油轮艏系大抓力锚及艉连双缆三点系泊方式研究——以曹妃甸11-6油田临时生产项目为例

石建荣 陈 诚 马兆峰 王聚锋 庄继泽 陈瑞宝

(1．中海石油(中国)有限公司曹妃甸作业公司 天津 300450； 2．中海油能源发展股份有限公司采油服务公司 天津 300450)

渤海西部海域曹妃甸11-6油田计划维修更换约10 km长的油气混输腐蚀海管，工期约3个月，期间需要对海管上游采油平台进行关停。为了减少海管更换施工对油田产量的影响，需要探寻停产期间的临时生产方案[1-2]。结合油田设施情况、施工特点及资源情况，计划采用移动式试采平台搭接到采油平台，实现接收井口来液和处理及储存的目的。根据渤海现有资源决定采用“海洋石油162”移动式试采平台，但由于移动式试采平台处理和储存能力有限，须选择具有一定原油转运能力的油轮，选用具有5 000 t装载能力的“滨海607”油轮把初步处理后的原油转运到油田内现有的生产储油装置“海洋石油112”上。但选用“滨海607”油轮存在如下问题：移动式试采平台桩腿不能直接靠泊，也没有传统的靠泊码头或两点系泊设施；如果采取抛锚带缆的方式,又存在操作时间长且锚位滑移后可能撞击试采平台和采油平台的风险，而且无论以何种常规抛锚系泊方式都无法避免接触到海底电缆和管线，从而引发系列安全问题。

针对上述难题，本文比较分析了几种靠泊方式，最终选定采用穿梭油轮船艏使用大抓力锚系泊、船艉采用双缆与移动式试采平台连接的三点系泊方式，采用MOSES软件建模并进行了各种环境条件、压载工况下的系泊力分析，验证了该方案的可行性，成功解决了穿梭油轮靠泊移动式试采平台安全外输而不影响海上现有生产设施这一难题，圆满地完成了曹妃甸11-6油田海管更换期间的临时生产原油外输任务，保证了油田产量。

1 油轮靠泊方式的比较与选择

1.1 FPSO靠泊方式

目前以FPSO(浮动生产储油和外输装置)为中心的采油、存储、运输模式已经发展成熟，尤其是各种原油过驳作业方式有坚实的科学论证基础。通过水上过驳方式外输的油田一般由若干个生产平台和FPSO组成，FPSO充当了码头的角色。外输过驳的靠泊方式一般分为串靠和并靠2种[3]。这2种靠泊方式均需要与所靠泊的FPSO一起转动，但自升式采油平台不可转动，因此FPSO靠泊方式不适用于曹妃甸11-6油田的临时生产项目。

1.2 海上码头靠泊方式

渤海采取海上码头靠泊方式的油田有埕北油田、锦州9-3油田和旅大32-2油田。以埕北油田原油外输码头为例，该海上码头系统由输油码头和以栈桥连接的系缆墩组成。这种靠泊方式虽然可抵抗一定的风流作用，但须建造固定设施(如带缆墩等)，工期较长，而且自升式采油平台桩腿或舷边都不能直接靠泊，因此同样不适用于曹妃甸11-6油田的临时生产项目。

1.3 两点系泊方式

渤海采用两点系泊方式的油田只有渤中3-2油田，该系泊系统主要由系泊缆、水下锚链、浮筒、桩锚构成，中间为5 000 t级穿梭油轮[3-6]。浮筒与油轮之间的系泊缆由油轮的绞车提供一定的预张力,水下浮筒、锚链和系泊缆组成弹性回复力系统，浮筒是整个系统弹性回复力的主要贡献者。当油轮偏离平衡位置时，系泊系统提供柔性回复力，最大限度地减小穿梭油轮的受力情况，满足靠泊外输条件。两点系泊方式的锚桩需要入泥一定深度,以克服穿梭油轮在风、浪、流作用下的拉力，需要专业的工程船舶进行打桩作业，这样就成为了油田的固定设施，因此也不适用于曹妃甸11-6油田的临时生产项目。

1.4 三点系泊方式

在浅海和条件允许的情况下，穿梭油轮可利用自身抛锚带缆的方式进行临时靠泊，但由于穿梭油轮自身配置的锚偏小、锚链短，抛单锚拉力不足，抛放和回收双锚的作业时间长，且不适宜长期作业。本项目根据穿梭油轮自身抛锚带缆的方式，大胆设想并提出船艏利用一个大抓力锚[7]，船艉仍然利用传统的双带缆方式用于“滨海607”油轮的三点系泊方式，如图1所示。

图1 三点系泊系统示意图Fig.1 Three points mooring system

由于三点系泊方式在渤海属于首次应用，须进行该方式系泊系统构成设计，并进一步分析和论证该系泊方式是否满足曹妃甸11-6油田临时生产的需求。

2 三点系泊系统构成设计和适应性研究

2.1 三点系泊系统构成设计

针对本项目，三点系泊系统除了穿梭油轮船艉自身的缆绳之外，船艏系泊部分主要包括1个大抓力锚、1条一定长度的系泊链和1段漂浮缆及浮漂等，如图2所示。三点系泊系统的关键部分是船艏系泊系统，其主要由1个大抓力锚固定于海底，距平台1 150 m，由长度800 m的钢缆加200 m高强度的漂浮缆绳末端连接至穿梭油轮艏部，船艉用双缆系泊于“海洋石油162”平台，形成单点双缆三点系泊方式。

图2 三点系泊系统大抓力锚钢缆、漂浮缆连接示意图Fig.2 Diagram of high holding power anchor wirerope and floating cable connection in three points mooring system

曹妃甸11-6油田WHPD海管及海缆错综复杂(图3)，既要避免与现有管线或电缆发生冲突，还要考虑降低大抓力锚滑移后对海管、海缆的伤害。综合考虑以上因素和抛放及回收安全，最终选择船艏大抓力锚缆绳长1 150 m，距离最近海管的垂直距离约200 m。

图3 曹妃甸11-6油田WHPD海管及海缆示意图Fig.3 Diagram of WHPD subsea pipeline and cable in CFD 11-6 oilfield

2.2 适应性研究

为了研究三点系泊方式是否满足曹妃甸11-6油田临时生产需求，搜集了该油田的水域历史环境数据并进行整理和评估，采用MOSES软件对“滨海607”穿梭油轮在油田海域具有代表性的作业条件进行建模分析，其中水动力参数主要采用Strip理论计算[8-9]。在此基础上对油轮靠泊作业模式的安全性进行科学论证。

2.2.1船舶基本参数及模型建立

“滨海607”总长115 m，垂线间长108 m，型宽16 m，型深7.8 m，其他装载参数见表1。

表1 “滨海607”船舶装载参数Table 1 Ship loading parameters of “Binhai 607”

“滨海607”分析模型采用直角坐标系统，原点位于船艏中线与基线的交点，X轴正方向指向船尾，Y轴正方向指向右舷，Z轴垂向，向上为正。模型直角坐标系及环境方向角如图4所示。通过MOSES软件建模，定义了船舶外壳、舱室、空船重量以及惯性半径。在系泊分析中，假设船舶是刚体，不考虑自身变形。

图4 “滨海 607”船舶模型坐标系与环境方向角Fig.4 Model coordinate system and the environmental direction angle of “Binhai 607”

2.2.2环境条件

系泊海域水深23.7 m，海水密度1 025 kg/m3，重力加速度9.8 m/s2。其中，波浪选择Jonswap谱(γ值为1.0)，有义波高1.2 m,波浪周期4 s;常风速8 m/s，流速1.17 m/s。采用Strip理论计算水动力参数。在频域分析中，考虑了16个浪向角(0°、22.5°、45°、 67.5°、 90°、112.5°、135°、157.5°、180°、202.5°、225°、247.5°、270°、292.5°、315°、337.5°)及59个波浪周期(0.1～3.0 rad/s,间隔0.05 rad/s)。为了得到在环境条件下的系泊力，进行了时域分析，模拟时长为1 h，时间步长为0.2 s。

2.2.3计算结果分析

根据设计规范[10]中的安全系数(SF)来选择“滨海607”大抓力锚及系泊钢缆、漂浮缆，其中锚链的最小安全系数为1.67，而纤维绳的最小安全系数为1.84。由于相同海洋环境作用下压载工况比满载工况下的系泊力大，因此后续主要分析压载工况。“滨海607”系泊缆在压载工况时不同环境条件下的最大张力计算结果如表2所示，表中所列出的结果均是考虑了动力放大系数之后的结果，因此属于动态计算。由表2可以看出，“滨海607”系泊缆绳最大张力为515.77 kN，而缆绳破断力为1 770 kN,即SF=3.43,满足规范要求；高强度钢缆最大张力为713.24 kN，而高强度钢缆破断力为2 280 kN,即SF=3.20，也满足规范要求。这表明上述系泊方案可行，在实际外输作业中可参考该计算结果进行。

表2 “滨海607”系泊缆压载工况系泊力计算结果Table 2 Ballast conditions mooring force of “Binhai 607” mooring Line

3 现场应用

根据曹妃甸11-6油田海况和设施特点，为了保障靠、离泊作业安全，辅助穿梭油轮自如地周旋在“海洋石油162”和大抓力锚漂浮缆之间，三点系泊作业需要三用工作船舶进行辅助作业，采用由2 942 kW全回转拖轮辅助穿梭油轮船艉系泊大抓力锚系泊系统，由4 413 kW三用工作拖轮辅助穿梭油轮船艏双缆系泊“海洋石油162”和递送外输软管的辅助作业方式，且在锚缆位置安装浮灯或浮漂警示过往船只，防止辅助作业船舶螺旋桨缠绕缆绳，从整体上降低作业风险。此外，为保障整个作业安全，三点系泊方式操作外部环境限定常风速8 m/s、流速1.17 m/s，在3个月的实际运行中即使现场风力达到六级，“海洋石油162”应急脱钩装置系泊力显示值变化均控制在30 kN范围内。

目前三点系泊系统已成功应用于曹妃甸11-6油田临时生产外输作业，实现安全靠、离泊64次，原油安全转运29次。现场应用实践表明，三点系泊方式适应于移动式试采平台进行短期或临时性试采和生产的开发生产项目，并具有以下优点：①系泊系统布置简单，大抓力锚抓地牢固，穿梭油轮可灵活解脱；②可快速回收，油田内无需建造固定设施；③施工时间短，作业成本低，外输作业安全可靠。

4 结束语

利用大抓力锚三点系泊方式成功解决了穿梭油轮靠泊移动式试采平台安全外输而又不影响海上现有生产设施这一难题，圆满地完成了曹妃甸11-6油田海管更换期间的临时生产原油外输任务。该方案具有施工周期短、成本低、作业灵活、应急解脱方便、不占据海域使用等优点，开拓了新的外输模式。大抓力锚三点系泊系统对于边际油田开发、临时性生产起到一定的降本增效作用，是对边际油田开发技术的有力补充，对今后海上油田开发类似工程具有重要借鉴意义。

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