，9.0 s及以下的波浪周期占全年時間92%以上。9.0 s波浪對應的波長約126.0 m，因此浮式碼頭總長以≥168.0 m為宜。

(2)浮式碼頭型寬

從運動性能角度考慮，應盡可能增大浮式碼頭的橫搖周期，橫搖周期越大，則浮式碼頭在波浪上的橫搖越平穩，橫搖角和橫搖加速度越小，海上易遭諧搖的程度越小。橫搖周期與初穩心高關系較大，而型寬在較大程度上影響初穩心高。因此，根據耐波性，型寬不宜過大。

型寬的選取應綜合考慮穩性和橫搖性能。資料表明，遠海作業海域常見的波浪周期為3.0～8.0 s、涌浪周期為7.0～8.0 s。若浮式碼頭的橫搖周期>10.0 s，則耐波性較好，可滿足作業要求。綜合考慮，浮式碼頭型寬為45.0 m。

(3)浮式碼頭吃水

在浮式碼頭的總長和型寬確定后，吃水成為決定其排水量的主要因素。從作業需要角度考慮，加大排水量，船體質量大，抵抗外力能力強；但排水量增加，船體結構鋼料會增加，因此不宜過大。載重量為3萬～5萬t的類似船舶，其吃水為7.0～10.0 m，型寬/型深為2.0～3.8。為保證基地航道航行順暢，浮式碼頭設計吃水≤8.0 m。

2.3 船型改造方案

采用船式平臺，較為經濟有效的方法是改造現役船舶。從經濟性角度考慮滿足功能需求和總體設計參數要求，通過調研國內外現役船舶資源，優選適用于浮式碼頭功能定位和尺度需求的船舶，基于優選船舶的現狀開展改造方案設計。基于改造方案論證結果，調研主尺度和功能等接近且適合改造為遠海浮式碼頭的現役船舶。

由于項目要求浮式碼頭具有自航能力且攜帶大量干貨和液貨，因此適用于項目的改造船舶主要為運輸船。根據設計技術要求，選用現役半潛運輸船華海龍號作為浮式碼頭船型，其船體性能均滿足浮式碼頭要求。浮式碼頭與華海龍號技術參數對比如表3所示。

表3 浮式碼頭與華海龍號技術參數對比

主甲板面設置艏部堆放區(1 900 m2)、舯部堆放區(1 100 m2)和艉部堆放區(900 m2)，用于鉆井材料及設備的堆放；主甲板艏部和艉部增加散料灰罐，用于存放重晶石和水泥等補給材料；主甲板艉部增加甲板室，分別為進灰車間和袋裝品倉庫(560 m2)，用于存放袋裝品及將袋裝散料吹入灰罐；主甲板兩側設置起重機、裝載站、登乘梯和靠球。艏樓布置居住艙室，可滿足62人的定員居住要求；生活樓頂部增加直升機平臺，配置相應的消防及加油系統；艏樓C甲板面增加拋落式直升機加油罐。將原船部分壓載艙改造為燃油艙、淡水艙、鉆井水艙、泥漿艙、測試液艙及鹽水艙等，以滿足浮式碼頭液貨補給需求。采用四點錨泊定位系統，配置鍍鋅鋼絲繩作為工作錨錨索，配置STEVPRIS MK6型海洋工程大抓力錨，質量為6 000 kg。浮式碼頭概念設計效果圖如圖2所示。

圖2 浮式碼頭概念設計效果圖

3 數值模型驗證

基于勢流理論采用ANSYS軟件中的AQWA模塊在頻域對浮式碼頭水動力參數進行計算，計算結果包含浮式碼頭六自由度的1階波浪力、附加質量、輻射阻尼和2階平均漂移力。浮式碼頭主要參數如表4所示。浮式碼頭水動力計算模型如圖3所示。

圖3 浮式碼頭水動力計算模型

表4 浮式碼頭主要參數

在頻域水動力參數計算基礎上，采用ANSYS軟件中的AQWA模塊對浮式碼頭系泊系統進行建模。浮式碼頭四點錨泊系統錨索參數如表5所示。為方便補給船靠泊，浮式碼頭四點錨泊系統對稱布置，并與船體縱向成30°夾角布置，如圖4所示。

圖4 浮式碼頭系泊布置

表5 浮式碼頭四點錨泊系統錨索參數

浮式碼頭四點錨泊系統僅作為一種臨時性錨泊結構，以遠海作業海域十年一遇載荷工況作為錨泊系統生存工況，以一年一遇極限工況作為最大作業工況，環境參數如表6所示。在風、浪、流同向迎浪180°入射時，生存工況和最大作業工況的浮式碼頭運動響應與系泊張力時程曲線分別如圖5和圖6所示。計算結果表明，在生存工況條件下，1號和2號錨索張力最大值為1 160.9 kN，此時系泊強度安全因子為2.11，基本滿足生存工況的系泊纜強度設計要求；在最大作業工況條件下，浮式碼頭縱蕩幅度/水深<1/15，垂蕩幅度<1 m，縱搖幅度<2°，基本滿足浮式碼頭作業要求。

圖5 生存工況的浮式碼頭運動響應與錨索張力時程曲線

圖6 最大作業工況的浮式碼頭運動響應與錨索張力時程曲線

表6 環境參數

4 結 語

遠海海域蘊含較為豐富的油氣資源，而遠海油氣作業后勤保障的可靠性和快速性對作業順利開展至關重要。隨著補給距離的增加，沿用傳統岸站-補給船的后勤補給模式大幅增加遠海油氣作業補給失效的風險。分析行業相關數據，建立浮式碼頭功能體系，確定浮式碼頭技術參數。出于成本造價考慮，基于1艘現役半潛式駁船改造，形成浮式碼頭概念設計。采用數值計算模型，驗證概念設計四點錨泊系統的有效性。