浮式钻井生产储卸油装置的应用分析
  
作者：刘健, 王世圣, 陈国龙   出处：中国船舶与海洋工程网信息中心   分类：海洋工程
   发布时间：2012/3/15 10:20:09

摘要：本文研究了浮式钻井生产储卸油装置（FDPSO）的特点、设备配置、应用模式。对世界上第一艘投入使用的FDPSO——Azurite号以及正在建造的FDPSO——MPF1000的设计思路、设备配置及应用模式进行了分析，并对隐藏式立管浮箱SRV、张力腿甲板TLD、圆柱主体浮式结构SEVAN等技术进行了介绍。结合钻井平台和生产平台的实际情况，分析了FDPSO不同应用模式——早期试验生产系统、深水滚动开发模式等的特点，提出了FDPSO 在深水油田开发中合理的应用模式。本文对FDPSO的研究可为现场深水钻井装置、生产装置的选型提供参考。

关键词：浮式钻井生产储卸油装置，油田开发，钻井，采油， 

一、前言

浮式钻井生产储卸油装置（FDPSO）是一种可用于深水油田开发的钻井、生产、储卸油一体的浮式装置[1]。FDPSO是在FPSO的基础发展起来的概念，既在FPSO上扩展增加钻井功能，图1为FDPSO的概念图。虽然FDPSO的概念是上世纪末在巴西国家石油公司PROCAP3000项目中最先被提出的，而且随后发展出了一些相关的新技术，如隐藏式立管浮箱(SRV)、张力腿甲板(TLD)等。但是直到2009年，世界上第一座FDPSO才在非洲Azurite油田投入使用(目前世界上在用的FDPSO仅此一座)。

图1 FDPSO概念图

二、Azurite油田的FDPSO 

第一艘FDPSO为旧油轮改造而成，于2009年8月在非洲Azurite油田投产，见图2。

图2 世界第一艘FDPSO

(1) 开发背景简介[2-7]

Azurite油田位于西非海域，水深范围1100-2000米之间。油田处于温和的海域环境条件中，风浪很小，因此可采用多点锚泊定位方式进行永久系泊（允许在10年一遇的环境条件下进行钻井作业）。油田必须采用注水方式开采从而保证生产时的地层压力。

2006年项目开始可行性研究，当时油价大幅攀升、深水钻机非常短缺。项目组准备了多套方案，但是由于工期、作业风险、经济性和政治风险等因素，最终采用了FDPSO开发方案。选择FDPSO最主要原因是可以早期投产、滚动式开发，经济风险比较小。Azurite油田有4个区块，计划钻10口井，包括6口生产井和4口注水井，见图3。

图3 Azurite 油田示意图

(2) 采油和钻井系统配置

Azurite油田开发采用水下立式采油树(6口生产井采油树和4口注水井采油树)，采油树的分布见图4。FDPSO通过三根柔性高压立管(2根生产，1根注水)与水下管汇连接。采油树通过柔性跨接管与水下管汇连接，水下管汇有10个井槽(对应6个生产井和4个注水井)。

图4 水下采油树布置图

FDPSO配置一个模块化可搬迁的钻机。该钻机每个模块重量限制在100吨以内，可采用FDPSO上的甲板吊机(最大吊装能力110吨)进行拆卸和安装，不需要动用浮吊，大大节约了搬迁、安装费用[4]。

Azurite油田的FDPSO采用了水上防喷器组+高压隔水管+水下隔离阀的井控系统，这种井控系统在深水油田比较少见，仅适用于海况很好的地区。由于西非海域的环境条件良好，隔水管受力情况较好，因此可采用水上防喷器降低开发费用[4, 5]。

(3) Azurite油田的FDPSO特点

Azurite油田的井口数量不多，在前期评价井钻完后，不再动用钻井船，采用FDPSO和水下采油树的开发模式。由于采用了滚动开发模式，一边投产一边钻井，而且FDPSO为旧船改造，因此大大提前了投产时间。Azurite油田的FDPSO具有如下特点：

n 同时具备钻完井功能、处理和储存原油的能力；

n 采用可搬迁模块钻机，开发初期用于钻完井作业，后期模块钻机可搬迁，大大节约了钻井费用；

n 采用水下采油树+FDPSO+穿梭油轮，不需要依托现有油田和现有的基础设施；

n 采用柔性立管，立管数量不受限制；

n 由旧船体改装而成，前期投资低且建造时间短，油田可提前投产；

n 不需要海上组装，节约海上安装费用；

n FDPSO对水深不敏感，可适用较大的水深范围。

三、MPF-1000

世界第一座新建的FDPSO为MPF-1000，主船体长297米，宽50米，高27米，设计最大工作水深为3000米，最大钻井深度为10,000米，设计存储能力为1,000,000桶原油。。船体中间有两个月池，一个是钻井月池，一个是生产月池。采用动力定位（DP3等级），可在恶劣海况下作业。MPF-1000结合了FPSO和钻井船的功能，并且可以单独设置为钻井船来使用，或者单独设置为FPSO使用。

MPF-1000的特点如下：

n 具有钻井功能和采油、储卸油功能；

n 采用动力定位（DP3等级）；

n MPF-1000采用湿式采油树、混合立管(站立式立管)；

n 有两个月池：钻井月池和采油月池；

n 船体有8个推进器，船首和船尾各4个推进器；

n 钻机的升沉补偿采用天车补偿装置；

n 钻机固定，不可搬迁。

MPF-1000的外形结构见图5。由于各种原因MPF-1000未能找到目标油田，但是目前MPF-1000已被定位为一个钻井船使用(附加测试和早期试生产功能)，目前在钻井市场上寻求作业合同（未交船投入使用），钻井船更名为Dalian Developer。

图5 MPF-1000效果图

四、其他FDPSO相关船型/结构

(1) Sevan 船型

Sevan是一种新船型，为新型圆柱主体浮式结构，这种船型既可以建成FPSO，也可以建成钻井平台，见图6。Sevan船型有比较大的甲板空间和可变载荷，而且可以在较恶劣的海洋环境条件下作业，因此Sevan Marine公司认为该船型也适合用来做FDPSO。Sevan的船型已经成功用于建造多座FPSO和钻井平台，目前还没有用来建造FDPSO。

图6 SEVAN船型(左为FPSO，右为钻井平台Sevan Driller)

SEVAN Driller钻井平台的功能已比较接近FDPSO。Sevan Driller的功能定位是钻井、试油、储油（无油气处理模块，预留原油外输设备空间）。其主要参数如下：

n 钻机参数：一个半井架钻机，最大钩载908t

n 设计环境条件：自存环境条件取北大西洋（北海）百年一遇海况。

n 最大作业水深：3000m

n 最大钻深：12000m(40000ft) 

n 可变甲板载荷VDL：15000t(作业工况)

n 空船重量：28000t

n 排水量：55000t (设计吃水15m时)

n 储油能力：15万桶

n 最大拖航速度：9节

n 设计寿命：20年

n 定位方式：锚泊定位和动力定位

n DP等级：DP-3

n 推进器布置：8个推进器在圆形截面上对称布置

SEVAN平台为圆筒型，抵御环境载荷的能力高于船型，且对于风浪流的方向不敏感，不像船型抵御艏向载荷能力远大于横向。因此不需要根据来流方向调整平台艏向，这一点对于有双月池、既有采油立管又有钻井隔水管的FDPSO比较适用。Sevan船型具有较大的甲板可变载荷和装载能力，横摇和纵摇优于半潜式平台，垂荡运动幅度大于普通半潜式平台，而且Sevan船型的水线面积远大于普通半潜式平台和船比较接近，储卸油对平台的吃水影响不是很大。综合以上特点，Sevan建造FDPSO具有较高的可行性。

(2) 隐藏式立管浮箱(SRV)

美国Novellent LLC公司结合传统FPSO和TLP的优点，提出将带有钻井功能的隐藏式立管浮箱SRV(sheltered riser vesse1)技术应用于FPSO，以适应西非2500 m深海域的特殊环境。其中，SRV设计理念的功能类似于TLP，利用紧绷状态下的立管产生的拉力和上部浮箱的剩余浮力获取平衡[8]，见图7。

图7 SRV-隐藏式立管浮箱示意图

SRV的主要特点如下：SRV位于FPDSO船体甲板中央的月池中，采用了月池外加防护板的保护措施，减少了环境载荷对它的作用，也基本不受FPDSO船体运动的影响，使得垂荡运动大大减少；SRV能为立管系统提供足够的张力，满足极端深水情况下干式完井采用所必须的各种要求，有利于深海钻井采油作业的实施；SRV与FPDSO船体相互独立，彼此通过活动装置连接，其立管的张力荷载不会对PFDSO船体的载荷产生影响，而FPDSO船体的纵摇和横摇运动，特别是垂荡运动也基本不会造成SRV立管张力的改变。

(3) 张力甲板(TLD)

SBM公司提出了FDPSO-TLD的概念，将FPSO和DCU(Dry Completion Unit)结合，可以实现干式采集。TLD是在FPSO中建造一个月池，月池中放置一个钻井甲板，甲板下面受张力腿的拉力，甲板上面通过钢丝绳和滑轮连接到配重上，钻井甲板类似小TLP平台。钻井系统的主要设备布置在TLD上，BOP和采油树也在TLD上。FDPSO-TLD结构见图8。

图8 FDPSO-TLD结构示意图

SBM公司于1998年在MARINTEK水池进行了原理性水池实验，证明其有较好的抑制运动效果。国内大连理工大学也对FDPSO-TLD这种设计进行过数值模拟和原理样机试验，证实这种装置能够大幅减小船体运动对张力甲板的影响[9, 10]。

五、FDPSO的不同应用模式

(1) 早期试生产系统

早期试生产系统以钻井功能为主，附加采油功能和不太强大的储油功能，FDPSO不在一个位置长期生产。在深水油田开发的早期，宜采用钻井为主的早期试生产系统，因为钻井发现油气后，可迅速利用FDPSO进行早期试生产，不需要复杂的海上设备安装，可在早期获得资金回报，为将来进一步开发获得信息，可以灵活调整开发策略。

 (2) 油田分阶段开发模式

油田分阶段开发模式是在一个大油田的多个区块或者多个邻近的油田滚动开发，通过钻井平台在第一个油田/区块完成勘探和评价，发现油气后利用FDPSO钻开发井，并且利用FDPSO进行生产。通过钻井平台在第二个油田/区块完成勘探和评价，发现油气后还用这个FDPSO钻开发井及采油，第一个油田/区块的油气可通过海底管道回接到FDPSO上，依次类推，可完成多个邻近油田的滚动开发。

以下几种情况可采用油田分阶段开发模式：一是油藏条件尚不完全明确，但是现有发现已可以支撑油田开采；二是深水边际油田；三是油田具有多个钻井中心，将FDPSO布置在油田的主力油藏中心，其他井口中心回接到FDPSO。

(3) Azurite油田模式

Azurite油田为目前唯一成功采用FDPSO进行开发的油田，因此本文单独将该油田的FDPSO应用模式分成一类。

Azurite油田FDPSO的主要特点如下：采有旧船改造，可降低初期投资并缩短建造周期短，使油田能够尽快投产；租赁可搬迁模块钻机，进一步降低初期的一次性投资；采用多点锚泊定位，长期固定(不需要解脱)；钻井完成后将模块钻机搬迁走，成为一个FDPSO。

六、应用模式的选择

深水油气总田开发方案必须考虑的因素非常多：油藏规模和油品性质、井口数量、钻完井方式、投产时间、开采周期、干式/湿式采油、是否注水、水深、环境条件、工程地质条件、原油输送方式、离岸距离、可依托设施、施工建造和海上安装能力等等。只有综合考虑以上因素，才能确定FDPSO是否适用目标油田。

目前，我国南海深水海域处于开发的早期阶段，对于油藏的具体情况了解不充分，这种情况下比较适合对有一定发现的区块进行早期试生产，然后逐步滚动开发，较适合采用FDPSO作为生产装置——既有钻井功能又有采油、储油功能，有可能大幅降低油田初期开发费用，及早投产及早回收投资。但是采用FDPSO也存在一些制约因素[11]：

首先，FDPSO应用很少，技术还不够成熟，深水油田开发有其他比较成熟的开发技术，选择FDPSO作为南海深水开发方式具有一定的技术风险。

其次，FDPSO与FPSO类似，是一种长期在固定位置系泊的浮体。南海环境条件比较恶劣，夏季热带风暴多发，冬季季风频繁，在这种海洋环境条件下，FDPSO采用系泊定位有一定困难。特别是目前已投入使用和已建造的FDPSO均为船型，要抵御台风这样的极端环境条件很困难。

再次，FDPSO配置多种设备，但是由于钻井设备、采油设备或者存储装置可能会长期闲置，设备利用率低于比单一功能平台，可能造成设备浪费、经济性下降。

最后，目前深水半潜式钻井平台和钻井船已经不像2006年那样难以获得，而且随着海洋石油981建成投入使用，我国深水钻井装置缺乏的局面得到缓解，因此采用FDPSO的需求没有西非Azurite油田那么急迫。

七、小结

(1) FDPSO作为一种新型的深水油田开发装备，具有功能灵活、开发油田风险小、适合早期投产以及深水边际油田滚动开发等特点，具有较好的应用前景。

(2) FDPSO前在世界上的应用刚刚起步，对于FDPSO的参数配置、功能设置、适用条件等还需要进行详细研究。

(3) 目前FDPSO主要有5种类型可以考虑：Azurite 油田FDPSO，MPF-1000，FDPSO-SRV，FDPSO-TLD，SEVAN船型的FDPSO，其中前两种类型有实际建造，只有第一种类型得到应用，其他类型还都在研究中。

(4) FDPSO有多种应用模式，早期试生产系统、油田分阶段开发模式、西非模式等，不同应用模式，FDPSO的功能有所侧重，适用不同的油田开发情况。

(5) 南海的环境条件远比西非的环境条件恶劣，不能照搬第一座FDPSO的设备配置，必须针对具体情况进行设计。目前，FDPSO仅用于西非海域，能否在我国南海深水油田开发中得到应用，还需要从根据油田的实际出发，从技术可行性、经济可行性、安全可靠性等方面做深入研究。

参考文献：

[1] L. Poldervaart, J. Pollack. A Dry Tree FPDSO Unit for Brazilian Waters. OTC 14256, 2002

[2] W.David Harris, Harry J.Howard, Kenneth C. Hampshire, etc. PDPSO: The New Reality, and a Game-changing Approach to Field Development and Early Production System. OTC 20482, 2010

[3] Harry J.Howard, Kenneth C. Hampshire, Jeffrey A.Moore, etc. Azurite Field Development: Lessons Learned From Industry’s First PDPSO. OTC 20484, 2010

[4] Kenneth C. Hampshire, Byron J.Eiermann, Mark P.Andrews, etc. Azurite Field Development: FDPSO Design and Integration Challenges. OTC 20489, 2010

[5] Kenneth C. Hampshire, J.Greg Noles, Albert Kachich. Drilling from an FDPSO: A Two-Stack Approach. OTC 20491, 2010

[6] Ralph K.Brezger, Wilsion Rodriguez, Jianlin Cai, etc. Flow Assurance Operability Challenges, and Artificial Lift for the Azurite Field Development. OTC 20492, 2010

[7] Ralph K.Brezger, Mike Estorffe, Kevin Cooper. Three Kings and One Castle – Operational Challenges of the Azurite FDPSO. OTC 20496, 2010

[8] 陈矗立, 范菊, 尤云祥. 深海新型浮式生产钻井储油系统运动分析. 船海工程, VOL.36(4), 2007

[9] 雷松, 张文首, 岳前进, 等. FDPSO-TLD原理样机的试验设计[A]. 第19届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅲ册)[C], 2010年

[10] 雷松, 张文首, 岳前进, 等.  FDPSO张力系统的非线性动力分析. 中国造船, VOL.51(3), 2010, 138-144

[11] 刘健, 王世圣, 殷志明. FDPSO的应用模式分析. 第十届石油钻井院所长会议论文集. 2010

本文研究由国家重大专项“海洋深水油气田开发工程技术”项目26（2008ZX05026-06）资助。

第一作者简介：刘健，男，1973年12月生，2005年毕业于中国石油大学(华东)，获得机械设计及理论专业博士学位，目前在中海石油研究总院工作，主要从事海洋钻采装备方面的研究，职称为工程师。

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