你所不知道的海上油气工厂 — FPSO (知识量巨大、烧脑、慎入!)


发布时间: 2015-11-18 关注度: 5757

       石油是推动经济发展的血液,全球每天的消耗量高达8000万桶。近10年来新发现的油气田60%位于海上,预计未来全球油气储量40%都将集中于深海区域。随着海洋油气开发逐渐向深海、远海发展,铺设长距离油气回输管线的成本越来越高、风险也越来越大……解决这一难题最有效的途径就是在海上建设油气加工厂——FPSO!



< 海上油气加工厂FPSO >


       一、FPSO是什么?

       1.概念

       FPSO(Floating Production Storage and Offloading)是集生产、储油、卸油为一体的海上浮式生产储卸油装置。以我国HYSY117为例,它每天可以处理原油19万桶,处理能力相当于占地10平方公里的陆地油气加工厂。


△海洋石油117


       2.结构

       FPSO由两大部分组成:上部组块和船体,上部组块完成对原油的加工处理;而船体负责储存合格的原油。


△上部组块和船体部分


       3.分类

       根据系泊方式不同可将FPSO分为两大类:多点系泊和单点系泊。


△多点系泊系统

△外转塔单点系泊系统

△内转塔单点系泊系统

△软钢臂单点系泊系统


       二、FPSO的特点

       1.如何工作的?

       FPSO通过海底输油管线接收来自海底油井的油、气、水等混合物,之后混合物被加工处理成合格的原油和天然气。合格产品被储存在船舱中,达到一定量后经过原油外输系统,由穿梭油轮输送至陆地。


△海上油气生产过程


       2. FPSO优势

       与“生产平台/水下生产系统+海底管道”的开发方案相比,“FPSO+生产平台/水下生产系统+穿梭油轮”的开发方案具有诸多优势:

       1.油气水生产处理能力和原油储存能力强;
       2.机动性和运移性好,可实现快速移动;
       3.浅海、深海均适用,抗风浪性能力强;

       4.灵活应用,不仅可以与海上平台配合,还可以与水下生产系统组合,形成完整的全海式开发体系。



       三、FPSO的发展情况

       1. 发展历程

       (1)1977-1985:1977年,壳牌将一艘油轮改装成世界上第一艘FPSO,并用于地中海卡斯特伦(Castellon)油田的开发。

       (2)1986-1994:8年间总共布置了20艘FPSO,这种开发理念得到了更广范围的认可和应用。

       (3)1995-今:FPSO在海上油田更大范围应用。截至2011年12月1日,全球已有187艘FPSO投入运营。


△浮式生产系统发展历程


       2. FPSO分布情况


△FPSO全球分布情况(数据来源:2011年全球及中国FPSO行业研究报告)


       在全球各大石油公司中,CNOOC拥有18艘FPSO(其中一艘目前在印尼作业); Petrobras拥有16艘并计划再新建8艘;Total拥有6艘并计划再新建5艘。



< FPSO是如何建成的? >


       一艘新的FPSO一般由旧油轮改装和新建两种方式获得。目前全球运营的187艘FPSO中,改造占了60%。



       由旧油轮改装而成的FPSO成本较低,适用于浅海和边际油田开发。但更多综合因素决定了FPSO的选型,随着越来越多深海及超深海油田的不断发现,旧油轮改装的方式将难以适应,新建FPSO符合未来市场的发展需求。

       一、哪些企业能够建造FPSO?

       韩国、新加坡、中国和巴西已经形成了“FPSO四强”的格局。目前中国有11家造船厂具备建造FPSO的能力、韩国10家、新加坡19家、巴西16家。



       虽然中国和巴西两国的FPSO建造规模突出,但相对而言新建FPSO的核心技术还是更多的掌握在韩国和新加坡造船企业手中。

       韩国的著名生厂商有三星重工、大宇造船和现代重工。


△三星重工、大宇重工、现代重工三家企业占据了全球FPSO新建市场的82%。


       新加坡拥有吉宝船厂、胜宝旺船厂。


△吉宝船厂、胜宝船厂两家企业占据全球FPSO改造市场的67%


       巴西建造FPSO的船企有16家,业务主要依托巴西国家石油公司(Petrobras)。由于自身的实力有限,目前巴西国内主要的几家海工装备制造企业均与外资合作,还需要依赖国外公司的技术支撑。


△巴西主要船企有吉宝巴西船厂、Atlantico Sul船厂(EAS)、EEP、裕廊Aracruz船厂以及Rio Grande船厂


       中国FPSO的设计主要由船舶工业集团708研究所承担,虽然国内有一批建造能力较强的船厂,例如:外高桥造船厂、沪东船厂、江南造船厂和大连新船重工船厂、山海关船厂等,但是FPSO的核心部件(主发电机、大型流量计、中央控制系统设备、惰性气体发生器、单点等)仍然依赖进口。


△FPSO内转塔单点系统


       二、建造步骤

       下面以HYSY118为例,详细介绍FPSO的新建过程。


△3D效果图


       1.根据油田开发方案设计图纸(专业定制~)



       2.切割钢材



       3.船坞铺设支墩



       4.铺底(吊装船底模块)



       5.大规模吊装合拢



       6.安装上部模块



       7.同时进行船体合拢和上部模块的安装



       8.刷漆并进行设备的调试和舾装



       9.放水入船坞



       10.驶出船坞



       11.设备安装调试



       12.拖航(大部分FPSO没有自航能力,需要通过拖航到达指定海域)



       13. 单点对接“海洋石油118”号成功完成对接


△FPSO与内转塔浮筒完成对接


       三、固定FPSO的方案

       1.FPSO的系泊方式目前FPSO的系泊方式分为两类:多点系泊和单点系泊。



       多点系泊系统:

       通过多个固定点用锚链将FPSO固定,能够阻止FPSO横向移动。但该方式只适用于海况较好的海域。



       单点系泊系统:

       就是将FPSO固定在海上单个系泊点处。在风、浪和海流的作用下FPSO会以单点系泊为中心进行360°旋转,这样就大大减少了海流对船体的冲击。目前单点系泊方式被广泛应用。



       单点系泊系统又分为转塔和软钢臂系泊系统。其中转塔系统分为六种:


△6种转塔系统


       这里我们简要介绍常用外转塔和内转塔。

       A. 外转塔系泊系统



       转塔位于船体外部。

       B. 内转塔系泊系统



       有两种方式:永久式和可解脱式。

       可解脱式:在极端恶劣海况下可以迅速解脱,更适合海况恶劣区和冰区。

       C. 软钢臂系泊系统



       由导管架、旋转接头、系泊铰接臂以及FPSO上的支架组成,通过导管架固定于海底,常用于浅水区域。

       2.锚链加固方式无论哪种系泊方式,FPSO在对接前都要将系泊装置与海床固定。一般采用锚链加固,固定方式分为以下5种:
       (1)重力锚
       重力锚可以重达上百吨,依靠重力固定。

       (2)拖拽嵌入式锚

       拖拽嵌入式锚可以深入海床,实现固定,它是目前最常用的固定方式。

       (3)桩锚

       在海底打一根桩,锚链与其连接实现固定。


△桩锚


       (4)吸力锚

       通过吸力泵吸入海床,实现固定。 
       (5)垂向荷载锚

       是最新的固定方式,它可以嵌入海床更深。



======补充 | 知识======


       下图为南海奋进号通过单点解脱的方式分离,FPSO被拖回船坞进行维修。


△单点解脱过程


< FPSO的工作流程 >


       一、总体生产流程

       FPSO长期系泊于固定海域,是全海式油气开发方案的重要组成部分,它可以为海上油气田提供外输电力,接收并处理采出的油气水等混合物,处理后的原油储存在船体内,达到一定量后外输至穿梭油轮。


△通过海底生产系统采集原油

△油气水分离装置及分离过

△油气水分离装置及分离过程

△经过处理的油气储存在油舱中

△合格原油外输至穿梭油轮


       二、关键环节
       1. 水下生产系统

       深水油气田开发,往往会使用水下生产系统。它主要包括水下井口、水下采油树、海底管汇及跨接管、脐带缆、海底增压与分离设备、控制监测设备、生产立管等。水下生产系统将采出的油气输送至FPSO。


△脐带管结构


       2.油气处理系统
       FPSO的油气处理系统与陆地上原理大体相同,包括油、气、水分离系统、计量系统、污水处理系统和天然气处理系统等。

       (1)分离系统

       生产出的原油往往伴随大量的水,尤其在油田开发后期,含水量甚至高达90%。水不仅增加了储存、运输成本,还会对管道与储存设备造成腐蚀。因此必须对原油进行脱水处理,外输原油标准是含水量低于0.5%。


△油气处理系统(布局非常紧凑)


       (2)污水处理系统

       油气脱水处理后会产生大量的工业污水。污水需要经过处理才能排放或回注,我国排放的水质要求是:渤海标准:含油量小于 30mg/L;南海标准:含油量小于 50mg/L。


△油田注水

△外排


       对于海上难以处理的污水,会选择运回陆地。

       (3)天然气处理系统

       天然气往往会伴随原油一起产出,当天然气产出量特别大的时候,会选择将净化的天然气压缩存储。也有些FPSO会利用这些天然气发电。

       3.储存系统

       处理好的合格原油储存在FPSO的船舱中,船舱中存在若干个独立的油舱。FPSO依据船体结构可分为单壳和双壳。单壳往往是由油轮改造而成,新建FPSO往往是双壳的,具备更强的安全性。


△双壳船体结构


       4.外输系统

       当原油达到一定储量后,FPSO会通过原油外输系统将原油外输至穿梭油轮中。


△海洋石油118卸油作业


       FPSO卸载系统包括卷缆绞车、软管卷车等,用于连接和固定穿梭油轮。FPSO卸载原油方式:并联卸载和串联卸载。
       (1)并联卸载

       油轮和FPSO并排系泊方便作业,但是距离较近容易发生碰撞。经验表明,平均波高小于1.5米时,可以采用该种方式卸载原油。



       (2)串联卸载

       FPSO和油轮采取前后停靠的方式。一般距离在50-100米。串联卸载安全性高,但存在传输距离远,作业难度大等困难。串联方式卸油时,为了确保FPSO和油轮保持足够的安全距离,常常采用拉紧式钢缆系统。



       当油轮与FPSO以艏艉相接的方式授油时,辅助拖轮反方向拖拽油轮,使钢缆张紧,保持油轮与FPSO的距离。


△外输油管

=====补充 | 知识======


       由于各个油舱是独立的,卸油时船体的重力会发生改变。为了保证船体的稳定,系统会通过调节船舱压载来保持平衡,与此同时,海底锚链连接配重块也可以起到调节作用。
       三、FPSO如何运营?

       油田开发过程中石油公司会自行购买或者租赁FPSO。租赁的方式有两种:一是只租船舶;二是总包运营商租赁。全球187艘运营中的FPSO,运营商运营的有108艘。



< FPSO发展趋势 >

       一、中国FPSO情况
       作为开发海洋石油的关键设备,FPSO不仅在设计、建造与安装技术上反映出一个国家的工业水平,而且其“自成一体”的规模化和专业化也在相当程度上体现了一个国家的海洋工程综合实力。
       我国FPSO产业起步较晚,1986年北部湾油气开发首次采用了FPSO。
       1989年自行设计、建造了第一艘FPSO“渤海友谊”号。
       1990年后,建造了“南海发现”号、“南海开拓”号和“南海胜利”号。
       2009年3月我国第一艘完全自主设计、建造的30万吨级FPSO“HYSY117”号在蓬莱19-3油田投入使用。

       目前为止,CNOOC共拥有18艘这样的海上钢铁巨无霸,是世界上拥有FPSO最多的石油公司之一。自北向南,分布于我国广袤的海域中,支撑着我国海洋石油75%-80%的产能。



       其中11艘是由我国自主研发的,建造成本仅为国外同等规模FPSO的70%-80%。

       下面让我们一起去检阅CNOOC的FPSO船队吧!



       昨天石油课堂的小伙伴们从南海胜利号现场传回照片,这里感谢李省吾O(∩_∩)O



△南海胜利号工作场景


       二、新型FPSO

       1. FPDSO
       FPDSO(Floating Production Drilling Storage Offloading )是由瑞士SBM公司最先提出,将钻井模块并入FPSO装置中,在FPSO的中部开口,增设张力腿钻井甲板,用张力筋腱将钻井甲板系于海底,采油树及防喷器均置于钻井甲板上。这样就既可用于钻井、采油,又能进行生产处理及储运。



       2.LNG FPSO
       LNG FPSO集液化天然气的生产、储存与卸载于一身,简化了海洋天然气的开发过程。LNG FPSO采用单点系泊系统。海底管道通过柔性立管连至系泊系统,开采的天然气由井口平台经单点输送至船上,经过上部模块液化处理后,储存进液舱内。目前LNG市场被普遍看好,LNG FPSO有巨大的市场潜力。


△概念型FLNG

< 概念型 LNG FPSO >



       3.圆筒型FPSO圆筒型结构减少了普通船体艏部和艉部的纵摇,整体更加稳定,这样就可以省去转塔部分。但是也存在垂荡运动幅度较大等缺点,目前在国内并未广泛应用。



       4.SDPSOSPAR Drilling Production Storage Offloading(SDPSO),干树SPAR钻采储运平台是基于传统的SPAR平台,同时集钻、采、储、运功能为一体。同时具有钻完井和干树采油能力、超大储卸油能力(50万桶以上)的浮式生产设施,适用水深范围广,总体运动性能好,但造价高昂。



       三、低油价下FPSO产业展望
       2014年下半年起油价断崖式暴跌,加之近十年来,全球航运市场运力增速一直高于运量需求增速,导致了海工装备市场上演冰火两重天。
       面对市场的低迷、油价的持续下跌,以及国际市场的激烈竞争,企业交船难、融资难、盈利难、转型难等问题异常突出。除了市场的萎缩,FPSO的自身安全性也备受关注。今年巴西国油"Cidade de Sao Mateus"号发生爆炸,造成9人死亡。面对这样的“内忧外患”,当下的FPSO市场如何在风浪中砥砺前行?



       尽管短期市场遭遇严冬,但长期市场依然令人鼓舞。
       据权威机构预测,从2015至2019年,全球FPSO订单量将达到190艘、总价达600亿美元。在浮式液化天然气(FLNG)方面,作为当今全球的能源热点,LNG已成为增长最快的一次能源。预计从2015到2021年,全球用于FLNG船的资本支出将达到355亿美元。与此同时,用于浮式储存和再气化装置(FSRUs)的支出将达到228亿美元,整个FLNG市场的总支出达到583亿美元。



       目前看来,中国FPSO产业的发展机会在于全球化!想进一步加入海外市场的竞争,不仅要尽快掌握具有自主知识产权的核心技术,更重要的是要学会合作、进而实现共赢。未来随着国家“一带一路”战略引领和“中国制造2025”规划的落地实施,中国的FPSO产业的国际化道路也必然迎来前所未有的发展机会,我们坚信业界同仁们一定能够砥砺前行!
       长风破浪会有时,直挂云帆济沧海;
       甲子新篇酬壮志,云乘千里更扶摇!
       向前、向前!

       本文鸣谢:

       海油发展采油服务公司 董广河经理


======延伸阅读======



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