海上油田多點系泊外輸模式構建及選型技術影響

原油外輸作為海上油田產(chǎn)儲銷全流程、全產(chǎn)業(yè)鏈必不可少的一環(huán)，是持續(xù)助力海上原油穩(wěn)定生產(chǎn)、原油貿(mào)易平穩(wěn)推進過程中必不可少的一環(huán)。在原油實際外輸過程中，為確保穿梭油輪與作業(yè)平臺保持相對穩(wěn)定位置，需要借助科學合理的系泊定位系統(tǒng)對作業(yè)設施進行限位。近年來，中國海油持續(xù)推進海上油田開發(fā)，進一步探索邊際油田的深度開采，在此過程中，利用穿梭油輪進行原油外輸時，對整個系泊系統(tǒng)的選型具有嚴格的技術需求，目的是選擇安全性高、經(jīng)濟性好、實踐操作性強的系泊方案，保障原油外輸工作順利開展。本論文通過論證分析多點系泊的選型、影響因素及適用工況，其分析結(jié)果可以更加客觀、準確地支持指導海上油田非常規(guī)外輸可行性研究及項目評估。

一、前言

多點系泊形式隨著海洋油氣開發(fā)逐漸走向遠海而變得越來越多樣化，在我國海洋油氣資源開發(fā)中，這種系泊形式的實際應用也越來越廣。系泊系統(tǒng)在系泊方案設計時要充分考慮到每一個影響因素，包括實際工作區(qū)域、浮體設備類型、油藏油田類型、發(fā)展模式等，而設計過程又是一個比較復雜的系統(tǒng)過程。結(jié)合當前多點系泊系統(tǒng)的實際應用案例，可重點考慮當浮體長寬尺度相近，或海洋環(huán)境條件較好，或環(huán)境力方向較為一致時的作業(yè)工況。在多點系泊過程中，其系泊系統(tǒng)和立管系統(tǒng)是相對獨立的，包括系泊電纜等可以直接與浮式生產(chǎn)儲油輪直接連接，相反，它的立管一般與舷側(cè)的管匯連接，這種方案沒有完全的風標效應，但是可以通過控制錨鏈來調(diào)節(jié)它的張緊程度和松弛程度，在一定情況下，具有適當?shù)娘L標效應，這也目前是部分工況下外輸作業(yè)最為常用的系泊方式。

二、多點系泊系統(tǒng)類型

多點系泊系統(tǒng)結(jié)合實際應用，簡單可以分為兩類：多浮筒系泊（Multiple Buoy Mooring）和擴展式系泊系統(tǒng)（Spread Mooring system），該系統(tǒng)中絕大部分系泊部件都是常規(guī)船舶工業(yè)的技術與裝備。與單點系統(tǒng)對比，多點系泊系統(tǒng)制造技術更為簡單、經(jīng)濟，同時專利技術較少，當前并未被國際某些國家或公司壟斷，其主要用于環(huán)境條件溫和、方向相對固定的海上平臺原油外輸?shù)仍屯廨旑l率相對較低的海域。

1.懸鏈式多點系泊系統(tǒng)。通常情況下，多點系泊系統(tǒng)是為了限制浮體只能進行微小的回轉(zhuǎn)運動，而將一組系泊電纜固定在平臺的角落處。多點系泊系統(tǒng)由于其無法根據(jù)環(huán)境變化而調(diào)整自身的方向，因此其多適用于對環(huán)境方向不敏感的浮體類型，例如深吃水立柱平臺或者半潛式生產(chǎn)平臺，或者在定向性較高的海況條件下，對環(huán)境方向敏感的浮體設施。

從名稱上看，懸鏈線系泊系統(tǒng)是由于錨鏈的自重作用，使系泊線自然形成類似于懸鏈線的形狀，在距離浮體較遠的海底錨點上固定多條系泊線的系統(tǒng)。系泊線所提供的回復力隨著浮臺位移的增加而改變，其系泊線長度及與浮臺連接處的夾角也在懸鏈系泊系統(tǒng)中發(fā)生變化，從而達到限制其位移的目的，為保證浮體保持穩(wěn)定的首尾方向，系泊電纜被固定在浮體的角上。綜合分析，半潛式平臺在受到環(huán)境載荷影響時，其方向變化是不敏感的，因此我們可以在不考慮環(huán)境方向的前提下，根據(jù)實際工況，設計搭建一套能使船舶穩(wěn)定地固定在某個海上區(qū)域的分散系泊系統(tǒng)。

2.張緊式多點系泊系統(tǒng)。如上所述，懸鏈系泊系統(tǒng)（Systemsystem）在一般深水水域可以普遍采用，但是在海上深超深水域，懸索系已無法滿足系泊工作需要。這是由于懸索線會隨著水深的增加而增加，從而使懸索線系泊系統(tǒng)的整體重量增加，而系泊系統(tǒng)對系索線的強度有要求。同時，系泊系統(tǒng)對水平位移的限制作用將隨著水深的增大而降低，尤其在惡劣海況中更加不能使用，而是采用張緊系泊系統(tǒng)（TLP），如張力腿平臺，其自身浮力小于自身重力，同時借助固定在海底的張力筋來實現(xiàn)系泊，這將作為超深水未來發(fā)展的主要系泊方式。系泊系統(tǒng)將會隨著深度的增加有更大的拉伸剛性，每一根拉筋都有更大的拉力，因此在縱向上剛性特征十分明顯，將縱向的運動限制在較小范圍內(nèi)才是最終實現(xiàn)的目標。相反，在橫向上TLP提供韌性僅僅是依靠系泊線的合力和浮力，因此它更靈活地表現(xiàn)在這一方向上，導致其橫向移動幅度更大。結(jié)合多點系泊與張力筋，能有效控制水平方向 TLP的走位，使平臺在操控性與可靠性方面均有不錯的提升。

3.順應式多點系泊系統(tǒng)。順應式多點系泊系統(tǒng)是一種分散式的系泊方式，其中最典型的是最早應用于巴西海域浮式生產(chǎn)儲卸油裝置的DICAS（Differentiated Compliance Anchoring System）系泊系統(tǒng)，這套系統(tǒng)由 3 組人馬組成，共15條系纜，兩隊分在船首，一隊分在船尾，由于船尾的水平剛性較低，因此FPSO在環(huán)境因素租用下，可以做輕微的甩動動作。DICAS系泊系統(tǒng)正是較好地利用船首和船尾剛性不同的特點，使得船舶可以根據(jù)環(huán)境作用力的方向。

三、多點系泊纜構型

點系纜的形態(tài)也根據(jù)水深和工況的不同而有所區(qū)別，主要分為3種構型，分別為半張緊式、張緊式、懸鏈線，如圖所示。

1.懸鏈線（Catenary）。懸鏈線是指系泊錨鏈在自身重力作用下，在減少安裝作業(yè)周期和費用的同時，能夠采用拖錨的優(yōu)點，呈現(xiàn)自然形狀，其結(jié)構簡單，性能可靠，但不適用于深水區(qū)和超深水區(qū)。懸鏈線系統(tǒng)是根據(jù)船舶運動引起的結(jié)構變化，調(diào)整系泊鏈的懸掛重量，實現(xiàn)多點系泊系統(tǒng)的穩(wěn)定性，利用錨鏈在自身重力作用下提供復原力，是淺水系泊中最常用的系泊構型。

2.張緊式（Taut-leg）。張緊系泊是深水系泊的一種有效形態(tài)。在最初安裝時系統(tǒng)的系泊纜時，同步預先施加了很大的拉力，保證纜繩一直處于緊繃的狀態(tài)。通常在拉緊系泊過程中，將系纜與海底的接觸角控制在 30度至45度的范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)錨固裝置在承受橫向和縱向兩種拉力的同時，也能實現(xiàn)錨固裝置的作用。 因此，在這種情況下，要實現(xiàn)張緊系泊，就需要使用樁錨或吸力錨。張緊系泊的優(yōu)缺點比較明顯，它的優(yōu)點是系泊半徑比較小、本身質(zhì)量比較輕、系泊整體剛性比較大，但是缺點是安裝起來比較困難、工藝比較復雜，所以一般只局限在永久系泊系統(tǒng)中。

3.半張緊式（Semi-Taut）。半張緊系泊系統(tǒng)（semulatedselectionsystem）既有懸鏈線系泊系統(tǒng)的特點，又有懸垂部分和臥底段的懸鏈式系泊系統(tǒng)的特點。比較而言，半張緊系泊與張緊系泊較為相似，其優(yōu)點是自身質(zhì)量輕、經(jīng)濟性好，實際操作種系泊半徑受限。因為臥底段是懸鏈線系泊，所以通過盡量延長底錨鏈條的長度，使拖錨得到充分的利用，達到半張緊系泊工況，這也使得半張緊系泊能夠廣泛應用于非永久系泊領域。

四、選型影響因素

1.水深影響。懸鏈線系泊在淺水區(qū)域優(yōu)勢明顯，但是深水區(qū)域、超深水區(qū)域，相較而言，適用性并不容樂觀，相反，張緊和半張緊的系泊形式可以廣泛應用于深水領域。這也充分說明水深對于系泊選型的影響是關鍵的。

在極淺水域、極深水域或者超深水域均難以形成良好的懸鏈線，浮體在外部載荷作用下允許出現(xiàn)的偏移量與其立管系統(tǒng)有關，這就要求系泊線具有較大的預張力，在極淺水域條件下， 過大的預張力會使整個系泊系統(tǒng)具有較大的剛性，系泊線在浮體劇烈運動時也會有較大的動張力，為了避免張力引起系泊鏈斷裂的情況發(fā)生，往往在選擇錨鏈的時候，會盡量挑選較粗的錨鏈，這也導致錨鏈單位長度重量增加，從而影響系泊的線型。為削去線性的微弱變化對系泊穩(wěn)定性的影響，只能不斷地增加預張力，周而復始，形成惡性循環(huán)。因此，極淺水域的懸鏈線系泊一般應用在海況環(huán)境較溫和的水域。反之，在極淺水域，其替代方案通常選擇軟鋼臂系泊，這種系泊往往會發(fā)生惡劣的海況。

在深水和超深水區(qū)域中，懸鏈線系泊的經(jīng)濟性相對較差，同時也會影響浮體的可變載荷，因此懸鏈線系泊并不適合在這些區(qū)域中使用，建議采用鏈-纜-鏈形式的張緊或半張緊系泊作為替代方案，它的應用性能較好。當水深超過千米時，如果使用鋼絲繩作為鏈-纜-鏈的系泊形式的中間段，仍然會出現(xiàn)重量過大的問題，所以建議采用質(zhì)量較輕的纖維電纜進行代替。

2.環(huán)境條件。環(huán)境條件對于多點系泊選型的影響也是尤為重要，在考慮多點系泊選型時，需重點關注環(huán)境的惡劣程度以及方向性兩個問題，同時要結(jié)合浮體進行綜合考慮和評價。如果環(huán)境較為溫和，則浮體的偏移限制條件是比較容易滿足的，在實際選型過程中，其限制條件也相對較少，此時可重點關注實際作業(yè)區(qū)域的海水深度、外輸裝載方案等，建議綜合選擇經(jīng)濟性較好的方案。如果所處的環(huán)境比較惡劣，浮體受環(huán)境影響運動比較劇烈，就需要綜合浮體的運動特性，選擇比較合適的方案或系泊類型，在這種條件下滿足各種偏移限制條件，相對來說比較難。

3.浮體類型。多點系泊選型受浮體類型的影響僅從浮漂本身來看，在已有工程實例中，有如下觀察結(jié)果： 兩種浮漂都采用了多點系泊的形式——鏈條鏈，分別是（下轉(zhuǎn)第192頁）（上接第165頁）Spar和 Sevan。由于系泊線所承受的懸掛力完全由浮體承擔，因此SPAR平臺上的水線面積相對較小，這就造成了它的垂直運動靜水剛度不高。多點系泊采用鏈索、鏈條形式，能減少系泊線對浮體的負荷，使浮筒直徑過大的問題在浮體上得以避免。

多點系泊從結(jié)合浮體和環(huán)境條件綜合來看，要求浮體不能過度地進行搖晃運動（除DICAS外），因此，在海況惡劣的海域作業(yè)，浮體必須滿足至少其中一個條件，一是環(huán)境方向性強，二是對環(huán)境方向性不敏感。除了船型FPSO外，對于諸如SPAR平臺之類的環(huán)境載荷走向，浮體都不敏感。因此，在海況惡劣的海域作業(yè)，選擇適合SPAR平臺等類型浮體的多點系泊方案，只需考慮水深、成本等因素即可。針對于船型FPSO，例如作業(yè)工況為環(huán)境惡劣、方向不穩(wěn)定的海域，應該避免適用多點系泊定位，規(guī)避其對環(huán)境敏感存在的問題。在海洋條件溫和的地區(qū)，為了使FPSO全年大部分時間在多點系泊時都能面向風向和海浪方向，F(xiàn)PSO的多點系泊設計必須考慮環(huán)境的風向和海浪方向。

4.作業(yè)內(nèi)容。浮體的施工計劃也會對多點系泊的選擇產(chǎn)生影響，其核心在于對自己在某個區(qū)域的定位時間產(chǎn)生影響。例如鉆井平臺，它的特點是定位時間短，作業(yè)區(qū)域需要頻繁更換，它更適合非永久系泊的系泊系統(tǒng)。布纜作業(yè)的難易程度是我們在設計臨時錨泊時比較看重的因素，如鉆井平臺作業(yè)區(qū)域為淺水區(qū)域，建議選用系泊懸掛線方式。

對于生產(chǎn)平臺而言，一般都會采用系泊定位，因為考慮到動力定位初期在經(jīng)濟性方面并不占優(yōu)勢，因此在實際操作中，長期固定在某個特定的區(qū)域是有必要的。永久多點系泊起錨、拋錨或收纜、布纜等一系列作業(yè)，與非永久系泊相比，無需頻繁地進行。在淺水區(qū)域，懸鏈線系泊具有明顯優(yōu)勢，其具有耐磨性和抗腐蝕性、結(jié)構更簡單；在深水區(qū)和超深水區(qū)均可采用半張緊或張緊系泊形式解決系泊半徑問題。

對于生產(chǎn)平臺而言，其實際作業(yè)中，需要長期固定在某一位特定區(qū)域，鑒于動力定位前期經(jīng)濟型不占優(yōu)勢，因此一般采用系泊定位。相比非永久系泊而言，永久多點系泊不需要頻繁的進行起錨、拋錨或者收纜、布纜等一系列作業(yè)。在淺水區(qū)域，懸鏈線系泊具有耐磨性、耐腐蝕性，結(jié)構較為簡單，是一種優(yōu)勢較為明顯的系泊方案；在深水區(qū)域、超深水區(qū)域，可以采用半張緊或張緊式系泊的形式，用于解決系泊半徑問題。

五、結(jié)語

本文以海上原油外輸作業(yè)為研究背景，著重對多點系泊外輸模式進行分析，包括多點系泊系統(tǒng)類型、設施設備構型及核心選型影響因素，客觀全面剖析了幾種作業(yè)方式的優(yōu)缺點及適用的作業(yè)場景，其能夠為公司實際業(yè)務開展過程提供技術支撐，確保海上原油平穩(wěn)外輸。

（作者單位：中海油能源發(fā)展股份有限公司銷售服務分公司）