用于邊際油田的動(dòng)力定位小型FWPSO關(guān)鍵技術(shù)

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(1. 中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司， 天津 300452；2. 武漢理工大學(xué) 智能交通系統(tǒng)研究中心， 湖北 武漢 430063)

0 引 言

對(duì)于超過(guò)100 m水深的邊際油田，目前國(guó)內(nèi)無(wú)專(zhuān)門(mén)的試采或生產(chǎn)裝備，使用常規(guī)方案開(kāi)發(fā)沒(méi)有經(jīng)濟(jì)效益。南海中等水深邊際油田要求裝備噸位小、開(kāi)發(fā)年限短、移動(dòng)靈活。國(guó)際上有類(lèi)似動(dòng)力定位方案[1-4]。在世界范圍內(nèi)約有10艘動(dòng)力定位FPSO，作業(yè)海域主要在英國(guó)北海、墨西哥灣、澳大利亞、巴西，儲(chǔ)油量基本在10 000 t左右，絕大部分為DP 2等級(jí)，主要用于試采和早期生產(chǎn)。中國(guó)南海也有1艘10萬(wàn)t的動(dòng)力定位FPSO——睦寧號(hào)，1997年-2011年在中國(guó)南海作業(yè)，2004年前往西江油田替產(chǎn)，為期6個(gè)月，2010年前往惠州油田替產(chǎn)，為期18個(gè)月，在替產(chǎn)期間為全DP定位。由于目前邊際油田修井裝備租賃難且成本高，推薦采用動(dòng)力定位小型FWPSO方案進(jìn)行深入研究。

1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

作業(yè)海域?yàn)橹袊?guó)南海，水深為330 m，修井作業(yè)條件為有義波高≤2.5 m，極限作業(yè)(DP解脫)條件為十年一遇季風(fēng)，自存條件(結(jié)構(gòu)校核)為一年一遇臺(tái)風(fēng)，設(shè)計(jì)環(huán)境如表1所示。

表1 風(fēng)浪流設(shè)計(jì)極值

FWPSO設(shè)計(jì)處理規(guī)模按南海某油田5口井配產(chǎn)數(shù)據(jù)的1.1倍設(shè)計(jì)，處理能力分別為：最大液處理量為16 800 m3/d，最大水處理量為16 050 m3/d，最大油處理量為2 533 m3/d。其他主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：定員70人，設(shè)計(jì)壽命25 a，自持力30 d，10 a不進(jìn)塢維修，外輸周期14 d。排放指標(biāo)為：原油含水率≤0.5%，含油量≤45 mg/L。

2 動(dòng)力定位小型FWPSO總體方案設(shè)計(jì)

2.1 船型及功能定位

圖1 總體開(kāi)發(fā)方案示例

本方案采用船形動(dòng)力定位FWPSO開(kāi)發(fā)邊際油田，無(wú)需單點(diǎn)系統(tǒng)，可迅速解脫浮筒，遇惡劣海況可自行撤離，其適應(yīng)水深更大、海域更廣、更靈活。動(dòng)力定位燃油消耗和操作成本偏高，因此適用于邊際油田或短期開(kāi)發(fā)。除臺(tái)風(fēng)解脫外，在其他條件下可正常作業(yè)，立管連接可自行安裝。其總體開(kāi)發(fā)如圖1所示，采用水下井口，F(xiàn)WPSO通過(guò)DP繞舷側(cè)浮筒主動(dòng)旋轉(zhuǎn)。由于南海水深，修井船費(fèi)用高、租賃難，導(dǎo)致修井困難，為了提高產(chǎn)量，裝備需帶修井功能。修井深度約3 000 m，水下井口采用叢氏井，為便于修井，最遠(yuǎn)井距在50 m以?xún)?nèi)，在修井時(shí)FWPSO需移位至目標(biāo)井口上方，其修井為浮式修井系統(tǒng)，采用隔水管和水下防噴器組建立井口泥漿循環(huán)返流通道，其修井功能如圖2所示。

圖2 修井功能圖

2.2 主尺度及艙容

FWPSO主尺度主控因素包括：原油儲(chǔ)量、工藝模塊甲板面積、耐波性、穩(wěn)性、系泊方式、排水量等。由于最大油處理能力僅為2 533 m3/d，且油田豐產(chǎn)期較短，按照高峰時(shí)外輸周期為14 d考慮，艙容約40 000 m3較適合，結(jié)合約4 000 m3的工藝水艙和約2 000 m3的污油水艙，總功能艙容約46 000 m3，尺度應(yīng)與靈便型油船相當(dāng)。

主尺度確定依據(jù)：(1)既需滿足邊際油田產(chǎn)量需求，又需滿足南海惡劣海況的耐波性，尋求較小尺度、功能與經(jīng)濟(jì)效益的合適平衡點(diǎn)；(2)由耐波性分析，船長(zhǎng)主要影響縱搖和垂蕩。在規(guī)則波中，當(dāng)船長(zhǎng)L/波長(zhǎng)λ≈1時(shí)，波浪的擾動(dòng)力最大，縱搖和垂蕩十分激烈。當(dāng)L/λ>1.3時(shí)，縱蕩和垂蕩均不會(huì)太大，選擇船長(zhǎng)應(yīng)大于1.3倍臨界波長(zhǎng)；(3)臨界波長(zhǎng)取FWPSO解脫待命時(shí)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)波長(zhǎng)，即一年一遇的臺(tái)風(fēng)天氣對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，經(jīng)計(jì)算，對(duì)應(yīng)船長(zhǎng)在180 m左右。參考現(xiàn)有母型船，最終確定帶修井功能的動(dòng)力定位FWPSO主尺度及主要艙容如表2所示。

表2 動(dòng)力定位FWPSO主尺度與艙容

2.3 總布置

如圖3所示：從艏至艉依次為艏端、生活區(qū)/輔機(jī)艙、貨油艙/工藝生產(chǎn)模塊/鉆井模塊等、主電站/貨泵艙、外輸/火炬塔。艏樓甲板布置系泊和航行錨系統(tǒng)，其上布置直升機(jī)甲板。在貨油艙段內(nèi)，甲板起重機(jī)、井架和火炬塔使視線難以滿足自航船需求，因此駕駛室須放在艏端。鉆井作業(yè)對(duì)運(yùn)動(dòng)性能較為敏感，因此布置在船中附近；生產(chǎn)工藝模塊布置在后部，距主電站和生產(chǎn)控制區(qū)較近；惰氣模塊布置在前部；3個(gè)模塊之間有一定的安全隔離帶。其中，6臺(tái)5 000 kW的主電站規(guī)模較大，若布置在工藝甲板，則受風(fēng)面積高，穩(wěn)性裕度偏低。因此，按照常規(guī)油船把主電站布置在主船體艉機(jī)艙，提高初穩(wěn)心高約0.5 m，滿足穩(wěn)性和DP能力要求。

修井月池在船中開(kāi)口，規(guī)格為8.8 m×8.8 m?？紤]DP的使用效果，生產(chǎn)立管盡量布置在船中附近，以最大限度地節(jié)約DP功率消耗。如果生產(chǎn)立管布置在殼體內(nèi)，則船長(zhǎng)需增加，DP功率將增大，同時(shí)考慮立管上船需接入油氣分離系統(tǒng)且船中右舷有吊機(jī)，因此立管布置在左舷船中工藝模塊區(qū)。

圖3 總布置圖

2.4 運(yùn)動(dòng)性能

采用 SESAM 軟件計(jì)算運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)算子，并根據(jù)作業(yè)水域的環(huán)境條件，對(duì)船體重心處和人員居住區(qū)的運(yùn)動(dòng)幅度和加速度進(jìn)行短期預(yù)報(bào)。船體阻尼取臨界阻尼的5%?？紤]生產(chǎn)作業(yè)的極限工況和修井作業(yè)工況分析本船的作業(yè)性能。

依據(jù)海洋石油工程設(shè)計(jì)指南[5]，作業(yè)限制要求為：作業(yè)狀態(tài)下橫搖≤10°，縱搖≤5°，垂向加速度≤0.2g，另外，修井作業(yè)要求隔水管偏轉(zhuǎn)角≤4°(對(duì)應(yīng)330 m水深，偏移距離為23.08 m)，立管偏移≤15%水深(即49.5 m)。如表3 和表4所示。橫搖運(yùn)動(dòng)最大為9.976°，在10°以?xún)?nèi)，滿足規(guī)定要求；橫蕩都在5 m以?xún)?nèi)，遠(yuǎn)低于隔水管和柔性立管限制，縱搖滿足5°要求；垂向加速度略微超過(guò)了0.2g衡準(zhǔn)，考慮該限制主要是滿足甲板“輕手工勞動(dòng)者”需求，不影響生產(chǎn)和作業(yè)安全，后續(xù)將增加垂向阻尼(比如增加舭龍骨面積)，優(yōu)化垂蕩運(yùn)動(dòng)。

表3 生產(chǎn)作業(yè)不同位置處的最大偏移

表4 生產(chǎn)作業(yè)不同位置處的最大加速度

圖4 推進(jìn)器分配示例

2.5 動(dòng)力定位系統(tǒng)

2.5.1 DP配置

如圖4所示，T1～T6為推進(jìn)器，艏部采用1個(gè)側(cè)推器+2個(gè)伸縮式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，艉部配置2個(gè)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器+1個(gè)伸縮式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，共6個(gè)推進(jìn)器，每個(gè)推進(jìn)器最大功率為3 000 kW，最大系柱推力為460 kN?？紤]失效模式，提高DP可靠性，每個(gè)推進(jìn)器用1段配電板，6段配電板采用環(huán)網(wǎng)形式。

2.5.2 DP作業(yè)天數(shù)

DP在有義波高為6.1 m時(shí)可實(shí)現(xiàn)±30°艏向角定位，如表5所示，>6.1 m波高天數(shù)為0.86%×365 d=3.14 d，這些可能是瞬時(shí)波高累積，當(dāng)FWPSO迎浪時(shí)，DP能抵御9.8 m有義波高，>9.8 m的非作業(yè)天數(shù)為0.05%×365 d=0.18 d。因此，小型FWPSO的作業(yè)模式與南海睦寧號(hào)FPSO全動(dòng)力定位的生產(chǎn)方式類(lèi)似，除了在臺(tái)風(fēng)時(shí)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的惡劣條件可能解脫外，其他條件是不解脫的。

表5 作業(yè)海域波高概率統(tǒng)計(jì)

表6 DP計(jì)算海況組合

睦寧號(hào)的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明：當(dāng)臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)時(shí)，準(zhǔn)備撤離或撤離的停產(chǎn)平均天數(shù)為3.5 d。以睦寧號(hào)經(jīng)歷臺(tái)風(fēng)最多的1999年為例，共經(jīng)歷2次臺(tái)風(fēng)準(zhǔn)備撤離，3次臺(tái)風(fēng)撤離，按照統(tǒng)計(jì)時(shí)間，約有5×3.5 d=17.5 d因臺(tái)風(fēng)停產(chǎn)。當(dāng)常規(guī)FPSO臺(tái)風(fēng)來(lái)臨時(shí)，也需面臨1次臺(tái)風(fēng)停產(chǎn)3 d左右，且人員還需借助直升機(jī)撤離。考慮動(dòng)力定位FWPSO在經(jīng)歷臺(tái)風(fēng)期間，人員不撤離，可進(jìn)行相關(guān)維修工作。因此，動(dòng)力定位FWPSO與常規(guī)FPSO 在1年中的作業(yè)天數(shù)相近，按照330 d作業(yè)考慮。

圖5 完整模式下低/中/惡劣/極端海況DP功率利用率

圖6 完整模式DP抗風(fēng)能力圖譜 圖7 極端海況DP利用率-失效模式

2.5.3 DP能力分析

根據(jù)環(huán)境條件統(tǒng)計(jì)，如表6所示，把動(dòng)力定位FWPSO的作業(yè)海況劃分為4類(lèi)，以此計(jì)算DP油耗。根據(jù)DP船的使用經(jīng)驗(yàn)，一般認(rèn)為，保證艏向角在±30°內(nèi)比較安全。由于DP根據(jù)外界環(huán)境主動(dòng)定位以減少功率消耗，其隨浪性較好，參照南海睦寧號(hào)動(dòng)力定位FPSO的使用經(jīng)驗(yàn)[6]，油耗以艏向角在15°時(shí)對(duì)應(yīng)的功率和0.195 kg/(kW·h)的消耗率計(jì)算。

在滿載吃水時(shí)，流載荷較大；在輕載吃水時(shí)，風(fēng)載荷較大。經(jīng)比較在滿載吃水時(shí)總環(huán)境條件較惡劣，限于篇幅，動(dòng)力定位分析以滿載吃水狀態(tài)為基礎(chǔ)，其完整和失效模式分析如圖5～圖7所示。

本船在完整模式低海況下可360°定位，其中在艏艉±30°夾角范圍內(nèi)利用率約6%，最大功率利用率出現(xiàn)在正橫向90°/270°，總功率利用率約10.6%。本船在完整模式中等海況下可在360°范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)定位，其中在艏艉±30°夾角范圍內(nèi)利用率約10%，最大功率利用率出現(xiàn)在正橫向90°/270°，總功率利用率約21%。本船在完整模式惡劣海況下可在360°范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)定位，其中在艏艉±30°夾角范圍內(nèi)利用率約20%，最大功率利用率出現(xiàn)在正橫向90°/270°，總功率利用率約45.8%。本船在完整模式極端海況下可在±33°范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)定位，其中在艏艉30°夾角范圍內(nèi)利用率接近80%，接近推力器能長(zhǎng)期運(yùn)行的極限。

如圖6和對(duì)應(yīng)的表7所示：DP迎浪能力能滿足最大抗風(fēng)強(qiáng)度50 m/s，有義波高為9.8 m，流速1.28 m/s；±30°時(shí)抗風(fēng)能力約26.62 m/s，有義波高為6.51 m，流速為1.28 m/s，滿足極端作業(yè)海況十年一遇季風(fēng)定位要求；橫向能力能滿足最大抗風(fēng)強(qiáng)度12.21 m/s，有義波高為2.82 m，流速為1.28 m/s，滿足修井的環(huán)境條件要求。

如圖7所示，在單個(gè)推進(jìn)器艏部遠(yuǎn)端可伸縮推進(jìn)器失效時(shí)，只考慮極端海況，此時(shí)可在±25°范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)定位，其中艏艉25°夾角范圍內(nèi)利用率約80%，接近推力器能長(zhǎng)期運(yùn)行的極限。

各海況DP功耗如表8所示，油耗計(jì)算只考慮完整模式，按照目標(biāo)海域的統(tǒng)計(jì)環(huán)境及DP在各環(huán)境下的統(tǒng)計(jì)概率可知，除生產(chǎn)外，DP的平均年耗油量約為：(4.21 t/d×55%+6.32 t/d×28%+10.82 t/d×15%+40.12 t/d×2%)×365 d=2 376.33 t。

表7 完整模式DP抗風(fēng)浪能力

表8 DP能力匯總表

2.6 動(dòng)態(tài)管纜方案

由總體方案可知：動(dòng)力定位FWPSO舷側(cè)有立管連接浮筒，可連接2根7英寸立管，5根3.9英寸的3 kV動(dòng)態(tài)電纜，1根5英寸的0.6～1.0 kV臍帶纜，其水中分布如圖8所示。在解脫時(shí)，浮筒懸浮于水下約40 m。柔性立管一端連接浮筒，一端連接水下管匯；電纜一端連接浮筒，一端連接水下井口；臍帶纜一端連接浮筒，一端連接水下分配接頭(Umbilical Termination Head， UTH)，從UTH上接飛線至水下井口和管匯。浮筒與舷側(cè)轉(zhuǎn)塔相連，使油氣水進(jìn)入FWPSO進(jìn)行分離，電力和信號(hào)能實(shí)現(xiàn)傳輸，F(xiàn)WPSO繞舷側(cè)浮筒主動(dòng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)向標(biāo)回轉(zhuǎn)。按照極限工況和操作工況對(duì)管纜進(jìn)行強(qiáng)度校核(有效張力、最小彎曲半徑)和干涉分析，結(jié)果表明：管纜強(qiáng)度和彎曲半徑能滿足規(guī)范的要求，管纜之間不會(huì)發(fā)生干涉。

圖8 動(dòng)態(tài)管纜方案

圖9 海管海纜應(yīng)急解脫方案

浮筒應(yīng)急解脫程序如圖9所示：(1)舷側(cè)浮筒內(nèi)有滑環(huán)，在緊急時(shí)，能迅速解脫；(2)一般DP能保證設(shè)定點(diǎn)在3 m以?xún)?nèi)運(yùn)動(dòng)，DP在6.1 m的波高時(shí)能保證5 m的精度，當(dāng)風(fēng)浪>6.1 m且持續(xù)一段時(shí)間則FWPSO遠(yuǎn)離初始設(shè)定點(diǎn)；(3)浮筒中心半徑30 m為運(yùn)動(dòng)安全區(qū)，半徑30～40 m為運(yùn)動(dòng)警戒區(qū)；(4)半徑在40～50 m范圍則FWPSO解脫；(5)當(dāng)舷側(cè)浮筒中心超過(guò)初始浮筒設(shè)定點(diǎn)40 m時(shí)，觸發(fā)生產(chǎn)關(guān)斷信號(hào)，在50 s內(nèi)工藝關(guān)斷，90 s內(nèi)浮筒解脫。

3 結(jié) 論

適用于南海邊際油田的帶修井功能的FWPSO，在滿足邊際油田開(kāi)發(fā)需求基礎(chǔ)上，經(jīng)濟(jì)船長(zhǎng)宜在180 m左右，其運(yùn)動(dòng)性能滿足生產(chǎn)要求，DP系統(tǒng)可在十年一遇季風(fēng)下正常生產(chǎn)，1年可實(shí)現(xiàn)330 d作業(yè)，能保證油田生產(chǎn)時(shí)率，舷側(cè)管纜系統(tǒng)可在緊急情況下迅速解脫，同時(shí)該船還配有浮式修井系統(tǒng)，能最大限度地保障生產(chǎn)開(kāi)發(fā)，節(jié)約油田全生命周期的投資。經(jīng)上述分析，動(dòng)力定位小型FWPSO集多功能于一體，在南海作業(yè)技術(shù)可行，是中等水深以上邊際油田試采與生產(chǎn)開(kāi)發(fā)值得進(jìn)一步研究和推廣的方案。