一種遠(yuǎn)海油氣作業(yè)后勤保障的浮式碼頭概念設(shè)計(jì)

張俊明，鄧文彪，王偉濤，樊天慧，劉 鯤*

(1.中海油海南能源有限公司，海南 海口 570105；2.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641)

0 引 言

隨著近幾十年的開(kāi)發(fā)，陸上和近海海域的油氣資源日益枯竭，海上資源開(kāi)發(fā)終將走向遠(yuǎn)海。然而，海上作業(yè)平臺(tái)依賴后勤基地的水、燃料、鉆井設(shè)備及其他消耗品的供應(yīng)，后勤支持不力將嚴(yán)重影響鉆井作業(yè)，甚至導(dǎo)致作業(yè)停滯[1]。遠(yuǎn)海海域距離我國(guó)大陸上千公里，若采用平臺(tái)供應(yīng)船(Platform Supply Vessel，PSV)、三用工作拖船(Anchor Handling Tug Supply，AHTS)等傳統(tǒng)方式，會(huì)導(dǎo)致船舶使用頻率高，物資供給效率低，后勤保障成本高、效率低。遠(yuǎn)海海域作業(yè)環(huán)境惡劣，會(huì)給基于陸地基地的遠(yuǎn)程補(bǔ)給作業(yè)特別是長(zhǎng)航時(shí)直升機(jī)作業(yè)帶來(lái)巨大風(fēng)險(xiǎn)。RAHMAN等[2]使用故障樹(shù)和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的方法，對(duì)海上遠(yuǎn)程作業(yè)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)性分析，分析結(jié)果表明，總的來(lái)說(shuō)海上補(bǔ)給作業(yè)的失效概率與岸基距離正相關(guān)，并隨著距離的增加而大幅增加應(yīng)急反應(yīng)和調(diào)用岸站物資等作業(yè)的失效概率。劉代杰等[3]以海洋石油981號(hào)遠(yuǎn)海海域深水作業(yè)為例，介紹中海油遠(yuǎn)海海域深水勘探開(kāi)發(fā)的后勤支持實(shí)踐情況，闡述海洋石油981號(hào)進(jìn)行鉆井作業(yè)的有關(guān)后勤支持工作，并對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析。王建華等[4]應(yīng)用基于開(kāi)源平臺(tái)OpenFOAM開(kāi)發(fā)的船舶與海洋工程力學(xué)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)求解器——naoe-FOAM-SJTU，對(duì)1座分布式系泊系統(tǒng)的浮式碼頭在入射波浪作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，以分析系泊系統(tǒng)的有效性。

綜合考慮可能的作業(yè)海域、航程、氣候及綜合經(jīng)濟(jì)效益等因素影響，結(jié)合國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，遠(yuǎn)海后勤支持浮式碼頭被認(rèn)為是一種有效提高綜合作業(yè)保障能力的方法。在充分調(diào)研海上油氣作業(yè)后勤補(bǔ)給需求的基礎(chǔ)上，通過(guò)開(kāi)展浮式碼頭功能體系研究及船型方案論證研究，建立浮式碼頭功能體系，確定浮式碼頭技術(shù)指標(biāo)，分別基于新造模式和現(xiàn)役船舶改造模式提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)開(kāi)展2種方案的經(jīng)濟(jì)性論證分析優(yōu)選設(shè)計(jì)方案，對(duì)優(yōu)選方案進(jìn)行細(xì)化，形成目標(biāo)船總體設(shè)計(jì)方案。

1 浮式碼頭功能體系

浮式碼頭需要考慮?？堪痘剡M(jìn)行集中補(bǔ)給，力爭(zhēng)一次性配備2～3個(gè)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)所需要的各種物資和材料。浮式碼頭主要功能[5]如下：用于與陸基支援特別遙遠(yuǎn)的海上開(kāi)發(fā)，為直升機(jī)操作提供1個(gè)中間點(diǎn)，可加油和交替降落，使中轉(zhuǎn)距離更短；在發(fā)生火災(zāi)、溢油和下沉等情況下，為緊急情況的應(yīng)急反應(yīng)提供1個(gè)前置基地或應(yīng)急資產(chǎn)。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有岸基補(bǔ)給碼頭深入調(diào)研，同時(shí)確保浮式碼頭具有一定的自航能力，不僅可適應(yīng)目標(biāo)海域環(huán)境條件，而且可進(jìn)靠岸基基地集中補(bǔ)給，在最大程度上滿足前置基地功能，最終確定遠(yuǎn)海油氣作業(yè)后勤保障的浮式碼頭功能體系，如圖1所示。

圖1 浮式碼頭功能體系

(1)儲(chǔ)存功能

浮式碼頭作為前置后勤基地，必須滿足遠(yuǎn)海1口井(水深為1 000 m，井深為3 000 m)探井的正常勘探作業(yè)物資需求，且兼顧遠(yuǎn)?？碧阶鳂I(yè)應(yīng)急與安防保障需求。

(2)轉(zhuǎn)運(yùn)功能

浮式碼頭需要滿足50人的食宿要求，其中包含2班(21人/班)，加上浮式碼頭的8名工作人員(不包括常駐船員)，碼頭配備設(shè)備和對(duì)外補(bǔ)給能力應(yīng)滿足至少3艘PSV進(jìn)行遠(yuǎn)海鉆探作業(yè)的后勤保障。

(3)?？抗δ?/p>

浮式碼頭必須滿足2艘補(bǔ)給船同時(shí)停靠進(jìn)行裝卸和補(bǔ)給作業(yè)的要求，同時(shí)應(yīng)滿足直升機(jī)?？考肮┯偷囊?。

(4)航行與定位功能

航行功能：航速不低于8 kn，其主尺度滿足航道、航路和交通管制等要求。定位功能：應(yīng)滿足8級(jí)風(fēng)正常作業(yè)和10級(jí)風(fēng)安全錨泊的要求，同時(shí)具備300 m水深錨泊定位能力。

(5)應(yīng)急與安防功能

配備應(yīng)急設(shè)備清單和備用應(yīng)急指揮中心，中心配備應(yīng)急設(shè)備和用品，并在需要時(shí)進(jìn)行安排和部署。配備視頻會(huì)商系統(tǒng)，開(kāi)通海衛(wèi)通網(wǎng)絡(luò)，保證與岸站聯(lián)系通暢。應(yīng)具備醫(yī)療救治、機(jī)械維修、備件供應(yīng)、垃圾處理及其他功能。

2 浮式碼頭概念設(shè)計(jì)

2.1 船體選型

浮式碼頭遠(yuǎn)海海域適應(yīng)性問(wèn)題與船舶的運(yùn)動(dòng)性能、穩(wěn)性、定位能力及船舶作業(yè)操作密切相關(guān)，直接影響船舶的設(shè)計(jì)方案和建造成本。目前可供浮式碼頭選型的平臺(tái)包括半潛式平臺(tái)、自升式平臺(tái)、深吃水立柱式平臺(tái)(Deep-Draft Spar Type Platform，Spar平臺(tái))、張力腿平臺(tái)(Tension Leg Platform，TLP)和船式平臺(tái)。多平臺(tái)特點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1 多平臺(tái)特點(diǎn)對(duì)比

與浮式碼頭較為接近的船型為浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO)，據(jù)2010年8月Offshore雜志統(tǒng)計(jì)資料，全世界各海域共有186座FPSO[6]。在海洋工程裝備方面經(jīng)過(guò)近20 a的發(fā)展，我國(guó)已是世界上擁有新造FPSO最多的國(guó)家，具有豐富的設(shè)計(jì)和建造經(jīng)驗(yàn)[7]。因此，浮式碼頭選取船式平臺(tái)設(shè)計(jì)，可滿足遠(yuǎn)海大型浮式結(jié)構(gòu)物的基本要求，實(shí)現(xiàn)主要功能定位，并具有較好的海域適合性及優(yōu)異性能，在艙容、載重量、靠泊能力和自航能力等方面具有較大優(yōu)勢(shì)。

2.2 主尺寸確定

根據(jù)補(bǔ)給能力需求及詳細(xì)物料清單，初步設(shè)計(jì)的浮式碼頭主要技術(shù)參數(shù)如表2所示，其中：DP(Dynamic Positioning)為動(dòng)力定位。

表2 浮式碼頭主要技術(shù)參數(shù)

(1)浮式碼頭總長(zhǎng)

總長(zhǎng)選擇的主要考慮因素為：耐波性、穩(wěn)性、總布置(甲板面積)、倉(cāng)儲(chǔ)空間、質(zhì)量和強(qiáng)度等。

從布置角度考慮，浮式碼頭具有島礁開(kāi)發(fā)支撐模塊、油水補(bǔ)給模塊、漁業(yè)冷藏加工模塊、生活居住與醫(yī)療救助模塊、清潔能源模塊和油田開(kāi)發(fā)支撐模塊，占用甲板面積較大，艙容需求大，為保證倉(cāng)儲(chǔ)空間及充足的作業(yè)甲板面積，總長(zhǎng)不宜太緊湊。

從運(yùn)動(dòng)性能角度考慮，在總長(zhǎng)與波浪波長(zhǎng)比≤0.75時(shí)船舶運(yùn)動(dòng)性能良好。根據(jù)遠(yuǎn)海作業(yè)海域波浪觀測(cè)結(jié)果，9.0 s及以下的波浪周期占全年時(shí)間92%以上。9.0 s波浪對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)約126.0 m，因此浮式碼頭總長(zhǎng)以≥168.0 m為宜。

(2)浮式碼頭型寬

從運(yùn)動(dòng)性能角度考慮，應(yīng)盡可能增大浮式碼頭的橫搖周期，橫搖周期越大，則浮式碼頭在波浪上的橫搖越平穩(wěn)，橫搖角和橫搖加速度越小，海上易遭諧搖的程度越小。橫搖周期與初穩(wěn)心高關(guān)系較大，而型寬在較大程度上影響初穩(wěn)心高。因此，根據(jù)耐波性，型寬不宜過(guò)大。

型寬的選取應(yīng)綜合考慮穩(wěn)性和橫搖性能。資料表明，遠(yuǎn)海作業(yè)海域常見(jiàn)的波浪周期為3.0～8.0 s、涌浪周期為7.0～8.0 s。若浮式碼頭的橫搖周期>10.0 s，則耐波性較好，可滿足作業(yè)要求。綜合考慮，浮式碼頭型寬為45.0 m。

(3)浮式碼頭吃水

在浮式碼頭的總長(zhǎng)和型寬確定后，吃水成為決定其排水量的主要因素。從作業(yè)需要角度考慮，加大排水量，船體質(zhì)量大，抵抗外力能力強(qiáng)；但排水量增加，船體結(jié)構(gòu)鋼料會(huì)增加，因此不宜過(guò)大。載重量為3萬(wàn)～5萬(wàn)t的類似船舶，其吃水為7.0～10.0 m，型寬/型深為2.0～3.8。為保證基地航道航行順暢，浮式碼頭設(shè)計(jì)吃水≤8.0 m。

2.3 船型改造方案

采用船式平臺(tái)，較為經(jīng)濟(jì)有效的方法是改造現(xiàn)役船舶。從經(jīng)濟(jì)性角度考慮滿足功能需求和總體設(shè)計(jì)參數(shù)要求，通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外現(xiàn)役船舶資源，優(yōu)選適用于浮式碼頭功能定位和尺度需求的船舶，基于優(yōu)選船舶的現(xiàn)狀開(kāi)展改造方案設(shè)計(jì)?；诟脑旆桨刚撟C結(jié)果，調(diào)研主尺度和功能等接近且適合改造為遠(yuǎn)海浮式碼頭的現(xiàn)役船舶。

由于項(xiàng)目要求浮式碼頭具有自航能力且攜帶大量干貨和液貨，因此適用于項(xiàng)目的改造船舶主要為運(yùn)輸船。根據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)要求，選用現(xiàn)役半潛運(yùn)輸船華海龍?zhí)栕鳛楦∈酱a頭船型，其船體性能均滿足浮式碼頭要求。浮式碼頭與華海龍?zhí)柤夹g(shù)參數(shù)對(duì)比如表3所示。

表3 浮式碼頭與華海龍?zhí)柤夹g(shù)參數(shù)對(duì)比

主甲板面設(shè)置艏部堆放區(qū)(1 900 m2)、舯部堆放區(qū)(1 100 m2)和艉部堆放區(qū)(900 m2)，用于鉆井材料及設(shè)備的堆放；主甲板艏部和艉部增加散料灰罐，用于存放重晶石和水泥等補(bǔ)給材料；主甲板艉部增加甲板室，分別為進(jìn)灰車間和袋裝品倉(cāng)庫(kù)(560 m2)，用于存放袋裝品及將袋裝散料吹入灰罐；主甲板兩側(cè)設(shè)置起重機(jī)、裝載站、登乘梯和靠球。艏樓布置居住艙室，可滿足62人的定員居住要求；生活樓頂部增加直升機(jī)平臺(tái)，配置相應(yīng)的消防及加油系統(tǒng)；艏樓C甲板面增加拋落式直升機(jī)加油罐。將原船部分壓載艙改造為燃油艙、淡水艙、鉆井水艙、泥漿艙、測(cè)試液艙及鹽水艙等，以滿足浮式碼頭液貨補(bǔ)給需求。采用四點(diǎn)錨泊定位系統(tǒng)，配置鍍鋅鋼絲繩作為工作錨錨索，配置STEVPRIS MK6型海洋工程大抓力錨，質(zhì)量為6 000 kg。浮式碼頭概念設(shè)計(jì)效果圖如圖2所示。

圖2 浮式碼頭概念設(shè)計(jì)效果圖

3 數(shù)值模型驗(yàn)證

基于勢(shì)流理論采用ANSYS軟件中的AQWA模塊在頻域?qū)Ω∈酱a頭水動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果包含浮式碼頭六自由度的1階波浪力、附加質(zhì)量、輻射阻尼和2階平均漂移力。浮式碼頭主要參數(shù)如表4所示。浮式碼頭水動(dòng)力計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 浮式碼頭水動(dòng)力計(jì)算模型

表4 浮式碼頭主要參數(shù)

在頻域水動(dòng)力參數(shù)計(jì)算基礎(chǔ)上，采用ANSYS軟件中的AQWA模塊對(duì)浮式碼頭系泊系統(tǒng)進(jìn)行建模。浮式碼頭四點(diǎn)錨泊系統(tǒng)錨索參數(shù)如表5所示。為方便補(bǔ)給船靠泊，浮式碼頭四點(diǎn)錨泊系統(tǒng)對(duì)稱布置，并與船體縱向成30°夾角布置，如圖4所示。

圖4 浮式碼頭系泊布置

表5 浮式碼頭四點(diǎn)錨泊系統(tǒng)錨索參數(shù)

浮式碼頭四點(diǎn)錨泊系統(tǒng)僅作為一種臨時(shí)性錨泊結(jié)構(gòu)，以遠(yuǎn)海作業(yè)海域十年一遇載荷工況作為錨泊系統(tǒng)生存工況，以一年一遇極限工況作為最大作業(yè)工況，環(huán)境參數(shù)如表6所示。在風(fēng)、浪、流同向迎浪180°入射時(shí)，生存工況和最大作業(yè)工況的浮式碼頭運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與系泊張力時(shí)程曲線分別如圖5和圖6所示。計(jì)算結(jié)果表明，在生存工況條件下，1號(hào)和2號(hào)錨索張力最大值為1 160.9 kN，此時(shí)系泊強(qiáng)度安全因子為2.11，基本滿足生存工況的系泊纜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求；在最大作業(yè)工況條件下，浮式碼頭縱蕩幅度/水深<1/15，垂蕩幅度<1 m，縱搖幅度<2°，基本滿足浮式碼頭作業(yè)要求。

圖5 生存工況的浮式碼頭運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與錨索張力時(shí)程曲線

圖6 最大作業(yè)工況的浮式碼頭運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與錨索張力時(shí)程曲線

表6 環(huán)境參數(shù)

4 結(jié) 語(yǔ)

遠(yuǎn)海海域蘊(yùn)含較為豐富的油氣資源，而遠(yuǎn)海油氣作業(yè)后勤保障的可靠性和快速性對(duì)作業(yè)順利開(kāi)展至關(guān)重要。隨著補(bǔ)給距離的增加，沿用傳統(tǒng)岸站-補(bǔ)給船的后勤補(bǔ)給模式大幅增加遠(yuǎn)海油氣作業(yè)補(bǔ)給失效的風(fēng)險(xiǎn)。分析行業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)，建立浮式碼頭功能體系，確定浮式碼頭技術(shù)參數(shù)。出于成本造價(jià)考慮，基于1艘現(xiàn)役半潛式駁船改造，形成浮式碼頭概念設(shè)計(jì)。采用數(shù)值計(jì)算模型，驗(yàn)證概念設(shè)計(jì)四點(diǎn)錨泊系統(tǒng)的有效性。