南海大型FPSO面臨的挑戰與思考

南海大型FPSO面臨的挑戰與思考

范模

(中海油研究總院，北京 100028)

摘要：總結20多年來南海FPSO應用的成功經驗與不足，歸納今后南海300～400 m水深以內使用FPSO的主要技術特征，提出南海廣大海域應用FPSO所面臨深水、臺風海況和高腐蝕等嚴重技術挑戰；并對FPSO船型、單點選型、噸位大小、島礁利用等方面進行初步探討。

關鍵詞：南海；FPSO；成功與不足；挑戰與思考

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.001

中圖分類號：U674.38；P751

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2015)05-0001-04

收稿日期：2015-07-30

作者簡介：第一范模(1960-)，男，學士，教授級高工，船舶設計大師

Abstract:The experiences and lessons for application of FPSOs in the south China sea in the past 20 years are summarized, the main technical characteristics of the FPSOs used in 300～400 m water-depth are concluded. The critical technical challenges faced by FPSOs in the south China sea are presented, such as deep water, severe sea condition, high causticity and so on, and the hull form design, single-point selection and displacement of the FPSO, as well as the usage of reefs are discussed preliminarily.

修回日期：2015-09-01

資助項目：中國海洋石油總公司油田開發項目

研究方向:海洋工程領域的浮式平臺、FPSO、單點及多點系泊系統設計

E-mail:fanmo@cnooc.com.cn

浮式生產儲油裝置(FPSO)問世于20世紀70年代中期，最早的FPSO是由一艘舊油船改建而成，1989年澳大利亞擁有世界上第一艘新建FPSO。90年代FPSO得到大規模發展。目前全世界已有140多艘FPSO服役，主要分布在英國北海、巴西沿海、西非沿海、澳大利亞海域和中國渤海與南海；噸位0.5萬～40萬t不等；作業水深15～2 500 m；高峰年產油為37萬～1 300萬m3，20世紀末FPSO基本以油船改建方案為主，現在多以新建為主。目前全世界改建方案約占67%，新建方案約占33%。FPSO由于具有海域適應性強、經濟性好、可靠性高和可重復利用等特點，已被國際石油界廣泛地用于海上油氣開發，并得到大力發展。目前已有不同類型、不同性質FPSO出現，如FDPSO、FLPG和圓型FPSO等，國際石油界正攻克技術難度更大、投資更大的FLNG。

自1989年7月“渤海友誼號”投產之后，中海油進入了以FPSO為主要設施的海上石油開發階段，20年間國內海域共有16艘FPSO投入生產，目前仍有14艘FPSO服役，他們在海洋石油開發中發揮了重要作用。1990年在南海惠州油田投產了“南海發現”FPSO，標志著南海開始了以FPSO為生產處理中心的油氣生產作業。南海作業高峰共有9艘FPSO在產，目前在產FPSO有7艘，見表1[1]。南海在產FPSO噸位從10萬～25萬t不等，總噸位為106萬t，作業水深從90～310 m不等，他們支持著年產量100萬t～450萬t的油氣生產。

20多年來，FPSO為我國海洋石油開發發揮了不可替代的作用。隨著油氣資源不斷地向深遠海發展，且惡劣環境條件不斷出現，中海油面臨著嚴峻挑戰，需要總結成功經驗與改進不足，以解決深水與南沙油氣資源開發，從戰略層面提出思考。

1成功與不足

1.1成功經驗

20多年來，中海油在南海已經形成從設計、建造、操作與維護方面的成功經驗：采用FPSO與井口平臺或水下井口的相配合的油田開發模式；發揮FPSO集輸中心作用；舊油船改裝方案與新建方案并舉；既有FPSO，又有FSO(南海盛開)；選用10萬～25萬DWT級FPSO，配以耐波性能優良的船形浮體；采用內轉塔式單點系泊系統，采用可解脫式系泊與永久系泊兩類；采用串靠尾輸的卸油方式；生活樓布置于艉部；采用了臺風期間FPSO停產撤人的生產作業原則；老舊FPSO采用每5年塢修一次的維護保養方式，而新建FPSO頭10年采用不進塢檢修等。

1.2不足的改進

南海FPSO經多年實踐，也反映出一些問題，希望在新建FPSO上得到改進與優化。比較突出問題為：單點系泊系統的斷纜事故、系泊纜配重塊丟失等，如2006年5月受臺風“珍珠”影響，“南海勝利”號FPSO的10根系泊纜中有6根纜損壞，停產約14月，2007年7月臨時復產，2008年全面復產，由于斷纜部位多數位于浮筒附近的系泊鋼纜，該部位鋼纜疲勞問題應予以關注。其他單點系泊纜上也常發生斷絲、配重脫落等故障。南海老舊FPSO壽命已成為問題，某些船體壽命已達38～39年，為油田安全生產敲響警鐘。

表1　中國海油南海海域現役FPSO匯總

根據10多年的實踐，將成功經驗予以固化，在系泊可靠性、油氣處理、設計年限與環境重現期等方面上做了調整，以滿足長期使用要求，建議南海新建FPSO設計參考如下技術特征。

1)FPSO載重噸位為10萬或15萬DWT級。

2)最大年處理量300萬～500萬m3。

3)作業水深80～400 m。

4)500年一遇設計環境條件(主要針對：穩性、單點受力軸承、錨樁、旋轉接頭等)；船體總縱強度、局部結構強度采用100年一遇設計環境條件。

5)主船體結構、單點受力軸承、旋轉接頭等為30年設計年限。

6)主船體前15年為不進塢維護。

7)火炬和內轉塔單點位于船首，串靠卸油裝置與住艙區位于船艉，舯部布置生產甲板。

8)主船體為耐波形設計，非自航，船體為雙殼形式，生產甲板距離主甲板為4.5 m。

9)10萬DWT級FPSO上部設施重0.8萬～1.0萬t，15萬DWT級FPSO為1.2萬～1.5萬t。

10)工藝處理艙布置于儲油艙中央。

11)儲油艙與工藝處理艙采用深井泵，FPSO上不設獨立的貨油泵艙。

12)10萬級FPSO配以4萬～6萬t級穿梭油船，15萬級FPSO配以6萬～10萬t級穿梭油船。

13)穿梭油船采用艉串靠系泊方式，供應船旁靠舯后右舷。

14)FPSO定員100人，救生艇配備標準高于運輸油船，每舷為定員的1.5倍。

15)采用臺風期間不解脫式的內轉塔單點系泊系統。

16)系泊纜為34分組，且為錨鏈與鋼纜的組合纜，吸力錨或樁錨。

17)井流立管為柔性立管，口徑為12 in。

2挑戰與思考

2.1臺風問題與區域劃分

南海海域總面積約為達210萬km2，占我國海域總面積300萬km2的比例超過2/3，平均水深為1 212 m，最大水深5 559 m。南海與英國北海及墨西哥灣是世界上公認的三大惡劣海域，主要特點都是浪大流急，南海臺風主要集中于6～9月，年均臺風次數4～6。近年來記錄顯示南海臺風次數呈下降趨勢，但臺風強度不斷增大，強臺風與超強臺風時有出現。

南海南北長約2 000 km，東西寬1 000 km，呈長條形，臺風路徑主要出現在菲律賓與臺灣島之間的巴氏海峽；潿洲灣因有海南島阻擋，臺風強度有所下降；南沙海域遭遇臺風幾律較少，多為熱帶風暴。因此將南海海域劃分為若干區域，見圖1。

圖1　南海不同臺風強度區域

在A區中，由于臺風強度大且次數多，FPSO宜采用船形浮體加內轉塔式單點系泊系統，20多年的實踐證明該技術方案是成功的。在B區，由于水深僅40～60 m，不宜選用內轉塔或外轉塔式單點系泊系統；在C區，因風浪小，上浪情況不易出現，環境力總體水平低，FPSO船體形式可以有多種選擇，如船形、八角形及半潛式等，定位系統可考慮單點式或多點式。

2.2深水挑戰與應對措施

南海海域水深基本可分為三部分：0～300 m大陸架，300～1 500 m大陸架向深水過度的海域，及2 000～5 500 m的深水海域。其中2 000～5 500 m水深海域約占1/3。從1990年惠州油田開發以來，20多年間中海油一直在300 m水深之內作業，2013年的“荔灣3-1”氣田水深已經達到1 500 m。

南海深水海域應用FPSO或FLNG關鍵在于定位系泊系統，由于南海海況惡劣，單點系泊裝置仍然是主要的定位系泊裝備。當水深在300 m以內，如珠江口附近，單點系泊系統有解脫式與永久式兩種，實踐經驗兩種技術方案均可行。解脫式與永久式單點設施，除有無解脫功能之外，從部件上看主要區別是有無浮筒，解脫式單點裝置有一個為系泊纜與立管提供浮力的浮筒，而永久式單點裝置則沒有。

當大型FPSO采用3×5單點系泊形式，則水深為1 500 m時錨鏈-鋼纜-錨鏈系泊纜構造的單根纜重量約為435 t，15根系泊纜懸掛重約為6 000多t；2 000 m水深的單根纜重量約為550 t，懸掛重約為8 000多t，隨著立管數量增加，懸掛重量也在增加。此時再采用可解脫式單點設施，需有一個很大浮力浮筒，單點系泊設施將難以設計。當水深繼續增加，系泊纜與立管懸掛重量更重，則可解脫式單點設施不可行。因此，深水海域FPSO應考慮使用不解脫式單點系泊系統，目前西非和巴西深水海域的FPSO均采用不解脫式系泊系統[2]。

深水中也采用另一種系泊纜構造形式，即張緊式系泊纜[3]，中間段采用聚酯纖維纜，兩端使用錨鏈，對于1 500 m作業水深，其長度約2 360 m，單根纜懸掛重約160 t，僅為錨鏈-鋼纜-錨鏈系泊纜重量的37%，這對于改善浮體垂向載荷很有利，這也是國外深水工程上被采用的原因之一。

2.3FPSO噸位與環境條件關系

FPSO噸位與油田產能、海洋環境條件和穿梭油船大小有著密切關系[4]。其FPSO儲油量可由如下公式求得。

(1)

式中：Q——FPSO儲油量，t；

W——穿梭油船噸位，載重量，t；

d——影響外輸作業的連續壞天氣時間，d；

q——油田原油日產量，t/d；

k——適量不可泵出的艙底油，t。

環境條件也是影響FPSO噸位的一個因素，南海北部的惡劣海區尤其突出。如圖2顯示，在珠江口海域使用小型FPSO時，應額外關注上浪問題，模型試驗與海上實踐表明，珠江口海域不宜使用小于10萬t級FPSO。

圖2　FPSO噸位與浪高關系

當FPSO太大，浮體質量大時，由于環境條件惡劣而使系泊力非常大，受目前工業產品能力限制，如錨鏈、鋼纜、錨機與受力主軸承等制約因素，不宜將FPSO噸位設計過大，否則會造成無法采購相關產品。當然隨著新材料不斷出現，若干年之后系泊能力會得到提高，但現階段應考慮當前產品能力。因此，海況惡劣海域存在最大噸位限制，前期規劃論證時應予以重視。

國內外FPSO統計數據也證實了上述結論，巴西與西非海域環境條件良好，其25萬～40萬t級FPSO約占總數的55%～65%，10萬～20萬t級FPSO僅占6%～16%，見表2。在北海絕大部分FPSO為10萬～20萬t級，沒有大于25萬t級的FPSO。在我國南海7艘FPSO中，6艘為10～15萬t級，1艘為25萬t級。

2.4島礁地形地貌利用的思考

南海油氣資源開發中即將面對更南面的海域，如西沙和南沙等，這些海域有天然珊瑚島礁，某些島礁還具有瀉湖的地形地貌特征，其環礁面積有幾十～上百km2，瀉湖水域面積也有十幾～幾十km2，瀉湖水深約十幾～幾十m；島礁四周為珊瑚礁形成的環礁，環礁外水深1 000～2 000 m，見圖3。據不完全統計南沙群島海域有大大小小明島礁和暗島礁200多個，西沙和東沙群島也有相當數量的明暗島礁。

表2　世界主要海域FPSO分布

圖3　南海瀉湖地貌特征

環礁內瀉湖具有如下特征：水深淺、浪流非常小、沒有內波。初步分析可以將FPSO放置于瀉湖內，可避開深水和大浪的不利影響，也可在珊瑚島礁上建設固定平臺、自升式平臺、油庫等石油生產設施，變深水油氣開發為淺水開發。還可以將油氣生產設施等設置于瀉湖內，與深水平臺或水下井口等組合形成以島礁為中心半徑20～30 km開發區域，可覆蓋1 200～2 800 km2面積海域。因此，開發島礁附近油氣資源，不妨關注瀉湖與島礁充分利用，可能會帶來事半功倍的效果。

3結束語

經過20多年的實踐，中海油已積累了一定的南海FPSO實踐經驗，有不少問題需要冷靜思考，為今后FPSO提供更好的借鑒。同時還需要面向更為寬廣的南海海域，結合已有的認識，充分借鑒國內外成功經驗，提早進行有針對性的研究，儲備開發技術，以滿足向更南海域要油氣資源的需求，希望大家共同努力。

參考文獻

[1] 《海洋石油工程設計指南》編委會.海洋石油工程FPSO與單點系泊系統設計[M].北京，石油工業出版，2007.

[2] CHRISTOPHER N. Mahoney and Chad Supan of Wood Group Mustang[C].2013 Worldwide Survey of Floating Production，Storage and Offloading (FPSO) Units，Offshore，2013.

[3] API Energy，.Planning Designing and Constructing Floating Production Systems[R].API Recommended Practice 2FPS Second Edition，2011.

[4] 范模.浮式生產儲油船設計方案論證的基本思路[J].中國海上油氣(工程)，2001，13(2)：9-11.

The Challenge and Thinking of Large FPSO in the South China Sea

FAN Mo

(CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China)

Key words: south China sea; FPSO; experiences and lessons; challenges and thinking