南海深水FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

李 達(dá) 白雪平 王文祥 易 叢 李 剛 賈魯生 李書(shū)兆

（中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028）

隨著南海深水油氣田的勘探和開(kāi)發(fā)，原淺水油氣田開(kāi)發(fā)工程模式受到了挑戰(zhàn)。對(duì)不便依托的油田開(kāi)發(fā)，F(xiàn)PSO作為油氣水處理、儲(chǔ)存和外輸中心是必要的開(kāi)發(fā)工程設(shè)施。相比淺水海域的FPSO，深水FPSO呈現(xiàn)不同的技術(shù)特點(diǎn)。通常在超過(guò)300 m水深的海域建立導(dǎo)管架平臺(tái)的難度非常大，建設(shè)深水浮式生產(chǎn)平臺(tái)成本又較為高昂，采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)開(kāi)采，并直接回接到FPSO是一種普遍的油田開(kāi)發(fā)模式。這種開(kāi)發(fā)模式在巴西和西非深水海域應(yīng)用最為普遍，我國(guó)南海流花16-2／20-2／21-2油田群也是采用這一開(kāi)發(fā)模式（圖1）。

圖1 流花油田群總體開(kāi)發(fā)示意圖Fig.1 General layout of Liuhua oilfields

流花16-2／20-2／21-2油田群位于我國(guó)南海珠江口盆地，油田群作業(yè)水深為388～434 m，F(xiàn)PSO位置水深為420 m，油田群預(yù)計(jì)在2020—2022年分批投產(chǎn)。該油田群3個(gè)油田的水下生產(chǎn)系統(tǒng)回接到一艘15萬(wàn)噸級(jí)FPSO進(jìn)行開(kāi)發(fā)，所有井口物流都需要通過(guò)單點(diǎn)再傳輸?shù)紽PSO上處理、儲(chǔ)存和外輸，通過(guò)單點(diǎn)傳輸電力向新建的水下井口提供動(dòng)力，通過(guò)單點(diǎn)傳輸信號(hào)控制水下生產(chǎn)系統(tǒng)和注入化學(xué)藥劑。

流花16-2油田新建8口井的水下生產(chǎn)系統(tǒng)，新建FPSO與水下生產(chǎn)系統(tǒng)之間布置有2條直徑254.0 mm海底管道、3條海底電纜和1條臍帶纜。流花20-2油田新建2個(gè)5口井的水下生產(chǎn)系統(tǒng)，新建FPSO與水下生產(chǎn)系統(tǒng)之間布置有2條直徑355.6 mm海底管道、3條海底電纜和1條臍帶纜。流花21-2油田新建8口井的水下生產(chǎn)系統(tǒng)，新建FPSO與水下生產(chǎn)系統(tǒng)之間布置有2條直徑266.7 mm海底管道、2條海底電纜和1條臍帶纜。為實(shí)現(xiàn)井流輸送、電力、控制等功能需求，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)滑環(huán)數(shù)量需求超過(guò)10個(gè)，滑環(huán)數(shù)量多，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、難度大，在全球范圍內(nèi)屬較為龐大復(fù)雜的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)［1-2］?？紤]系泊系統(tǒng)的布置，轉(zhuǎn)塔轉(zhuǎn)盤(pán)需要18個(gè)懸掛空間，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)管纜設(shè)計(jì)是目前國(guó)內(nèi)水深最大、管纜數(shù)量最多的項(xiàng)目。此外，流花油田群海域臺(tái)風(fēng)環(huán)境惡劣、內(nèi)波現(xiàn)象顯著，動(dòng)態(tài)管纜在極端臺(tái)風(fēng)和內(nèi)波條件下的耦合動(dòng)態(tài)響應(yīng)［3］，也是FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性技術(shù)難題。本文以流花油田群為例，開(kāi)展了南海深水FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)和風(fēng)險(xiǎn)控制方法研究，其成果對(duì)于我國(guó)南海深水油氣田開(kāi)發(fā)技術(shù)研究具有一定的借鑒意義。

1 南海深水FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)

1.1 惡劣的環(huán)境條件

流花油田群所屬南海為世界范圍內(nèi)海況惡劣的海域之一。該海域百年一遇波高為13.6 m，譜峰周期為15～17 s，1 h風(fēng)速為43.8 m／s，百年一遇流速為2.49 m／s。其環(huán)境條件和墨西哥灣接近［4］。相比其他惡劣海域，南海還存在其特定的內(nèi)波環(huán)境條件，對(duì)系泊系統(tǒng)和立管的設(shè)計(jì)都存在潛在的挑戰(zhàn)。

表1 各國(guó)規(guī)范對(duì)腐蝕裕量的要求Table1 Chain corrosion allowance of classification society rules

1.2 苛刻的錨鏈腐蝕條件

系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命考慮為20 a。在系泊系統(tǒng)腐蝕裕量的考慮上，不同規(guī)范有不同的要求（表1），其中，美國(guó)船級(jí)社基于海水中無(wú)機(jī)氮的含量給出了不同的區(qū)間［5］，通常國(guó)內(nèi)海域無(wú)機(jī)氮含量不高，可以選擇相對(duì)更低的允許腐蝕余量，根據(jù)規(guī)范每年腐蝕速度考慮0.4 mm即可。但流花海域位于溫度高的海域，2016—2017年對(duì)該海域“南海挑戰(zhàn)號(hào)”和“南海勝利號(hào)”進(jìn)行系泊纜更換維修作業(yè)時(shí)，對(duì)海底鏈也進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)“南海挑戰(zhàn)號(hào)”FPSO海底鏈觸泥區(qū)域的最大腐蝕率為0.84 mm／a，“南海勝利號(hào)”FPSO海底鏈觸泥區(qū)域的最大腐蝕率為0.64 mm／a，這說(shuō)明該海域錨鏈腐蝕條件十分苛刻。

1.3 轉(zhuǎn)塔中心的偏移限制

與我國(guó)南?，F(xiàn)有的百米水深FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)不同，深水系泊系統(tǒng)由于水更深，系泊系統(tǒng)的懸鏈線效應(yīng)非常明顯，確定系泊纜剛度與預(yù)張力大小和轉(zhuǎn)塔中心偏移的權(quán)衡就成了深水系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵，對(duì)投資影響巨大。通常在設(shè)計(jì)之初就要根據(jù)立管初步的構(gòu)型和相應(yīng)的偏移限制條件，作為系泊系統(tǒng)剛度和預(yù)張力確定的依據(jù)。這是深水系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要滿(mǎn)足的功能要求，其往往也是深海單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制因素。

1.4 錨鏈的面外彎曲疲勞問(wèn)題

深水海域中較強(qiáng)的懸鏈線效應(yīng)會(huì)直接導(dǎo)致FPSO系泊系統(tǒng)剛度偏弱，這就要在初始位置施加較大的預(yù)張力來(lái)限制轉(zhuǎn)塔中心的偏移。相比淺水區(qū)域系泊系統(tǒng)，深水區(qū)域系泊系統(tǒng)的預(yù)張力顯著增加，錨鏈在止鏈器端除了承受軸向力之外，還存在潛在的面外彎曲，它們一起作用將產(chǎn)生面外磨損和彎曲疲勞的問(wèn)題。

1.5 系泊系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計(jì)的合理性

南海FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的內(nèi)轉(zhuǎn)塔通過(guò)系泊纜在水中的重量引起懸鏈線效應(yīng)和系泊纜的軸向伸長(zhǎng)特性來(lái)實(shí)現(xiàn)系泊纜的偏移和回復(fù)關(guān)系。對(duì)于深水FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，特別是水深400 m左右的系泊系統(tǒng)，懸鏈線效應(yīng)貢獻(xiàn)了絕大部分的剛度特性［6］。近年來(lái)，深水聚酯纜系泊系統(tǒng)已得到廣泛的應(yīng)用，但在400 m左右的水深是否經(jīng)濟(jì)適用是一個(gè)新的技術(shù)挑戰(zhàn)，對(duì)于系泊纜中錨鏈、鋼纜、聚酯纜的選擇要綜合考慮系泊特性、采辦投資、海上安裝和維護(hù)等相關(guān)因素，深水項(xiàng)目的高風(fēng)險(xiǎn)、高投入特性決定了在深水單點(diǎn)系泊系統(tǒng)方案選擇方面需要權(quán)衡投資與可靠性，不可以降低運(yùn)維中的可靠性，也不得過(guò)于保守而增加項(xiàng)目投資。合理的系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)，特別是通過(guò)設(shè)計(jì)提早鎖定系泊方位和半徑，還可以避免二次地質(zhì)勘查，為項(xiàng)目建設(shè)節(jié)省時(shí)間和投資。

1.6 系泊系統(tǒng)基礎(chǔ)的選擇

在流花海域已有2座浮式設(shè)施，均采用拖曳錨作為系泊基礎(chǔ)，拖曳錨的最大設(shè)計(jì)荷載均在10 000 k N以下，對(duì)于設(shè)計(jì)荷載較大的系泊基礎(chǔ)，拖曳錨的使用存在技術(shù)挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)為對(duì)土壤的要求、運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的走錨現(xiàn)象、預(yù)張緊工作導(dǎo)致海上施工工程量大等。傳統(tǒng)的樁錨在技術(shù)上可行，但大于300 m水深的打樁作業(yè)需要用水下打樁動(dòng)力站，目前國(guó)內(nèi)未有應(yīng)用先例，且租賃費(fèi)用昂貴，因此將面臨如何選擇合適的深水系泊基礎(chǔ)的難題。

1.7 復(fù)雜的轉(zhuǎn)塔區(qū)布置和功能設(shè)計(jì)

對(duì)于采用FPSO開(kāi)發(fā)的深水油氣田，通常均是匹配采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)的模式進(jìn)行油氣田的開(kāi)發(fā)。與淺水油氣田所采用的“FPSO＋固定式導(dǎo)管架平臺(tái)”開(kāi)發(fā)模式不同［7］，深水油氣田FPSO的單點(diǎn)滑環(huán)組除了井流和電輸送所需的液滑環(huán)和電滑環(huán)外，通常還需要配備用于給水下井口注入化學(xué)藥劑的公用滑環(huán)以及水下井口通訊控制的光纖通訊滑環(huán)等，因此將面臨復(fù)雜的轉(zhuǎn)塔區(qū)布置和功能設(shè)計(jì)的問(wèn)題。

1.8 復(fù)雜立管系統(tǒng)設(shè)計(jì)

流花油田群共包括18根動(dòng)態(tài)管纜，如圖2所示，其中直徑254.0～355.6 mm生產(chǎn)立管6根、動(dòng)態(tài)電纜8根、臍帶纜3根以及1根預(yù)留立管。到目前為止，南海已經(jīng)應(yīng)用項(xiàng)目的動(dòng)態(tài)管纜數(shù)量不超過(guò)6根，對(duì)于3倍于以往項(xiàng)目的復(fù)雜立管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要存在400 m左右水深合適的動(dòng)態(tài)立管、電纜和臍帶纜構(gòu)型，以及立管與錨泊系統(tǒng)的干涉碰撞問(wèn)題。

圖2 流花油田群FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)及管纜布置示意圖Fig.2 FPSO single point mooring system and riser layout of Liuhua oilfields

2 南海深水FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

針對(duì)流花油田海域特點(diǎn)以及以往作業(yè)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，選取百年一遇環(huán)境條件為設(shè)計(jì)環(huán)境條件，千年一遇環(huán)境條件為校核工況。根據(jù)該海域內(nèi)波的發(fā)生特點(diǎn)，臺(tái)風(fēng)期間沒(méi)有觀測(cè)到明顯的內(nèi)波，因此采用內(nèi)波與百年一遇季風(fēng)環(huán)境條件疊加。

對(duì)于腐蝕余量，綜合考慮規(guī)范要求和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，流花海域FPSO系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮觸底端錨鏈的腐蝕速度0.7 mm／a，其他區(qū)域維持規(guī)范設(shè)計(jì)原則；同時(shí)，也要求系泊系統(tǒng)須定期檢測(cè)，腐蝕達(dá)到更換條件時(shí)及時(shí)更換。

根據(jù)立管的構(gòu)型和動(dòng)態(tài)初步分析，流花項(xiàng)目中FPSO系泊系統(tǒng)百年一遇完整工況位移須小于73 m，百年一遇破損工況位移須小于85 m，才能滿(mǎn)足立管位移要求。

系泊纜海底端與海底的夾角大小取決于海底錨的形式。對(duì)于常規(guī)的樁錨和吸力錨方案，均可以承受一定的垂向載荷，且入泥段錨鏈本身與海底就有較大夾角。因此，流花項(xiàng)目中FPSO系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)百年一遇環(huán)境條件下允許系泊纜與海底夾角為3.5°。極端條件下允許系泊纜與入泥端有一定的夾角，也是深水FPSO系泊系統(tǒng)的一個(gè)重要技術(shù)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)原則。

2.2 系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)型

在系泊纜材質(zhì)方面，可以選擇錨鏈、鋼纜和聚酯纜，其中錨鏈質(zhì)量較大、耐磨損，通常布置在磨損較多的部位，如系泊纜頂部、觸底段等部位。

淺水海域通常采用鋼纜［8-9］。由于聚酯纜在深水海域的廣泛應(yīng)用，在流花項(xiàng)目中也對(duì)水中系泊段采用聚酯纜的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性進(jìn)行了比較。在流花海域水深條件下，張緊式聚酯纜方案比鋼纜方案可節(jié)約采辦投資約2 000余萬(wàn)元人民幣，但聚酯纜方案在本項(xiàng)目應(yīng)用的操作復(fù)雜性較大。例如，聚酯纜需要增加預(yù)張緊的過(guò)程，與本項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的拉伸力為7 000～8 000 k N，大大提高了對(duì)船舶資源能力的要求，增加了安裝耗時(shí)及安裝費(fèi)用；同時(shí)聚酯纜需要在使用過(guò)程中定期張緊，而單點(diǎn)系泊系統(tǒng)往往只布設(shè)一個(gè)錨機(jī)，單點(diǎn)系泊FPSO張緊作業(yè)還須用到2～3條限位拖輪，每次張緊作業(yè)估計(jì)需要近千萬(wàn)元人民幣的費(fèi)用；對(duì)不設(shè)置錨機(jī)的單點(diǎn)，由于不能在FPSO上進(jìn)行張緊，僅能通過(guò)吸力錨端進(jìn)行水下張緊，工程量大，作業(yè)費(fèi)高；如果錨點(diǎn)土壤過(guò)硬，不適合吸力樁型式，還需要解決水下張緊器如何與錨樁配合的問(wèn)題。因此，綜合采辦和安裝上的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性，該水深下系泊纜水中段采用鋼纜更優(yōu)。

系泊纜的躺底段可選用錨鏈或鋼纜，這2種材質(zhì)在技術(shù)上均可行。錨鏈質(zhì)量大，可提供的回復(fù)力大，較短的長(zhǎng)度即可達(dá)到一定的位移［10］；鋼纜單價(jià)低，質(zhì)量較小，需要較長(zhǎng)的長(zhǎng)度才可達(dá)到一定的定位能力。通過(guò)費(fèi)用比較，得出鋼纜方案比錨鏈方案費(fèi)用略低，但鋼纜方案海上安裝費(fèi)用高出許多。因此，綜合采辦和安裝的經(jīng)濟(jì)性比較，流花項(xiàng)目系泊纜的躺底段采用錨鏈方案更優(yōu)。最終確定流花油田群FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)系泊纜構(gòu)型采用從上至下錨鏈-鋼纜-錨鏈的形式，采用3組系泊纜，每組3根，組間夾角為120°，纜間夾角不大于5°，系泊半徑為1 250 m，如圖3所示。單根系泊纜的構(gòu)造如表2所示，選擇R3S無(wú)擋錨鏈可以有效緩解潛在的疲勞問(wèn)題。

圖3 流花油田群FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)布置圖Fig.3 FPSO mooring system layout of Liuhua oilfields

表2 流花油田群FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)單根系泊纜構(gòu)造Table2 FPSO mooring system train mooring cable structure of single root of Liuhua oilfields

流花油田群FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)系泊纜在壓載時(shí)的預(yù)張力達(dá)到1 857 k N，比以往淺水區(qū)域的預(yù)張力明顯大很多，特別是在止鏈器與錨鏈間的受力會(huì)增加很多潛在的風(fēng)險(xiǎn)，例如提高面外彎矩導(dǎo)致的疲勞問(wèn)題。流花項(xiàng)目的解決辦法為系泊纜頂部和船體連接的止鏈器應(yīng)釋放雙向自由度。應(yīng)該說(shuō)，僅釋放單向自由度的連接器也是可能的解決方案，但須進(jìn)行相關(guān)的面外彎曲強(qiáng)度和疲勞分析。

2.3 深水錨樁技術(shù)方案

深水油氣田開(kāi)發(fā)工程中常用的錨固基礎(chǔ)型式有吸力錨、樁錨、拖曳錨、吸力式貫入錨以及動(dòng)力貫入錨。流花油田屬于深水油田，海底淺層沉積物以飽和黏土和粉質(zhì)黏土為主。通過(guò)對(duì)上述深水錨固基礎(chǔ)的比較分析，從技術(shù)成熟性和經(jīng)濟(jì)性方面考慮，吸力錨基礎(chǔ)更適合于流花油田群開(kāi)發(fā)。

吸力錨基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)及關(guān)鍵因素是安裝負(fù)壓以及循環(huán)承載力的確定。吸力錨安裝時(shí)，首先依靠自重進(jìn)行貫入，直到錨重量與土阻力相平衡。此后通過(guò)錨頂上抽水口，利用相關(guān)設(shè)備進(jìn)行抽水，使得錨內(nèi)外形成所需負(fù)壓，在該負(fù)壓下錨繼續(xù)貫入直到預(yù)定深度。錨內(nèi)負(fù)壓是決定錨能否成功安裝的關(guān)鍵，若負(fù)壓較小時(shí)，錨無(wú)法貫入至預(yù)定深度，且后續(xù)貫入工作難以控制；若負(fù)壓較大時(shí)，錨內(nèi)形成較高土塞進(jìn)而難以再進(jìn)行貫入。因此，根據(jù)場(chǎng)地土層條件準(zhǔn)確且合理確定所需負(fù)壓，可為吸力錨成功安裝提供基本保障。

除此之外，吸力錨循環(huán)承載力的確定是其設(shè)計(jì)的難點(diǎn)問(wèn)題。極端海洋環(huán)境下，工作載荷和各種復(fù)雜的環(huán)境載荷（如風(fēng)、波浪載荷）通過(guò)錨鏈傳遞到吸力錨基礎(chǔ)，使得基礎(chǔ)承載弱化或發(fā)生較大的累積變形，嚴(yán)重影響了基礎(chǔ)乃至上部設(shè)施的穩(wěn)定性。在靜載荷與環(huán)境載荷作用下，海底土層循環(huán)剪切強(qiáng)度不同于靜強(qiáng)度，取決于初始應(yīng)力狀態(tài)、循環(huán)載荷大小、循環(huán)載荷頻率、循環(huán)載荷次數(shù)等因素，需通過(guò)多組高級(jí)土工試驗(yàn)確定。結(jié)合吸力錨破壞模式、吸力錨設(shè)計(jì)參數(shù)、土層參數(shù)及環(huán)境載荷進(jìn)行吸力錨循環(huán)承載力設(shè)計(jì)，流花油田群FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)吸力錨設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。此外，還須關(guān)注吸力錨安裝的可靠性和效率。

表3 流花油田群FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)吸力錨設(shè)計(jì)參數(shù)Table3 FPSO suction anchor mooring system design parameters of the train of Liuhua oilfields

2.4 立管系統(tǒng)安裝技術(shù)

通過(guò)對(duì)不同構(gòu)型的立管形態(tài)進(jìn)行比較和研究，最終選擇“系鏈緩波”構(gòu)型作為流花油田群FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)動(dòng)態(tài)立管、電纜和臍帶纜設(shè)計(jì)的水中構(gòu)型，如圖4所示。為了確保這一構(gòu)型在海上的運(yùn)營(yíng)安全，提出了一系列解決措施來(lái)提高技術(shù)可靠性：考慮到管纜數(shù)量較多，船體底部的水下空間狹窄，為提高回接效率，降低水下潛水作業(yè)的操作風(fēng)險(xiǎn)，推薦采用無(wú)潛水抗彎加強(qiáng)連接器用于動(dòng)態(tài)管纜的回接；考慮到注氣立管、電纜和臍帶纜質(zhì)量較小，設(shè)置配重塊緩解FPSO垂向運(yùn)動(dòng)引起的管纜壓縮，并降低管纜在洋流作用下的擺動(dòng)幅度，設(shè)置配重塊和分散式浮力塊來(lái)保證動(dòng)態(tài)管纜在水中的形態(tài)，特別是極端條件作用下的形態(tài)；為降低對(duì)海底靜態(tài)段的動(dòng)態(tài)張力，動(dòng)態(tài)段末端設(shè)置限位卡具。

圖4 流花油田群FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)動(dòng)態(tài)管纜構(gòu)型Fig.4 FPSO mooring system dynamic train pipe line configuration of Liuhua oilfields

在立管設(shè)計(jì)分析中，為體現(xiàn)立管布置在各個(gè)方向的差異，波浪采用方向極值來(lái)模擬FPSO船體的偏移和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)考慮斯托克斯五階波和不規(guī)則波來(lái)進(jìn)行波浪模擬。根據(jù)模擬計(jì)算的結(jié)果，柔性立管、動(dòng)態(tài)電纜和臍帶纜在正常操作、極端操作、生存以及內(nèi)波工況下的有效張力和最小彎曲半徑指標(biāo)均滿(mǎn)足總體強(qiáng)度要求。波浪引起的FPSO單點(diǎn)垂向運(yùn)動(dòng)是動(dòng)態(tài)管纜受力的最主要控制因素，此外海生物附著顯著增加了動(dòng)態(tài)管纜受力。

干涉分析中首先采用準(zhǔn)靜態(tài)分析方式開(kāi)展變力分析，選取關(guān)鍵管纜開(kāi)展動(dòng)態(tài)干涉分析，尾流選用Huse模型。通過(guò)干涉分析，發(fā)現(xiàn)各管纜浮力塊區(qū)域無(wú)碰撞，管纜垂彎段未出現(xiàn)觸地現(xiàn)象，管纜與錨鏈無(wú)碰撞現(xiàn)象；同時(shí)，由于管內(nèi)介質(zhì)密度差異大、相鄰管纜質(zhì)量相差較大等影響，百年一遇臺(tái)風(fēng)工況下相鄰立管以及相鄰立管和電纜上懸鏈段區(qū)域存在規(guī)范允許的碰撞。

2.5 單點(diǎn)滑環(huán)和轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)技術(shù)

對(duì)于采用FPSO開(kāi)發(fā)的深水油氣田，通常均是匹配采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)的模式進(jìn)行油氣田的開(kāi)發(fā)。與淺水油氣田所采用的“FPSO＋固定式導(dǎo)管架平臺(tái)”開(kāi)發(fā)模式的FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)不同［10］，深水油氣田FPSO的單點(diǎn)滑環(huán)組除了井流和電輸送所需的液滑環(huán)和電滑環(huán)外，通常還需要配備用于給水下井口注入化學(xué)藥劑的公用滑環(huán)以及水下井口通訊控制的光纖通訊滑環(huán)等，這將導(dǎo)致單點(diǎn)滑環(huán)組的高度增大至25 m左右，若再考慮到單點(diǎn)系泊系統(tǒng)各層平臺(tái)的高度，滑環(huán)組頂端（通常為光纖通訊滑環(huán)或低壓電滑環(huán)）將高出船體主甲板45 m左右。為了防止火炬燃燒的輻射熱損壞單點(diǎn)滑環(huán)或影響單點(diǎn)的正常操作，則需要將火炬臂的高度增大，這將給火炬臂及與船體連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)，因此通常須將火炬臂設(shè)計(jì)成向船首或舷側(cè)傾斜的形式，既可以減小對(duì)單點(diǎn)滑環(huán)組的輻射熱，又可以解決火炬臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難題。

對(duì)于井流滑環(huán)，應(yīng)盡量避免2個(gè)或多個(gè)滑環(huán)組成一個(gè)模塊的型式，如果要采用這種型式井流滑環(huán)，則需要至少設(shè)置1個(gè)備用通道，以防滑環(huán)損壞后無(wú)法現(xiàn)場(chǎng)更換而影響油田的正常生產(chǎn)。同時(shí)，每個(gè)井流滑環(huán)須至少保證設(shè)有2道密封，并配備油氣泄漏檢測(cè)裝置，且現(xiàn)場(chǎng)可以更換滑環(huán)密封圈。此外，對(duì)于周邊有潛力發(fā)現(xiàn)的油田，在單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)兼顧周邊潛力油田后期開(kāi)發(fā)接入的需求，預(yù)留單點(diǎn)井流滑環(huán)及對(duì)電滑環(huán)考慮一定的設(shè)計(jì)余量；有時(shí)為了節(jié)省項(xiàng)目先期的工程投資，也可考慮僅在單點(diǎn)滑環(huán)組內(nèi)預(yù)留井流滑環(huán)所需的鋼管，并在單點(diǎn)轉(zhuǎn)塔平臺(tái)上預(yù)留清管操作所需的空間，待后期有油田接入時(shí)再安裝新的井流滑環(huán)。

新建流花油田群FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)轉(zhuǎn)塔上須布置11個(gè)滑環(huán)（圖5），包含3個(gè)液滑環(huán)、1個(gè)通球滑環(huán)、2個(gè)公用滑環(huán)、1個(gè)低壓滑環(huán)、2個(gè)中壓滑環(huán)、1個(gè)光纖滑環(huán)、1個(gè)預(yù)留滑環(huán)，這樣即可保證每個(gè)油田都有單獨(dú)的滑環(huán)通道，一個(gè)油田的生產(chǎn)故障不會(huì)影響到其他油田的生產(chǎn)；同時(shí)，在單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中也考慮了在役期間進(jìn)行滑環(huán)維修和更換的措施，確保整個(gè)油田群的正常生產(chǎn)，不會(huì)出現(xiàn)因?yàn)閱蝹€(gè)滑環(huán)的故障而完全中斷的情況。

深水油氣田FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)轉(zhuǎn)塔上除了須布置海底管道檢測(cè)和清管所需的清管球收發(fā)裝置、配套的管道以及操作空間外，往往還需要布置水下生產(chǎn)系統(tǒng)液壓電力單元、水下井口控制系統(tǒng)以及供電配套設(shè)施等設(shè)備。同時(shí)，對(duì)于鋼制海底管道通常需要采用智能清管球進(jìn)行清管和檢測(cè)，但智能清管球的長(zhǎng)度要比普通泡沫清管球的長(zhǎng)度大，所需的管道彎曲半徑要更大。因此，深水油氣田采用的FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)轉(zhuǎn)塔上布置的設(shè)備更多、所需的操作空間也更大，則轉(zhuǎn)塔尺度上也就更大，從而導(dǎo)致單點(diǎn)系泊系統(tǒng)整體投資也會(huì)增加很多。對(duì)于大中型深水油氣田，由于所需布置的設(shè)備更多和操作空間更大，需將單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)備布置在FPSO船體主甲板之上，通常需至少設(shè)置2～3層平臺(tái)，用于回接立管、電纜和臍帶纜，并布置各種單點(diǎn)設(shè)備。

從轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)的選型和優(yōu)化來(lái)看，目前主要有2種設(shè)計(jì)方案：分別是1個(gè)水下軸承和2個(gè)軸承（1個(gè)在水面以下、1個(gè)在水面以上）。1個(gè)水下軸承方案通過(guò)環(huán)形線接觸與船體固定，對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)塔的垂直度等要求很高；2個(gè)軸承的方案從操作角度來(lái)看技術(shù)更為可靠，但是否選擇2個(gè)軸承的方案，還應(yīng)從經(jīng)濟(jì)性以及水下軸承的操作風(fēng)險(xiǎn)來(lái)進(jìn)行分析和比較進(jìn)行確定，目前基于以往項(xiàng)目的實(shí)踐，具備操作經(jīng)驗(yàn)的1個(gè)水下軸承的方案也是可接受的。

目前轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)和單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)掌握在少數(shù)專(zhuān)業(yè)單點(diǎn)公司手中，迫切需要對(duì)其布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行研究，從整體系統(tǒng)可靠性的角度盡可能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)要求，以確保得到經(jīng)濟(jì)可靠、便于實(shí)施的技術(shù)方案。未來(lái)可以逐步從管廊甲板開(kāi)始做進(jìn)一步的設(shè)計(jì)和建造工作，逐步推廣到轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建造工程，最后逐步攻克主軸承和滑環(huán)系統(tǒng)等技術(shù)難題，形成自主的單點(diǎn)轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)技術(shù)。

圖5 流花油田群FPSO系泊系統(tǒng)單點(diǎn)轉(zhuǎn)塔布置示意圖Fig.5 FPSO single point mooring system train turret arrangement diagram of Liuhua oilfields

3 結(jié)論

1）在南海400 m左右的水深，聚酯纜系泊系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)性上并無(wú)明顯的優(yōu)勢(shì)，且可能帶來(lái)更復(fù)雜的操作維護(hù)，選擇水中鋼纜方案對(duì)于400 m左右水深更為經(jīng)濟(jì)。

2）吸力錨是南海深水區(qū)域可以較好適應(yīng)臺(tái)風(fēng)惡劣條件的錨基礎(chǔ)形式，應(yīng)逐步積累并完全掌握深水吸力錨設(shè)計(jì)和海上安裝技術(shù)能力。

3）深水與常規(guī)淺水的立管設(shè)計(jì)有很大不同，表現(xiàn)在構(gòu)型復(fù)雜、潛在干涉問(wèn)題較為突出，須予以重點(diǎn)關(guān)注。

4）南海深水單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的上部結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，且對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)投資具有決定作用，如何選擇適宜的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，需要逐步完善技術(shù)儲(chǔ)備。