油輪艏系大抓力錨及艉連雙纜三點(diǎn)系泊方式研究
——以曹妃甸11-6油田臨時生產(chǎn)項(xiàng)目為例

石建榮 陳 誠 馬兆峰 王聚鋒 莊繼澤 陳瑞寶

(1．中海石油(中國)有限公司曹妃甸作業(yè)公司 天津 300450； 2．中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)公司 天津 300450)

渤海西部海域曹妃甸11-6油田計(jì)劃維修更換約10 km長的油氣混輸腐蝕海管，工期約3個月，期間需要對海管上游采油平臺進(jìn)行關(guān)停。為了減少海管更換施工對油田產(chǎn)量的影響，需要探尋停產(chǎn)期間的臨時生產(chǎn)方案[1-2]。結(jié)合油田設(shè)施情況、施工特點(diǎn)及資源情況，計(jì)劃采用移動式試采平臺搭接到采油平臺，實(shí)現(xiàn)接收井口來液和處理及儲存的目的。根據(jù)渤?，F(xiàn)有資源決定采用“海洋石油162”移動式試采平臺，但由于移動式試采平臺處理和儲存能力有限，須選擇具有一定原油轉(zhuǎn)運(yùn)能力的油輪，選用具有5 000 t裝載能力的“濱海607”油輪把初步處理后的原油轉(zhuǎn)運(yùn)到油田內(nèi)現(xiàn)有的生產(chǎn)儲油裝置“海洋石油112”上。但選用“濱海607”油輪存在如下問題：移動式試采平臺樁腿不能直接靠泊，也沒有傳統(tǒng)的靠泊碼頭或兩點(diǎn)系泊設(shè)施；如果采取拋錨帶纜的方式,又存在操作時間長且錨位滑移后可能撞擊試采平臺和采油平臺的風(fēng)險，而且無論以何種常規(guī)拋錨系泊方式都無法避免接觸到海底電纜和管線，從而引發(fā)系列安全問題。

針對上述難題，本文比較分析了幾種靠泊方式，最終選定采用穿梭油輪船艏使用大抓力錨系泊、船艉采用雙纜與移動式試采平臺連接的三點(diǎn)系泊方式，采用MOSES軟件建模并進(jìn)行了各種環(huán)境條件、壓載工況下的系泊力分析，驗(yàn)證了該方案的可行性，成功解決了穿梭油輪靠泊移動式試采平臺安全外輸而不影響海上現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)施這一難題，圓滿地完成了曹妃甸11-6油田海管更換期間的臨時生產(chǎn)原油外輸任務(wù)，保證了油田產(chǎn)量。

1 油輪靠泊方式的比較與選擇

1.1 FPSO靠泊方式

目前以FPSO(浮動生產(chǎn)儲油和外輸裝置)為中心的采油、存儲、運(yùn)輸模式已經(jīng)發(fā)展成熟，尤其是各種原油過駁作業(yè)方式有堅(jiān)實(shí)的科學(xué)論證基礎(chǔ)。通過水上過駁方式外輸?shù)挠吞镆话阌扇舾蓚€生產(chǎn)平臺和FPSO組成，F(xiàn)PSO充當(dāng)了碼頭的角色。外輸過駁的靠泊方式一般分為串靠和并靠2種[3]。這2種靠泊方式均需要與所靠泊的FPSO一起轉(zhuǎn)動，但自升式采油平臺不可轉(zhuǎn)動，因此FPSO靠泊方式不適用于曹妃甸11-6油田的臨時生產(chǎn)項(xiàng)目。

1.2 海上碼頭靠泊方式

渤海采取海上碼頭靠泊方式的油田有埕北油田、錦州9-3油田和旅大32-2油田。以埕北油田原油外輸碼頭為例，該海上碼頭系統(tǒng)由輸油碼頭和以棧橋連接的系纜墩組成。這種靠泊方式雖然可抵抗一定的風(fēng)流作用，但須建造固定設(shè)施(如帶纜墩等)，工期較長，而且自升式采油平臺樁腿或舷邊都不能直接靠泊，因此同樣不適用于曹妃甸11-6油田的臨時生產(chǎn)項(xiàng)目。

1.3 兩點(diǎn)系泊方式

渤海采用兩點(diǎn)系泊方式的油田只有渤中3-2油田，該系泊系統(tǒng)主要由系泊纜、水下錨鏈、浮筒、樁錨構(gòu)成，中間為5 000 t級穿梭油輪[3-6]。浮筒與油輪之間的系泊纜由油輪的絞車提供一定的預(yù)張力,水下浮筒、錨鏈和系泊纜組成彈性回復(fù)力系統(tǒng)，浮筒是整個系統(tǒng)彈性回復(fù)力的主要貢獻(xiàn)者。當(dāng)油輪偏離平衡位置時，系泊系統(tǒng)提供柔性回復(fù)力，最大限度地減小穿梭油輪的受力情況，滿足靠泊外輸條件。兩點(diǎn)系泊方式的錨樁需要入泥一定深度,以克服穿梭油輪在風(fēng)、浪、流作用下的拉力，需要專業(yè)的工程船舶進(jìn)行打樁作業(yè)，這樣就成為了油田的固定設(shè)施，因此也不適用于曹妃甸11-6油田的臨時生產(chǎn)項(xiàng)目。

1.4 三點(diǎn)系泊方式

在淺海和條件允許的情況下，穿梭油輪可利用自身拋錨帶纜的方式進(jìn)行臨時靠泊，但由于穿梭油輪自身配置的錨偏小、錨鏈短，拋單錨拉力不足，拋放和回收雙錨的作業(yè)時間長，且不適宜長期作業(yè)。本項(xiàng)目根據(jù)穿梭油輪自身拋錨帶纜的方式，大膽設(shè)想并提出船艏利用一個大抓力錨[7]，船艉仍然利用傳統(tǒng)的雙帶纜方式用于“濱海607”油輪的三點(diǎn)系泊方式，如圖1所示。

圖1 三點(diǎn)系泊系統(tǒng)示意圖Fig.1 Three points mooring system

由于三點(diǎn)系泊方式在渤海屬于首次應(yīng)用，須進(jìn)行該方式系泊系統(tǒng)構(gòu)成設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步分析和論證該系泊方式是否滿足曹妃甸11-6油田臨時生產(chǎn)的需求。

2 三點(diǎn)系泊系統(tǒng)構(gòu)成設(shè)計(jì)和適應(yīng)性研究

2.1 三點(diǎn)系泊系統(tǒng)構(gòu)成設(shè)計(jì)

針對本項(xiàng)目，三點(diǎn)系泊系統(tǒng)除了穿梭油輪船艉自身的纜繩之外，船艏系泊部分主要包括1個大抓力錨、1條一定長度的系泊鏈和1段漂浮纜及浮漂等，如圖2所示。三點(diǎn)系泊系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是船艏系泊系統(tǒng)，其主要由1個大抓力錨固定于海底，距平臺1 150 m，由長度800 m的鋼纜加200 m高強(qiáng)度的漂浮纜繩末端連接至穿梭油輪艏部，船艉用雙纜系泊于“海洋石油162”平臺，形成單點(diǎn)雙纜三點(diǎn)系泊方式。

圖2 三點(diǎn)系泊系統(tǒng)大抓力錨鋼纜、漂浮纜連接示意圖Fig.2 Diagram of high holding power anchor wirerope and floating cable connection in three points mooring system

曹妃甸11-6油田WHPD海管及海纜錯綜復(fù)雜(圖3)，既要避免與現(xiàn)有管線或電纜發(fā)生沖突，還要考慮降低大抓力錨滑移后對海管、海纜的傷害。綜合考慮以上因素和拋放及回收安全，最終選擇船艏大抓力錨纜繩長1 150 m，距離最近海管的垂直距離約200 m。

圖3 曹妃甸11-6油田WHPD海管及海纜示意圖Fig.3 Diagram of WHPD subsea pipeline and cable in CFD 11-6 oilfield

2.2 適應(yīng)性研究

為了研究三點(diǎn)系泊方式是否滿足曹妃甸11-6油田臨時生產(chǎn)需求，搜集了該油田的水域歷史環(huán)境數(shù)據(jù)并進(jìn)行整理和評估，采用MOSES軟件對“濱海607”穿梭油輪在油田海域具有代表性的作業(yè)條件進(jìn)行建模分析，其中水動力參數(shù)主要采用Strip理論計(jì)算[8-9]。在此基礎(chǔ)上對油輪靠泊作業(yè)模式的安全性進(jìn)行科學(xué)論證。

2.2.1船舶基本參數(shù)及模型建立

“濱海607”總長115 m，垂線間長108 m，型寬16 m，型深7.8 m，其他裝載參數(shù)見表1。

表1 “濱海607”船舶裝載參數(shù)Table 1 Ship loading parameters of “Binhai 607”

“濱海607”分析模型采用直角坐標(biāo)系統(tǒng)，原點(diǎn)位于船艏中線與基線的交點(diǎn)，X軸正方向指向船尾，Y軸正方向指向右舷，Z軸垂向，向上為正。模型直角坐標(biāo)系及環(huán)境方向角如圖4所示。通過MOSES軟件建模，定義了船舶外殼、艙室、空船重量以及慣性半徑。在系泊分析中，假設(shè)船舶是剛體，不考慮自身變形。

圖4 “濱海 607”船舶模型坐標(biāo)系與環(huán)境方向角Fig.4 Model coordinate system and the environmental direction angle of “Binhai 607”

2.2.2環(huán)境條件

系泊海域水深23.7 m，海水密度1 025 kg/m3，重力加速度9.8 m/s2。其中，波浪選擇Jonswap譜(γ值為1.0)，有義波高1.2 m,波浪周期4 s;常風(fēng)速8 m/s，流速1.17 m/s。采用Strip理論計(jì)算水動力參數(shù)。在頻域分析中，考慮了16個浪向角(0°、22.5°、45°、 67.5°、 90°、112.5°、135°、157.5°、180°、202.5°、225°、247.5°、270°、292.5°、315°、337.5°)及59個波浪周期(0.1～3.0 rad/s,間隔0.05 rad/s)。為了得到在環(huán)境條件下的系泊力，進(jìn)行了時域分析，模擬時長為1 h，時間步長為0.2 s。

2.2.3計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范[10]中的安全系數(shù)(SF)來選擇“濱海607”大抓力錨及系泊鋼纜、漂浮纜，其中錨鏈的最小安全系數(shù)為1.67，而纖維繩的最小安全系數(shù)為1.84。由于相同海洋環(huán)境作用下壓載工況比滿載工況下的系泊力大，因此后續(xù)主要分析壓載工況?！盀I海607”系泊纜在壓載工況時不同環(huán)境條件下的最大張力計(jì)算結(jié)果如表2所示，表中所列出的結(jié)果均是考慮了動力放大系數(shù)之后的結(jié)果，因此屬于動態(tài)計(jì)算。由表2可以看出，“濱海607”系泊纜繩最大張力為515.77 kN，而纜繩破斷力為1 770 kN,即SF=3.43,滿足規(guī)范要求；高強(qiáng)度鋼纜最大張力為713.24 kN，而高強(qiáng)度鋼纜破斷力為2 280 kN,即SF=3.20，也滿足規(guī)范要求。這表明上述系泊方案可行，在實(shí)際外輸作業(yè)中可參考該計(jì)算結(jié)果進(jìn)行。

表2 “濱海607”系泊纜壓載工況系泊力計(jì)算結(jié)果Table 2 Ballast conditions mooring force of “Binhai 607” mooring Line

3 現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)曹妃甸11-6油田海況和設(shè)施特點(diǎn)，為了保障靠、離泊作業(yè)安全，輔助穿梭油輪自如地周旋在“海洋石油162”和大抓力錨漂浮纜之間，三點(diǎn)系泊作業(yè)需要三用工作船舶進(jìn)行輔助作業(yè)，采用由2 942 kW全回轉(zhuǎn)拖輪輔助穿梭油輪船艉系泊大抓力錨系泊系統(tǒng)，由4 413 kW三用工作拖輪輔助穿梭油輪船艏雙纜系泊“海洋石油162”和遞送外輸軟管的輔助作業(yè)方式，且在錨纜位置安裝浮燈或浮漂警示過往船只，防止輔助作業(yè)船舶螺旋槳纏繞纜繩，從整體上降低作業(yè)風(fēng)險。此外，為保障整個作業(yè)安全，三點(diǎn)系泊方式操作外部環(huán)境限定常風(fēng)速8 m/s、流速1.17 m/s，在3個月的實(shí)際運(yùn)行中即使現(xiàn)場風(fēng)力達(dá)到六級，“海洋石油162”應(yīng)急脫鉤裝置系泊力顯示值變化均控制在30 kN范圍內(nèi)。

目前三點(diǎn)系泊系統(tǒng)已成功應(yīng)用于曹妃甸11-6油田臨時生產(chǎn)外輸作業(yè)，實(shí)現(xiàn)安全靠、離泊64次，原油安全轉(zhuǎn)運(yùn)29次。現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)踐表明，三點(diǎn)系泊方式適應(yīng)于移動式試采平臺進(jìn)行短期或臨時性試采和生產(chǎn)的開發(fā)生產(chǎn)項(xiàng)目，并具有以下優(yōu)點(diǎn)：①系泊系統(tǒng)布置簡單，大抓力錨抓地牢固，穿梭油輪可靈活解脫；②可快速回收，油田內(nèi)無需建造固定設(shè)施；③施工時間短，作業(yè)成本低，外輸作業(yè)安全可靠。

4 結(jié)束語

利用大抓力錨三點(diǎn)系泊方式成功解決了穿梭油輪靠泊移動式試采平臺安全外輸而又不影響海上現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)施這一難題，圓滿地完成了曹妃甸11-6油田海管更換期間的臨時生產(chǎn)原油外輸任務(wù)。該方案具有施工周期短、成本低、作業(yè)靈活、應(yīng)急解脫方便、不占據(jù)海域使用等優(yōu)點(diǎn)，開拓了新的外輸模式。大抓力錨三點(diǎn)系泊系統(tǒng)對于邊際油田開發(fā)、臨時性生產(chǎn)起到一定的降本增效作用，是對邊際油田開發(fā)技術(shù)的有力補(bǔ)充，對今后海上油田開發(fā)類似工程具有重要借鑒意義。

[1] 冒家友，劉義勇，王映全．惠州油田群快速復(fù)產(chǎn)工程方案研究與實(shí)踐[J]．中國海上油氣，2011,23(1)：53-56．

MAO Jiayou,LIU Yiyong,WANG Yingquan.Study and practice on the engineering solution for fast resuming production of Huizhou oilfield group[J].China Offshore Oil and Gas,2011,23(1):53-56.

[2] 劉小鴻，崔大勇，劉洪杰，等．渤中3-2邊際小油氣田開發(fā)策略研究[J]．海洋石油，2010,30(1)：67-71．

LIU Xiaohong,CUI Dayong,LIU Hongjie,et al.Research on development plan for offshore marginal oilfields——taking BZ3-2 Oilfield as an example[J].Offshore Oil,2010,30(1):67-71.

[3] 徐桂龍，李文英．浮式生產(chǎn)儲油輪的發(fā)展現(xiàn)狀[J]．中國海上油氣(工程)，2002,14(2)：1-4．

XU Guilong,LI Wenying.Present status of FPSO[J].China Offshore Oil and Gas(Engineering), 2002,14(2):1-4.

[4] 范模．兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)的研究[J]．中國海上油氣(工程)，2003,15(6)：13-15．

FAN Mo.Research and discussion for two points mooring system[J].China Offshore Oil and Gas(Engineering),2003,15(6):13-15.

[5] 吳思，郭寶忠，張玉雙．兩點(diǎn)水下浮筒系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．中國海上油氣(工程)，1999,11(4)：1-3．

WU Si,GUO Baozhong,ZHANG Yushuang.Design of the two points underwater buoy mooring system[J].China Offshore Oil and Gas(Engineering),1999,11(4):1-3.

[6] 梅華東，尹漢軍，蔡元浪，等．兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)系泊力影響因素分析[J]．中國海上油氣，2011,23(6)：411-414．

MEI Huadong,YIN Hanjun,CAI Yuanlang,et al.Analysis on affecting factors to mooring force of two points mooring system[J].China Offshore Oil and Gas,2011,23(6):411-414.

[7] 于洋，劉賢朋，蔣治強(qiáng)，等．DA-1型船用大抓力錨抓底性能試驗(yàn)研究[J]．中國航海，2014,37(1)：53-55,65．

YU Yang,LIU Xianpeng,JIANG Zhiqiang,et al.An experimental study on performance of DA-1 type high holding power anchor for ships[J].Navigation of China,2014,37(1):53-55,65.

[8] 李牧，田冠楠，楊凱東．南海FPSO超極限海況下抗風(fēng)能力分析[J]．船海工程，2016,45(5)：1-5．

LI Mu,TIAN Guannan,YANG Kaidong.On the ultimate wind resistant ability of the FPSO in South China Sea[J].Ship & Ocean Engineering,2016,45(5):1-5.

[9] 聶孟喜，王旭升，王曉明，等．風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下系統(tǒng)系泊力的時域計(jì)算方法[J]．清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004,44(9)：1214-1217．

NIE Mengxi,WANG Xusheng,WANG Xiaoming,et al.Time domain approach for computing the mooring force of a mooring system subject to wind,waves and currents[J].Journal of Tsinghua University(Science and Technology),2004,44(9):1214-1217.

[10] BV.NR493-2015 Classification of mooring systems for permanent and mobile offshore[S].Bureau Veritas，2015．