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单点的技术起源

作者: 浏览数:正在读取 更新时间:2008-03-20

1    油运需求
  世界上第一口油井是1859年在美国宾夕法尼亚州发现的。石油海上运输是第一口油井间接引起的。从1950年至2000年间,以下三个原因造成了石油运输量的快速增长:① 世界能源需求量增长了数倍;② 原油作为主要能源来源来满足这个需求;③ 产油国与石油消耗国之间的不平衡。
  从19世纪后半叶石油工业的发展开始,直到第二次世界大战的结束,石油的海上运输一直使用当时现成的港口码头,而所有的运输船舶的载重吨都没有超过17,000吨。然而,石油运输的不断增长导致了吃水深的大型油轮的应用。而大型吃水深的油轮的应用主要由以下因素引起的:① 经济因素是主要起因,当油轮大小由2万吨增长到20万载重吨时,吨油运输费用迅速下降;② 吃水深的大型油轮较吃水浅的油轮每吨运输能力的建造费用更经济;③ 1973年9月原油危机引起燃油的急剧增加就大型油轮和小型油轮比较而言,对吨油运输成本的冲击较小(可参考“卡彭特,1975”资料);④ 高强度钢和自动焊接技术的应用允许建造大型油轮;⑤ 在1966年吃水线会议上,作为推荐项目,对大型船舶允许减少干舷高度。
  大型油轮的建造变成事实已不可逆转,由此又引起了与之相配套的港口码头设施的问题,当时现有的码头设施仅适应于通用船舶(16,500 ~ 24,999DWT)靠泊,无法提供合适的泊位来靠泊20万载重吨的大型油轮。事实上,在现有码头设施的基础上扩展以适应大型油轮VLCCs(160,000 ~ 320,000 DWT)的靠泊要求也被证明是不现实的和不经济的。此,必须另想办法去解决这个问题,从事这一方面研究的专家学者们又开始了新的探索和尝试。
2    海洋石油开发
  地球表面面积为5.1亿km2,海洋占70.8%,即3.62亿km2。由大陆架、大陆坡和大陆隆三部分组成的大陆边缘占海洋总面积的25%。大陆架一般指由陆地向外延伸到水深200m左右的海域;大陆坡由大陆架向外延伸到水深2500m处;大陆隆则由大陆坡再向外延伸到4500m水深。据专家估计,大陆边缘含有的油气潜在资源占海底总的油气资源的99%,而深海海底沉积中只占1%。海底油气资源的存在是海洋石油得以发展的前提。
海洋石油开发是陆地石油开发的延续,经历了一个由浅水到深海、由简易到成熟的发展过程。1897年在美国加利福尼亚海岸萨姆兰德的地方,为了开发由陆地向海里延伸的油田,从防波堤上向外搭建了一座木质栈桥,在上面安上钻机打井,这是世界上第一口海上油井,它拉开了海洋石油开发的序幕。到1900年共钻了数十口这类的井,井位离岸仅90~150m。1920年委内瑞拉在马拉开波湖发现油田,油田水深3.5 ~ 4.3m,采用木结构平台钻井和采油,原油通过管线输送到岸上处理。1930年,前苏联在里海发现油田,采用人工岛的方式钻井和采油,并建造长堤,铺设管线,将油气送到岸上,在里海共陆续建造了45个人工岛及135km的长堤。从1897年到20世纪40 年代初,是海洋石油开发的初始阶段,采用的是土木工程技术,主要工程设施是木结构平台和人工岛,只能在近岸的海边和内湖采油。
  第二次世界大战结束后,世界经济复苏,海洋石油也获得发展。
  1947年美国在墨西哥湾建造了世界上第一座钢结构固定平台,它由6个导管架组成,水深6m。钢平台具有安全可靠、施工方便、适应水深大等优点,所以在海上油田开发中很快就取代了木结构平台。
  1955年美国在墨西哥湾的第一个大型海上油田投产。该油田离岸64km、水深12m,共铺设有75km的管线,可把原油直接送到岸上。
  1966年海上第一艘浮式生产储油轮(Floating Production Storage Unit,FPSU)在墨西哥湾投入使用,它和一个称作单点系泊的装置以及原有的3座固定平台一起,组成一套浮式生产系统。原油经海底管线和单点系泊装置送到储油轮上进行处理和储存。这艘储油轮是用旧油轮改造的,排水量为7166 吨;该单点系泊装置的浮筒直径为7.3m,用4根锚链固定在入泥6m的锚桩上。同年,波斯湾的法特油田也投产,它采用的是世界上第一个大型海上集输装置,有3座海底油罐,总储量为30万吨,可同时给两艘穿梭油轮(shuttle tanker)输油。
为了能在更深的水域采油,海洋石油生产技术也发展迅速。到20世纪70年代,在大陆架海域开采油气所需的复杂技术已基本解决,并在实践中得到应用。最有代表性的大陆架海域是北海,那里海况恶劣,风速高达39m/s,波高30m,而且恶劣天气延续时间很长。为了缩短生产设备在海上安装时间,研制了一种新的重力式平台,它不必打桩,靠其自身重量固定在油田位置上。这种重25~35万吨的混凝土平台是在深水港预制好后再被拖到安装地点灌水下沉的。该结构物还可以用于储油,以保证油井能连续生产。为适应恶劣海域的作业,还发展了半潜式新型铺管船,解决了铺管难题。
  在20世纪70年代,还开展了针对大陆坡开发的大量研究试验工作。这时由于导管架式固定平台建造已是成熟技术,而且在平静海域使用可达300m水深,已接近它的经济界限,因此提出了一些新的平台概念。研究的重点是带柔性钢缆的塔式平台和张力腿平台,它们可望在600m水深海域经济有效地使用。此外,还开展了海底生产系统包括海底支架和油田标准设备等部分的研究。它们有的已经在浅水中安装试用,研究目标是要能在1500m的深水中使用。
  海洋石油的发展直接导致了海洋技术、设备的更新和应用,特别是对海洋系泊设施提出了新的、更高的要求,促进了单点系泊技术的开发和应用。这就是单点系泊系统的原始推动力。

3    储油轮的使用
  随着海洋石油的开发不断深入与扩展,为解决海洋石油开发出现的新问题,一些精明的经营者开始改装用廉价购买来的旧油轮作为储油轮,并把它与水下油田开发完井系统组合成为一套单独的水下生产及转运系统,从而降低生产成本。这种具有采集、储运和中转功能的系统对那些位置偏远的边际油田,开采寿命短的油田以及需要加快开发进程的油田的开发都极具吸引力。这类系统的研制成功,揭开了单点系泊技术在海洋石油开发上的应用的序幕。

4     第一个专利:浮动支持式海上终端
  1952年11月,一位名叫Laurent H.J Brackx 的船长在美国纽约申请了一个专利,提出了在海上建设供船只或水上飞机系泊和加油的设施。 这个专利首次提出了以浮筒作为浮动码头,供船只系泊并通过连接的管线进行加油的概念,并画出了详细的浮筒及系泊系统的结构流程图。这个设计被认为是后来IMODCO 公司所设计的单点的雏型。1956年12月27日,Erwin S. Griebe也在纽约申请了一项专利,这项“浮动支持式海上终端”的专利设计也有它的特点:供船只系泊用的浮筒底部有一个开放式的“月池”(Moonpool),进一步加强了浮筒的稳性。这种设计被视为后来Shell公司单点的先驱。
  实际上,上述两人早在1932年都提出了海上加油设施的设想,但同样都面临着一个问题:如何通过一个旋转接头传输有一定压力的流体。1932年,法国人申请了一项海上飞机加油的设施专利:在一艘船的桅杆端部安装一个旋转接头,与之连接的软管盘卷在绞车上,可收可放,飞行中的飞机拾取软管并与之连接后,当飞机围绕供油船盘旋时,即可实现加油。1939年,一个英国人发明了使用锚链将几个浮罐连接起来为储油罐的方法;1944年有人在瑞典注册了一个专利:将输油线穿过一个浮筒的中心再通过一个旋转接头与系泊在浮筒上的船只连接。

5    军用转民用的单点技术
  以上这些理论和设想都为第一套悬链式锚腿系泊装置的诞生铺平了道路。1958年,由IMODCO公司设计的世界上第一套CALM型单点系泊系统成功地安装于瑞典达拉罗港。这个单点是为瑞典皇家海军研制的,用于军舰的海上加油。该浮筒直径 4.5m,由四根锚链对称固定,重60吨,可以系泊DWT在3,000吨的舰船。
  这套“海上加油站”的诞生,预示着石油海上运输中转的历史将发生根本性的变革。
第一套单点系统先是作为军事设施使用,之后不久则被迁移并改为民用。经过一段时间的理论研究和实践验证并不断完善之后,IMODCO公司提出了一整套完整、成熟的单点系泊系统的设计方案。现代的单点系泊系统基本保留了这个方案的轮廓,如海底管线,水下软管、浮筒、漂浮软管、系泊缆等几大部分清晰可分。

6    技术的关键部位:PDU
  历史证明,那个允许带有一定压力的流体通过并能360°旋转而不泄漏的部件的成功设计,是直接推动单点系泊技术发展的关键。这个部件就是今天所称的“产品分配器”(Production Distribution Unit),简称PDU,或称之为Swivel“旋转接头”。
  它的出现毫无疑问使单点设计的核心问题迎刃而解:油轮系泊在一个浮筒上,在风、流、浪的合力作用下,所系泊之船舶可以围绕浮筒作360°旋转,使所系泊之船舶时刻处于系泊力最小的状态,而船舶上的油气产品可以通过软管、PDU进行不间断输送。
  正是在上述内部因素和外部环境要求的共同作用下,单点系泊系统的研究、开发和应用不断推向新的高潮。