薛江山

（上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

0 引言

油田開采通常分為投產(chǎn)、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、產(chǎn)量遞減和低產(chǎn)四個(gè)主要階段。油氣田（尤其是一些低滲透的油氣田）開采進(jìn)入中后期時(shí)，產(chǎn)量明顯降低，開采難度增加，常需要采用增產(chǎn)措施輔助作業(yè)，以提高效益。油氣田增產(chǎn)的措施有酸化、壓裂、防砂、堵水、補(bǔ)層等，其中，酸化和壓裂是主要的技術(shù)措施[1]。酸化措施是指以低于裂縫開始起裂時(shí)的壓力向地層孔隙空間注酸的工藝過程。水力壓裂措施是指向井內(nèi)注入壓裂液，使地層在壓裂液壓力的作用下形成拉應(yīng)力場(chǎng)，使得該層段內(nèi)局部應(yīng)力超過該巖石抗拉強(qiáng)度的過程[2]。

海上油氣田增產(chǎn)措施與陸地相似，但需將設(shè)備安置在生產(chǎn)平臺(tái)或船舶上方可完成。油田增產(chǎn)船是一種能使海上油田增產(chǎn)的海洋工程支持船舶，船上集成裝有油田增產(chǎn)系統(tǒng)，具有儲(chǔ)存、混合、泵注和現(xiàn)場(chǎng)控制的能力，是實(shí)現(xiàn)海上油氣田增產(chǎn)作業(yè)的一種有效途徑。

1 油田增產(chǎn)船現(xiàn)狀

據(jù)Offshore雜志統(tǒng)計(jì)，截止到2015年6月，各種類型的油田增產(chǎn)船共有35艘。其中有32艘分別隸屬于國(guó)外的 Baker Hughes、Halliburton和Schlumberger三家石油工程服務(wù)公司。另外，Simwell Services、Superior Energy Service、Mehran三家公司各擁有一艘油田增產(chǎn)船。其作業(yè)區(qū)域主要集中在墨西哥灣、北海、西非、中東和南美等地區(qū)。我國(guó)在該類船舶領(lǐng)域的設(shè)計(jì)建造經(jīng)驗(yàn)較少，僅中海油在2014年建造過一艘。

目前，已運(yùn)營(yíng)的油田增產(chǎn)船船長(zhǎng)多數(shù)為65 m～95 m，船寬為16 m～20 m，大部分屬于中小型船舶。表1摘錄了部分船舶的主要參數(shù)。

2 總體設(shè)計(jì)方案分析

油田增產(chǎn)船的船型選擇需要綜合考慮海上作業(yè)流程、作業(yè)能力和作業(yè)地點(diǎn)的要求。本課題結(jié)合某客戶的需求，開展了對(duì)大型多功能油田增產(chǎn)船的方案研究。

該船的設(shè)計(jì)目標(biāo)可滿足各種不同增產(chǎn)作業(yè)的要求，如壓裂、酸化、防砂等。船上配有專業(yè)增產(chǎn)設(shè)備、各種散料和化學(xué)添加劑的儲(chǔ)存與輸送裝置。除具有增產(chǎn)作業(yè)能力外，該船還具備對(duì)外消防、修井等多種功能[3]。

該船適用于無限航區(qū)，擬入 ABS（美國(guó)船級(jí)社），符合ABS Offshore Support Vessels入級(jí)規(guī)范，滿足 WS、WT-READY、Supply-HNLS、DPS-2、FFV Class1等入級(jí)符號(hào)的要求。

2.1 船型設(shè)計(jì)及總體布置

總體設(shè)計(jì)充分考慮了客戶對(duì)船舶性能、布置需要和作業(yè)能力等方面的要求，主甲板及艙室布置見圖1。本船設(shè)有一層連續(xù)主甲板，機(jī)艙位于船體中前部，酸罐儲(chǔ)存艙和高壓增產(chǎn)泵位于船體的中后方，規(guī)范中對(duì)增產(chǎn)劑儲(chǔ)存容器或儲(chǔ)存艙離舷側(cè)外板和船底外板的距離要求不小于760 mm，所以主甲板以下除首尾區(qū)域外，均為雙底雙殼結(jié)構(gòu)。主甲板以上首部設(shè)有兩層艏樓、三層生活區(qū)和一層駕駛室，生活樓前上方裝有一個(gè)鋁制直升機(jī)甲板，主甲板中部為各種散料儲(chǔ)存區(qū)，主甲板尾部留有250 m2的開闊甲板，用于增產(chǎn)作業(yè)時(shí)放置一些設(shè)備和化學(xué)添加劑。

圖1 主甲板及艙室布置

船體為鋼質(zhì)焊接的縱骨架式結(jié)構(gòu)，船前體有球鼻艏，船尾中部裝有尾鰭，可提高船體效率和操作性能。為減小船舶作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的橫搖，主船體安裝了舭龍骨，并設(shè)有被動(dòng)式減搖水艙。

該船的自持力為35天，可滿足54人工作生活和安全配置的需求，生活區(qū)設(shè)計(jì)符合MLC 2006的相關(guān)要求。船長(zhǎng)超過100 m，船寬22 m，與現(xiàn)有的增產(chǎn)船相比，屬于大型油田增產(chǎn)船，其主要參數(shù)見表2。

表2 某大型多功能油田增產(chǎn)船主要參數(shù)

2.2 船舶穩(wěn)性

油田增產(chǎn)船是一種特殊用途船舶，其穩(wěn)性計(jì)算需滿足MSC.266 SPS Code，SOLAS及ABS規(guī)范的要求。

根據(jù)MSC.266 SPS Code規(guī)定，船舶完整穩(wěn)性需按照國(guó)際海事組織（International Maritime Organization，IMO）的完整穩(wěn)性規(guī)則計(jì)算；船舶破損穩(wěn)性應(yīng)按照國(guó)際海上人命安全公約（International Convention for Safety of Life at Sea，SOLAS）對(duì)客船的要求計(jì)算，對(duì)于定員小于60人的船舶，要求的分艙指數(shù)可以取0.8R（R為船舶被要求的分艙指數(shù)）。

在選取完整穩(wěn)性工況時(shí)，還應(yīng)考慮船舶具有多種作業(yè)功能的情況。本船計(jì)算時(shí)按照ABS OSV規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)工況選取，并考慮對(duì)外消防、吊機(jī)工作等工況。圖2為典型工況的計(jì)算結(jié)果。

按SOLAS概率法計(jì)算破損穩(wěn)性，規(guī)范要求的分艙指數(shù) 0.8R為 0.5459，計(jì)算得到船舶在縱傾為0 m、-0.8 m、0.8 m狀態(tài)下達(dá)到的分艙指數(shù)A分別為0.588 8、0.580 6、0.596 0，滿足要求。

2.3 動(dòng)力配置

該船采用電力推進(jìn)系統(tǒng)，根據(jù)船舶航速計(jì)算和動(dòng)力定位分析的結(jié)果，配有4臺(tái)2 800 ekW的中速柴油發(fā)電機(jī)和2臺(tái)800 ekW的輔助/港口發(fā)電機(jī)。尾部設(shè)2臺(tái)2 200 kW全回轉(zhuǎn)可調(diào)距主推進(jìn)器，首部設(shè)有3臺(tái)1 500 kW管道式側(cè)向推進(jìn)器。

船舶阻力估算按照荷蘭水池Holtrop的預(yù)估方法[4]，推進(jìn)器功率和航速的關(guān)系如圖3所示。該方法分別計(jì)算摩擦阻力、興波阻力，并考慮附體結(jié)構(gòu)及船體首尾形狀對(duì)阻力的影響。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，推進(jìn)器在全力運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，船舶航速可達(dá)13.5 kn左右，實(shí)取船舶設(shè)計(jì)航速為12 kn。

圖3 航速與推進(jìn)器功率

增產(chǎn)船靠近平臺(tái)作業(yè)時(shí)，必須有足夠的能力抵抗風(fēng)浪，并與平臺(tái)保持安全距離，該距離通常不大于10 m，但也不能小于5 m。海上定位措施，一般采用錨泊定位或動(dòng)力定位（Dynamic Positioning，DP），考慮操作的靈活性及定位精度的要求，該增產(chǎn)船采用動(dòng)力定位系統(tǒng)，動(dòng)力定位等級(jí)為II級(jí)，在3級(jí)海況下（即浪高1.5 m、任意風(fēng)向的風(fēng)速20 kn、表面流速0.5 kn時(shí)），可滿足吊車工作的要求；在5級(jí)海況下（即浪高4 m，任意風(fēng)向的風(fēng)速30 kn，表面流速3 kn時(shí)），可滿足除吊車外的其他作業(yè)工況的要求。通過初步的DP能力分析，船舶在最大單點(diǎn)故障情況下，動(dòng)力定位系統(tǒng)可滿足上述海況下的定位能力。

3 多功能作業(yè)能力

現(xiàn)有的油田增產(chǎn)船多為專用增產(chǎn)作業(yè)船，功能相對(duì)單一。本課題研究的船型是一艘多功能船，以油田增產(chǎn)作業(yè)為主，此外，還具有對(duì)外消防、海上救援、修井等功能。

3.1 增產(chǎn)作業(yè)能力

增產(chǎn)系統(tǒng)包括酸化處理設(shè)備、壓裂攪拌器、各類泵系、化學(xué)添加系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、壓力容器、電動(dòng)單元、控制系統(tǒng)等。該船具有酸化、壓裂等多種增產(chǎn)作業(yè)能力。配有 6臺(tái)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)壓裂泵，每臺(tái)功率約1 618 kW，最大壓力為103 MPa；兩臺(tái)酸系統(tǒng)高壓泵，每臺(tái)功率約441 kW，最大壓力為130 MPa；兩臺(tái)低溫泵，排量分別為85 m3/min和42 m3/min，額定壓力為70 MPa；兩根CONFLEX高壓軟管，額定壓力為103 MPa，每根長(zhǎng)度至少為90 m。增產(chǎn)船與海上生產(chǎn)平臺(tái)間設(shè)有管路快速脫離和設(shè)備緊急關(guān)斷裝置，以提高安全性。

酸罐及混合酸罐容積為340 m3，支撐劑體積為200 m3，預(yù)混合罐容積為286 m3，氮?dú)鈨?chǔ)存罐容積為53 m3，液體添加劑體積為62 m3，固體添加劑體積為20 m3，鉆井水艙容積為200 m3。

3.2 對(duì)外消防

該船的對(duì)外消防滿足ABS FFV Class1（FFV1）入級(jí)符號(hào)的要求[5]。船中部主甲板兩舷設(shè)有救助區(qū)域，舷墻設(shè)有2 m寬的舷門，船上裝備有2艘快速救助艇。

對(duì)外消防的兩座消防水炮位于駕駛室頂甲板的左右兩側(cè)，每座消防水炮的排出率為1 200 m3/h，射程大于120 m遠(yuǎn)、50 m高，2臺(tái)消防泵布置在生活樓下方的主船體內(nèi)，每臺(tái)排量1 350 m3/h，2臺(tái)馬達(dá)的功率均為700 kW。按照ABS OSV規(guī)范對(duì)FFV1的要求，需安裝固定的水噴淋系統(tǒng)，以保護(hù)露天甲板、主船體和生活區(qū)的外部立面。

3.3 連續(xù)油管作業(yè)

該船主甲板尾部留有250 m2的開闊面積，可布置一套緊湊的連續(xù)油管作業(yè)裝置，用于對(duì)海上油氣田的修井、鉆井、測(cè)井等進(jìn)行酸化、注氮排殘酸、沖砂、井底沖洗等作業(yè)。為配合連續(xù)油管作業(yè)，主甲板尾部左舷有一臺(tái)海工吊機(jī)，吊重25 t，吊裝半徑25 m，吊鉤的高度可達(dá)水面以上46 m。

圖4 連續(xù)油管裝置作業(yè)示意圖

連續(xù)油管作業(yè)裝置主要由注入頭、卷筒、控制房、動(dòng)力單元4個(gè)部分組成，滿足API RP 5C7，Zone-II標(biāo)準(zhǔn)的要求。連續(xù)油管的直徑為1.25 m，作業(yè)深度可達(dá)5 000 m，連續(xù)油管作業(yè)裝置噴射器的最大拉力至少為35 t。

3.4 試井

船舶按照ABS WT-READY入級(jí)符號(hào)的要求設(shè)計(jì)，試井系統(tǒng)平時(shí)不儲(chǔ)存在船上，主甲板尾部應(yīng)預(yù)留試井系統(tǒng)的安裝位置。

4 結(jié)束語

近年來，國(guó)際油價(jià)持續(xù)低迷，而海上油氣田開發(fā)屬于高投入、高風(fēng)險(xiǎn)的項(xiàng)目。因此，如何挖掘現(xiàn)有油井的潛力、使其產(chǎn)生最大經(jīng)濟(jì)效益，越來越受到各大油氣公司的重視，而油田增產(chǎn)船的研發(fā)符合海上油氣開采這一目標(biāo)。

本文結(jié)合油田增產(chǎn)船的發(fā)展現(xiàn)狀，深入探討了一型大型多功能油田增產(chǎn)船的總體設(shè)計(jì)方案和多功能作業(yè)的配置要求，有利于提升我國(guó)在大型海洋工程裝備（尤其是海洋油田增產(chǎn)裝備）方面的研發(fā)能力，也為將來大型油田增產(chǎn)船的進(jìn)一步研發(fā)提供參考。