摘要：考虑南海北部湾海域边际小产量油田的特点，针对穿梭油船的作业方式，比较穿梭油船的各种外输模式，确定采用系泊系统加漂浮软管的方式作为采油平台的外输方案。比较单点系泊和多点系泊，确定采用“浮筒+桩锚”的两点系泊系统，并设置预张力为2t，其简单的安装工艺及系泊力满足该区域环境原油外输的要求。
关键词：边际油田;穿梭油船;外输方案;系泊系统
0引言
中国南海北部湾海域为半封闭性海域，水深在10～60m，全部处在大陆架上，沿岸河流不多，带入海湾的泥土较少。南海北部湾海域油田离岸距离远、产量低，且属于边际油田，周围缺乏可依托的现有资源。综合比较浮式生产储油装置和自升式采油平台的自身功能和特点及其在北部湾海域的适应性、安全性、操作性和经济性等特点，可以得出选用自升式采油平台方案较为适合[1]。为避免海底管线外输方案高成本的投资风险，决定采用海上穿梭油船进行原油外输。系泊设施作为海上穿梭油船进行输油作业时不可缺少的一环，一直是海工方向研究的重点问题。自升式生产储油平台处于研究阶段，本文主要针对5000t穿梭油船进行系泊设计研究，主要内容包括穿梭油船系泊方案设计、系泊结构型式和系泊力计算等。
设计系泊系统既要保证穿梭油船保持在指定位置，又要从实用性和经济性的角度出发;既可以顺利将原油从采油平台输送到穿梭油船，又要控制作业复杂程度和工程造价在合适范围内。同时，系泊系统不应妨碍其他海上设备的运行。因此，在设计系泊系统时，必须正确选择系泊方案和系泊型式，并进行相应系泊力的计算[2]。本方案中系泊系统按照《浮式结构物定位系统设计与分析》(中华人民共和国石油天然气行业标准)[3]进行设计，其系泊强度要求和海上定位均须满足该规范。
1穿梭油船主尺度参数及海况
对一艘载油量为5000t的典型油船进行设计。北部湾海域涠洲油田水深范围为20～45m，设计使用年限为25年，平台自持能力为20天[4]。在最大产油量下，油田每天的产量只有0.09万t，油田每月外输时间需达到15天以上方能满足产量要求。在满足外输天数的前提下，结合已完成的涠洲边际油田水文气象环境参数专题研究成果进行分析，可以确定穿梭油船系泊系统的设计环境条件。穿梭油船主要参数及海况条件见表1。
2采油平台原油外输方案
利用穿梭油船进行原油运输，首先应将自升式采油平台上的原油输送至穿梭油船，这就涉及采油平台原油外输方案的研究。
采油平台原油外输方案有多种：最简单的一种是使用漂浮软管的方式进行平台与穿梭油船之间的原油运输[5]，油船系泊在平台一侧，待管路连接后，可直接用泵将原油通过漂浮在海面上的软管输送到油船上;另一种是修建靠船平台，穿梭油船停靠在平台上，通过平台上铺设的管线进行原油运输，这种方式的总工程造价随水深的增加而急剧上升，北部湾海域水深接近45m，不适合采用这种模式;还有一种方式是使用带有动力定位功能的穿梭油船，并配合输油臂进行原油外输，输油臂是装在平台上的桁架装置，带有补偿功能，可在非正常天气状况下实现远距离原油运输，但是平台上安装输油臂吊机会对平台的强度产生影响，需重新校核，而且穿梭油船需要采用先进的动力定位技术以保证输油时控制油船位置在合理的误差之内，动力定位技术需不间断地提供动力，耗费大量燃油。
综合考虑3种外输方案，漂浮软管外输模式结构简单、经济性好，适用于南海北部湾海域穿梭油船输送。
3系泊系统设计
3.1系泊方案比较
油船系泊方案可分为单点系泊和多点系泊：单点系泊是指锚泊系统与油船只有1个接触点;多点系泊是指锚泊系统与油船有多个接触点。
3.1.1单点系泊
单点系泊最大的特点是“点系泊”，较灵活，穿梭油船可随海流或风向的变化绕系泊中心自由旋转，使油船总是保持在最佳的抗风浪位置，可有效地减小风、浪、流的作用力，经常应用于浮式生产储油装置等大型船体。单点系泊系统主要分为悬链式浮筒系泊系统、单锚腿系泊系统、塔架式单点系泊系统和转塔式单点系泊系统[6]。图1为悬链式浮筒系泊示例，这是最简单的一种单点系泊，浮筒体漂浮在海面上，靠6条或8条锚链固定在海底，浮筒体上装有转台、系泊缆绳连接点和漂浮软管连接点，从海底管线输送的原油经转台和漂浮软管输送到油船上[7]。
单点系泊系统所用的主要设备包括浮筒、桩腿构件、系泊链、系泊缆绳、输油软管和流体旋转接头(转台)等关键部件。其中，流体旋转接头既需具有旋转功能，又需在复杂的海洋条件下实现动密封，其技术一直被国外所垄断[8]。此研究采用自升式平台作为采油平台，穿梭油船船体长约100m，单点系泊需以平台为系泊中心或选取较远的系泊中心：以平台为系泊中心将产生较大的拖曳力，造成平台的倾斜，对平台的安全和升降机构的可靠性造成威胁[9];选取较远的系泊中心需使用较长的输油臂或外输软管，大大增加输油成本。因此，不宜采用单点系泊。
3.1.2多点系泊
在多点系泊中锚泊系统与浮体之间有多个接触点[10]，如半潜式平台和SPAR平台，通常采用多根锚链线将平台与海床相连。多点系泊提供的系泊力大，可有效抵御风、浪、流等环境因素的影响，但如果使用系泊线过多，会使浮体质量增大，可变载荷减小。在船舶中应用的多点系泊多为两点系泊形式，即在船首、船尾布置系泊线，可有效减小船体沿系泊线方向的移动，但船体无法进行转动，抵抗横向环境力的能力下降，因此多图2两点系泊系统应用于风力和海流力方向单一的海域。图2为典型的两点系泊系统在船舶中的应用。
该系统主要由锚、系泊链、浮筒和系泊缆组成，浮筒与系泊链相连，并由锚固定于海底，两点系泊中的锚可以使用吸力锚、桩锚或重力锚。船舶与浮筒之间由系泊缆绳相连，在船舶首尾各有1套系泊设施，二者相同且呈对称布置。浮筒由锚通过系泊链固定在海面以下，除了克服自身和系泊链的全部重力以及系泊缆绳的部分重力外，还剩余浮力，即净浮力，方向为竖直向上。净浮力与系泊链共同作用，保证浮筒有回归原位的趋势。当油船受环境载荷作用偏移原来位置时，浮筒通过系泊缆将油船拉回原位置，即浮筒在系统中主要起弹性作用[11-12]。为使浮筒在不同时间都能提供足够的浮力，应将浮筒布置于海水天文潮高度以下，确保任何时间浮筒都能位于海面以下。
两点系泊系统与单点系泊系统在设备上相比，主要省去了单点旋转接头。原油经水下软管和漂浮软管直接输送至油船，不需经过浮筒。两点系泊使用的设备均可由常规件组成，降低了装备造价，工程投资较常规单点系泊系统大幅减少。在一定范围内，两点系泊系统一直是单点系泊系统的替代方案[13]。
3.2“浮筒+桩锚”方案
两点系泊技术已成功应用于中国渤海湾海域，与本项目相比，二者都是采用自升式采油平台外加穿梭油船的方式进行原油生产和运输，且穿梭油船吨位差别不大。但中国南海海域的海况比渤海湾复杂，所需系泊力明显增加。因此，通过学习和借鉴有用的经验，本方案采用“浮筒+桩锚”的两点系泊方案，如图3所示。与吸力锚相比，桩锚形式更为简单，施工所用设备及施工复杂程度均比吸力锚小;在承载力方面，桩锚可承受更大的竖向载荷和水平载荷，抗旋转能力强;桩锚使用经验多，有很强的指导意义。本方案是单锚腿系泊系统的发展，将单点系泊技术成功应用于两点系泊。在进行锚泊设施布置时，应使艏或艉迎着环境力方向，尽量减小环境对油船的影响。
3.3系泊力计算
若要进行锚链线和桩锚的设计，首先应计算油船所需的系泊力。穿梭油船的主尺度参数和海况条件已经给出，为确保油船在特殊气象条件下的安全性，将风、浪、流对船体的作用力按相同方向计算，先将环境力相加，然后将合力作用于船体。计算分析时采用的坐标系为：船尾所受环境力方向为0°，右舷的环境力方向为90°，坐标系如图4所示[14]。分别在0°、45°、90°、135°、180°等5个方向上进行系泊力计算[15]。结果见表2和表3。
从表2可知，在预张力为2t的条件下，当环境载荷为90°时，艉缆承受最大的系泊力为112.87t，与经验一致。
由表3可知，在预张力为5t的条件下，当环境载荷为90°时，艏缆承受最大的系泊力为133.89t，该值大于预张力为2t时的锚缆系泊力，因此建议预张力为2t。
4结论
针对南海北部湾海域油田为边际油田的特点，采用自升式采油平台并利用穿梭油船进行原油外输。通过对5000t穿梭油船外输方案的比较和对系泊方式的研究以及对系泊力的计算，得出以下结论：
(1)通过比较漂浮软管、搭建靠船平台以及输油臂等采油平台原油外输方案，漂浮软管外输模式结构简单、经济效益好，适用于南海北部湾海域边际油田的穿梭油船输送。
(2)在进行系泊方案布置时，“浮筒+桩锚”的系泊方案既能适应南海海域环境载荷的要求，又能适应边际油田施工安装作业简单的要求。
(3)南海海域穿梭油船锚泊系统布置应使船首或船尾迎着环境力方向，尽量减小环境对油船的影响;进行锚链线和桩锚设计时，设置预张力为2t时计算油船所需的系泊力最小。
适用于南海北部湾海域的穿梭油船系泊系统相关期刊推荐：《中国海洋平台》(双月刊)创刊于1986年，由中国船舶工业集团公司第十一研究所主办。本刊是近海工程技术、经济、管理的综合性刊物。是跨行业、跨地区的海洋平台工程刊物。主要刊登海洋平台技术、科研设计、工艺装备、经济和管理、计算机应用等方面内容。适于海洋企事业单位领导、工程技术和管理人员阅读，也可供海洋平台设计、研究、检验、修理、运行人员和高校有关专业师生参考。
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