浅析圆筒型FWPSO在中国南海的适用性

1、浅析圆筒形FWPSO在中国南海海域的适用性内容概要：随着能源市场需求的不断增加，人们对深海石油的开采将不断加强。同时海洋油气的开采也在向环境更恶劣的深海发展，这就对海洋工程设备提出了更高安全性、低成本、灵活快速等特殊要求。圆筒形FWPSO集生产、储油、外输等多功能于一体，具有易搬迁、重复利用等特点，被称为“流动的生产储油平台”。同时圆筒形FWPSO具有较强的抵御恶劣作业环境的能力，更加适合深海作业，具有广阔的市场前景。目前国际上只有欧洲少数的几个油公司针对北海部分边际油田进行此项技术的开发工作，并在一定范围内投入了实际使用。而国内在此项海洋工程技术上的研究及应用尚处于初始阶段。本文结合中国南海

2、海域油气开发的复杂情况，针对圆筒形FWPSO的设计、建造和安装以及有针对性的外输模式等方面展开研究，探讨此项技术在中国南海海域的可行性。为打破此项国外技术垄断，形成具有我国自主知识产权的FWPSO打下基础。关键词：圆筒形FWPSO 中国南海 可行性 外输模式 一 引言 本文基于对中国南海流花油田的开发，总结流花油田的环境基础数据，结合整理和分析南中国海多条FPSO提油作业有关的环境参数、作业数据、及经验和教训，围绕圆筒形FWPSO外输的总体设计和风险分析，通过模拟外输过程和模型试验研究，分析外输的可行性和可靠性。拟定适合中国南海的圆筒形FWPSO原油外输的初步方案，为其它深水油气田及边际油田的

3、开发提供一种崭新的、更为经济与安全可靠的外输提油工程方案和技术储备。二 国外圆筒形FWPSO发展现状与外输应用圆筒形的FPSO与船型的FPSO相比，在相同储油量的情况下，具有更大的水线面面积，提高了稳定性和工作甲板的承载能力。对称形状的浮体，结构简洁，建造工艺比船型FPSO简单，适合模块化的设计和建造，成本低，周期短。圆筒形的设计消除了艏摇激励，也使浮体水下部分水动力完全相同，不仅适用于浅海，而且在深海复杂的环境条件下更加凸显出其优越性。目前，圆筒形FWPSO在欧洲北海海域被广泛使用，其中圆筒形WIDP FPSO服役于英国北海的四个油田，分别是 Lewis， Harris， Uist 和 Ba

4、rra，其在适用性和流动性方面的优势可见一斑，挪威和巴西的圆筒形FWPSO已经建造投产多年，保持了良好的安全生产、安全外输记录。在原油外输模式方面，根据考察，国外圆筒形FWPSO外输采用DP提油轮操作模式，在整个作业过程中，具体操作步骤如下：1）DP提油轮按照既定的航线设计，合理控制船速，慢慢接近FPSO的艉部。DP提油轮靠近至FPSO艉部后，通过高空抛缆设备，牵引系泊大缆从FPSO至提油轮并连接。 2）DP提油轮从FPSO处牵引外输油管至提油轮的艏装载系统，并连接。 3）开始正常外输作业，依靠动力定位系统调整和稳定船位，保持安全距离。4）外输结束，拆管、解缆离开。DP提油轮的关键设备有艏装载

5、系统、艏侧推、艉侧推、定位软件和动力定位系统。三 圆筒形FWPSO在中国南海海域的适用性论证1 圆筒形FWPSO采用传统船型FPSO外输模式的风险及不适用性 传统FPSO外输模式主要通过FPSO及提油轮的风标效应来完成系泊作业，以下结合南海具有代表性的两个终端的提油靠泊实例来做说明：1.1 靠泊在夏季弱风弱流的状态下，风流对船舶的作用力方向常常变化不定，会造成FPSO艏向的大幅变动。下图1.2.1所示提油案例为惠州油田2015年8月17日的靠泊过程，从10:10至10:53，FPSO南海发现转动幅度接近90。图1.2.1 FPSO单边摆动状态在FPSO艏向单边偏转时，该风流的作用力同时也对提油

6、轮的正常靠泊产生侧面推力，将使提油轮沿A-B-C-D的偏转方向逐渐对准风流合力方向，最终可以与FPSO成合理的安全角度顺利靠泊。（如图1.2.2）图 1.2.2番禺油田外输靠泊实例：FPSO左右摆动在风流作用下，FPSO艏向会产生大幅摆动，该风流的作用力同时也对提油轮的正常靠泊产生侧面推力，将使提油轮沿A-B-C-A-B-C的偏转方向逐渐对准风流合力方向，最终可以与FPSO成合理的安全角度顺利靠泊。（如图 1.2.4）图1.2.4 FPSO左右摆动通过上述两种靠泊情况的分析，圆筒形FWPSO因为其位置相对稳定，不随风流影响转动，延误操纵时机，系泊船长需要额外的辅助设备来克服外界风流影响以稳定自

7、身船位，达到安全和高效靠泊目的。所以不配备艏侧推的传统提油轮不适用于圆筒形FWPSO。1.2 接管在传统外输模式下，提油轮在靠泊前，辅助拖轮需提前将外输软管传送至FPSO左前端进行固定准备，待提油轮系泊结束后再将外输软管从FPSO前端卸下传送至提油轮船舯进行接管作业。风浪较大时，在外输软管传递过程中会出现拖轮上下颠簸，甚至擦碰提油轮的危险，而提油轮在利用船吊接油管时也会出现很大的困难。如图（1.2.5 1.2.6） 图 1.2.5 图 1.2.61）圆筒形FWPSO如果也采用此种作业模式，首先因为圆筒形的设计，在拖轮准备外输软管时，使之在其结构上没有合适的悬挂固定位置（如图 1.2.7）；又因

8、为圆筒形FWPSO在其筒体周围布置多组系泊锚链，在外输软管准备时，如果外输软管绕圆筒FWPSO筒体临时固定，锚链对软管在风浪作用下可形成持续性擦碰，及易导致软管磨损破坏。图 1.2.82）传统船舯接管模式正常外输时，由于油管海面长度较长，在大风浪天气影响下，油管会出现擦碰提油轮球鼻艏的现象，容易造成油管损坏（如图 1.2.9）图 1.2.93） 在传统船舯接管模式中，由于海面风浪变化，在拖轮传送油管的过程中，容易使油管在风浪流的作用下漂至拖轮和提油轮之间，影响油管传送并容易使油管受挤压而损坏油管。（如图 1.2.10）图 1.2.10传统船舯接管模式的作业程序和存在的风险，不适用于对作业安全和

9、效率要求更高的圆筒形FWPSO。1.3 在泊下图1.2.11为流花015船次外输记录，当天风力不大于5m/s, 风向无变化，风标效应微弱，提油船系顺时针从270经过010最后转到170。如无拖轮协助，船型FPSO和提油轮在自由漂浮状态下碰撞可能性极大。图 1.2.11当采用圆筒形FWPSO时，提油轮同样也会因风标效应产生上述的大幅度偏转而贴碰FWPSO。综上几个方面针对圆筒形FWPSO存在的风险及不确定性，适用于传统船型FPSO的提油模式不适用于圆筒形FPSO的提油。2 适用于圆筒形FWPSO的外输模式的研究论证根据对中国南海海域多年气候特点的分析，以及杉叶公司二十多年来提油、拖尾海上作业项目

10、的经验数据总结，配合圆筒形FWPSO在设计构造以及外输方面的特点，主要从以下几个方面进行论证：2.1 气象资料1）风流资料：以下气象资料主要参考流花16-2油田/流花11-1油田调整联合开发前期研究（ODP阶段）中海油研究总院相关基础数据，基础数据的风向和浪向均为来向，流向为去向。从数据中可以得知，流花海域主风向为NE, 次主风向为SSW，海域主流向为W，主浪向为NE。综合分析风浪流的合力效应，若在该海域使用圆筒形FWPSO，则一年中该海域大部分的风流合力主要作用在圆筒形FWPSO的东北侧和西南侧。风浪流年度分布参见以下各玫瑰图：（图3.1.1、3.1.2、3.1.3） 图3.1.1 风玫瑰

11、(年) 图3.1.2 波浪玫瑰 (年) 图3.1.3 表层流玫瑰 (年)2）南海内波流：内波流是南海特有的海面现象，俗称乱流。南海内波流具有流速快，带波浪，突发性强的特点。当船舶遭遇内波流的时候，会造成船舶运动的剧烈变化，给海上作业造成设备性损坏。根据统计资料，在中国南海海域，内波流的运行轨迹一般为东南向西北（图 3.1.4）。当船舶遭遇内波流的姿态不同时，风险也不同。 图 3.1.4当提油轮艏向为西北时，内波流从提油轮艉部过来，造成整个船系船速变化快，提油轮前冲后退位移量大。当提油轮前冲时，有碰撞FPSO危险；当提油轮后退时，大缆的瞬间张力大，有崩断系泊大缆的危险；（见图3.1.5、3.1.

12、6） 图 3.1.5 图 3.1.6当提油轮艏向对着东南，内波流从提油轮前侧部过来（此种风险稍大）：船速变化相对小，大缆的瞬间也相对可控；提油轮无超越FPSO情况发生，无碰撞危险；（图 3.1.7）图 3.1.7当南海内波流从船舶两舷正横方向过来时，船舶容易左右偏荡，但无相互碰撞危险，系泊大缆的张力也可控，是遭遇内波流时候最有利的局面因此根据南海气象资料和南海特有内波流的特点，在采用圆筒形FWPSO时，可在在圆筒形FPSO的西南和东北侧设置系泊点，以有利于靠泊、在泊和抵抗内波流。（如图 3.1.8）图 3.1.82.2 外输软管的布置要求及艏装载系统由于圆筒形FWPSO无法做到将300多米长的

13、外输油管悬挂在四周，以腾挪出足够空间给提油轮靠泊，所以必须缩短油管，并采取用牵引方式将油管从FPSO侧传递到提油轮侧。鉴于此，可以考虑在提油轮船首配备国外圆筒形FWPSO提油模式中的艏装载系统。如图（3.2.1 3.2.2）艏装载系统是圆筒形FWPSO的外输基本要求，其能有效避免溢油风险，大幅降低油管成本，是OCIMF的推荐操作模式，也能被广大油运公司接受。该系统在外输期间可以有效避免油管跟FPSO和提油轮的摩擦伤害，消除了拖轮转运油管所带来的风险；同时减少了甲板占用面积，可为其他设备的安装节约空间。 图 3.2.1 图 3.2.2 2.3 艏侧推和船尾双拖轮的运用 在国外圆筒形FWPSO外输

14、模式中，为保证外输作业的安全与效率，其广泛采用了DP提油轮，但针对国内目前使用DP提油轮的现状以及DP提油轮昂贵的造价，这里可考虑在提油轮船首加装艏侧推，在外输过程中使用两条拖轮拖艉来替代DP提油轮的稳定船身作用。目前已有部分提油轮安装艏侧推，艏侧推装置极大提高海上外输安全性，减小在恶劣天气下的大缆瞬间张力，减低与FPSO的碰撞风险。还能辅助提油轮码头靠泊，降低港口拖轮使费。该功能和DP提油轮的艏部侧推相当。双拖轮拖艉可有效取代DP功能中的艉侧推功能，且为两个独立动力源，功能更可靠，安全性更高。相比船型FPSO的两条拖轮提油模式，成本未增加。通过近几年来南海其它油田的艏向控制作业，尤其是杉叶公

15、司番禺油田的长时间在线换锚链作业，证明了用双拖轮拖艉来控制十万吨级的船舶是完全可行的。 2.4 监控系统 针对DP系统中的定位软件，杉叶公司的提油监控AIS（国际海事组织强制使用的船舶自动识别系统）软件和可开发的DGPS定位监控软件（番禺艉拖时使用过），作业原理互不相同，相互替代，可使其应用于圆筒形FWPSO的外输作业。3 论证下的外输模式作业步骤论证外输模式下冬季和夏季的靠泊步骤：1） 冬季东北季风影响下靠泊过程：图3.6.1：在靠泊的过程中提油轮从圆筒形FWPSO的西南方向接近，提油轮在距离圆筒形FWPSO 1海里左右带好尾拖，另一条拖轮则拉住大缆引绳在FWPSO附近等待提油轮靠近图3.6

16、.2：待提油轮接近到FWPSO约250米时，待命拖轮则通过火箭枪将大缆引绳传送给提油轮 图3.6.1图3.6.2图3.6.3：在提油轮接到大缆引绳之后，将引绳与船头绞缆机连接，然后慢慢将大缆绞上提油轮直到带妥。待命拖轮在附近守护，不需要参加输送油管过程图3.6.4：待提油轮大缆带妥之后，FWPSO将油管引绳传送给提油轮，连接好油管。此油管连接过程较目前安全性大大提高，应急解脱过程也相对安全了许多。 图3.6.3 图3.6.42） 夏季西南风季节靠泊过程：夏季与冬季的靠泊有两点不同之处第一点：由图3.6.5可见提油轮在距离FWPSO约1海里处带好尾拖之后从东北方向慢慢接近FWPSO夏季外输点。第

17、二点：由图3.6.7可见，由于圆筒形FWPSO外输点固定，风标效应弱，拖轮在传送好引绳之后，继续到提油轮尾部并带好拖缆,如图3.6.8。 图3.6.5 图3.6.6 图3.6.7 图3.6.84 论证下可用于圆筒形FWPSO的外输模式的理论和模拟验证 上述第2节研究的外输模式分别经过了DNV的理论计算和荷兰MARIN的模拟实验，理论及实验结果如下：DNV计算结果：1）DNV静态计算结论：图4.1.1静态计算认为，在风速10m/s浪高2.4米时，正横方向来风、流和涌，提油轮可保持安全船位，外输无风险。2）DNV动态计算：The feasibility analyses show that off

18、loading from a cylindrical FWPSO is feasible taken the stated system into account. However, the used hawser or the environmental conditions for operation should be reevaluated to assure that the safety requirements are complied with.Tunnel thrusters could also be considered to reduce the mean hawser tension, or more important the hawser angle. For the critical transverse load cases, this will reduce the tanker motion in line with the hawser. This may beneficially affect the extreme tension response动态计算认为，在风速10m/s浪高2.4米时，正横方向来风、流和涌，提油轮可保持安全船位，但可能出现的最大大缆张力为239吨（各种最不利峰值累加，概率极小