FPSO在位不停产整体更换单点系泊系统技术

马 超 高 原 陈 池 杨天笑 刘耀江

(1. 深圳海油工程水下技术有限公司 深圳 518067； 2. 中海石油(中国)有限公司番禺作业公司 深圳 518067)

FPSO在位不停产整体更换单点系泊系统技术

马 超1高 原1陈 池1杨天笑2刘耀江1

(1. 深圳海油工程水下技术有限公司 深圳 518067； 2. 中海石油(中国)有限公司番禺作业公司 深圳 518067)

马超,高原,陈池，等.FPSO在位不停产整体更换单点系泊系统技术[J].中国海上油气，2017,29(2)：147-151.

MA Chao,GAO Yuan,CHEN Chi,et al.Technology for replacement of the whole single point mooring system with FPSO being operating in place[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(2):147-151.

为保证“海洋石油111”FPSO服役的南海番禺4-2/5-1油田的安全生产，提出了FPSO在位不停产整体更换单点系泊系统的方法。该方法改变了更换单点系泊系统的传统做法，通过设计施工方案并进行优化，分析施工船舶的资源选择、施工环境条件及风险，研究大型吸力锚的安装、施工船不偏移贴近FPSO直接进行锚点张紧作业、精确测量调整链长度和上锚缆快速更换等多项关键技术,最终成功实施了FPSO不解脱、油田不停产状态下快速更换整个单点系泊系统。本文方法的成功应用填补了我国FPSO在位不停产整体更换单点系泊系统技术的空白，取得了显著的经济效益和社会效应，对今后类似工程具有较高的使用价值。

番禺4-2/5-2油田；“海洋石油111”FPSO；FPSO不解脱;油田不停产;整体更换单点系泊系统；方案设计及优化；环境风险分析

“海洋石油111”FPSO服役的番禺4-2/5-1油田于2003年10月建成投产，其单点系泊系统设计寿命为10 a，经检测发现存在多处锚链配重块脱落和上锚缆断丝的情况。为保证油田安全生产，须更换包括吸力锚在内的整个单点系泊系统。新的单点系泊系统按百年一遇的海况进行设计，设计寿命为20 a。新单点系泊系统相对原单点系泊系统顺时针旋转2.5°，原软管、电缆、基盘和中水浮筒等水下设施的位置保持不变。更换单点系泊系统的常规做法是将油田停产、FPSO解脱后，拆除旧系泊系统后再安装新系泊系统，但考虑到本项目中的油田日产原油量(7万桶/d)较大，停产对油田产量影响很大，经过技术和经济论证，决定采用油田不停产、FPSO不解脱进行整体更换单点系泊系统的方案,但FPSO在位不停产整体更换作业在海洋工程界没有相关案例，施工难度高，风险大。本文通过对FPSO在位不停产整体更换单点系泊系统的工程方案进行设计及优化，分析项目施工的环境及风险以及方案实施的关键技术，最终成功实施了FPSO不解脱、油田不停产情况下快速更换单点系泊系统，取得了显著的经济、社会效益。

1 工程方案设计及优化

1.1 安装资源选型分析

资源选型须考虑吸力锚安装质量和锚系铺设后的锚点预张紧力，国内已有案例是采用浮吊船安装吸力锚，在浮吊船前加拖轮辅助进行锚点预张紧。但本项目中FPSO为在位不停产状态，施工空间有限，若采用已有案例的实施方案，会出现FPSO干扰辅助拖轮路由的情况，因此须采用专业的锚系处理船进行锚系铺设和锚点张紧作业。结合吸力锚安装方法，施工前期提出了3种资源选型方案[1-4]，各方案安装资源及优缺点对比见表1。综合考虑工期、风险及成本等因素，最终选用了方案1。

1.2 整体安装方案优化

为了充分利用船舶资源各自的专业特点，在整体方案的基础上又进行了二次优化，将工程方案分为3个阶段。第1阶段安装吸力锚、铺设下锚缆。因浮吊船甲板面积较大，在安装吸力锚时直接把下锚缆一同铺至海底，减少饱和潜水支持船水下连接下锚链和下锚缆的工作；采用柔性铺设系统铺设下锚缆，降低锚缆受损风险。第2阶段张紧锚系、铺设调整链和配重链。所有锚链一次装入锚系处理船的锚链舱，120个配重块一次性放在甲板上[5]，选用系柱拉力270 t的锚系处理船，满足张紧锚系至230 t的技术要求。第3阶段是更换上锚缆。选用带3人钟饱和潜水支持船，提高锚缆和锚链水下连接效率，上锚缆与单点系泊浮筒连接选用空气潜水支持船。

表1 “海洋石油111”FPSO单点系泊系统更换安装资源 选型对比Table 1 Comparison of construction resources for “HYSY 111” FPSO single point mooring system replacement

1.3 交叉作业方案优化

用拖轮对FPSO进行首向控制的施工风险高，既要减少作业风险，又要保证在台风季节到来前完成系泊系统的更换，这是巨大的挑战。为了解决这个难题，根据过去10 a番禺4-2/5-1油田FPSO位置统计，得到不同时间FPSO的首向范围(图1)，据此安排吸力锚的安装顺序，减少了稳控FPSO的难度，降低了施工风险，同时经过详细的交叉作业分析，实现了吸力锚安装作业船和锚链铺设船同时进行作业，保障了施工进度[6]。

2 施工环境及风险分析

2.1 施工环境条件

本更换作业主要包括吸力锚安装、锚系张紧和上锚缆更换三大部分，其中上锚缆更换又分为饱和潜水和空气潜水施工2个部分，各项工作需要的海况条件见表2。

图1 “海洋石油111”FPSO在不同季节的首向范围Fig .1 “HYSY 111” FPSO heading in different seasons表2 “海洋石油111”FPSO单点系泊系统更换施工条件Table 2 Operation limitation for “HYSY 111” FPSO single point mooring system replacement

工作内容船舶有义波高/m流速/节吸力锚安装浮吊船2.21.5锚系张紧锚系处理船2.51.5上锚缆整体更换饱和潜水施工2.50.5空气潜水施工1.51.8

2.2 风险识别及应对措施

所有作业均在FPSO 1 000 m范围内，甚至频繁贴近FPSO“零距离”作业，要保证FPSO及原有锚系不受任何损伤；大型吸力锚就位贯入受地质影响大、不确定因素多，船上安装新型配重块工序多、工艺复杂，带张力悬空水下连接上锚缆和锚链的操作难度大、风险高。通过详细的风险分析，准确识别出风险，并采取应对措施，为项目成功实施提供了保障(表3)。

表3 “海洋石油111”FPSO单点系泊系统更换施工作业风险 识别、应对措施和实际效果Table 3 Risk assessment,mitigation and actual result for “HYSY 111”FPSO single point mooring system replacement

3 不停产整体更换单点系泊系统关键技术

3.1 大型吸力锚安装技术

在大型吸力锚安装方面，国内已有方案为采用泵橇块模式安装，但泵橇块体积庞大，安装和回收需要施工人员爬到吸力锚上端，耗时费力，施工风险高，且泵橇块控制缆在水下容易与ROV脐带缆缠绕。新吸力锚直径7.5 m，高13.2 m，质量150 t，高度和质量分别是旧吸力锚的1.25、1.67倍，如采用已有方案则需更大的泵橇块，导致方案实施难度大大增加[7-8]。为了解决上述问题，提高施工效率，采用ROV搭载吸力泵模式安装大型吸力锚的技术方案，此方案是泵橇块与ROV合为一体，ROV为泵橇块提供液压动力，无需施工人员爬上吸力锚上端安装和回收泵橇块，此外泵橇块与ROV共用一条控制缆，也解决了脐带缆水下缠绕问题。

3.2 锚系张紧技术

FPSO不解脱减少了施工作业空间，与新建系泊系统安装相比增加了锚链铺设和张紧的难度。原张紧方案采用300 t张紧器一端连接新铺设的锚链，另一端连接旧上锚缆附近的旧锚链进行张紧，水下操作难度大，每根锚系张紧需6 d，工期不满足要求。经研究采用专业锚系处理船在水上偏移新锚系路由5°进行张紧方案，避免张紧过程中船舶与FPSO的碰撞，但偏移5°张紧时又存在新锚系与旧锚系的摩擦干扰问题。经过OrcaFlex 软件模拟分析，结合施工船舶操纵回转性能，优化为使用锚链铺设船沿着新锚系路由直接张紧，张紧时距离FPSO最近168 m，满足安全操作的要求。

3.3 调整链长度测量技术

设计要求新旧系泊浮筒的完工中心点位置距离小于0.5 m，须在系泊浮筒正下方海底布设一个LBL(Long Baseline 长基线)定位阵列，按常规方案还须在3簇吸力锚点分别布置一个LBL阵列，在吸力锚位置确定后即可计算出调整链切割长度，但须假设所有锚头链入泥长度一致，且锚链和锚缆出厂长度足够准确，如这3项数据不准，会影响锚系整体精度。本项目通过技术创新采用Gyro-USBL(Ultra Short Baseline 超短基线)和单个LBL替代3个LBL阵列，仅在系泊浮筒中心点布设1个LBL阵列(图2)，张紧锚系后用LBL测距确定调整链切割长度，由此保证了吸力锚安装精度，减少布阵时间，且测量长度误差影响更小，规避了锚链入泥和下锚缆(链)出厂长度等对锚系切割精度的影响。其中调整链需切割的长度C=A(理论计算的调整链末端链环到系泊浮筒中心点的距离)-B(实测调整链末端链环到系泊浮筒中心点的距离)[9-10]，调整链测量和计算见图3。

图2 “海洋石油111”FPSO新单点系泊系统的LBL阵列Fig .2 Spread a LBL array around the center of new “HYSY 111” FPSO single point mooring system

图3 “海洋石油111”FPSO新单点系泊系统调整链 测量和计算Fig .3 Measurement and cutting of adjustment chain for new “HYSY 111” FPSO single point mooring system

3.4 上锚缆整体更换技术

2010年国内首次在FPSO不解脱状态下实现对“海洋石油115”FPSO的单条上锚缆更换作业，采用的方案是水下张紧器张紧、放松锚链，饱和潜水员切割锚链，施工作业效率低，风险高；且当时采用的水下连接是通过卡环连接2段链环，属于临时更换，施工相对简单。本项目中的水下连接是下锚链上卡环直接与上锚缆索接头连接，属于永久更换，卡环销轴与上锚缆索接处三角板销孔的间隙仅1 mm，组对难度大。通过采用Orcaflex软件进行方案模拟分析，证明切割后锚缆回弹对FPSO水下设施没有损伤，使用DWCS(钻石线切割锯)直接切割锚链，既节省了饱和潜水安装和拆除水下张紧器的时间又降低了饱和潜水员切割锚链的施工风险。通过对FPSO吃水和偏移对锚缆回接的定性和定量分析，得出吃水越浅回接力越小，在施工中通过调整压载将FPSO船头压低，为回接提供了方便；此外，偏移越大回接力越大，通过减小FPSO尾部限位拖轮的拖带力和用拖轮在FPSO头部朝回接锚腿方向拖拉，减小FPSO的偏移，进而降低回接张力。通过采用200 t的水下张紧器连接新锚缆与锚链，同时设计了一个变径销轴过渡结构，确保卡环销轴顺利穿过索接头销孔，成功完成了锚缆和锚链之间的销轴连接。

4 现场实施效果

“HYSY 111” FPSO单点系泊系统自2014年7月完成更换至今，先后经历了多次台风袭击，其中“威马逊”台风是我国有气象记录以来的最强台风，台风过后油田依然安全运营，证明了此次系泊系统更换作业非常成功。

5 结束语

现场实践表明，FPSO在位整体更换单点系泊系统是切实可行的，其技术最大优势在于油田不用停产，更换速度快。本文研究成果可为油田不停产状态下FPSO在位整体快速更换单点系泊系统提供一定借鉴意义。

[1] 马志良，黄祥鹿，马培荪，等．内部转塔锚泊生产储油船的发展研究[J]．海洋工程，1991，9(2)：1-11.MA Zhiliang,HUANG Xianglu,MA Peisun,et al.Study of internal turret mooring tanker-based production storage unit[J].The Ocean Engineering,1991，9(2):1-11.

[2] 徐桂龙，李文英．浮式生产储油轮的发展现状[J]．中国海上油气(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.

[3] 袁中立，李春．FPSO的现状与关键技术[J]．石油工程建设，2005,31(6)：24-29.YUAN Zhongli,LI Chun.Current status of FPSO and its key technology[J].Petroleum Engineering Construction,2005,31(6):24-29.

[4] 周延东．单点系泊浮式生产储油船的海上安装[J]．中国海洋平台，1992，7(3)：118-121.ZHOU Yandong.The offshore installation of single mooring FPSO[J].China Offshore Platform,1992，7(3):118-121.

[5] 张振翔，杨天笑，龚玉林，等．FPSO单点系泊配重系统在线维修[J]．中国造船，2012,53(增刊1)：170-174.ZHANG Zhenxiang,YANG Tianxiao,GONG Yulin,et al.Online repair of the FPSO SPM moring clump system[J].Shipbuilding of China,2012,53(S1):170-174.

[6] 李士涛，于长生，商涛，等．不停产状态下运用单拖轮对FPSO限位的可行性研究[C]∥2012年度海洋工程学术会议论文集，厦门，2012：316-321.

[7] 徐继祖，史庆增，宋安，等．吸力锚在国内近海工程中的首次应用与设计[J]．中国海上油气(工程)，1995，7(1)：32-36.XU Jizu,SHI Qingzeng,SONG An,et al.The first application and design of suction anchor in domestic offshore[J].China Offshore Oil and Gas(Engineering),1995,7(1):32-36.

[8] 刘俊滨，李玉峰，刘金铎．吸力锚技术的应用现状及前景[J]．中国水利，2007(22)：37-38.

[9] DNV.DNV-OS-E301 Position Mooring[S].Norway:DNV,2010.

[10] API.API Recommended practice 2SK，third edition，design and analysis of stationkeeping systems for floating structures[S].USA:American Petroleum Institute，2005. 收稿日期：2016-07-14 改回日期：2016-10-19

(编辑：吕欢欢)

Technology for replacement of the whole single point mooring system with FPSO being operating in place

MA Chao1GAO Yuan1CHEN Chi1YANG Tianxiao2LIU Yaojiang1

(1.COOECSubseaTechnologyCo.,Ltd.,Shenzhen,Guangdong518067,China;2.CNOOCPanyuOperatingCompany,Shenzhen,Guangdong518067,China)

In order to ensure the safe operation of “HYSY 111” FPSO which serves in PY 4-2/5-1 oilfield in South China Sea, the technology for replacement of the whole single point mooring system with FPSO being operating in place was proposed. This technology changed the traditional practices of replacing the single point mooring system, based on the optimized design and construction, analysis on the selection of construction resources, environmental limitations and risk assessment. Some key techniques were established, such as huge suction anchor installation, tensioning mooring line with FPSO in position, accurate measurement and adjustment of chain length, and efficient top mooring wirerope replacement. Finally the technology for replacement of the whole single point mooring system with FPSO being operating in place was applied successfully. The successful application of this method makes a new record in single point mooring system replacement in China and has achieved remarkable economic and social benefits, showing a high application potential in future similar projects.

PY 4-2/5-1 oilfield; “HYSY 111”FPSO; FPSO in place; continuous production; replacement of whole single point mooring system; design and optimal project；environmental limitations and risk assessment

马超，男，工程师，2007年毕业于哈尔滨工程大学船舶工程学院船舶与海洋工程专业，获工学学士学位，主要从事海洋工程及海上安装工作。地址：广东省深圳市南山区蛇口工业六路1057号科技大厦二期B座2楼(邮编：518067)。E-mail:machao@mail.cooec.com.cn。

1673-1506(2017)02-0147-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.02.021

TE54

A