陶付文 宋青武 王圣強 王 增 王凱華

海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451

0 前言

海上浮式生產(chǎn)儲卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)是海上油氣田開發(fā)的關鍵設施,是一座可移動的海上油氣處理工廠,集油氣生產(chǎn)、儲存、外輸為一體,兼顧船舶和固定平臺組塊的特點,由船體和上部模塊兩大部分組成。船體作為上部模塊的載體,承受著風、浪、流等海況作用。海底油氣混合物通過水下生產(chǎn)設施經(jīng)由海底管道和立管輸送至FPSO上部模塊,上部模塊中各生產(chǎn)工藝系統(tǒng)對混合物進行加工分離處理,將合格原油儲存在船體油艙內(nèi),達到設計存量后由穿梭油輪輸送至陸地。

與海洋油氣工程傳統(tǒng)使用的固定生產(chǎn)平臺加海底管道的開發(fā)模式相比,FPSO開發(fā)模式具有諸多優(yōu)勢:適用水深范圍廣,在淺水區(qū)和深水區(qū)均適用;生產(chǎn)處理能力和儲油能力更強;可移動,抗風浪能力強;經(jīng)改造后可重復使用;經(jīng)濟性好,油輪直接外輸,省去登陸海管建設。FPSO廣泛適用于遠離海岸的中、深海及邊際油田開發(fā)[1-3],目前中國自主建造集成并成功交付的世界級超大型FPSO達到35萬噸級。FPSO在世界各海域都有了成功的應用,未來FPSO將向著功能集成性更強、作業(yè)深度更深、抗災害能力更強等方向發(fā)展[4-5]。

1 FPSO建造流程

FPSO建造是一個高投入、高風險、高技術、多學科、多專業(yè)的系統(tǒng)工程,既有船的特性,又跟海洋平臺組塊類似,具有功能多樣、系統(tǒng)復雜、工作界面眾多等主要特點[6]。其建造往往由船舶設計院、船廠、海洋工程公司等多家單位進行專業(yè)化分工合作完成。為提高施工效率,縮短建造周期,FPSO的施工往往采用模塊化建造工藝,將上部設施按照生產(chǎn)工藝和項目實際情況劃分為若干個模塊,與船體同步開展建造工作。船體和上部模塊建造完畢后,進行模塊的集成及整船調(diào)試,在完成傾斜試驗及必要的海試后,整體拖航至現(xiàn)場海域,開展系泊固定并與水下生產(chǎn)系統(tǒng)、海管海纜等設施進行連接及聯(lián)合調(diào)試。

FPSO建造一般流程見圖1。

圖1 FPSO建造一般流程圖Fig.1 General process for FPSO construction

2 FPSO建造方法

2.1 船體建造

FPSO船體與船舶相似,可以新建,也可采用舊油輪改造[7-8],通常是由船殼和上甲板圍成的具有特定形狀的空心體,用于布置各種類型和功能的艙室及設備設施。FPSO船體一般由專業(yè)船廠負責建造,其建造工藝和方法與常規(guī)造船一致,具有質(zhì)量要求高、工作量大、全過程監(jiān)控的特點,其中結構建造是其他建造工作得以開展的基礎[9-10]。船體的規(guī)模大小基于作業(yè)油田的水深、氣象條件、上部設施規(guī)模、油田最大日產(chǎn)量和設計儲油量、穿梭油輪運輸量及頻度、系泊方式等因素決定。船體建造包括鋼材加工、分段制作、舾裝件預安裝、涂裝車間分段涂裝、船臺或船塢合攏、下水、碼頭設備安裝、舾裝、調(diào)試、系泊試驗及傾斜試驗、船體交付等步驟。

2.2 上部模塊建造

FPSO上部模塊根據(jù)生產(chǎn)工藝可劃分為工藝模塊、電站模塊、生產(chǎn)水處理模塊、油處理模塊、公用模塊、管廊模塊、生活模塊等。不同的工程項目,根據(jù)其項目實際情況和界面劃分情況,所需建造的上部模塊數(shù)量不盡相同。

制定可行的施工工藝是保證建造周期和產(chǎn)品質(zhì)量的前提[11]。上部模塊建造一般流程見圖2,以分片的方式進行甲板片預制并噴涂,待噴涂后運輸?shù)娇傃b場地,用吊機吊裝的方式自下而上進行總裝,常規(guī)總裝流程是先安裝甲板片,然后安裝主要的管線、機械設備和電氣儀表設備,敷設電纜等。在甲板片預制過程中,可預先將部分立柱拉筋、管支架、托架支架、設備底座等散件安裝至甲板片上,整體進行噴涂,在甲板片噴涂完成后、空間總裝前,預先將部分設備、管線、電纜托架等安裝至甲板片上,整體進行空間總裝,這樣可以大大減少吊裝工作量,節(jié)省吊機資源,降低施工風險和費用。

上部模塊建造完工后,需根據(jù)設計要求進行稱重,確定各個模塊的總重量和水平重心位置,作為模塊吊裝方案編制的基礎。上部模塊建造完工并稱重完成后,使用自行式模塊化平板車(Self-Propelled Modular Transporter,SPMT)運輸?shù)郊纱鯀^(qū)等待集成。SPMT可根據(jù)被裝載物的不同需求被配置為各種結構、尺寸和重量[12]。

圖2 上部模塊建造一般流程圖Fig.2 General process for topside module construction

2.3 模塊集成

FPSO船體建造完成后需要拖航至集成場地碼頭,按照系泊方案完成系泊后開始模塊集成工作。綜合考慮模塊尺寸(尤其是高度)、重量、在FPSO上的最終安裝位置、浮吊和碼頭吊機能力等因素,制定經(jīng)濟高效的集成方案。根據(jù)集成場地碼頭條件,集成過程一般包括碼頭集成、進塢、塢內(nèi)集成及出塢四部分。碼頭集成是指在碼頭前沿的大模塊集成,主要通過浮吊進行吊裝,通過對船體進行轉向,將需要使用浮吊吊裝的模塊逐一安裝至FPSO上,同時可以同步使用碼頭履帶吊安裝小型模塊或散件,以節(jié)約浮吊使用船天。在碼頭前沿的集成工作完成后,解纜并由拖輪輔助FPSO進塢以進行下一步集成工作。FPSO在塢內(nèi)完成落墩之后,使用龍門吊進行剩余模塊、散件的安裝,并完成模塊與船體結構連接、模塊之間的結構連接、剩余設備管線安裝試壓、電纜敷設等多專業(yè)集成。相關工作完成后由拖輪協(xié)助完成FPSO出塢,并再次在碼頭進行系泊以開展后續(xù)連接調(diào)試工作。

2.4 調(diào)試

FPSO調(diào)試工作分為船體調(diào)試、上部模塊單機調(diào)試、集成調(diào)試以及海上調(diào)試等,其中船體調(diào)試工作地點在船體建造碼頭,上部模塊單機調(diào)試工作地點在模塊建造場地,集成調(diào)試工作地點在集成場地,海上調(diào)試工作地點為最終海域。根據(jù)調(diào)試大綱要求,對FPSO壓載系統(tǒng)、配電及控制系統(tǒng)、公用系統(tǒng)、消防安全救生系統(tǒng)、生產(chǎn)工藝系統(tǒng)等通過系統(tǒng)檢查、測試、功能試驗、試運轉等方式,檢查施工質(zhì)量情況和系統(tǒng)的完整性、可靠性,確保系統(tǒng)功能滿足生產(chǎn)使用要求。

FPSO陸地調(diào)試工作應滿足發(fā)證檢驗機構的入級及發(fā)證檢驗的要求,以保證拖航關鍵系統(tǒng)為根本,以實現(xiàn)陸地完工狀態(tài)最大化為目標,所有在陸地具備調(diào)試條件的設備和系統(tǒng)均應完成調(diào)試工作,對在陸地不具備調(diào)試條件的設備和系統(tǒng),應盡最大可能在陸地完成對其的預調(diào)試,以確保各設施在海上能盡快投用,盡早投產(chǎn)。

2.5 傾斜試驗

FPSO傾斜試驗根據(jù)船體建造和集成場地的不同一般需要進行兩次,一次在船體建造完工后拖航赴集成場地前,一次在集成工作完成后整體拖航赴現(xiàn)場前,按發(fā)證檢驗機構入級要求完成傾斜試驗。其主要目的是確定FPSO的重量和重心位置,為校核船舶穩(wěn)性提供最終數(shù)據(jù)。

2.6 海試

在拖航赴現(xiàn)場前,FPSO應根據(jù)項目實際情況開展海試以對建造成果進行驗證,按照設計要求的水深,對在碼頭不能進行調(diào)試的設備進行調(diào)試,如造淡機、防海生物裝置、海水泵、柴油消防泵等。

2.7 交船及拖航

FPSO在完成上述工作并取得相關船舶入級和法定檢驗后,即可完成陸地交船。FPSO拖航是一項系統(tǒng)工程,在拖航前要制定好妥善的拖航方案、應急方案等,對FPSO及拖輪進行適拖檢驗,取得拖航檢驗證書,并辦理拖航相關手續(xù)[13-15]。從碼頭引水出港,在外錨地進行接拖作業(yè),開始拖航赴現(xiàn)場。拖航方式包括干拖和濕拖兩種:干拖是將FPSO浮裝至半潛船上,采用船背船的方式運輸至現(xiàn)場浮卸后再濕拖一段距離就位;濕拖是直接使用大馬力拖輪拖帶FPSO至現(xiàn)場就位。兩種方法各有利弊,應根據(jù)拖航季節(jié)、距離、路線等因素綜合選擇合適的拖航方式。

2.8 海上連接調(diào)試

FPSO就位后應立即進行系泊工作,系泊系統(tǒng)分為單點和多點兩大類[16]:單點系泊需要建造并安裝專門的單點設施;多點系泊主要由錨機、導纜器、止鏈器、系泊纜繩、卸扣與錨固基礎等六部分組成,錨固基礎可采用吸力錨形式。在FPSO就位前,根據(jù)FPSO系泊方案完成相關設施的預安裝工作,如單點安裝、吸力錨安裝、錨腿鋪設等。

在系泊同時,進行FPSO與海管海纜及水下結構物的連接、剩余子系統(tǒng)的調(diào)試、整體水循環(huán)試驗、生產(chǎn)聯(lián)合調(diào)試等,實現(xiàn)FPSO投產(chǎn)。

3 整體工期分析

大型海洋工程項目對工期有極其嚴格的要求,計劃工作在項目管理中占有非常重要的地位[17-18]。由于FPSO建設項目所處的國度、海域、設計建造標準、作業(yè)水深、生產(chǎn)能力和儲油能力、建造分包模式、油田總體開發(fā)要求、合同工期等不盡相同,各FPSO建設工期很難以統(tǒng)一的標準進行衡量。準確評估FPSO整體建設工期,需根據(jù)項目實際特點,有針對性地分析評估,明確關鍵路徑。關鍵路徑是計劃中最長的路線,決定了項目的總實耗時間[19-20]。

按照FPSO建造一般流程,各步驟工期假設如下：F1～ Fn是各單體建造周期(其中F1為船體建造周期),T1～Tn是各單體運輸周期(其中T1為船體運輸周期),L是模塊吊裝周期,H是模塊與船體連接周期,C是整船陸地調(diào)試周期,ST是FPSO海試周期,T是FPSO拖航至現(xiàn)場周期,HUC是FPSO海上連接調(diào)試周期,天數(shù)均按自然天計。考慮到船體是模塊集成的基礎,船體建造完工抵達集成碼頭方可開展模塊吊裝工作,且船體建造工期往往比模塊建造工期更長,因此船體的建造和運輸是FPSO建造的關鍵路徑。在此基礎上考慮模塊集成調(diào)試、海試、拖航、海上連接調(diào)試等工期,即可得到FPSO建造總體理論工期為F1+T1+L+H+C+ST+T+HUC。

對各個步驟理論工期的合理預估是建立在大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)積累的基礎上,根據(jù)該項工作具體的工作量和資源擬投入數(shù)量以及具體的實施方案,參考已實施的同類項目,結合項目實際情況,綜合運用專家判斷、類比估算、參數(shù)估算、三點估算等方法確定作業(yè)工期。三點估算法工期計算公式:

作業(yè)預估工期=(最樂觀時間+4×最可能時間+

最悲觀時間)/6

(1)

以海上連接調(diào)試為例,首先要明確海上連接調(diào)試具體工作量,包括子系統(tǒng)調(diào)試數(shù)量、遺留尾項數(shù)量等,針對每項具體工作評估所需的人工時投入。在此基礎上,根據(jù)海上在船人員數(shù)量(Personnel on Board,POB)安排,確定海上連接調(diào)試理論工期。由于FPSO海上期間,能提供給工程的POB在項目初始階段往往難以準確預估,可以按照最樂觀POB、最悲觀POB、最可能POB分別計算,再使用三點估算法確定理論工期,見式2。

海上連接調(diào)試工期=[M/(Pmax×12)+

M/(Pmin×12)+

4×M/(P×12)]/6

(2)

M=MS+MC=∑M+∑M

(3)

4 工程應用實例

巴西FPSO P67/P70項目油田位于巴西桑托斯盆地,屬巴西最大的沉積盆地,水深約2 188 m。P70 FPSO船體全長316 m,最大吃水22.6 m,滿載排水量35.3×104t,上部模塊干重約2.5×104t、船體干重約5.3×104t,是目前世界上最先進、最復雜、最大的FPSO之一,儲油量160萬桶,日產(chǎn)油15萬桶,設計壽命25年,采用多點系泊。該FPSO船體在中國某船廠建造,濕拖至海油工程公司青島碼頭進行集成調(diào)試工作。上部模塊共劃分為17個,分為5個建造合同包(P1～P5),海油工程公司作為集成總承包商,負責P1包共計7個模塊的建造及整船集成調(diào)試、運輸FPSO至巴西以及現(xiàn)場連接調(diào)試、投產(chǎn)保運等,剩余10個模塊由3家巴西承包商和1家亞洲承包商建造。

總承包商在項目啟動階段,組織設計及施工技術人員和計劃人員對設計、采辦、模塊建造、集成調(diào)試等合同內(nèi)工作范圍和工作量進行了詳細梳理,根據(jù)合同里程碑要求并結合自身工效評估,制定了詳細的項目實施計劃。針對建造關鍵路徑和關鍵作業(yè),一方面及時評估其前置條件,包括設備材料采辦到貨計劃等,合理制定采辦策略,確保關鍵設備材料按時到貨;另一方面合理估算所需資源情況,在實施過程中優(yōu)先保障關鍵作業(yè)的人力和設備等資源投入。P70 FPSO自2016年2月15日船體建造開工、2018年3月21日船體濕拖抵達青島碼頭、2019年12月4日FPSO整體陸地建造完工、2020年1月23日采用干拖方式抵達巴西并順利完成交接工作、2020年6月25日實現(xiàn)海上第一桶油投產(chǎn),整個建設周期約52個月。各個階段實際工期見表1,現(xiàn)場照片見圖3。

表1 P70 FPSO建設里程碑及實際工期分析表

圖3 P70 FPSO現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.3 Photo of P70 FPSO

在FPSO集成調(diào)試期間,由于甲方不斷擴大工作范圍,如增加大量防火漆施工、船體遺留工作等,同時受制于現(xiàn)場試壓密性工作量巨大,進度管控壓力巨大;在FPSO海上連接調(diào)試期間,受巴西新冠肺炎疫情影響,在船施工人員嚴重不足,導致海上調(diào)試進度滯后嚴重?？偝邪添椖繄F隊針對密性試驗是制約項目進度的關鍵,及時總結P67 FPSO集成階段的經(jīng)驗教訓,安排人力提前進行密性包檢查和預試,同時增加人力同步進行銷尾項工作,有效提高了密性成功率和效率;針對海上現(xiàn)場受新冠肺炎疫情制約,項目組積極配合甲方落實各項防疫政策,與甲方和分包商通過線上日會、專題會等形式就投產(chǎn)前必須完成的工作清單進行詳細梳理,制定優(yōu)先級,盡可能在有限的人力投入下縮短投產(chǎn)前調(diào)試周期;同時針對合同工作范圍持續(xù)變化以及疫情制約的情況,及時提出工期索賠,對合同里程碑計劃進行合理調(diào)整,為后續(xù)總承包商盡可能多地獲得提前投產(chǎn)獎勵奠定了堅實基礎。

5 結論

1)大型FPSO建造往往涉及多家設計單位、建造單位以及眾多的設備材料供應商,界面管理工作量巨大,尤其是集成總承包商,需要對各個建造單位的模塊建造進度進行跟蹤,確保各模塊建造進度滿足集成要求。

2)FPSO陸地完工狀態(tài)是油氣田能否按時投產(chǎn)的關鍵,是工程項目進度控制的重點,需要對其實施的各個階段、各個環(huán)節(jié)做好管理控制工作。

3)對大型FPSO建造集成的各個步驟和方法進行了詳細分析,對FPSO整體建造工期進行了研究,并與具體工程案例相比較,表明該工期評估方法具有較好的實用性,為FPSO建造工期的準確評估提供了參考和依據(jù)。

4)在FPSO實際建造過程中,存在眾多影響建造進度的制約因素,如關鍵設備到貨時間、集成方案、場地資源限制、天氣海況等,應根據(jù)項目實際情況,在理論工期的基礎上綜合考慮各方面的因素,合理安排項目工期和計劃。