深水FPSO發展現狀與趨勢

譚家翔

(中海油能源發展股份有限公司，天津 300452)

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深水FPSO發展現狀與趨勢

譚家翔

(中海油能源發展股份有限公司，天津 300452)

考慮到深水FPSO設計復雜、定制化程度較高的現狀，通過調研FPSO在全球的應用現狀，分析國外主流FPSO設計企業在系泊纜、立管和轉塔方面的設計情況，總結FPSO未來的發展特點。

深水FPSO；發展現狀；發展趨勢

1 FPSO全球應用概況

據Offshore Magazine統計，截止2015年8月,

全球已投入使用的FPSO約有161艘，FPSO應用較多的區域為巴西、英國、中國和西非，其中巴西為37艘，數量位列首位，具體分布如圖1所示。

圖1 全球FPSO地理分布

目前現有的FPSO運營模式主要有2種：一種是油田作業者為船東，例如,各大石油公司，其中中海油擁有的數目最多，為16艘；另一種是FPSO總包商作為船東，自主融資建造后租借給石油公司，BW offshore和SBM公司是代表，分別擁有14艘和13艘。

自從1977年FPSO Castellon使用以來，FPSO的技術發展迅速，其生產率覆蓋范圍包含7 000～250 000 bbl/d，儲存容量覆蓋范圍包含24 000～2 200 000 bbl，總井口數多達163口，立管數多達80根。目前FPSO應用水深最深的是荷蘭殼牌在美國墨西哥灣的Turitella，由SBM設計，水深為2 896 m。

全球FPSO發展大體上經歷了4個階段，即：

1)1976—1985年，為FPSO的早期發展階段，單點系泊系統的應用使FPSO成為一種海上油氣生產裝置。

2)1986—1994年，為FPSO的成長期，這一時期FPSO技術得到迅速推廣，數量以平均每年2艘以上的速度增加。

3)1995—1998年，為FPSO的擴展期，這一時期FPSO數量大幅增加，以平均每年8艘以上的速度遞增。

4)1999年以來，FPSO的數量迅速增加，在技術上也得到較大突破，作業水深由原來的幾百米到現在的幾千米。特別是2002年以后，海上油氣開發又在向LPGFPSO、LNGFPSO、LNGFSRU 、FPDSO 等形式發展。

在FPSO的40年發展歷史中，最初的10年為FPSO概念形成階段，并逐步開始商業應用；中間20年FPSO的概念和技術得到穩步發展并廣泛被采用；后10年FPSO的數量迅猛增加，技術迅速提升，FPSO的應用領域也在不斷拓寬。

2 FPSO組成系統及其設計

通常，一艘FPSO主要由船體、上部模塊、轉塔系統、系泊錨鏈及立管系統等組成。

2.1 FPSO船體

目前FPSO船體型式主要有3種：船型FPSO、多體式生產FPSO[1]和圓形FPSO，見圖2，現有的絕大多數FPSO均為船型FPSO。目前FPSO船體主要有2種來源：一種是新建，另一種是由現有油輪進行改造。考慮是否新建的因素有：油田的設計壽命；項目的時間要求；市場現有可供改裝的且設計要求油輪的可用性；油田經濟性評估；船廠的建造總裝能力。FPSO船體設計工作主要包括：總體設計、結構設計、輪機設計、電氣設計和防腐設計等。

圖2 FPSO的3種形式

目前國內船體建造主要由各大船廠來執行，主要有：上海外高橋造船廠、中船重工大連造船廠、中遠船務造船廠、上海滬東中華造船(集團)有限公司、上海江南造船廠、大連新船重工船廠等。船體結構設計主要由708研究所承擔。

2.2 上部模塊

上部模塊是FPSO的另一個核心系統，與油輪相比，FPSO多了生產工藝流程模塊、火炬塔、特殊的外輸油系統、首部輸油系統以及直升機平臺,見圖3。FPSO上部模塊各部分的布置是一項關鍵技術，要全面考慮這些構成合理布局以及他們之間的協調。

圖3 FPSO 上部模塊一般組成

目前，我國現有的FPSO設計中上部模塊布置的順序大體有兩種方法[2]。

1)單點→生活樓→堆場→電站→熱站→生產工藝流程模塊→火炬塔→尾部外輸油系統(如“渤海友誼”號、“渤海長青”號、“渤海明珠”號、“渤海世紀”號、“海洋石油113”號FPSO的布置)。

2)火炬塔→單點→生產工藝流程模塊→熱站→電站→堆場→生活樓→艉部外輸油系統(如“南海奮進”號和“海洋石油111”號FPSO的布置)。

FPSO生產工藝功能是進行油、氣、水等生產處理，大致分為三大類系統。

1)主要工藝系統。是指將各井口平臺輸送來的生產流體進行脫氣、脫水及脫除雜質等的原油處理系統,以達到外輸標準,同時要保證原油回收率最大。尚應考慮除砂、防蠟、破乳及消泡的措施。

2)輔助工藝系統。主要包括生產污水處理系統、火炬放空系統、化學藥劑注入系統、開式排放及閉式排放系統及燃料氣處理系統。

3)公用系統。主要包括熱介質系統、儀表氣系統、海水系統、柴洶系統及淡水/熱水系統等。

海油工程股份有限公司是目前國內FPSO上部模塊最大的設計、采辦、建造商。

2.3 系泊系統

典型的系泊系統包括以下幾個主要部分：絞車；導纜孔，系纜卷車和系鏈盤；連接器；錨鏈，鋼纜和纖維纜；錨樁。

圖4是一個典型的永久式系泊系統，采用了張緊式的系泊系統，錨樁采用吸力錨型式。

圖4 永久式系泊系統

系泊系統設計是一項復雜的系統性工程，是針對具體項目分析和設計的高度定制化方案，并且還需要應用模型和計算機軟件分析，以得到最佳設計方案[3]。設計系泊系統時主要考慮的影響因素有以下幾個方面。

設計環境，船體特征，船體位移和運動，轉塔位置和船體風向標效應，系泊纜材質，系泊纜分布。系泊纜材質類型從以往項目來看，主要有錨鏈、鋼纜和聚酯纖維纜，具體選擇受油田具體海況影響比較大，一般來說，對于深水(400 m以上)系泊，懸浮部分使用部分鋼纜代替錨鏈，以增加系泊纜的強度，并減小頂部張力。在超深水(1 500 m以上)系泊中，通常采用更輕的聚酯纖維纜替代鋼纜，聚酯纖維纜的優點是：強度/重量比大、彈性好，成本也比鋼纜低得多。

目前國外設計系泊系統的主要有以下工程公司：

Aker Solutions；Amog Consulting；Cortland Company；Deepsea Group Ltd.；Floatec；Houston Offshore Engineering；KBR (Granherne Subsidiary)；Loc Norge As；MCS Kenny；Mooring System Solutions Pyt Ltd.；SBM Offshore；Sigma Offshore；Technip；Viking Sea Tech As；WorleyParsons；Offspring International (Oil)；Boskalis Offshore；SOFEC；Delmar System；Vryhof Engineering Ltd.；InterMoor；Cotec,Inc；London Marine Consultants

2.4 FPSO轉塔系統

FPSO轉塔是一個緊湊的多功能結構，包括多個獨立的子系統。轉塔結構集成了FPSO系泊系統，錨樁和立管的安裝設備，流體輸送系統包括清管器收發設備、測量、化學注入設備和水下控制等系統，是一個非常復雜、設備齊全的系統。

轉塔系統作為FPSO的核心技術之一，主要被西方幾家公司掌握，其技術難點主要包括轉塔主體結構設計、軸承設計選型、滑環設計選型和龍門結構設計等。其中滑環系統和軸承系統科技含量高，技術難度尤其大，主要被幾家公司所掌握。圖5是一種用于深水FPSO的不可解脫式內轉塔。

圖5 轉塔結構

全球的轉塔設計機構有SBM、APL (NOV)、SOFEC(MODEC)、LMC(London Marine Consultants)、Teekay和Bluewater等公司。2003—2013年在全球深水領域FPSO轉塔設計中，SBM、APL和SOFEC 3家占據了轉塔市場份額的77%，其中SBM占比31%，APL占比27%，SOFEC占比19%，見圖6。

圖6 FPSO轉塔市場份額

SBM、NOV(原APL)和MODEC均為全球領先的轉塔設計機構，這3家企業均擁有轉塔設計專利。這3家的轉塔系統優缺點進行對比，見表1。

表1 國外品牌深水FPSO轉塔系統優缺點分析

2.5 FPSO立管系統

海洋立管是油田開發的最關鍵的界面，海洋立管的總體設計，不僅對立管本身，而且對上部浮體的結構選擇與設計、運動性能的好壞、油田的總體布局等，都有著重大的影響。FPSO上立管的選擇和設計面臨的首要挑戰是：由于FPSO的運動給立管帶來巨大的水動力而導致的疲勞損傷。

影響FPSO立管選型、設計的主要因素有：

海況/水深；

FPSO 運動響應要求；

立管終端位置及其安裝方式；

立管內的溫度控制；

立管尺寸；

油田規劃/安裝時間表/費用。

目前主流的立管類型有4種：鋼懸鏈式立管、頂張力立管、柔性立管和混合塔式立管，見圖7。

圖7 深水FPSO立管系統類型

從實際應用來看，在同一項目中經常會使用多種類型立管，總體來看，鋼懸鏈式立管和頂張力立管使用比例較高，如圖8所示。

圖8 深水FPSO立管系統不同類型使用比例

國際上知名的立管設計公司有Aker Soultions, SBM, Technip和2H offshore等。隨著油氣田開采走向越來越深的海域，新的立管設計型式也不斷涌現。比如2H Offshore設計的自由站立式混合立管塔、Technip的采用干樹TTR的FPSO設計等一些新概念。

圖9 2H Offshore自由站立式混合立管塔

圖10 Technip干樹TTR

3 未來深水FPSO發展趨勢概述

近年來，FPSO工作環境、水域深度的要求不斷提高，市場需求逐漸多樣化，FPSO和其他海上設施結合、集成更多功能，衍生出更多設備類型[4-6]，見圖 11。

圖11 FPSO發展類型

未來新建FPSO將逐漸以上述幾類復合型FPSO為主。在性能方面，未來FPSO發展將呈現以下特點。

1)深水和超深水。特別是在西非、巴西和墨西哥灣，超深水FPSO比例較高。

2)抗冰/抗颶風。加拿大、挪威和俄羅斯等地區對FPSO抗冰性能要求較高，墨西哥灣和中國南海對抗颶風性能要求較高。

3)可解脫式轉塔系泊系統。保證在颶風和破冰時的安全。

4)圓筒式FPSO。無需轉塔，就能很好地適應風、浪、流對船體的影響，同時也可減少普通船體結構艏部和艉部的縱搖，使整體結構更穩定。

總的來說，未來FPSO將向著功能集成性更強、作業深度更深、抗災害能力更強等方向發展。

[1] 許鑫,楊建民,李欣,等.海洋工程中多浮體系統的水動力研究綜述[J].中國海洋平臺,2014(4):1-8+13.

[2] 趙耕賢.FPSO設計綜述[J].船舶,2005(6):1-5.

[3] 許鑫,楊建民,李欣,等.浮托駁船系泊定位的數值模擬與模型試驗研究[J].水動力學研究與進展A輯,2013(4):471-481.

[4] WANG T, FENG Y. Advanced Development of Research on New Concept FPSOs [J]. Ship & Ocean Engineering, 2011(5):51.

[5] 謝彬,王世圣,喻西崇,等.FLNG/FLPG 工程模式及其經濟性評價[J].天然氣工業,2012,32(10):99-102.

[6] WON W, LEE S K, CHOI K, et al. Current trends for the floating liquefied natural gas (FLNG) technologies[J]. Korean journal of chemical engineering, 2014,31(5):732-743.On the Development Situation and Tendency of the Deep Water FPSO

TAN Jia-xiang

(CNOOC Energy Technology & Service-Oil Production Services Co., Tianjin 300452, China)

The deep water FPSO is a very complex and highly customized system. The current situation of development and application of FPSO in the world were investigated from view of design of mooring rope, riser and turret system of the deep water FPSO, the development tendency of deep water FPSO in the future were discussed also.

deep water FPSO; development situation; development tendency

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.017

2016-07-10

工信部項目(E-J214A004.01)

譚家翔(1965—)，男，學士，高級工程師

U674.38;P751

A

1671-7953(2016)05-0065-06

修回日期：2016-08-10

研究方向:海洋工程技術

E-mail:tanjiaxiang@cnooc.com.cn