董 璐， 朱為全， 高 巍

(北京高泰深海技術(shù)有限公司，北京 102029)

0 引 言

單點(diǎn)系泊目前是浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油輪(FPSO)最常用的系泊方式之一。1952年11月，美國(guó)人Laurent H. J Brackx申請(qǐng)為海上船只和水上飛機(jī)進(jìn)行系泊和加油的設(shè)施的專利，該專利以浮筒作為系泊裝置，是單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的開端。1956年12月，Erwin S. Griebe在紐約申請(qǐng)的單點(diǎn)系統(tǒng)專利第一次在浮筒中包含了月池結(jié)構(gòu)，成為懸鏈腿錨泊系統(tǒng)(catenary anchor leg mooring，CALM)的開端。1959年，IMODCO公司設(shè)計(jì)了第一套為瑞典軍方服務(wù)的CALM系統(tǒng)，真正將單點(diǎn)系泊系統(tǒng)投入實(shí)際工程(見圖1)。

懸鏈腿錨泊系統(tǒng)的形式為一個(gè)浮筒用多根錨鏈錨泊于海底，F(xiàn)PSO或者卸油油輪通過系泊大纜系泊于浮筒上面的轉(zhuǎn)臺(tái)，可繞浮筒做360°旋轉(zhuǎn)。CALM從早期的滾輪軌道式CALM(bogey wheel CALM)到后來應(yīng)用較多的轉(zhuǎn)臺(tái)式CALM(turntable CALM)(見圖2)和轉(zhuǎn)塔式CALM(turret type CALM)，其適用水深范圍不斷增大，能力不斷提高，是目前應(yīng)用最廣泛的單點(diǎn)系統(tǒng)。

1977年，世界上第一艘FPSO采用單系泊腿定位，立管為剛性立管。

圖1 單錨腿鋼臂系泊系統(tǒng)Fig.1 SALM

圖2 轉(zhuǎn)臺(tái)式CALMFig.2 Turntable CALM

圖3 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的分類Fig.3 Classification of single point mooring systems

1972年，SBM公司成功研制出了世界上第一套通過軟桅連接的單點(diǎn)浮筒系泊(single buoy storage， SBM)系統(tǒng)，并陸續(xù)成功研制出了單錨腿儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)(single anchor leg system, SALS)和外轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)(external turret SPM system)。1985年，SBM公司在一艘14萬噸的浮式儲(chǔ)油輪的船尾安裝了一個(gè)外轉(zhuǎn)塔，正式將轉(zhuǎn)塔系泊這一概念應(yīng)用于實(shí)際。1986年，SBM公司進(jìn)一步完善可解脫單點(diǎn)系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于澳大利亞西北海岸的Jabiru油田開發(fā)中。

圖1為單錨腿鋼臂系泊系統(tǒng)。圖2為轉(zhuǎn)臺(tái)式CALM。圖3為單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的分類。

轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)通常由轉(zhuǎn)塔、液體傳輸系統(tǒng)、轉(zhuǎn)塔旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)或轉(zhuǎn)臺(tái)以及連接系統(tǒng)四個(gè)部分組成。轉(zhuǎn)塔既是FPSO的系泊點(diǎn)，也是立管和其他線纜系統(tǒng)經(jīng)海底井口到達(dá)船體甲板的通道。它與甲板設(shè)施相對(duì)固定，保證在惡劣海況下FPSO與水下井口保持聯(lián)系，轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)是單點(diǎn)系泊技術(shù)的核心。

與其他眾多系泊方式相比，轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢(shì)：

(1) 結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單。

(2) 受波浪載荷影響小，適用于惡劣海況條件。

(3) 適用水深范圍較廣。

(4) 具有快速的解脫和回接功能，便于維修。

按轉(zhuǎn)塔所處位置的差異，轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)可分為外轉(zhuǎn)塔式(external turret，ET)和內(nèi)轉(zhuǎn)塔式(internal turret，IT)。

1 外轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊系統(tǒng)

可解脫立管式外轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)(external dis-connectable riser turret mooring system，RTM)，最早出現(xiàn)于1986年，主要由外伸轉(zhuǎn)塔、鉸接頭連接器、圓柱形系泊立管、系泊鏈、萬向接頭、旋轉(zhuǎn)接頭及機(jī)械連接裝置組成(見圖4)。RTM制造簡(jiǎn)單，安裝方便，具備解脫和回接能力，適用于環(huán)境條件較為溫和的海域，主要劣勢(shì)是整個(gè)立管和系泊系統(tǒng)在解脫后，立柱系統(tǒng)浮力較大并浮于水面，受波浪的影響較大，回接作業(yè)存在風(fēng)險(xiǎn)。

(a) (b) (c)

目前現(xiàn)役的外轉(zhuǎn)塔類型多為永久式懸臂外轉(zhuǎn)塔(external cantilever turret，ECT)(見圖5)，其主要特征是在船首安裝旋轉(zhuǎn)軸承和轉(zhuǎn)塔的外伸懸臂鋼結(jié)構(gòu)，該懸臂支撐轉(zhuǎn)塔及滑環(huán)組結(jié)構(gòu)使其遠(yuǎn)離水面。

圖5 懸臂式外轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)

ECT一般安裝在船首外側(cè)，船體整體改造量小，船體艙容不受影響。轉(zhuǎn)塔可單獨(dú)建造并與船體懸臂梁結(jié)構(gòu)總成，最終與FPSO船體一同進(jìn)行安裝，工期有優(yōu)勢(shì)。轉(zhuǎn)塔檢修、維護(hù)方便。但外伸懸臂結(jié)構(gòu)一般較長(zhǎng)，同時(shí)轉(zhuǎn)塔位于水面之上使得柔性立管和臍帶系統(tǒng)與轉(zhuǎn)塔連接位置容易腐蝕并受波浪的影響較大。一般認(rèn)為，ECT主要適用于淺海油田以及中等以下海況的作業(yè)區(qū)。

目前世界上最大的外轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)是由SOFEC公司設(shè)計(jì)建造的Fluminense FPSO懸臂式外轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)，它于2003年8月部署在巴西坎普斯灣的Bijupira and Salema油田，連接18根立管和臍帶系統(tǒng)，采用聚酯纜張緊式系泊系統(tǒng)進(jìn)行系泊定位。

2 內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊系統(tǒng)

在FPSO的單點(diǎn)系統(tǒng)中，內(nèi)轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)的應(yīng)用最為廣泛。內(nèi)轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)一般布置在船首或近船首的船中位置，轉(zhuǎn)塔直徑可根據(jù)船體能力和開發(fā)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。內(nèi)轉(zhuǎn)塔以整體集成形式嵌入船體中，立管系統(tǒng)以及相關(guān)設(shè)備可以得到很好的保護(hù)。內(nèi)轉(zhuǎn)塔的存在對(duì)船體結(jié)構(gòu)造成了影響，同時(shí)也減少了艙容。內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊FPSO的“風(fēng)標(biāo)效應(yīng)”效果受內(nèi)轉(zhuǎn)塔在船上的相對(duì)位置的制約，在環(huán)境條件惡劣的海域部署的內(nèi)轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)一般位于FPSO近船中位置并通過動(dòng)力定位系統(tǒng)改善風(fēng)標(biāo)效應(yīng)。

內(nèi)轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)一般適用于中等到惡劣海況區(qū)以及深水區(qū)，多見于北海和中國(guó)南海。內(nèi)轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)一般可分為永久式內(nèi)轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)和可解脫內(nèi)轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)兩大類。

2.1 永久內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)

用于海上油田生產(chǎn)和儲(chǔ)存原油的FPSO，在作業(yè)年限內(nèi)極少離開作業(yè)油田。為保證開發(fā)作業(yè)的連續(xù)性，減少停產(chǎn)損失，油田作業(yè)者通常希望FPSO在作業(yè)年限內(nèi)持續(xù)作業(yè)，永久內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。永久內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)(見圖6)大多采用百年一遇乃至于更高的海況(萬年一遇)作為設(shè)計(jì)工況，以便系泊系統(tǒng)、船體強(qiáng)度以及立管系統(tǒng)即使在最惡劣海況下也能保證安全，從而保證FPSO在絕大多數(shù)工況下具有正常的作業(yè)能力。

圖6 內(nèi)轉(zhuǎn)塔永久系泊系統(tǒng)[1]Fig.6 Permanent internal turret mooring system

永久內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)按照風(fēng)標(biāo)效應(yīng)效果的不同，可分為順應(yīng)式內(nèi)轉(zhuǎn)塔(internal passive turret，IPT)和主動(dòng)式內(nèi)轉(zhuǎn)塔(internal active turret，IAT)，兩者的最大區(qū)別在于旋轉(zhuǎn)鎖緊裝置。IPT液體傳輸系統(tǒng)為多通道液體滑環(huán)，轉(zhuǎn)塔轉(zhuǎn)動(dòng)不受約束。IAT裝備液壓裝置可以在緊急情況下鎖住單點(diǎn)，避免轉(zhuǎn)動(dòng)。

目前世界上最大的永久內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)為2007年應(yīng)用在巴西坎普斯灣Marlim Leste油田的FPSO，該單點(diǎn)接納柔性立管數(shù)量為75根，采用9根系泊纜實(shí)現(xiàn)系泊定位。

2.2 可解脫內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)

可解脫內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)具有快速的解脫與回接功能。在極端惡劣條件下，F(xiàn)PSO可以迅速解脫以規(guī)避危險(xiǎn)海況，一般用于惡劣環(huán)境、季節(jié)性颶風(fēng)區(qū)和冰區(qū)油氣田開發(fā)。可解脫內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)多采用浮筒內(nèi)轉(zhuǎn)塔的形式，允許整個(gè)系泊系統(tǒng)先在海上與浮筒連接安裝，F(xiàn)PSO就位后提升浮筒。FPSO建造-改裝與系泊系統(tǒng)、立管鋪設(shè)同時(shí)進(jìn)行，系泊系統(tǒng)與立管系統(tǒng)整體回接FPSO，從而縮短了項(xiàng)目投產(chǎn)時(shí)間。

為了不影響FPSO在工作年限內(nèi)的正常作業(yè)，近年來所使用的可解脫內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)也逐漸采用百年一遇海況乃至更高海況條件進(jìn)行不解脫設(shè)計(jì)，從而使得可解脫內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)具備臺(tái)風(fēng)不解脫的能力。2002年7月投產(chǎn)的“南海奮進(jìn)號(hào)”、2003年7月投產(chǎn)的“海洋石油111號(hào)”以及2014年8月投產(chǎn)的“海洋石油118號(hào)”，均采用了此種設(shè)計(jì)理念。

目前常見的可解脫內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)主要有三種，浮筒式轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)(buoyant turret mooring, BTM)(見圖7)、沉沒式轉(zhuǎn)塔裝卸系統(tǒng)(submerged turret loading system, STL)和沉沒式轉(zhuǎn)塔生產(chǎn)系統(tǒng)(submerged turret loading production, STP)。

圖7 浮筒式轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)[1]

BTM由一個(gè)嵌入船首船體內(nèi)部的內(nèi)轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)和一個(gè)蝶形系泊浮筒組成，兩者通過連接器連接。浮筒包括浮筒本體和系鏈臺(tái)(chain table)，浮筒提供足夠的浮力以承受系泊腿和立管的垂向重量。系泊纜上端連接系鏈臺(tái)，通過軸承傳遞載荷至系泊浮筒。當(dāng)FPSO解脫時(shí)，連接器也解脫，浮筒由于系泊纜的垂向作用自然下沉至水面以下遠(yuǎn)離波浪主要能量范圍的位置，以規(guī)避惡劣海況的影響。通常解脫后的浮筒連接浮標(biāo)標(biāo)記，回接作業(yè)時(shí)FPSO就位于浮筒上方，通過絞車經(jīng)內(nèi)轉(zhuǎn)塔通道將浮筒拉起并與連接裝置鎖緊，從而完成浮筒回接作業(yè)。裝備沉沒式轉(zhuǎn)塔生產(chǎn)系統(tǒng)的FPSO如圖8所示。BTM出現(xiàn)較早，其管匯、液體旋轉(zhuǎn)接頭和其他關(guān)鍵性部件均位于船體甲板之上，便于維護(hù)；轉(zhuǎn)塔的安裝總成可在船塢內(nèi)進(jìn)行，以減少海上現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量。BTM的缺點(diǎn)是浮筒外露于FPSO船體外，位于船底下方，使得其在惡劣海況下受力較大，對(duì)單點(diǎn)軸承、船體改裝設(shè)計(jì)有一定的挑戰(zhàn)。

圖8 裝備沉沒式轉(zhuǎn)塔生產(chǎn)系統(tǒng)的FPSO(源自APL)[7]

STP由STL發(fā)展而來，1997年首次安裝在中國(guó)陸豐22-1油田部署的FPSO上。它是STL轉(zhuǎn)塔、系泊與多功能旋轉(zhuǎn)接頭相結(jié)合的產(chǎn)物，總成了系泊系統(tǒng)、轉(zhuǎn)塔裝置與旋轉(zhuǎn)接頭，其中旋轉(zhuǎn)接頭是STP系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，它由液體滑環(huán)、電滑環(huán)、液壓控制接頭和電信號(hào)接頭自下而上搭接而成，是井口油、水、氣、信號(hào)和電力與船系統(tǒng)連接的唯一通道。

STP的主要特點(diǎn)有：

(1) 適用水深范圍較廣。

(2) 操作性能好，易于檢修、維護(hù)。STP系泊系統(tǒng)的操作包含清管器的接收、液壓系統(tǒng)、應(yīng)急系統(tǒng)和原油滑環(huán)的清洗。系統(tǒng)操作除了故障時(shí)需人工控制外，多為自動(dòng)控制或設(shè)有固定操作平臺(tái)；STP系泊系統(tǒng)的浮筒和轉(zhuǎn)塔均嵌入船體，能得到很好的保護(hù)，也便于檢修、維護(hù)。

(3) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。STP系泊系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸為被動(dòng)旋轉(zhuǎn)，無需驅(qū)動(dòng)裝置，該設(shè)計(jì)可更好地簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、優(yōu)化布置；另外浮筒的結(jié)構(gòu)、幾何尺寸均為標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

(4) 立管和臍帶系統(tǒng)所占的空間及數(shù)量可調(diào)節(jié)。

(5) 船體改裝簡(jiǎn)易，結(jié)構(gòu)影響小，且改裝時(shí)間短、成本低。

STP具有布局緊湊、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活的特點(diǎn)，適用于深水、淺水、浮冰區(qū)及需要快速解脫的作業(yè)環(huán)境，近年來得到了廣泛應(yīng)用，尤其在中國(guó)，至2014年，已有6個(gè)STP在南海服役。但STP系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)接頭位于船體內(nèi)，在受到良好保護(hù)的同時(shí)也限制了滑環(huán)堆的大小，因而一般只適用于中小油田生產(chǎn)。

3 全球單點(diǎn)系統(tǒng)的主要供應(yīng)商及主要可解脫內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系統(tǒng)

全球的轉(zhuǎn)塔設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)有SBM、 APL(母公司為NOV)、SOFEC(母公司為MODEC)、LMC(London Marine Consultants)、Teekay、 Bluewater等公司。2003—2018年，在全球深水領(lǐng)域FPSO轉(zhuǎn)塔設(shè)計(jì)合同份額中，SBM、 NOV和MODEC三家公司共占據(jù)了市場(chǎng)份額的77%，其中SBM公司占比31%，NOV公司占比27%，MODEC公司占比19%，如圖9所示。以上這三家企業(yè)均擁有轉(zhuǎn)塔設(shè)計(jì)專利，表1對(duì)這三家公司的轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析。

圖9 FPSO轉(zhuǎn)塔市場(chǎng)份額[3]Fig.9 FPSO turret market share

表1 主要國(guó)外品牌FPSO轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)特點(diǎn)分析Tab.1 Analysis of FPSO turret system characteristics of major foreign brands

3.1 APL公司的STP

整個(gè)STP系泊系統(tǒng)分為兩個(gè)主要部分，如圖10所示。

圖10 STP系泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分布[7]Fig.10 Structure distribution of STP mooring system

(1) 水下系統(tǒng)： 主要由轉(zhuǎn)塔浮筒、系泊錨鏈鋼纜、立管系統(tǒng)等組成，并將STP與海底連接。

(2) 船上系統(tǒng)： 由安裝于FPSO上的滑環(huán)堆總成、接頭、提升裝置、液壓鎖緊裝置等用于操作控制STP的部分組成。轉(zhuǎn)塔部分的構(gòu)成如圖11所示，包括信號(hào)滑環(huán)單元、液壓旋轉(zhuǎn)軸、電滑環(huán)單元、加工處理軸等部分組成。

圖11 STP轉(zhuǎn)塔構(gòu)成[7]Fig.11 STP turret composition

3.2 SBM公司的可解脫內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系統(tǒng)

圖12所示為2003年SBM公司為加拿大紐芬蘭海域的White Rose設(shè)計(jì)的可解脫內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)連接12根立管，可適應(yīng)有義波高15.5 m，譜峰周期12～16 s的海況。與STP相比，SBM公司的水下浮筒旋轉(zhuǎn)軸部分相對(duì)較高。該系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)由位于船體甲板上的滑環(huán)堆及附屬設(shè)備(包括滑環(huán)組、支撐架、配管甲板)、轉(zhuǎn)塔艙(上端軸承、彈性支撐、浮筒接收器等)和水下浮筒組成。

(a)

(b)

2016年9月，服役于美國(guó)墨西哥灣Stone油田的Turritella FPSO服役水深為2 900 m，是目前世界上服役水深最深的浮式生產(chǎn)平臺(tái)。該FPSO采用SBM公司的可解脫內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系統(tǒng)(見圖13)，浮筒直徑為25 m，高25 m重3 150噸，是目前世界上最大的可解脫浮筒，如圖13所示。

圖13 SBM公司研制的Turritella FPSO可解脫單點(diǎn)系統(tǒng)[5]Fig.13 Turritella FPSO with disconnectable IT mooring system developed by SBM

3.3 SOFEC公司的可解脫內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系統(tǒng)

SOFEC公司研制的可解脫內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系統(tǒng)相比STP，其轉(zhuǎn)塔的體積較大，在FPSO甲板以上有四層甲板用于布置滑環(huán)堆、井控設(shè)備以及其他控制設(shè)備。從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來看，其比STP和SBM公司研制的可解脫內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系統(tǒng)更強(qiáng)一些。它的基本構(gòu)造如圖14所示。

圖14 SOFEC公司研制的可解脫內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系統(tǒng)組成[1]Fig.14 Composition of disconnectable IT mooring system developed by SOFEC

4 世界范圍內(nèi)FPSO分布特點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)

4.1 世界范圍內(nèi)FPSO分布特點(diǎn)

本文統(tǒng)計(jì)了當(dāng)前處于服役狀態(tài)的160余艘FPSO開發(fā)油田的儲(chǔ)量及對(duì)應(yīng)噸位情況，便于從整體上考察當(dāng)前FPSO的應(yīng)用情況[3，4]。

(1) 使用FPSO進(jìn)行開發(fā)的油田規(guī)模涵蓋了大、中、小三種，體現(xiàn)出FPSO具有非常良好的適應(yīng)性，能夠完成不同儲(chǔ)量的油田開發(fā)需求。

(2) 當(dāng)前使用FPSO進(jìn)行開發(fā)的油田規(guī)模以中、小型為主，這跟海上油田勘探發(fā)現(xiàn)的特點(diǎn)有關(guān)，大型特大型的整裝油田發(fā)現(xiàn)比較少。

(3) 油田儲(chǔ)量規(guī)模在一定程度上決定了FPSO的噸位情況，小于15萬噸的FPSO能夠適應(yīng)中、小油田的開發(fā)要求，中、大型油田開發(fā)則需要25萬噸以上的FPSO。

(a)

(b)圖15(a)FPSO服役油田規(guī)模分布(b)FPSO噸位與油田規(guī)模的關(guān)系(下)[3，4]Fig.15 (a) FPSO seroiced oil field reserve distribution (b) Relationship between FPSO’s DWT and field reserve

與前面所述油田規(guī)模相對(duì)應(yīng)的是當(dāng)前FPSO噸位以15萬噸以下為主，數(shù)量占總數(shù)的50%。大型FPSO占總數(shù)的20%。從具體噸位來看，主要集中在10萬～15萬噸和25萬～30萬噸(見圖16)。

具體到各個(gè)海區(qū)FPSO的應(yīng)用情況如下：

(1) 西非、巴西、亞太、北海是當(dāng)前最主要的FPSO應(yīng)用區(qū)域，基本上各占據(jù)總數(shù)的1/4。受多方面因素影響，墨西哥灣尤其是美國(guó)墨西哥灣，F(xiàn)PSO應(yīng)用得較少，但近年來取得了突破。

(2) 從應(yīng)用FPSO的油田儲(chǔ)量來看，北海、亞太以中、小型油田為主，相應(yīng)的，F(xiàn)PSO噸位也以15萬噸為主；巴西、西非近年來發(fā)現(xiàn)了多個(gè)大型油田，應(yīng)用FPSO進(jìn)行開發(fā)的油田儲(chǔ)量以大、中型為主，相應(yīng)FPSO噸位也以大型為主。

(3) 從FPSO類型來看，北海以新造FPSO為主，巴西以改造FPSO為主，其他地區(qū)新建FPSO與改造FPSO均有應(yīng)用，這除了與油田開發(fā)方案有關(guān)以外，更多地取決于當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件。

如圖17所示本文比較了6個(gè)典型海區(qū)的環(huán)境條件與對(duì)應(yīng)FPSO部署特點(diǎn)。

圖16 FPSO噸位分布[3]Fig.16 Distribution of FPSO’s DWT

圖17 FPSO主要應(yīng)用海域環(huán)境特點(diǎn)與對(duì)應(yīng)FPSO部署特點(diǎn)

(1) 北海，尤其是臨近北大西洋的海域環(huán)境條件非常惡劣，F(xiàn)PSO須采用內(nèi)轉(zhuǎn)塔形式來實(shí)現(xiàn)風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)。為了更好地傳遞系泊載荷，內(nèi)轉(zhuǎn)塔通常位于結(jié)構(gòu)較強(qiáng)的船中附近，一般可配以動(dòng)力定位系統(tǒng)來更好地實(shí)現(xiàn)風(fēng)向標(biāo)效果。這要求FPSO根據(jù)環(huán)境條件要求、內(nèi)轉(zhuǎn)塔位置要求進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)。該海域的FPSO絕大多數(shù)為新建可解脫內(nèi)轉(zhuǎn)塔FPSO。

(2) 墨西哥灣南部環(huán)境較為溫和，且以淺水油田為主，這里應(yīng)用的FPSO多為外轉(zhuǎn)塔改裝FPSO。一方面美國(guó)墨西哥灣沿岸環(huán)境惡劣，該海域開發(fā)程度較高，對(duì)于FPSO的需求較低。另一方面由于FPSO在一定時(shí)間內(nèi)會(huì)存儲(chǔ)大量易燃易爆品，并與人同處一艘船，因此相關(guān)監(jiān)管部門對(duì)于FPSO的安全性存在一定的疑慮。近年來，F(xiàn)PSO在美國(guó)墨西哥灣的應(yīng)用取得了突破。2012年，BW FPSO在此部署，其形式為內(nèi)轉(zhuǎn)塔油輪改裝的FPSO。為了滿足相關(guān)安全要求，該FPSO為可解脫式，這也將是FPSO在美國(guó)墨西哥灣應(yīng)用的趨勢(shì)。

(3) 巴西海域環(huán)境溫和，溫和的環(huán)境條件對(duì)于系泊系統(tǒng)和船體結(jié)構(gòu)要求不高，這里應(yīng)用的FPSO以油輪改造為主，多采用散布式系泊與外轉(zhuǎn)塔系泊。

(4) 西非的情況與巴西沿岸類似，不同的是該海域有涌浪環(huán)境的存在，該海域的FPSO既有油輪改造的，也有一定數(shù)量新建的，多采用散布式系泊。

(5) 中國(guó)南海北部環(huán)境惡劣，常有臺(tái)風(fēng)過境，油田生產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)，以15萬噸級(jí)的新造FPSO為主，一般為能夠抵抗極端環(huán)境的不可解脫內(nèi)轉(zhuǎn)塔FPSO，但隨著近年來極端臺(tái)風(fēng)的增多，新投產(chǎn)的FPSO多具備快速解脫裝置，一方面在一般極端環(huán)境下能保證不停產(chǎn)，另一方面在特別極端環(huán)境來臨時(shí)能解脫，以保證安全。

(6) 亞太其他地區(qū)環(huán)境條件都較為溫和，故多應(yīng)用外轉(zhuǎn)塔、內(nèi)轉(zhuǎn)塔油輪改造FPSO。

4.2 中國(guó)部署的FPSO情況

中國(guó)是FPSO的應(yīng)用大國(guó)，中海油現(xiàn)擁有17艘FPSO，在今后南海油氣田開發(fā)過程中，F(xiàn)PSO是不可缺乏的開發(fā)模式，但是在FPSO單點(diǎn)技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)企業(yè)的研究仍處于前期。單點(diǎn)的設(shè)計(jì)和制造能力基本都掌握在SBM、 NOV、 SOFEC、 Bluewater等國(guó)外企業(yè)手中。由于技術(shù)壁壘較高，并已形成品牌和案例效應(yīng)，因此這些公司已經(jīng)形成了單點(diǎn)市場(chǎng)的寡頭壟斷。

突破單點(diǎn)設(shè)計(jì)技術(shù)，開展單點(diǎn)系統(tǒng)深化研究，最終實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化是中國(guó)南海開發(fā)的迫切需要。單點(diǎn)系統(tǒng)具有高科技、高投資、高風(fēng)險(xiǎn)、高回報(bào)的特點(diǎn)。如大型單點(diǎn)投資額度高達(dá)數(shù)億美元，經(jīng)濟(jì)效益巨大。掌握單點(diǎn)技術(shù)和國(guó)產(chǎn)化是實(shí)現(xiàn)“降本增效”的有效途徑，也是國(guó)內(nèi)企業(yè)步入國(guó)際FPSO總包項(xiàng)目的必要條件。

FPSO是我國(guó)南海的油田開發(fā)中主流的生產(chǎn)方式。目前，中海油擁有世界上最大的FPSO船隊(duì)?！安澈Ｓ颜x號(hào)”是我國(guó)自己建造的第一艘FPSO,于1989年投產(chǎn)，用于開發(fā)渤海灣BZ(渤中)28-1油田。緊隨著“渤海長(zhǎng)青號(hào)”“渤海明珠號(hào)”“渤海世紀(jì)號(hào)”“海洋石油112”和“海洋石油113”相繼在渤海灣投入使用。中海油FPSO的布署基本情況如表2所示。目前，我國(guó)在南海部署(包括部署過及計(jì)劃部署)的FPSO全部為內(nèi)轉(zhuǎn)塔FPSO，其中絕大多數(shù)是新建的，可解脫單點(diǎn)系統(tǒng)全部為APL公司(現(xiàn)NOV公司)的產(chǎn)品。

表2 我國(guó)境內(nèi)現(xiàn)有FPSO統(tǒng)計(jì)

4.3 內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與國(guó)產(chǎn)化

內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)如圖18所示，主要包括立管設(shè)計(jì)分析、轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)設(shè)計(jì)、液體滑環(huán)設(shè)計(jì)、主軸承設(shè)計(jì)、單點(diǎn)系統(tǒng)建造集成。立管設(shè)計(jì)分析須根據(jù)油田生產(chǎn)要求以及總體開發(fā)要求進(jìn)行布置和設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)系泊系統(tǒng)、船體特點(diǎn)、油田生產(chǎn)要求進(jìn)行總體布置設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、單點(diǎn)結(jié)構(gòu)分析和龍門結(jié)構(gòu)分析等，并將設(shè)計(jì)載荷提供給滑環(huán)供應(yīng)商和軸承供應(yīng)商?；h(huán)與軸承供應(yīng)商應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

滑環(huán)系統(tǒng)特別是液體滑環(huán)系統(tǒng)是單點(diǎn)系統(tǒng)的最核心部件。液體滑環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括設(shè)計(jì)技術(shù)、制造技術(shù)與檢測(cè)技術(shù)。最核心的技術(shù)是動(dòng)密封技術(shù)、驅(qū)動(dòng)抗傾覆技術(shù)與智能檢測(cè)技術(shù)。

圖18 內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)Fig.18 key technology of sigle point system of IT

圖19 液滑環(huán)關(guān)鍵技術(shù)

北京高泰公司在內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域深耕多年，基本掌握了單點(diǎn)總體設(shè)計(jì)、單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)、單點(diǎn)系統(tǒng)載荷設(shè)計(jì)技術(shù)，通過恩平FPSO單點(diǎn)系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)、參與文萊CALM單點(diǎn)的EPCI總包以及相關(guān)科研項(xiàng)目，積累了一定的單點(diǎn)工程經(jīng)驗(yàn)，并初步打通了可靠的單點(diǎn)系統(tǒng)上下游產(chǎn)品供應(yīng)鏈。

在關(guān)鍵設(shè)備領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)液滑環(huán)制造商已經(jīng)能夠完成相關(guān)設(shè)計(jì)工作，在制造方面與檢測(cè)方面均能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但還缺乏相關(guān)試驗(yàn)的驗(yàn)證。國(guó)內(nèi)頂尖的軸承廠商具備世界級(jí)的設(shè)計(jì)制造能力，在單點(diǎn)軸承領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)廠商完全能夠滿足要求。

目前，內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系統(tǒng)(包括可解脫內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系統(tǒng))具備了初步的國(guó)產(chǎn)化能力，系統(tǒng)總成、建造與試驗(yàn)是未來內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化的最大挑戰(zhàn)。

5 結(jié) 語

目前，世界范圍內(nèi)單點(diǎn)系統(tǒng)還處于專利技術(shù)壟斷的階段。中國(guó)境內(nèi)部署的FPSO數(shù)量位居世界第四，而這些處于運(yùn)行狀態(tài)的FPSO上所安裝的單點(diǎn)系統(tǒng)均為國(guó)外產(chǎn)品。作為FPSO建設(shè)工程中附加值最高的產(chǎn)品，單點(diǎn)系統(tǒng)無疑是體現(xiàn)一個(gè)國(guó)家海洋工程制造業(yè)水平的尖端產(chǎn)品。單點(diǎn)系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化是建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)，保證國(guó)家能源安全，提高國(guó)內(nèi)海洋工程制造業(yè)水平所需要重點(diǎn)研發(fā)和攻關(guān)的產(chǎn)品。

可喜的是，目前國(guó)內(nèi)在液滑環(huán)、小直徑液體滑環(huán)、軸承產(chǎn)品以及CALM總裝上已經(jīng)取得了部分突破，在內(nèi)轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域已經(jīng)能夠達(dá)到基本設(shè)計(jì)深度，國(guó)內(nèi)相關(guān)配套廠商的產(chǎn)品在技術(shù)指標(biāo)上已經(jīng)能夠滿足要求。相信未來單點(diǎn)系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化、大型化一定能夠取得突破，更好地支撐國(guó)內(nèi)海洋油氣和海洋工程行業(yè)的發(fā)展。