针对边际油田开发的简易单锚腿单点系泊系统研究

王琳，马红城，唐建华

1.中国船级社海工审图中心，天津300457

2.天津市海王星海上工程技术有限公司，天津300384

3.中海油能源发展股份有限公司油田建设分公司海管技术服务中心，天津300452

针对边际油田开发的简易单锚腿单点系泊系统研究

王琳1，马红城2，唐建华3

1.中国船级社海工审图中心，天津300457

2.天津市海王星海上工程技术有限公司，天津300384

3.中海油能源发展股份有限公司油田建设分公司海管技术服务中心，天津300452

单点系泊系统因其投资小、易于回收、施工简便、工期较短，抵抗恶劣环境优势明显等诸多优点，越来越广泛地应用于边际油田的开发。参考国内外单点系泊系统的设计经验，开发出一种新型的简易单锚腿系泊装置——配重缓冲和浮筒缓冲综合型系泊装置，文章对设计中的关键技术进行了说明，并对该系泊装置的系泊原理、系泊刚度和系泊力进行深入研究，为浅海水域中小油田和边际油田的开发提供一种选择方案。

边际油田；单点系泊；系泊力

0 引言

海上油田的原油输出目前大多采用海底管道或油轮驳运。对于稳产高产油田，两种输油方式各有利弊；当油田开采前景不确定时，因海底管道投资大、施工难度大、工期长且难以回收，选用油轮驳运更适合。油轮驳运需设单点系泊系统供停靠，该系统可系住油轮，并能使其处于波流力和风力合阻力为最小的位置。另外，油轮吨位增加时，原油运输费用明显下降，故大型油轮应运而生。因此，从可靠性和经济性考虑，浅海水域边际油田和中小油田采用单点系泊系统是一种最佳选择。

1 单点系泊系统特点

单点系泊系统主要有两种基本类型，即悬链式浮筒系泊系统和单锚腿系泊系统。单锚腿系泊系统又分为配重缓冲系统和浮筒缓冲系统。

单点系泊系统主要特点有：

（1）安全性高。能够避免由于油轮碰撞造成重要结构发生破坏的风险，其远程操作球阀和泄漏检测系统能减小环境污染的风险。而且能够通过位移变化吸收消耗能量，大大减缓外力产生的位移以及系缆载荷，因此单点系泊系统具有较强抵抗环境力的能力；另外出油软管高悬于水面以上，使之避开了波流环境力的影响。

（2）易操作。起锚和系泊可以在没有拖船拖曳的情况下安全操作，只需一艘生活支持船舶。

（3）可靠性好。系统简单增加了其可靠性，转环不再受轴向载荷和弯曲载荷的影响。

（4）经济性好。其结构形式决定了维护和维修费用显著减小，同时其主要构件也可以在相近水深和环境条件下重复使用。

其他优势还有：不需要拖轮，油轮不需要手工操舵等。

2 简易单锚腿系泊系统的主要部件

在结合配重缓冲单点和浮筒缓冲单点产品技术的基础上，研究出一种更适用于浅海边际油田开发的新型单点系泊系统——简易单锚腿系泊系统，它由三大部分组成（见图1）：

（1）由吸力锚形成的海底锚固装置（基础）。

（2）由缓冲系统、旋转系统、系泊刚臂和系泊缆组成的系泊装置。

（3）由锚顶输油转盘、输油软管、油管接头及出油软管组成的输油管路装置。

图1 简易单锚腿系泊系统

2.1 缓冲系统

缓冲系统由浮筒、重块和中间立柱组成。其作用是为整个系泊系统提供恢复力矩。输油软管和其他管道从立柱中通过，受到良好的保护。

本文提出的理论与方法在湖南省国土资源一张图信息发布系统建设中得到了部分应用，也奠定了其进一步开展研究实现的基础。湖南省国土资源一张图信息发布系统是本省“金土工程二期”的重要任务，该系统经过多年的建设和推广，目前已覆盖至12个市州、65个县的国土资源管理部门。其部分功能展示如图7。

系泊浮筒的浮力略微大于系统重量，使重块-浮筒系统呈上浮状态，直到浮筒浮出水面达到浮力和重力与系泊力或极端环境力平衡状态。

浮筒尺寸主要由所受重力浮力以及结构要求而决定，因此应满足两方面要求，一是强度，二是稳定性，包括在无链拖航和最恶劣外界环境中的稳定性。浮筒应能承受最大系泊负荷和外界环境负荷，浮筒壳体分隔为多个水密舱并满足一舱破损时浮筒不沉不翻。

2.2 系泊缆和刚性臂

系泊缆是系泊船只的主要部件。其作用是连接系泊旋转系统与缓冲系统，调节由于潮差变化引起的重块-浮筒系统位置变化，避免对旋转系统的影响。

API规范规定，根据系泊载荷，系泊缆最多有两根。系泊载荷是设计单点系泊系统的关键参数，一般通过计算和实验得到，但目前尚无权威的经验公式。目前国内外海上油田的单点系泊系统，大多采用尼龙缆绳，两端加接一小段耐磨铁链，以避免摩擦损坏；与油轮连接的一端，还需加接一个能够快速连接和解脱的止链器。

刚性臂通过轴承与缓冲系统连接，保护输油软管免受环境力造成的损坏，同时保证系泊缆解脱后能浮在水面上，同时在冰期能够防止软管被挤压破坏。

2.3 旋转系统

旋转系统设在水下，通过轴承的连接，能带动输油管道作水平面内360°的转动和水深方向的转动，在风波流的组合作用下，连同油轮进行转动，起到了良好的风标效应，避免了油轮承受横向的恶劣载荷，降低了相应的设计强度要求。

2.4 输油软管

单点系泊系统的输油软管一般有两段，一段是从管汇连接到浮筒上的旋转头，称为水下软管；另一段是从流体旋转头连接到储油轮，称为漂浮软管。水下软管由钢材和塑性材料构成，其钢材部分提供机械强度，而塑性材料部分起防漏作用。它具有耐酸性、抗腐性、承受高压的特点。漂浮软管是特制的压力橡胶管，为了便于安装，制成分节，用钢接头连成一串置于水中或浮于水面，漂浮软管外层包有浮力材料，以便漂浮安置；管端标有识别浮标，以便油轮发现和打捞，接通油轮管道。漂浮软管内一般装有能自动关闭的截止阀，以防止解脱时原油溢出。

2.5 下部基础

下部基础连接于海床上，主要承受水平载荷和竖向载荷的作用。

3 单点系泊系统工作原理

着重介绍单锚腿浮筒缓冲系统的工作原理。当船舶受到环境力作用时，系泊缆上有荷载张力T1；由于T1作用，使得单锚腿浮筒偏离初始的平衡位置，与水平向夹角为θ3，见图2。系泊缆用于平衡浮筒的浮力和系泊缆的环境力，其张力T1可以分解为水平力Th和垂直力Tv，而水平力Th将抵抗船舶承受的环境力，使船舶平衡于新位置，即被系泊住。当环境力消失后，船舶恢复到初始平衡位置。

图2 环境载荷作用下系统受力图

实际海况作用下，系泊油轮和缓冲系统都有动力响应，二者相互影响，使受力状况更加复杂，一般通过海洋工程水动力计算软件进行系泊系统的受力分析，条件允许情况下配合开展实验，根据计算和实验结果优化系泊系统设计方案。

4 系泊力分析

在本项单点系泊系统研究中，还着重研究了船舶受到环境力作用时的受力状态。根据规范进行计算，得到时域内系泊力曲线如图3所示。

图3 系泊力时域计算结果

对波流载荷根据方向进行组合，其中：当风浪从艏向刮来，海流从与艏向成夹角45°方向刮来时，此种载荷组合系缆力最大，为548 kN，系泊链的最小破断力为3 200 kN，安全系数为3 200/548≈5.8，大于2倍安全系数，满足规范要求。

当船舶偏离平衡位置后，系泊系统力-位移特性曲线见图4，此曲线是系统特性研究的基础。如果曲线斜率较小，说明在较小外力作用下，结构会出现较大的水平位移，结构刚度较小；反之系统刚度则大。刚度太大时，则容易造成系泊构件的疲劳破坏。

从图4可以看出，当船舶位移大于39.5 m（系泊力800 kN）后，系泊力增长较快，因此该系泊系统最大系泊力应控制在曲线出现陡增趋势之前。良好的系泊系统是各种参数达到最佳的平衡。

图4 单锚腿浮筒系泊系统特性曲线

5 结束语

本文介绍了一种简易综合型单点系泊系统，并对其可行性进行了分析研究，采用此种装置进行浅海边际油田和中小油田的开发，是一种经济的方式，适合海上油田早期生产，也适应油田开发过程中油气处理能力的变化。它可以经过略微改造后重复利用，从而减少油田开发投资，具有很好的经济价值，可为边际油田的开发提供更多的选择方案。

[1]张钧.海上采油工程手册[M].北京：石油工业出版社，2001.

[2]范模.两点系泊系统的研究[J].中国海上油气（工程），2003,15（6）：13-15.

[3]APIRP 2SK2005，Design and Analysis of Station Keeping Systems for Floating Structures[S].

[4]DNV-OS-E301，Position Mooring[S].

Research on Simple Single Point Mooring System with Single Anchor for MarginalOilfield Development

Wang Lin1，Ma Hongcheng2，Tang Jianhua3
1.Offshore Engineering Plan ApprovalCenter of CCS，Tianjin 300457，China
2.Neptune Offshore Engineering Development Co.，Ltd.，Tianjin 300384，China
3.Offshore Pipeline Technical Service Center of CNOOC Energy Technology＆Services-Oilfield Engineering Co.，Tianjin 300452，China

The single point mooring system is more and more widely used in marginal oilfield development for its low investment，easy recovery，easy construction，shorter construction duration and obvious advantage against poor environmental conditions.A new mooring system associated withcountrweight buffer and pontoon buffer is developed based on the domestic and foreign design experience.Its key design techniques are illustrated，and its mooring principle，mooring stiffness and mooring force are studied.It provides an alternative option for developments of smalland medium oilfields and marginaloilfields in shallow waters.

marginaloilfield；single point mooring；mooring force

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.04.004

王琳（1985-），女，河北衡水人，工程师，2007年毕业于天津大学船舶与海洋结构物设计制造专业，硕士，现主要从事海洋工程结构设计与研究工作。

2013-12-30