渤海油田坐底式生产储卸装置的研究与应用

渤海油田坐底式生产储卸装置的研究与应用

中国沿海地区拥有丰富的石油天然气资源。海上油田的原油供应是中国石油供应的重要组成部分。渤海是一个油气勘探前景非常乐观的海域,我国第二次资源评价结果认为,整个渤海的石油地质储量为300亿t,其开发工程设施的设计、建造、安装、生产运营和维护必须考虑风、海浪、海流、海冰、地震等载荷的影响。现有浅海海域油田开发方案中的核心设施是以平台和FPSO为主,原油的储存和外卸可采用平台储罐方案和FPSO方案(以后者为主流形式),二者均存在工程投资高的问题。平台储罐的储油量较小,穿梭油轮外输的频率高,应用受限。FPSO的储油量大、应用广泛,但其单点系泊技术一直被国外公司垄断,且近几年单点事故频发,已成为FPSO生产的重大隐患。因此,研发一种安全可靠的海洋石油开发的新方案成为业界关心的问题。本文提出了一种新的渤海油田开发方案,即可搬迁的坐底式生产储卸装置,该装置具有功能齐全、储油量大、安全可靠、海上安装费用低等优点。1试验性装置与核心技术可搬迁的坐底式生产储卸装置(图1)具有钻、采、储、运等多种功能,可同时取代浅水的固定式平台和FPSO,并可克服FPSO不能抗冰的缺点。整个装置在船坞内完成建造、安装和调试,漂浮出坞,湿拖至油田现场,自安装至海床上,可多次搬迁重复使用。该装置具有投资低、操作费低、撤除费低、安全环保、方便生产操作等诸多优点。本文提出的试验性装置按50年一遇的环境条件设计,储油量大于1万m3,可在水深10~20m的范围内搬迁,可满足年产量60万m3的油田开发需求。可搬迁的坐底式生产储卸装置采用了3项核心技术:(1)密闭气压连通式压载海水和原油等质量流率置换流程配以组合式储油罐取代油水直接接触置换流程;(2)小水下重量海床坐底、依靠入泥抗滑构件固定取代重力式海床坐底;(3)钢结构采用薄膜板壳结构取代传统的板梁结构。其中,前两项为世界首创。2坐底式生产储卸装置开发方式方案如图1所示,可搬迁的坐底式生产储卸装置包括上部设施、装置罐体、基础等3个主要部分以及井口架和外输辅助结构等,其中装置罐体和上部设施之间通过桁架结构连接,装置罐体和基础之间通过锁紧装置连接。依据外输形式的不同,可搬迁的坐底式生产储卸装置总体开发方案分为以下2种。方案一:两侧各设一个系缆平台,并在生产储卸装置上设置一靠船件,穿梭油轮可直接停靠生产储卸装置,首尾通过系泊缆系泊在系缆平台上,系缆平台为钢筋混凝土结构,吸力锚基础(图2)。方案二:提油轮直接旁靠生产储卸装置,通过系泊缆系泊在装置罐体上,完成原油外输作业(图3)。3物流流程设计3.1装置的储集和操作1)湿式储油。利用油水不溶的特点,将原油和海水储存在同一个罐内,若底部进1m3海水,顶部则排出1m3原油,反之亦然,由此实现油水等容积置换。主要缺点有:污染环境;原油无法加热;不能储存溶于水的液体;作业过程中装置的操作重量发生变化等。2)干式储油。原油储存在带有惰性气覆盖和放空系统的储罐内,不与海水进行置换。主要缺点有:满载和空载时装置重量变化巨大,必须预加足够大的固定压载;由于惰性气的压力仅略高于大气压,水下储罐所承受的外部静水压是设计必须考虑的因素;储油舱惰性气体外排,易造成污染和油气轻组分损失等。3.2压力能量的传递可搬迁的坐底式生产储卸装置采用密闭气压连通式压载海水和原油等质量流率置换流程,其原理(图4)为:(1)单个组合式储舱由置换海水压载舱和储油舱按“上下罐”形式组成,保证操作重心水平投影位置不变;(2)两舱顶部管道连通,罐体密闭并预充一定压力的氮气;(3)原油进舱泵-海水卸载泵、原油外输泵-海水压载泵2组泵分别联动,实现等质量流率置换,即某一质量的原油流入或流出储油舱的同时,有相同质量的海水流出或流入海水压载舱,以保证装置的操作重量不变。两舱内上部连通的带压氮气具有2种功能:(1)作为覆盖气,防止外部空气进入舱内,确保系统的安全。(2)压力能量的传递。原油或海水外卸时,首先依靠舱内氮气的压力能将液体提升至外输泵或海水卸载泵的进口,再由泵完成外卸;氮气压力能源源不断的补充则来自联动的海水或原油装载泵泵入的压载海水或原油。理论上,如果舱内氮气压力足够大,系统可取消原油外输泵和海水卸载泵,直接依靠压力能实现原油外输和海水外排。本文提出的新方案采用密闭气压连通式压载海水和原油等质量流率置换流程(图4),克服了湿式储油和传统干式储油的缺点,具有零污染、零排放、方便原油加热、可储存溶于水的液体、作业过程中操作重量不变、重心的水平面投影位置不变等优点。4组合罐设计整体构想可搬迁的坐底式生产储卸装置罐体结构为7个钢制立式圆筒形内压储罐,罐内高18m,上下拱形封头拱高4m,筒体直径16m、高20m、壁厚18mm;罐内中部由一个下拱形封头将罐容一分为二(图5),上部为海水压载舱,下部为储油舱;中拱封头中心有一根通气管直达上拱封头中心,使得上下两舱顶部的气相空间连通。储罐设计采用薄膜板壳结构取代传统的板梁结构,在满足规范要求的同时,节约了大量钢材。经结构有限元优化分析计算,罐体钢结构完全满足BV海工规范和ASME压力容器规范的要求。钢制组合罐的周边立壁、上下顶外壁均覆盖0.5m厚的钢筋混凝土层,其作用一是配重,二是提供外壁防碰撞和抗屈曲保护。立壁采用滑模浇筑,罐顶可不用模板。如果原油需要保温加热,紧贴钢罐壁可采用一层耐热和隔热混凝土材料。新方案的钢结构外敷混凝土设计提出了小水下重量坐底概念,充分利用罐体的浮力,转化“空舱容大、水下浮力大”的缺点为优点,其对策为:(1)用混凝土建造装置罐体结构,利用混凝土结构自重大的特点平衡大部分浮力;(2)小水下重量坐底,利用吸力锚抗滑移、抗倾覆。本装置在原油装卸过程中操作重量不变,装置操作重量略大于设计高水位时的浮力。小水下重量坐底改变了传统的重力式基础的模式,降低了装置对海床地质的要求;为降低基础结构费用、实现自安装和可搬迁功能提供了可能性。5“t”形截面的弧形长丝锚基础的承载力根据可搬迁的坐底式生产储卸装置的整体设计理念,其基础设计须满足足够的承载力、可自安装和可搬迁等要求。为满足水平承载力、垂直承载力及贯入和海上拖航、安装等要求,新方案选择了组合式吸力锚基础。该基础包括6个吸力锚,其上部由6块“T”形截面的弧形梁式裙板和数个加劲构件连接(图6)。吸力锚直径12m、高12.5m,其水平截面圆的圆心均布于直径51m的圆上。“T”形截面的弧形裙板的顶部平面环板的径向宽度等于吸力锚直径(12m),其垂直弧形裙板高6m、圆弧半径为25.5m。顶部平面环板可防海底冲刷。经计算得出该形式基础的承载力为:水平承载力99076kN,安全系数1.53(最大水平推力64577kN);抗拔力103970kN;抗压力859347kN,安全系数5.3(最大垂向压力160858kN)。经过水池试验的验证,该形式的基础结构具有很好的拖航稳性,满足整体开发方案对基础的要求。6混凝土东北部重量控制罐体钢结构采用薄膜板壳理论,具有很好的抗内压性能,但不能抵抗外部静水压以及波浪、水流力等的挤压作用,难以抵抗外部物体的撞击。新方案的混凝土外壳具有配重、抗屈曲、防碰撞、防腐蚀等四大功能。混凝土外壳的重量控制综合考虑两个方面因素的影响:(1)工作情况下混凝土外壳的配重功能,使装置满足小水下重量海床坐底要求,混凝土外壳的重量不能太小;(2)为便于搬迁及湿拖,吃水不宜过大,混凝土外壳的重量不能过大。表1、2分别为混凝土外壳最小质量与最大质量估算结果。综合考虑以上因素,混凝土外壳的质量选取8766t。7种新型的工程开发模式面对渤海海域油田开发