新型單立柱系泊生產系統研發

朱為全，郭薇，申輝，劉超，劉波

（1.北京高泰深海技術有限公司，北京 102209；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

0 引言

渤海海域小型邊際油田數量眾多，合計儲量龐大，具有構造破碎、斷裂發育、油藏復雜等地質油藏特點，開發不確定性較大，不適合過高的工程投資。目前國內外海上邊際油田開發的模式主要有兩種：1）平臺群開發模式[1]。即新建一個衛星平臺（井口平臺或水下井口），通過一條海管將其生產的油氣接入臨近的主開發平臺，衛星平臺相關的控制、操作通過主開發平臺接入過來的一條電纜來實現。這種方式適用于離現有主開發平臺設施較近的油田，一般距離在20 km以內，這種開發模式經濟性較好，技術比較成熟，典型代表如渤海灣BZ34-3/5油田、錦州20-2油田等[2]。2）“蜜蜂式”開發模式。即采用可移動式的集生產、動力、儲油、外輸、生活為一體的小型生產裝置進行開發的模式。這種方式適用于離現有主開發平臺設施較遠，無法依托現有設施的小型油氣田[3]。目前已經實際應用的典型代表如海洋石油162試采平臺，該平臺為四樁腿的自升式試采、修井一體化平臺，在渤海灣某油田采用隔水套管支撐井口+移動式采油平臺+5000 t級穿梭油輪的方式進行生產作業。

自升式采油平臺優點是可移動且有自升功能，其缺點主要為：1）插樁和拔樁作業比較復雜；2）限于平臺形式，其儲油能力較小，如海洋石油162試采平臺設計儲油量為2500 m3；3）外輸作業界面復雜，考慮到平臺的結構安全，普通穿梭油輪一般不能直接與平臺連接，需要設置一個外輸浮筒進行中間連接[4-6]，或者采用具備動力定位能力的穿梭油輪，與平臺通過軟管直接連接以實現原油外輸[7]。

針對自升式采油平臺的缺點，本文提出了一種全新的工程開發方案，形成一種單立柱系泊生產系統+小型FPSO的高效、低成本的無依托獨立開發模式，簡稱單立柱系泊生產系統（Single Column Mooring, SCM），通過簡化單點系泊系統設計，降低鉆井、修井、建造、安裝、生產、儲油、運維全生命周期總成本，實現小型邊際油田的經濟開發。

1 SCM總體方案

SCM總體方案包括一座無人生產平臺（SCM平臺），一套單點系泊系統和一艘小型浮式生產儲卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）。總體方案如圖1所示。

圖1 總體方案示意圖

本方案主要針對渤海海域的小型邊際油田進行開發，共有6口生產井，采用電潛泵開發模式，井液經多路閥后部分流體進入多相流量計進行計量，匯合后的流體通過管道依靠井壓輸送至FPSO進行下一步處理。

SCM為一座三樁式單立柱平臺，平臺兼有單點系泊的功能，含6個井槽，前期使用鉆井船打井，后期使用液壓修井機修井。平臺設計為無人平臺，共設3層甲板，分別是上層甲板、下層甲板及單點操作甲板。

單點系泊系統采用目前渤海區域應用成熟的軟剛臂系泊設計（Soft Yoke Mooring），使得FPSO在位期間具有風向標效應，顯著降低FPSO受到的環境載荷。

考慮到邊際油田產量較低（最大高峰總產量為600 m3/d），按10 d的外輸周期計算，FPSO建議選取載重量為10 000～20 000 t級的小型化FPSO。

FPSO原油外輸可以采用成熟的穿梭油輪串靠外輸方案，提高外輸作業能力。

2 SCM單點系統

SCM單點系統為軟剛臂式系泊系統，其中軟剛臂系統與軸承系統起到了連接SCM平臺與FPSO船體的作用，是軟剛臂式單點系泊系統實現風向標效應系泊方式的核心。SCM單點系統主要包括主軸承系統、滑環堆棧系統、剛臂結構和系泊腿、FPSO剛臂掛架和傳輸管路及電纜等子系統。

2.1 主軸承系統

主軸承系統把繞SCM平臺旋轉的軟剛臂系統的系泊力傳導給與大地相對靜止的SCM平臺，系泊力包括沿徑向的力和沿轉軸中心的力。主軸承系統的外環是轉動部分，為轉臺及軟管塔提供支撐結構，并伸出U形臂與軟剛臂系統連接，如圖2所示。主軸承系統的內環與SCM平臺連接，即與大地相對靜止。主軸承系統允許FPSO圍繞SCM平臺結構360°轉動（即風向標效應）。主軸承系統需要能夠支持最大設計垂向載荷、徑向載荷和傾覆力矩。

圖2 SCM單點系泊系統

主軸承系統的核心是主軸承，一般為輥子轉盤軸承（slewing roller bearing）。主軸承的支撐由鑄件構成，分為轉動鑄件和固定鑄件，其中固定鑄件與SCM平臺焊接在一起，轉動鑄件伸出的U形結構與軟剛臂系統相連。

圖3 主軸承系統

2.2 滑環堆棧系統

SCM概念的主要創新之一是大立柱的內部空間用來修井/鉆井作業。這個特點要求與之相配合的滑環堆棧系統要可以適應大直徑中央立柱的空間要求。傳統滑環的固定端管路布置在中央支撐結構內部，由彎頭結構注入到滑環旋轉部分與固定部分之間的環腔；而SCM概念要求中央內部空間預留給鉆/修井隔水立管，圖4給出了一個滑環堆棧系統原理示意圖。其中固定部分的內徑不小于2750 mm，固定端管路只能從滑環固定部分的頂部進入，滑環固定部分要通過“增厚”或“讓路”來留出固定端管路的通路。

圖4 滑環堆棧系統

2.3 剛臂結構和系泊腿

當FPSO船體在環境力作用下遠離SCM平臺時，系泊腿與A形剛臂結構夾角被系泊力逐漸拉大，A形剛臂結構同時被逐漸抬升。系泊腿與A形剛臂結構夾角越大，維持夾角需要的拉力越大，即A形剛臂結構與壓載回復原位置的趨勢逐漸加強，最終船體被逐漸拉回平衡位置。

軟剛臂設計主要考慮以下因素：1）考慮到FPSO波頻運動較大，為減小波頻運動對系泊力的影響，系泊剛度需要盡量軟一些；2）FPSO在運動中，剛臂不能整體入水；3）FPSO向前運動時，剛臂與船體不能發生碰撞。

2.4 FPSO剛臂掛架

圖5 軟剛臂結構

軟剛臂掛架布置在FPSO船艏，焊接于甲板及其加強結構之上，很多時候，由于其根部無法對齊甲板強結構，甲板下面需要做專門的加強，對于較纖細的船艏，還需要船舷兩側外伸出結構來支撐軟剛臂掛架。該結構的甲板支撐同時需要承受軟剛臂系統的靜載荷和運動載荷。軟剛臂掛架的頂部需要懸出船艏一定距離，保證系泊腿與船艏結構有足夠的間隙，防止在極端天氣下系泊腿或A形架末端與船艏結構相撞，造成嚴重事故。

2.5 傳輸管路及電纜

跨接軟管/纜系統是實現SCM平臺固定管路與FPSO旋轉管路之間傳輸流體、氣體、電力及信號的核心。生產原油、注井水/氣，水下井口控制信號，水下系統電力供應等等的傳輸，都需要通過生產傳輸系統來實現。由于船體與中心塔有一段較遠距離，并且沒有穩定結構支撐（軟剛臂隨風浪繞各個節點不停運動），從SCM平臺出來的管路線路需要爬到軟管塔頂部通過跨接軟管/纜懸空搭接到船體艏部FPSO剛臂掛的頂部接收端來實現生產介質的傳輸，同時避免跨接線路與軟剛臂系統相撞。

3 案例研究

3.1 設計參數

本節以渤海灣某邊際油田為例，對SCM的總體方案進行了詳細計算分析。該區域設計水深為20 m，平臺目標設計壽命為10 a，根據美國船級社浮式生產設施規范[8]，設計環境條件重現期選為50 a一遇，如表1所示。

表1 設計環境條件

SCM平臺結構設計主要尺度如表2所示。

表2 平臺設計尺度

軟剛臂結構基本設計參數如表3所示。

表3 軟剛臂參數

本方案中包含1條SCM至FPSO的內徑4 in水管，1條內徑6 in油管以及1條電力電纜。

3.2 系泊載荷

SCM方案可適用于多種不同噸位的FPSO。在軟剛臂結構不變的情況下，不同噸位FPSO的系泊方案詳細對比分析結果如圖6所示，可以看出每增加1 萬t排水量，水平系泊載荷約增加 5% ～10%。

圖6 FPSO噸位與水平載荷關系

對于1～2 萬t船體，其裝載狀態變化時重心變化明顯，因此運動特性變化顯著，對系泊水平載荷影響大；而隨著船體噸位增加，不同裝載狀態重心變化不明顯，運動特性較為穩定，因此系泊水平載荷變化趨勢較緩。但是，當采用5 萬t的FPSO時，SCM平臺軸承受到的極限載荷量級在接近500 t左右，此時SCM平臺的結構需要進行優化或者加強，例如從三腿樁式變為四腿樁式等。

3.3 工程投資

按照2 萬t的FPSO單點系泊設計方案，預計SCM投資費用合計為2.3 億元，工程費用主要分為平臺和系泊兩大部分，具體的費用比例如圖7所示。其中工程直接費用包括建造、海上安裝費用等，工程間接費用包括設計費、檢驗費等，基本預備費為其他不可預見費用等。

圖7 工程投資占比

SCM 方案從詳細設計開始到建造、安裝、調試、最終投產，預計工期為54周，整個項目的工程進度計劃如圖8所示。

圖8 工程進度計劃

4 結語

為了充分開發小型邊際油田，降低工程成本，并提高工程效益，本文提出一種全新的工程開發方案，即單立柱系泊生產系統（SCM），其采用簡化的單點系泊系統設計，工程投資費用較小，為邊際油田開發提供了一種新的開發理念。

單立柱平臺大立柱的內部空間可以用來修井/鉆井作業，系泊方案采用成熟的軟剛臂系泊方式，可適用于多種不同噸位的小型FPSO，外輸作業能夠實現傳統的穿梭油輪串靠外輸，單立柱系泊生產系統總的工程周期僅為1 a左右，可實現在渤海淺水區域的邊際油田的高效開發。