中国海上油气
CHINA OFFSHORE OIL AND GAS
第33卷第3期
202) — 6 %
Vod 33 Ao. 2J ut 202)
文章编号：073-1506(2021)03-000-10
DOI GO.南可5/2 issc 1673-15060 2021. 03. 0 —
陵水E 气田深号究站总体设计
朱海山李达
(中海油研究总院有限责任公司北京油0层和
朱海山改达•陵水所2气田“深海一号对源站总体设计及关键技术研究2 中国海上油气垂21垂编)：地年69.
时代广场在哪
ZAP Ilaishan ，取 Da. Rearch on overall design and kep technologies ot "Deep Sec No. -” energp station T LSI 7% gas —lOJ,. CAnc ONTm Oil and Gas , 2层1，环 编)：油0-油9.
摘 要 陵水—％气田开发采用带凝析油储存和外输功能的深水半潜式生产储油平台——“深海一号”能 源站，为国际上首个采用立柱储油的半潜式生产平台，该平台设计面临环境条件恶劣、建造场地和合龙资源 受限、凝析油储存和外输安全性要求高、非管运动要求严格等诸多挑战。本文详细阐述了“深海一号能源站 总体设计技术，包括深水环境条件分析、基于受限场地资源的定制化设计、凝析油U 型储存隔离与安全储存 和动力定位外输以及整体船型参数设计等，并重点介绍了深水系泊系统设计、深水钢悬链立管布置与疲劳寿 命分析、平台低频运动响应预报、关键结构设计及个年不进坞的防腐方案设计等关键技术。基于上述技术， 研制出了新型半潜式生产储油平台母型船——“深海一号”能源站。该平台建造完成并投入使用，标志着中 国海洋工程制造业逐步向深水浮式生产平台等高端装备业进军，也为同类深水浮式平台的设计提供了借鉴。
关键词陵水—％气田；半潜式生产平台；“深海一号”能源站；注柱储油；凝析油储存与外输；总体设计；
深水系泊系统；深水钢悬链立管；低频运动响应注0年不进坞防腐方案
中图分类号：™54 文献标识码：A
Rearch on overall desigh and kep technologief of "Deep Sea No. 1"
enerea statioh in LS17-6 gaf field
ZAU Aaishan LI Do
(CNOOC Rearch Institute Ltd. , Beij+g %OO2〜 China)
Abstract : A deep water mi-submersible production and storage platform with condensate storage and export capacities D. s , “Deep Seo Nv i 1" energp station) is developed Mr LSI 7-3 gas field, which is the first wh submersibls production platform using vertical column Ar oil storage T the world. The design of the platform is Aceh with manp challenges, such os harsh environmental conditions , limited construction site and closure re sources, high safetp requirements Mr condensate storage and export , and strict demands Ar rir movemoh A this paper, the overall design of the “Deo See Nv i O energp station is introduced T detail , including the analysis of deep water environmental conditions , customized design bad on limited site resources, U-shaped storage isolation and safe storage Mr condensate, hynawie localized export , as well os the design of overall ship type parameters , De. ； and the kep technologies such os the design of deep water mooring system, arrange- men) and —igus IC
e analysis of deep water steel cateorp rir , prediction of Dw-frequencp motion respon of platform, kep structure design and anti-corrosion scheme design without docking Ms 30 years me mainlp intro-
duceB Aad on above technologies , o new mi-submersible production and storage platform ship of master pa_P tern, namelp “Deep Seo Nv ； 1" energp station , is developed and put into u, marking that China?s offshore engS neering manufacturing industrp has graduabp entered into the high-end equipment industrp such 的 deep water floating production platform, and provides reference Ms the design of simiOs deep water floating pl 盐orms.
Kep words ：LSI 7-3 gas field ； mi-submersible production platform ； 4^660 Seo Nv ；渤 energp station ； oil
storage T vertical column ； condensate storage and export ； overall design ； deep water mooring system ； deep water steel catenarp rir ； OwDotioo motion respon ； anti-corrosion scheme
__________ ithoA docking
关中海石油⑷国)有限公司综合科研项目“陵水半潜式生产平台研究专项⑷号：LSZX2—DN2O 、工业和信息化部项目“深水半潜式 生产储卸油平台工程开发第号：工信部装函2—6号)”部分研究成果。
第一作者简介：朱海山垂改授级高级工程师碎所年毕业于中国石油大学第东)储运专业质学士学位改要从事海洋工程技术研究设
计和管理工作。地址：北京市朝阳区太阳宫南街6号院不编：—层和。E-mA ：zh —sh@c —oc. com.渤。
第33卷第3构朱海山等李水构图气田“渤海一一”能源站总体设计及关键技术研究C)
陵水年图气田位于海南岛三亚东南%2ke的陵水海域⑴深1020-1560m），被钻探证实是千亿立方米优质高产大气田，主要产品为天然气和凝析油，拟采用水下生产系统回接深水浮式生产平台对该气田进行开发构，是在中国海域首次采用典型深水开发模式进行开发的自营深水气田构太其中，适应南海油气开发特点、带凝析油储存和外输功能的深水半潜式生产储油平台—
—“深海一号”能源站是该气田开发的关键设施。
相比国内已有建造经验的半潜式钻井平台、半潜式生活平台，“深海一号”能源站在总体性能、船体结构、系泊系统、立管等方面的作业要求要高得多，需要抵御连续服役期间所有可能的台风侵袭，对设
施和设备的可靠性要求很高，关键疲劳寿命要求是常规钻井平台指标的数倍。因此，掌握适合南海深水油气藏开发特点的浮式生产平台及其配套技术对中国深水油气田开发具有重要的现实意义。
本文基于陵水年和气田开发需求，梳理了半潜式生产储油平台在设计、建造及服役过程中面临的主要技术挑战，对“深海一号”能源站基于南海深水环境和地质条件、国内场地资源开展的船型开发等总体设计技术进行了详细论证，针对半潜式生产储油平台的系泊系统设计、深水钢悬链立管布置与疲劳分析、运动响应预报、结构设计和防腐等关键技术内容进行了论述。“深海-号”能源站设计方案与关键技术的研究成果为陵水井和气田的顺利开发提供了强有力的技术支持，同时也为类似深水浮式生产平台的研发提供了参考。
1主要技术挑战
1.1恶劣的环境条件
中国南海与挪威北海、美国墨西哥湾是公认的三大海况恶劣海域，恶劣环境条件对深水工程设施可能会产生显著破坏性影响。这几大海域由于环境导致的海洋工程事故屡见不鲜，造成的损失通常以亿美元计。南海夏季台风和内波频发，对设施的极限生存能力带来了极大挑战。相比其他两大恶劣海域，南海的风速、流速更为恶劣⑸％，为平台系泊系统、立管系统的设计带来了巨大挑战。恶劣的风速和流速将显著增加浮式系统的平均受力，不波浪共同作用后，将导致浮体长期在较大偏移上振荡运动，
显著增加聚酯缆动态刚度及系泊载荷，对整个浮
表1中国南海与美国墨西哥湾、挪威北海百年一遇
极端环境条件对比
Table S Comparison vC once-in-100-yearf extreme
environmental conditions between the South China Sec,
US Gulf and North Sec vC Norm
海域有义波高
/
m
谱峰周期/
C
'风速（1h）C
（N*C-、）
表层流速/
（N*C-、\中国南海作4 C.563.5 2.5美国墨西哥湾作5 C.330.3 1.3挪威北海作5作527.58.3小麦种植技术
式设施的定位安全提出了更高要求。此外，南海冬季受东北季风持续作用，其所产生的长周期波高对平台结构、立管的疲劳也将带来显著不利影响。相比已有大量浮式生产平台的墨西哥湾中波浪疲劳数据集中在口5〜2.5%有义波高交〜8sQ期不同，中国南海的波浪疲劳数据分布在0.5〜8.0%有义波高富〜井sQ期，其对结构物的疲劳挑战显著增加。此外，除了表层流速较高外块层和底层流速相比其他海域也更为恶劣，增加了立管系统的干涉和度度破性风险。
深水海域大尺度立管、系泊系统、船体对海洋动力环境参数的敏感性很高，工程设计要求的环境参数也更加精细。常规的单向保守思维可能导致灾难性后果，极端工况时周期长1s，可能导致立管寿命大为降低；周期短1s，系泊载荷可能因此增大20%以上。因此，“深海一号”能源站在设计及服役阶段均要重点考虑恶劣的环境条件对相关设施的影响。
1.4复杂的海底地形
陵水海域地形陡峭，存在多种不良地质现象不口硬质海底、断层、凹坑等，严重影响浮式平台位置选择、锚泊基础形式、立管底部触地点刚度和悬跨问题。目前中国针对浅水油气田开发所建立的地质基础数据及所掌握的相关技术无法满足深水油气田开发的精细化要求。深水区域海底路由和地质勘察耗资巨大，动辄上亿元，设计基础研究的技术方案制定难度高，须多个专业统筹考虑，不工程方案的匹配难度大。
1.3气藏分散且缺乏依托设施
空气能排行榜
陵水17-6气田由多个气藏构成，这些气藏分布在海南岛东南约%2ke的狭长地带内，其东西跨距42.6km，南北跨度30.6km。该气田中心距离200m 水深的浅水海域直线距离约3/km，高峰日产水量近700A冰下长距离输送流动安全保障困难。
M2中国海上油气202(—6月
中国南海深水区域油气开发起步较晚，油气管网远不如墨西哥湾发达，且主要集中在南海东部。南海西部仅有崖城为气田群可供依托，包括2条外输管线：一条从崖城到香港的管线⑸8km），另一条从崖城到南山终端的天然气和凝析油混输管线。对于陵水年平地田，凝析油输送较为常规的做法是通过M5km管线输至崖城MD气田，再输送至南山终端，但输送至崖城平台的凝析油管线投资高达8亿元人民币。将凝析油储存在半潜式生产平台并通过动力定位油轮进行外输的解决方案，是基于南海深水气
田开发现状做出的最合理方案⑵MW 需要解决凝析油储存及外输安全等难题。
图1陵水17-2气田开发方案示意图Fig8Development plan u I LSI7-2gaf fieA
1.4受限的建造场地和合龙资源
半潜式生产平台是三大典型深水浮式生产平台之一，中国仍无相关的设计和建造经验，但国内多个船厂具备半潜式钻井平台、半潜式生活平台的设计和建造经验。在这些经验的基础上适当突破和整合，在焊接质量稳定性、厚板的疲劳处理、高应力区的预制工艺、分段合龙精度控制上适当改进后，具备形成半潜式生产储油平台的建造能力，但仍面临受限的建造场地和合龙资源带来的技术挑战。
相对具有天然优越港池条件的韩国船厂（其船坞、港池、航道通常可以达到年m以上吃水条件图中国船厂的一个重要短板在于船坞、港池及出港航道的水深较为受限（表2）油卩使借助潮位，大多数船厂出港前允许的吃水不超过3—W直接影响到合龙、出坞后的走装、倾斜试验等作业，也成为控制半潜式生产储油平台建造出坞、调试期间的吃水限制参数。较低的空船吃水限制对平台的主尺度及总体设计均有重要制约作用。
表2"深海一号”能源站建造、合龙潜在船厂主要参数
Table2Main parameters u I potential shipyard for constructiop and closure u I"Deep Sec No.1”energy
statiop
场地干船坞能力
⑸X宽可
以
吊机能力港池条件航道条件吊装质量/
h
女总
吊高/
m
水深/李逵的绰号是什么
m
最大吃水/
m
清淤量/
X—个5
水深/
m
最大吃水/
m开根号公式
青岛海工4290次OI%+道990.30偏2月00.89.0启东中远年90—06个.60.00.8次82-89.8
烟台来福士4390年920102
1年编3
⑸吊梁）
次8次0—次8次0
2总体设计技术
2.1深水环境条件分析
通过年余年的水文气象观测，并在此基础上开展高重现期设计参数与波浪方向性研究、大型作业气候窗多维度优选研究，充分摸清了陵水区块水动力方向性明显的特点，对陵水海域的强浪向认识也发生了改变，最强波浪方向由东南向调整到东向，为平台方位、气隙预报提供了充分的依据；结合观测数据更新了对南海波陡特性的认识⑵2），新的认识客观反应了波浪高度与谱峰周期的真实特性，百年一遇波浪谱峰周期相比以往水平邮6.3s）降低了Ms，对于平台方位优化、系泊系统设计、立管疲劳计算起到了关键的指导作用
。
第33卷第3期朱海山等其水—W 气田钻海一号而源站总体设计及关键技术研究06
9
6
马戏团游戏
3
日、恤鏗汉祀
•新的认识•以往认识
5 10 15 20 25
谱峰周期/s
图2南海波陡特性
Fig. 2 Wave steepnem characteristics uO South China Sec
2.2 基于国内场地资源的定制化设计
“深海一号”能源站上部组块需要搭载200余套 油气处理设备，目前具备油气处理设备集成和调试
经验的厂家并不在船厂。如选择箱型板架式上部组 块结构，国内并不具备油气生产平台的箱型板架式
上部组块的布置经验，且其建造和集成调试并不便
利。因此，选择与固定平台类似的传统桁架式上部 组块是符合国内建造经验的最佳选择。
桁架式组块与船体间如何总装合龙，是首要解 决的设计难题。对于大型半潜式生产平台而言，采 用组块与船体整体合龙能显著减少建造工期。整体
合龙主要有浮托法、吊装法、顶升法3种。这几种方
式的优选原则是：所在国家具备大吨位吊装合龙条件
时优先选择吊装法，如美国墨西哥湾的半潜式生产平 台和张力腿平台基本都在Kiwiet 场地采用1.——-
码头吊完成；无法吊装合龙时，考虑是否存在遮蔽海
域及其水深条件，来研究浮托法的可能性，如巴西海 域的浮式生产平台合龙方式；前述2种方法均无条
件实施时，采用顶升法，如马来西亚壳牌公司的Ma-
lTo HL （张力腿平台等勺合龙方式。“深海一号”能 源站选择国内资源——2万吨级泰山吊进行吊装合 龙作业，双吊梁的间距为所5 ±7.0 m （图3），因此
合龙时的吊装跨距不得超过个.5 m，这也成为平台 总体设计的最大跨距。同时，由于其船坞吃水限制， 不得不选择坐底合龙的方式，在实际作业时须着重
解决好坐底安全保障和对接主动控制2项关键技术 点题。
49.5 m
低梁
高梁 JT
图3 “深海一号”能源站合龙方案示意图Fig. 2 Diagrani integration plan uO "Deep Sec No. 1”
enerea statioh
目前国内大多数船厂的船坞和出港航道水深均 不超过9 m，这对于空船质量超过5 X —t 的“深海
一号”能源站在建造完成后的顺利出港带来了巨大 挑战。通常半潜式生产平台的浮箱宽度与高度的比
值不超过2. 00，过宽的浮箱会导致作业条件下波浪
力增加很匕外埋管疲劳较为敏感的作业周期编3 -
内）对应的垂荡运动也将因此增加。为了满足合龙 完成后的出港要求，在9 %浮箱高度的限制下，不
得不将浮箱宽度设计为近类，由此，浮箱宽高比达 到了 2. 33，远高于业界常规的2.00，这将导致浮箱
在作业时受到较大的垂直波浪载荷，导致的垂荡运 动响应曲线如图4所示，在小周期编5 sT 右）的垂
荡响应应子幅值达到0南，这对于立管的疲劳设计
挑战极大。
图4 "深海一号”能源站垂荡响应曲线
Fig. 2 Heave responsa curva uO "Deep Sec No. 1”
enerea
statioh
C6中国海上油气202)%6%
2.3多立柱浮体的凝析油U型隔离与安全储存技术
与常规半潜式生产平台不同的是，“深海一号”能源站须考虑凝析油储存，根据气田凝析油产量增勺1250oC2)，考虑外输作业较常规FPSO更为复杂，且统筹油轮吨位，确定凝析油舱容为2.2X104o3)初始投产时)和1x井地构年后压力不够时上增压设施后)。凝析油作为危险介质，其储存面临破舱泄漏、储存舱室压力超标或舱顶落物导致结构破坏等问题，容易引起火灾或爆炸。因此，凝析油储存的安全性是新船型开发首要解决的技术问题。
成字开头的成语
应对凝析油舱泄漏的最好办法是在凝析油舱周边设置隔离舱保护范，若将凝析油设置在浮箱，较大白勺隔离舱空间不能压载导致的压载损失，将不可避免地需要在立柱中布置较多的压载舱才能满足在位吃水要求，但在立柱中布置大量压载水将导致平台更高的在位重心，导致更大的浮箱尺寸和跨距取成平台尺度上的恶性循环。此外，凝析油舱需要频繁调整装载量，从操作便利性而言，如将凝析油舱布置在浮箱中，管系通过立柱也将导致更大的危险区。因此，将凝析油舱布置在立柱并在油舱周围设置隔离舱成为必然的解决方案。按照该方案，除了用于调节偏心的压载舱，其他压舱均布置在环形浮箱内，更利于操作具析油舱的四周及底部均设置了1.5o的隔离空舱，便于检修凝析油舱的水密性，隔离舱宽度比规范要求的作％更高，主要是为了改善人员进出便利性；凝析油进出通道及舱室的透气均通过舱顶，以利于海上作业。
经综合分析,“深海一号”能源站凝析油储存舱布置如图6所示，这种适用于多立柱浮体的凝析油U型隔离技术的储油舱类似于保温瓶内胆。该项技术由国内首次提出并在海洋石油工业界应用构,
图5"深海一号”能源站凝析析储存舱布置Fig.3Condensate oil storage tank arrangemeni in
"Deep Sec No.1”enerc station
针对上部组块中凝析油舱进舱管线中进气的潜在可能性，通过设置甲板水封装置来避免气体进入，同时设置了呼吸阀来保证舱室内外的压力平衡，避免潜在的压力异常。对于潜在舱顶落物导致的着火风险，通过加强舱顶结构设计来确保落物不会导致舱顶结构破坏。
响响凝析油储存安全的另一个潜在问题是平台的运动性能，作业期间凝析油舱不停地与浮箱中的压载舱进行装载置换，舱室的位置差异导致平台的整体重心总是处于变化中，其对平台的横摇周期将产生显著影响。半潜式平台的稳性高与重心高度直接相关，不常规半潜式生产平台在位时重心高度变化幅度较小不同，“深海一号”能源站在位时的稳性高处于急剧变化中，其横摇运动响应如图6所示，此摇周期为油〜可S，较长的横摇固有周期将直接导致平台较显著的低频运动。此外，工业界的实践表明，应尽量避免横摇固有周期落在2倍升沉固有周期范围内，否则会产生潜在的马修不稳定性。这是水水井312半潜式生产储油平台在设计中面临的不同于以往的一个重要挑战，必须要通过低频响应预报技术予以解决。
图6"深海一号”能源站横摇运动特性
(吃水37口，浪向角90°)
Fig.3Roll respon vC"Deep Sec No.1"energy station
(dra/t22m,wave angle90°)
2.4多立柱浮体的凝析油动力定位外输技术
“深海一号”能源站为多点系泊平台，不常规南海单点系泊的FPSO不同，其外输面临更大的挑战。为解决无风向标效应导致的外输风险，推荐采用动力定位(DP)外输油轮对陵水井和气田凝析油进行夕卜输作业
。
