一种远海油气作业后勤保障的浮式码头概念设计

张俊明，邓文彪，王伟涛，樊天慧，刘 鲲*

(1.中海油海南能源有限公司，海南 海口 570105；2.华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510641)

0 引 言

随着近几十年的开发，陆上和近海海域的油气资源日益枯竭，海上资源开发终将走向远海。然而，海上作业平台依赖后勤基地的水、燃料、钻井设备及其他消耗品的供应，后勤支持不力将严重影响钻井作业，甚至导致作业停滞[1]。远海海域距离我国大陆上千公里，若采用平台供应船(Platform Supply Vessel，PSV)、三用工作拖船(Anchor Handling Tug Supply，AHTS)等传统方式，会导致船舶使用频率高，物资供给效率低，后勤保障成本高、效率低。远海海域作业环境恶劣，会给基于陆地基地的远程补给作业特别是长航时直升机作业带来巨大风险。RAHMAN等[2]使用故障树和贝叶斯网络的方法，对海上远程作业进行风险性分析，分析结果表明，总的来说海上补给作业的失效概率与岸基距离正相关，并随着距离的增加而大幅增加应急反应和调用岸站物资等作业的失效概率。刘代杰等[3]以海洋石油981号远海海域深水作业为例，介绍中海油远海海域深水勘探开发的后勤支持实践情况，阐述海洋石油981号进行钻井作业的有关后勤支持工作，并对相关问题进行分析。王建华等[4]应用基于开源平台OpenFOAM开发的船舶与海洋工程力学计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)求解器——naoe-FOAM-SJTU，对1座分布式系泊系统的浮式码头在入射波浪作用下的运动响应进行数值模拟研究，以分析系泊系统的有效性。

综合考虑可能的作业海域、航程、气候及综合经济效益等因素影响，结合国内外的发展现状，远海后勤支持浮式码头被认为是一种有效提高综合作业保障能力的方法。在充分调研海上油气作业后勤补给需求的基础上，通过开展浮式码头功能体系研究及船型方案论证研究，建立浮式码头功能体系，确定浮式码头技术指标，分别基于新造模式和现役船舶改造模式提出相应的设计方案，并通过开展2种方案的经济性论证分析优选设计方案，对优选方案进行细化，形成目标船总体设计方案。

1 浮式码头功能体系

浮式码头需要考虑停靠岸基基地进行集中补给，力争一次性配备2～3个作业现场所需要的各种物资和材料。浮式码头主要功能[5]如下：用于与陆基支援特别遥远的海上开发，为直升机操作提供1个中间点，可加油和交替降落，使中转距离更短；在发生火灾、溢油和下沉等情况下，为紧急情况的应急反应提供1个前置基地或应急资产。

通过对现有岸基补给码头深入调研，同时确保浮式码头具有一定的自航能力，不仅可适应目标海域环境条件，而且可进靠岸基基地集中补给，在最大程度上满足前置基地功能，最终确定远海油气作业后勤保障的浮式码头功能体系，如图1所示。

图1 浮式码头功能体系

(1)储存功能

浮式码头作为前置后勤基地，必须满足远海1口井(水深为1 000 m，井深为3 000 m)探井的正常勘探作业物资需求，且兼顾远海勘探作业应急与安防保障需求。

(2)转运功能

浮式码头需要满足50人的食宿要求，其中包含2班(21人/班)，加上浮式码头的8名工作人员(不包括常驻船员)，码头配备设备和对外补给能力应满足至少3艘PSV进行远海钻探作业的后勤保障。

(3)停靠功能

浮式码头必须满足2艘补给船同时停靠进行装卸和补给作业的要求，同时应满足直升机停靠及供油的要求。

(4)航行与定位功能

航行功能：航速不低于8 kn，其主尺度满足航道、航路和交通管制等要求。定位功能：应满足8级风正常作业和10级风安全锚泊的要求，同时具备300 m水深锚泊定位能力。

(5)应急与安防功能

配备应急设备清单和备用应急指挥中心，中心配备应急设备和用品，并在需要时进行安排和部署。配备视频会商系统，开通海卫通网络，保证与岸站联系通畅。应具备医疗救治、机械维修、备件供应、垃圾处理及其他功能。

2 浮式码头概念设计

2.1 船体选型

浮式码头远海海域适应性问题与船舶的运动性能、稳性、定位能力及船舶作业操作密切相关，直接影响船舶的设计方案和建造成本。目前可供浮式码头选型的平台包括半潜式平台、自升式平台、深吃水立柱式平台(Deep-Draft Spar Type Platform，Spar平台)、张力腿平台(Tension Leg Platform，TLP)和船式平台。多平台特点对比如表1所示。

表1 多平台特点对比

与浮式码头较为接近的船型为浮式生产储卸油装置(Floating Production Storage and Offloading，FPSO)，据2010年8月Offshore杂志统计资料，全世界各海域共有186座FPSO[6]。在海洋工程装备方面经过近20 a的发展，我国已是世界上拥有新造FPSO最多的国家，具有丰富的设计和建造经验[7]。因此，浮式码头选取船式平台设计，可满足远海大型浮式结构物的基本要求，实现主要功能定位，并具有较好的海域适合性及优异性能，在舱容、载重量、靠泊能力和自航能力等方面具有较大优势。

2.2 主尺寸确定

根据补给能力需求及详细物料清单，初步设计的浮式码头主要技术参数如表2所示，其中：DP(Dynamic Positioning)为动力定位。

表2 浮式码头主要技术参数

(1)浮式码头总长

总长选择的主要考虑因素为：耐波性、稳性、总布置(甲板面积)、仓储空间、质量和强度等。

从布置角度考虑，浮式码头具有岛礁开发支撑模块、油水补给模块、渔业冷藏加工模块、生活居住与医疗救助模块、清洁能源模块和油田开发支撑模块，占用甲板面积较大，舱容需求大，为保证仓储空间及充足的作业甲板面积，总长不宜太紧凑。

从运动性能角度考虑，在总长与波浪波长比≤0.75时船舶运动性能良好。根据远海作业海域波浪观测结果，9.0 s及以下的波浪周期占全年时间92%以上。9.0 s波浪对应的波长约126.0 m，因此浮式码头总长以≥168.0 m为宜。

(2)浮式码头型宽

从运动性能角度考虑，应尽可能增大浮式码头的横摇周期，横摇周期越大，则浮式码头在波浪上的横摇越平稳，横摇角和横摇加速度越小，海上易遭谐摇的程度越小。横摇周期与初稳心高关系较大，而型宽在较大程度上影响初稳心高。因此，根据耐波性，型宽不宜过大。

型宽的选取应综合考虑稳性和横摇性能。资料表明，远海作业海域常见的波浪周期为3.0～8.0 s、涌浪周期为7.0～8.0 s。若浮式码头的横摇周期>10.0 s，则耐波性较好，可满足作业要求。综合考虑，浮式码头型宽为45.0 m。

(3)浮式码头吃水

在浮式码头的总长和型宽确定后，吃水成为决定其排水量的主要因素。从作业需要角度考虑，加大排水量，船体质量大，抵抗外力能力强；但排水量增加，船体结构钢料会增加，因此不宜过大。载重量为3万～5万t的类似船舶，其吃水为7.0～10.0 m，型宽/型深为2.0～3.8。为保证基地航道航行顺畅，浮式码头设计吃水≤8.0 m。

2.3 船型改造方案

采用船式平台，较为经济有效的方法是改造现役船舶。从经济性角度考虑满足功能需求和总体设计参数要求，通过调研国内外现役船舶资源，优选适用于浮式码头功能定位和尺度需求的船舶，基于优选船舶的现状开展改造方案设计。基于改造方案论证结果，调研主尺度和功能等接近且适合改造为远海浮式码头的现役船舶。

由于项目要求浮式码头具有自航能力且携带大量干货和液货，因此适用于项目的改造船舶主要为运输船。根据设计技术要求，选用现役半潜运输船华海龙号作为浮式码头船型，其船体性能均满足浮式码头要求。浮式码头与华海龙号技术参数对比如表3所示。

表3 浮式码头与华海龙号技术参数对比

主甲板面设置艏部堆放区(1 900 m2)、舯部堆放区(1 100 m2)和艉部堆放区(900 m2)，用于钻井材料及设备的堆放；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补给材料；主甲板艉部增加甲板室，分别为进灰车间和袋装品仓库(560 m2)，用于存放袋装品及将袋装散料吹入灰罐；主甲板两侧设置起重机、装载站、登乘梯和靠球。艏楼布置居住舱室，可满足62人的定员居住要求；生活楼顶部增加直升机平台，配置相应的消防及加油系统；艏楼C甲板面增加抛落式直升机加油罐。将原船部分压载舱改造为燃油舱、淡水舱、钻井水舱、泥浆舱、测试液舱及盐水舱等，以满足浮式码头液货补给需求。采用四点锚泊定位系统，配置镀锌钢丝绳作为工作锚锚索，配置STEVPRIS MK6型海洋工程大抓力锚，质量为6 000 kg。浮式码头概念设计效果图如图2所示。

图2 浮式码头概念设计效果图

3 数值模型验证

基于势流理论采用ANSYS软件中的AQWA模块在频域对浮式码头水动力参数进行计算，计算结果包含浮式码头六自由度的1阶波浪力、附加质量、辐射阻尼和2阶平均漂移力。浮式码头主要参数如表4所示。浮式码头水动力计算模型如图3所示。

图3 浮式码头水动力计算模型

表4 浮式码头主要参数

在频域水动力参数计算基础上，采用ANSYS软件中的AQWA模块对浮式码头系泊系统进行建模。浮式码头四点锚泊系统锚索参数如表5所示。为方便补给船靠泊，浮式码头四点锚泊系统对称布置，并与船体纵向成30°夹角布置，如图4所示。

图4 浮式码头系泊布置

表5 浮式码头四点锚泊系统锚索参数

浮式码头四点锚泊系统仅作为一种临时性锚泊结构，以远海作业海域十年一遇载荷工况作为锚泊系统生存工况，以一年一遇极限工况作为最大作业工况，环境参数如表6所示。在风、浪、流同向迎浪180°入射时，生存工况和最大作业工况的浮式码头运动响应与系泊张力时程曲线分别如图5和图6所示。计算结果表明，在生存工况条件下，1号和2号锚索张力最大值为1 160.9 kN，此时系泊强度安全因子为2.11，基本满足生存工况的系泊缆强度设计要求；在最大作业工况条件下，浮式码头纵荡幅度/水深<1/15，垂荡幅度<1 m，纵摇幅度<2°，基本满足浮式码头作业要求。

图5 生存工况的浮式码头运动响应与锚索张力时程曲线

图6 最大作业工况的浮式码头运动响应与锚索张力时程曲线

表6 环境参数

4 结 语

远海海域蕴含较为丰富的油气资源，而远海油气作业后勤保障的可靠性和快速性对作业顺利开展至关重要。随着补给距离的增加，沿用传统岸站-补给船的后勤补给模式大幅增加远海油气作业补给失效的风险。分析行业相关数据，建立浮式码头功能体系，确定浮式码头技术参数。出于成本造价考虑，基于1艘现役半潜式驳船改造，形成浮式码头概念设计。采用数值计算模型，验证概念设计四点锚泊系统的有效性。