海上油田浮式儲油裝置原油外輸作業方式改進

楊秘，余俊雄，李海濤，侯嘉民

(中海石油(中國)有限公司 曹妃甸作業公司，天津 300459)

海上油田開發模式中，較多設計采用單點系泊和FPSO集中進行油田群的油氣水處理，并使用油船串靠接收處理后的原油，進行輸運送。原油外輸配套設施能力和作業方式與油藏產能相關。隨油田的滾動開發建設，油田的產能逐步升高，需要向外運送的原油量大幅增加，按原設計模式和每船次原油輸送量標準也導致作業頻次大幅上升，從而產生了占據較多配套船舶資源的問題；另外，存在因惡劣海況不能及時外輸，造成油田限產或關停的風險。為此，對原設計每船次外輸30萬桶提升到40萬桶的可行性進行分析。

1 原油外輸配套設施設計建模參數

海上原油外輸模式一般為，一艘船舶牽引提油船，提油船再通過纜繩連接FPSO，FPSO通過軟鋼臂連接到永久系泊裝置單點上。單點系泊系統需要承受原油外輸工作過程中3艘船舶的拉力，故在原油輸送作業時單點系泊系統受力及安全性一直是學者所關心的問題。

1.1 軟剛臂及系泊鏈參數

FPSO系泊系統包括：船首支撐結構、錨鏈、水下軟剛臂、系泊轉盤、轉塔樁基礎等，見圖1。

圖1 海洋石油112系泊系統示意

軟剛臂是三角形框架結構，一端與系泊轉盤連接，另一端與船首支撐結構相連。參數見表1。

表1 軟剛臂及系泊鏈參數

1.2 FPSO主要參數

浮式儲油裝置FPSO主要參數見表2。

表2 FPSO主要參數

1.3 提油船主要參數

提油船滿載排水量61 000 t，外輸原油裝載量按30萬桶和40萬桶進行。主要參數見表3。

表3 提油船主要參數

1.4 大纜拉伸剛度

FPSO與提油船之間的外輸大纜長80 m。(周長21 in，直徑170 mm，破斷力=5 600 kN)。外輸大纜拉伸剛度特性見表4。

表4 大纜拉伸剛度特性

1.5 校核規范

對于軟剛臂系泊的系泊鏈，根據DNV-OS-E301-Position Mooring采用分項系數法進行設計和校核。根據設計標準，系泊系統需對3種極限狀態進行分析。

1)最大極限狀態(ULS)。要求每根系泊纜都有足夠的強度能抵御極限環境條件產生的載荷。

2)偶然極限狀態(ALS)。系泊系統有足夠的能力抵御1根系泊纜失效、1部螺旋槳或者螺旋槳控制、動力系統由于未知原因失效的狀況。控制或者動力系統的失效可能導致多個螺旋槳無法工作。

3)疲勞極限狀態(FLS)。單根系泊鏈有足夠的能力抵御循環載荷。

根據規范定義，系泊系統失效產生的后果可分為兩級，見表5。

表5 最大極限狀態的分析安全系數

Ⅰ級。系泊系統失效不太可能導致不可接受的后果，比如生命損失、與相鄰的海上設施發生碰撞、油氣不受控制的外泄、平臺傾覆或下沉等。

Ⅱ級。系泊系統失效可能會導致不可接受的后果，不可接受的后果，比如，生命損失、與相鄰的海上設施發生碰撞、油氣不受控制的外泄、平臺傾覆或下沉等。

在FPSO生產作業中有多根軟管和電纜連接到軟剛臂系統的系泊塔上，不允許發生系泊纜破斷的情況，因此設計標準為最大極限狀態(ULS)，系泊系統失效后果為Ⅱ級，對應有：

--mean·--dyn·≥0

其中：為特征強度;-mean為特征平均張力；為特征動態張力(幅值)；為平均張力分項安全系數；為動態張力分項安全系數。

對于初始直徑為156 mm錨鏈，考慮10 mm的腐蝕量，系泊纜的最小破斷力為18 877 kN。

1.6 校核參數

根據APL設計報告《SAL Yoke system-Mooring system Design analysis》和《Model test reports of SAL Yoke system for CFD11 FPSO》水池實驗報告，單點系泊系統設計限制條件是100RP設計海況，而外輸校核工況則選取1RP作業海況進行單點系泊力可行性校核評估，100RP設計極限值為7 550 kN，校核設計輸入參數及設計條件見表6。

表6 校核基本輸入參數

根據水池實驗結果，1年1遇環境條件下，波浪采用Jonswap譜模擬，風采用NPD風譜，流采用剖面流，并根據APL設計報告《Model Test Calibration analysis》，得到100年1遇極限設計工況設計極限值為7 550 kN。

2 外輸配套系統

2.1 系泊裝置

2.1.1 系泊裝置模型試驗

FPSO工作水深24 m，為驗證水下軟剛臂系統在淺水中的性能,根據水池實驗室選取典型風浪流組合工況，計算結果見表7。

表7 模型實驗外輸操作工況計算海況

基于表7所示水池實驗計算結果，選取3種實驗結果偏大的典型外輸海況No.030227, No.030228， No.030230，作為單點系泊系統設計分析輸入海況。

2.1.2 數值模型分析模型

數字模型分析選取3種實驗結果偏大的典型外輸海況No.030227,No.030228， No.030230，作為本次單點系泊系統設計應性分析輸入海況。通過采用HydrostarV8.10進行水動力計算以及海洋工程時域動力分析軟件Orcaflex10.3d進行系泊力計算。

2.1.3 系泊力分析結果

考慮拖船提供200 kN的平均拉力，且浮式儲油裝置、提油船及拖船三者共線，根據1年1遇操作工況，在Orcaflex10.3d中分別對原30萬桶外輸及擴大外輸新增到40萬桶外輸，對浮式儲油裝置從滿載到壓載，以及提油輪從壓載到40萬桶裝載量進行校核，浮式儲油裝置壓載狀態，提油船近滿載狀態時，單點系泊系統受力最大。水池實驗室選取典型風浪流組合工況，2種外輸裝載方式計算結果見表8。

表8 系泊力校核表

單點系泊力及提油船大纜拉力與提油船裝載量成正相關，在原有典型設計工況及假設條件初步校核下，原油外輸量由30萬桶增大到40萬桶，一年一遇海況輸入條件下，系泊力增加3%左右，日常典型外輸工況下系泊力增大1%左右，大纜拉力增大5%左右；按照原設計及一年一遇設計工況，單點系泊受力及大纜拉力均有所增加，單點系泊受力達到最大值47 108 kN，未超過百年一遇設計極限值。單點系泊系統滿足每船次輸油量增加的能力要求。

2.2 外輸系泊大纜能力分析

根據大纜絞車技術規格書參數：設計負荷5 700 kN，拉力計范圍0～5 700 kN。大纜尺寸21 in(周長)，材質尼龍，外包橡膠，長度80 m，破斷力7 688 kN，破斷試驗8 304 kN。從上述參數可以看出，大纜的破斷力遠大于大纜絞車設計載荷。結合油田歷史外輸30萬桶外輸工況作業下大纜最大拉力4 488 kN(歷史外輸大纜拉力記錄)，按原設計建模及一年一遇設計工況校核下，增大到40萬桶的原油外輸工況下，在側向來風(45°入射)，浪、流同向的典型組合工況下，大纜拉力計算均值的最大值達到789 kN，占設計極值(5 700 kN)的14%左右，未超過設計極限值，大纜滿足每船次輸油量增加的能力要求。

2.3 守護船拖帶能力分析

參照《外輸作業提油輪與拖輪協同作業指南》要求，串靠外輸作業時至少配備2艘能夠互為備用的守護船，協助提油輪系泊、裝載、離泊作業。每艘拖輪的系柱拖力不少于700 kN，主機功率不小于4 440 kW；若提油船載重量超過8萬t，應根據海區特點和作業環境進行風險評估后，決定是否選用更大功率的拖船。

油田外輸作業主要采用6萬～8萬t級提油船進行外輸，可裝載原油量均高于40萬桶。負責協助外輸作業的2艘守護船配置主要參數為：主機功率分別為4 740 kW和5 030 kW，系柱拉力分別為780 kN和810 kN。守護船主拖纜和索節澆筑接頭均有檢驗何在有效期內，安全工作負荷分別為1 900 kN和2 130 kN；連接守護船主拖纜及提油船的船用纖維繩均有檢驗且在有效期內，均滿足拉力1 000 kN。2艘守護船的系柱拉力約為800 kN，拖船尾拖帶系統規格不小于800 kN，可滿足每船次輸油量增加的能力要求。

2.4 浮式儲油裝置原油裝載能力分析

油田儲油裝置外輸作業提效前能力：貨油艙合計8個艙室，其中1個貨油艙作為艙底水轉駁及應急狀態下使用，正常狀態下7個艙室裝載能力8.4萬m，按日產9 000 m、原油外輸每船次40萬桶進行核算，原油艙室裝載緩沖能力僅為2.6 d，存在惡劣海況等因素造成未能及時外輸油田被迫限產或關停的風險，需要調整增加原油裝載能力。

油田采取措施控制污水量以及完成艙室維護，再釋放出2個艙室用于增加原油裝載能力，根據裝載手冊核算增加原油裝載量約2.4萬m，合計原油裝載能力10.8萬m，按日產9 000 m、原油外輸每船次38萬桶進行核算，原油艙室裝載緩沖能力提升到4.9 d，基本滿足應對惡劣海況的裝載緩沖周期需求，從而滿足每船次輸油量增加的能力要求。

3 結論

由每船次外輸30萬桶提升到40萬桶，經建立典型外輸海況和數字模型計算結果表明，單點系泊、系泊大纜拉力遠低于設計極限值，FPSO裝載能力及值守船拖帶能力均可滿足。油田現場開展由30萬桶逐步增大到40萬桶的應用實驗，較好解決了現場作業有可能存在的影響，降低了外輸作業頻率30%、延長作業周期、減少外輸作業的船舶資源占用和不及時外輸作業關停的風險。可為類似油田作業提供借鑒。