艙底驅氣工藝在某FPSO 洗艙作業中的應用

曹貴，楊金蔚，張玉清，王偉，康俊偉

(中海石油(中國)湛江分公司，廣東 湛江 524057)

0 引言

浮式生產儲卸油裝置(FPSO)通常與海上采油配合使用，在海上對開采的原油進行處理、儲存、并輸送給駁運的油輪，越來越多的使用在海洋石油勘探開發中。隨著海洋勘探開發向深海發展，越來越多的FPSO被建造和投入使用，根據檢驗計劃或艙內維修安排，需要對貨油艙進行洗艙作業，以便驗船師進入艙內進行艙內結構、防腐涂層等方面的檢驗或維修人員進艙維修[1]。在進入FPSO 艙室檢驗或檢修前，需要對貨油及污油艙室進行洗艙作業，達到人員進入作業的條件，洗艙作業可以在停產后進行，也可以邊生產邊洗艙，塢修前的洗艙是在裝置停產后進行。驅氣環節作為洗艙作業的關鍵環節，提升驅氣效率是提升洗艙作業效率的重點。本文從影響洗艙效率的驅氣環節進行分析，提出并創新使用艙底驅氣工藝，經過實施和驗證，洗艙作業效率明顯提高、洗艙作業成本也明顯降低。為后續洗艙作業提供了實踐支撐。

1 FPSO 洗艙作業介紹

FPSO 洗艙作業方式分為常規原油洗艙、生產水+開洗艙機驅氣組合洗艙，其中驅氣環節影響因素多，對整個洗艙作業時間影響較大。對油氣水處理量較大的FPSO，提高洗艙作業效率，降低洗艙過程中風險和節約成本，意義重大。

1.1 常規原油洗艙

常規原油洗艙[2]包含以下步驟：(1) 洗艙前準備工作；(2)原油洗艙，洗艙步驟：原油洗艙→熱水洗艙→海水洗艙→海水冷卻→掃艙；(3) 驅氣及除氣；(4) 人員下艙作業；(5)封艙惰化，投入使用[3]。

1.2 生產水+開洗艙機驅氣組合洗艙

改進后的洗艙方式將洗艙水改為熱生產水，同時采用邊洗艙邊驅氣擾動的方法，包含以下步驟：(1)洗艙前準備工作；(2)生產水洗艙，洗艙步驟：熱生產水洗艙(同時進行驅氣，多次控制洗艙機啟動次數)→驅氣→掃艙；(3)除氣；(4)人員下艙作業；(5)封艙惰化，投用。

1.3 兩種洗艙效果對比

原油洗艙和生產水驅氣組合洗艙效果對比見表1，生產水+開洗艙機驅氣組合洗艙的方式常用于邊生產邊洗艙的FPSO，減少了原油洗艙環節，縮短了驅氣時間，提高了洗艙作業效率，減少了加熱洗艙水的燃料消耗，同時也降低了洗艙水處理難度。

表1 原油洗艙和生產水驅氣組合洗艙效果對比

2 常規洗艙驅氣工藝

驅氣是洗艙作業過程中最重要的環節，洗艙過程中的驅氣是指將惰氣發生器產生(主要是N2和CO2)氣體，通過惰氣管線注入到艙室，在流速和布朗運動的作用下驅替艙室中的混合可燃氣體(主要是丙烷、丁烷等烴類氣體)，最終達到可以進行除氣的作業條件(可燃氣濃度小于2%體積濃度)。

2.1 頂部驅氣工藝

洗艙常規頂部驅氣工藝：惰性氣體從艙室頂部惰氣管線入口流入，對艙室內的可燃氣體進行驅替和置換，然后從艙室頂部的透氣管線直接放空，通過不斷的稀釋，從而達到惰化艙室的效果，如圖1 所示。

圖1 常規頂部驅氣工藝示意圖

2.2 頂部驅氣工藝面臨難題

按照常規頂部驅氣作業，由于貨油艙在縱向上較深，在驅氣過程中受氣體流動特性、密度差異等影響，艙室內極易出現惰性氣體和可燃氣體分層現象，進而造成大量的惰性氣體在艙室頂部快速的流進流出，艙室底部可燃氣體滯留，驅替和稀釋效果較差，達不到對艙室的整體驅替惰化作用。最終出現艙室上部很快惰化合格，但中下部較重烴類長時間堆積聚集，導致艙室中下部可燃氣體濃度長時間處于較高濃度，出現嚴重的“氣體分層”現象。如圖2 所示，由于受氣體分層的影響，密度相對較輕的惰性氣體在艙室頂部快進快出，艙室底部的丙烷、丁烷等密度相對較大的烴類氣體得不到有效驅替，使得驅氣作業長時間惰化不合格，從而影響整個洗艙作業進度。

圖2 常規頂部驅氣示意圖

2.3 頂部驅氣工藝效率提升措施

針對于常規頂部驅氣工藝氣體分層的問題，目前主要有擾動法驅氣、憋壓法驅氣兩種方式來打破艙內氣體的平衡狀態，從而提高驅氣作業效率。

(1)擾動法驅氣：出現艙室驅氣不合格時，洗艙監督主要是通過多次啟動洗艙機，通常采用90°向下的洗艙機角度(約30 min)利用洗艙水對艙內可燃氣體進行擾動，間隔2 h 后重新啟動洗艙機，在此期間一直進行驅氣。實踐證明，在啟動洗艙機10 次左右后，如圖3所示，洗艙和驅氣總時間24～30 h，艙內可燃氣體濃度可降到2%體積濃度以下，擾動法驅氣在一定程度上可以解決氣體分層現象，提高驅氣作業效率。

(2)憋壓法驅氣：在擾動法驅氣的同時，也可對可燃氣濃度下降不明顯的艙室進行憋壓法驅氣，關閉透氣出口，提高艙室惰氣壓力至0.01 MPa 左右，打開透氣出口快速進行泄放，加速艙內氣體的擾動，以此來解決艙室內氣體分層問題。采用憋壓法驅氣具有明顯的缺點：作業時間持續周期長，作業效果不明顯，常常會耗費大量的時間、人力與物力，大大增加了油輪在驅氣工況下的高風險時段。

3 艙底驅氣新工藝

某FPSO 根據塢修項目計劃，于2022 年5 月開始進行洗艙和驅氣作業，要共計對10 個貨油艙和4 個工藝艙共計14 個艙室開展驅氣作業，驅氣環節是洗艙作業過程中的重點及難點，該階段能否順利按時、按質、按量完成，將對單點解脫以及整個塢修項目的進展起到決定性影響。

FPSO 塢修前，在駁運完原油后，利用預留的生產水進行洗艙，由于作業時間緊，通常采用一個洗艙機循環(0°→180°→0°)洗艙，同時進行驅氣，不再進行多次啟動洗艙機洗艙，用以減少作業時間和減少洗艙水用量，由于氣體密度差異，氣體分層現象明顯，存在洗艙后驅氣時間長，使艙內中下層可燃氣長時間難以驅替合格，制約了塢修前各項作業的有序開展。如何在驅氣環節取得突破，避免氣體分層和減少作業時間，提高驅氣環節的效率，對于縮短洗艙作業時間尤為重要。

3.1 創新洗艙驅氣工藝

塢修項目時間短、工期緊，根據現場實際的洗艙作業方案要求，每個作業艙室的洗艙機只開啟一次，且艙室清洗數量多，傳統的洗艙驅氣工藝面臨驅氣時間長、艙室內氣體分層問題，長時間驅氣不合格，甚至會影響整個塢修的工作進程。面對工期緊迫及技術上的困難，經過對工藝流程的深度挖潛及詳細論證，調整現有的工藝流程方向，用艙底驅氣的模式代替艙頂部驅氣的模式進行作業，提高驅氣效率。

艙底驅氣工藝理論分析：現有的惰氣環網和貨油環網連接點可作為工藝流程突破口，利用原本設計給外輸貨油管系環網惰化的流程，從艙室底部的貨油吸入口反向注入惰氣對貨油艙進行驅氣具備可行性。艙底驅氣工藝流程如圖4 所示。

圖4 艙底驅氣模式工藝流程示意圖

采用創新艙底驅氣模式：惰性氣體從遠端貨油艙底向頂部透氣口以對角方式彌散推進，自下而上的壓力差可形成較大的氣體沖擊速度，徹底解決惰性氣體在艙室頂部持續做“無用功”的氣體分層問題；同時惰性氣體從貨油艙底部進入后，比較容易將可燃氣體驅替頂升到艙室頂部，通過透氣管系到放空塔排出。如圖5 所示，惰性氣體從艙室底部進入，可有效驅替丙烷、丁烷等密度相對較大的烴類氣體，從而可大幅提升驅氣作業效率。

圖5 底部驅氣新工藝示意圖

3.2 艙底驅氣工藝現場運用

為保證艙底驅氣工藝的順利開展，作業前需要進行以下測試：(1)將貨油環網內液體進行清洗排空：將貨油環網內的液體清洗、驅替，泄放至液位較低的貨油艙，為建立惰性氣體循環通道做好保障，確保低壓的惰性氣體能夠通過底部循環通道進入貨油艙內；(2)對惰氣管線上的蝶閥、單流閥開展開關測試，確保各類閥門能正常動作：對貨油管系液壓閥進行功能及密封測試，確保單艙惰化期間，各個艙室內的氣體不會通過底部貨油吸入口互竄，影響整體惰化驅氣效果；(3)建立驅氣循環通道：導通惰氣環網和貨油環網連接點流程后，關閉目標艙室透氣閥進行憋壓試驗，通過大艙壓力的上漲情況驗證艙室底部驅氣流程暢通，確定正常后，打開目標艙室透氣閥，從而建立自下而上的驅氣循環通道。

2022 年5 月某FPSO 開展塢修前洗艙作業，如表2 所示，2 右貨油艙采用頂部驅氣7 h 后頂部可燃氣濃度降至2% 體積濃度，但下層可燃氣濃度大于25%體積濃度，分層現象嚴重，短時間內無法驅氣合格。隨后采用艙底驅氣模式，2 右貨油艙艙室內可燃氣體濃度出現明顯下降，測試發現6～7 h 左右即可將單艙艙室內可燃氣體濃度從高濃度降至合格范圍以內(可燃氣濃度在2%體積濃度內)。

表2 2 右貨油艙不同驅氣模式可燃氣濃度變化對比

如表3 所示，在對5 右貨油艙艙進行頂部和底部驅氣的對比試驗中，頂部驅氣9 h，可燃氣濃度從23%下降到16%。隨后切換至艙底驅氣模式，進行底部驅氣后9 h 后，可燃氣濃度快速下降，從16% 下降到0.5%，單艙惰化效率得到顯著提升。

表3 5 右貨油艙不同驅氣模式可燃氣濃度變化對比

通過對比發現，與常規驅氣工藝相比，采用艙底驅氣工藝能夠有效解決惰氣和可燃氣的氣體分層問題，通過從底部對角式彌散推進，對艙室內可燃氣進行有效驅替，減少惰氣使用量以及洗艙機開啟次數，使得驅氣作業效率大幅提升。

3.3 艙底驅氣工藝取得的成效

某FPSO 裝置塢修前洗艙作業采取創新艙底驅氣方法，極大的提高了現場洗艙作業效率，同時取得了顯著的安全及經濟效益，取得的成效主要為以下5 條：(1)本項目提出的底部驅氣工藝，首次運用在塢修前的洗艙作業中，打破以往常規艙室頂部驅氣模式，成功開辟了洗艙驅氣新途徑，拓寬了油輪洗艙作業經驗和知識盲區，通過多次理論分析和現場驗證，惰性氣體從艙室底部進入貨油艙后其擴散分布的方式更加合理，驅氣效果穩定，效率更高。(2)采用貨油艙艙室底部進氣的驅氣方式后，洗艙機啟動次數也隨之降至最低，解決了以往洗艙期間的洗艙水總量大和洗艙水處理難的問題，使洗艙作業順利高效進行的同時，減少了處理洗艙水達標的藥劑量及排海污水總量，更加綠色環保。(3)提高驅氣效率，單艙驅氣時間由原來20 h 明顯下降至6～7 h 左右，洗艙作業效率總體提升60%，洗艙作業總體時間比原計劃提前6 天完成，有力地保障了后續塢修作業的順利開展。(4)安全效益：底部驅氣模式大幅縮短作業時間，減少了油輪在驅氣工況下的高風險時段，帶來了明顯的安全保障。(5)經濟效益：貨油艙室惰化時間大大縮短，大幅度減少惰氣發生器的運行時間，采用底部驅氣作業期間共計減少柴油消耗127.5 t。

4 結語

綜上所述，采用艙底驅氣工藝可有效解決驅氣作業過程中艙室內氣體分層現象，明顯縮短驅氣作業時間，大幅提升洗艙作業效率，減少洗艙作業高風險作業時間段，取得了顯著的安全經濟效益。為后續同類型的洗艙作業提供了借鑒經驗，也可在同類洗艙驅氣作業進行推廣和應用。