深海立柱式平臺概念設(shè)計及水動力性能研究.pdf

1、隨著陸上石油資源的日趨枯竭,油氣資源開發(fā)正在不斷地向海洋發(fā)展。此外,世界上除了少數(shù)海域外,大部分地區(qū)的近海油氣資源也已經(jīng)不能滿足增長的需求,因此,油氣資源開發(fā)向深海發(fā)展已成為必然趨勢。隨著開發(fā)水深的增加,出現(xiàn)了許多淺海中未曾出現(xiàn)的問題,簡單沿用淺海開發(fā)技術(shù)已難以滿足要求。在這種情況下,各種適應(yīng)深海環(huán)境的新型平臺不斷涌現(xiàn)。1996年出現(xiàn)的立柱式平臺(Sparplatform)就是其中最新一代已獲成功應(yīng)用的深海平臺。Spar平臺概念是從張力

2、腿平臺發(fā)展而來的,主要具備以下特點:主體吃水很深,水線面相對較小,從而有效減少波浪引起的平臺垂蕩;柱體底部裝有壓載使得平臺的重心低于浮心,保證平臺的穩(wěn)性;與其他深海平臺相比,Spar平臺的系泊系統(tǒng)投資成本降低一半左右。以上特點使Spar平臺成為當今國際海洋工程領(lǐng)域的研究熱點之一。自1996年誕生之日起,Spar平臺已發(fā)展了三代,分別為:傳統(tǒng)Spar平臺、桁架式Spar平臺和多柱式Spar平臺。Spar平臺作為世界深海油氣開發(fā)的流行設(shè)施之

3、一,也是我國今后深水海域油氣勘探開發(fā)系統(tǒng)裝備的重點選擇目標。國內(nèi)目前對于Spar平臺的研究還處在起步階段,研究對象大部分還是集中在國外已有的Spar平臺概念及其局部結(jié)構(gòu)的特性上,研究方法也多半局限于數(shù)值模擬計算。從長遠發(fā)展深海Spar平臺的角度講,急需開展新型Spar平臺概念設(shè)計及其水動力性能等方面的理論計算和模型試驗研究,從而為將來進一步開展平臺的詳細設(shè)計、建造以及在油氣開采中實際應(yīng)用這一新型平臺提供豐富的技術(shù)儲備。本論文為國家自然科

4、學(xué)專項基金項目“深海平臺的動力特性研究”以及上海市科委重大基礎(chǔ)研究課題“深海單柱式平臺關(guān)鍵動力特性的理論與實驗研究”的一部分。論文的主要研究過程分為三個階段。第一階段:新型Spar平臺概念及設(shè)計研究。首先,論文在充分調(diào)研國外已有Spar平臺相關(guān)技術(shù)資料及研究成果的基礎(chǔ)上,結(jié)合已投入生產(chǎn)的三代Spar平臺的特點,提出了一種新型的Spar平臺概念——多柱桁架式立柱平臺(Cell-TrussSparplatform)。通過設(shè)置桁架和垂蕩板,使

5、Cell-TrussSpar平臺能具有桁架式Spar平臺良好的垂向運動性能,以及較小的水平拖曳力系數(shù)等優(yōu)點;同時,在硬艙的建造方面,通過多柱式的設(shè)計降低建造難度和成本,并且希望多柱式的結(jié)構(gòu)能有利于減小平臺主體的渦激運動。接下來,在這一新概念的基礎(chǔ)上,根據(jù)不同海域的環(huán)境條件以及不同油氣田的開采需求,論文設(shè)計了三座具體的Cell-TrussSpar平臺,分別為:Cell-TrussSpar-I型平臺、Cell-TrussSpar-II-A和

6、II-B型平臺。三座平臺的主要區(qū)別是,I型平臺采用濕式采油樹,平臺內(nèi)部無中心井,硬艙結(jié)構(gòu)只提供浮力,平臺直徑相對較小,建造和安裝成本相對較低;而II型平臺采用干式采油樹,硬艙內(nèi)部設(shè)置中心井,可以安裝浮力罐支撐的頂端張緊立管,平臺直徑相對較大,開采能力較強。II-A型平臺的中央圓柱體延伸到了平臺底部的軟艙,目的是為了保護硬艙下部的立管;而II-B型平臺則考慮到在海流比較嚴重的海域,中部的桁架結(jié)構(gòu)能有效減小作用在平臺主體上的流載荷。結(jié)合具體

7、的設(shè)計條件,論文中給出了Cell-TrussSpar-I型平臺的設(shè)計實例,完成了包括甲板布置、重量分布、主體尺寸、穩(wěn)性計算以及根據(jù)簡化模型進行的水動力學(xué)初步分析,同時對系泊系統(tǒng)進行了初步的設(shè)計和計算。總的來說,立柱式平臺的概念設(shè)計涉及到兩方面的問題:一是設(shè)計方法、流程以及結(jié)構(gòu)物的形式;二是水動力性能。與船舶以及其它海洋平臺設(shè)計相類似,立柱式平臺的概念設(shè)計思想依然是一個不斷調(diào)整完善的過程。在總結(jié)Cell-TrussSpar-I平臺概念設(shè)計

8、流程的基礎(chǔ)上,本章最后完成了Cell-TrussSpar-II-A和II-B型平臺主體及系泊系統(tǒng)的初步設(shè)計,并給出了主要尺寸。第二階段,Spar平臺水動力性能的研究。本文中,Spar平臺水動力性能的研究共涉及到四座Spar平臺,除了上述三座Cell-TrussSpar平臺概念外,作為Spar平臺水動力性能的前期研究工作,論文對一座合作研究的幾何形立柱式平臺(GeometricSparplatform,G-Spar)概念及其配套使用的集成

9、式浮力罐(IntegratedBuoyancyCan,IBC)概念的模型試驗進行了分析。論文首先總結(jié)了G-Spar平臺在三種海況下的運動性能。結(jié)果表明,G-Spar平臺縱蕩、垂蕩和縱搖運動的固有周期遠離海洋環(huán)境中的波浪周期通常較為集中的范圍,波頻運動并不明顯。垂蕩板的數(shù)量對垂蕩運動的影響較為明顯,增加垂蕩板的數(shù)量,垂蕩運動明顯的減小。水平方向上的運動在墨西哥灣百年一遇海洋環(huán)境條件下主要表現(xiàn)為大幅的低頻慢漂運動,相應(yīng)的,錨鏈上的作用力也集

10、中在低頻部分,同時產(chǎn)生較大的譜峰值。盡管長周期涌浪的幅值比較小,但在產(chǎn)生共振的情況下,仍能引起大幅的垂向運動,因此,涌浪的影響不能忽視。在初步研究了G-Spar水動力性能的基礎(chǔ)上,論文接下來對Cell-TrussSpar-I型平臺的水動力性能進行了詳細地分析。分析方法包括時域耦合分析計算,以及基于等效截斷系泊系統(tǒng)的混合模型試驗方法的水池模擬試驗,最后將二者的數(shù)據(jù)結(jié)果加以對比從而總結(jié)出平臺在不同海洋環(huán)境條件下的運動及系泊纜受力的主要特點。

11、研究結(jié)果表明,Cell-TrussSpar-I平臺在三種研究的海況下,水平方向的極值小于水深的10％,垂蕩和縱搖響應(yīng)的極值分別在±3m和±12°以內(nèi)。水平方向運動響應(yīng)的自然周期較長,遠離了波浪頻率通常較為集中的范圍,從而減小了一階波浪激勵,而二階低頻波浪往往能夠引起較大的水平漂移。平臺底部的水平運動幾乎全部由低頻激勵引起,而水線面處平臺的縱蕩則同時包含低頻和波頻的部分。另一方面,平臺主體低頻運動的最小值位于導(dǎo)纜器附近(z≈-70m),有

12、利于減小系泊系統(tǒng)的動力載荷。就整體縱蕩響應(yīng)而言,三種不同海況下,Spar平臺底部的水平運動最小?？v蕩和垂蕩運動的絕對值隨著有義波高的增加而增大。而在一些長周期涌浪經(jīng)常發(fā)生的海域,考慮到垂蕩的附加質(zhì)量的變化,大幅垂蕩共振問題值得特別關(guān)注。針對Cell-TrussSpar-II-A和-B型平臺的水動力性能,本文主要進行了數(shù)值計算研究,采取了時域耦合的分析方法。在不同海況條件下,這種平臺概念均能滿足相應(yīng)的設(shè)計要求,平臺運動性能良好,適合干式采

13、油樹和頂端張緊立管系統(tǒng)的安裝和使用。與Cell-TrussSpar-I型平臺分析結(jié)果類似,Cell-TrussSpar-II型平臺的縱蕩和縱搖主要為低頻響應(yīng),由低頻二階波浪力引起。垂蕩主要為波頻響應(yīng)。在非耦合自然環(huán)境條件下,平臺不同方向上的運動響應(yīng)及系泊纜受力與該方向上的自然環(huán)境條件分別對應(yīng)相關(guān)。對于這類復(fù)雜的海況,平臺運動響應(yīng)的分析尤為值得關(guān)注。此外,對Cell-TrussSpar-II-B平臺而言,首次計算了中國南海東部百年一遇臺風

14、海況下平臺的運動響應(yīng)及系泊力,平臺依然表現(xiàn)出良好的運動性能。在系泊力分析方面,Cell-TrussSpar-II系泊纜的受力包含波頻和低頻兩個部分,分別用來控制縱蕩和縱搖的低頻部分以及垂蕩運動和縱蕩、縱搖運動的波頻部分,頻率關(guān)系對應(yīng)良好?？傮w而言,上述分析結(jié)論表明,Cell-TrussSpar平臺概念滿足相應(yīng)的油氣開采設(shè)計要求,運動性能良好,有利于不同立管和采油樹的安裝和使用。第三階段,耦合作用及垂蕩阻尼板Spar平臺水動力性能的影響。

15、在Cell-TrussSpar-I型平臺數(shù)值計算和理論研究的基礎(chǔ)上,論文歸納了頻域準靜態(tài)計算方法以及時域部分耦合和全耦合方法在分析平臺運動以及系泊力等特性的適用范圍。分析結(jié)果表明,混合模型試驗方法中,對截斷系泊系統(tǒng)的設(shè)計需要進一步考慮深水柔性桿件(系泊系統(tǒng)、立管等)的動力耦合特性。而在數(shù)值計算中,受耦合作用影響的運動和系泊力部分(通常為低頻部分)必須引起足夠的重視。在一些海況下,這一頻率范圍的響應(yīng)往往是造成大幅運動響應(yīng)的原因。在不考慮耗

16、時的情況下,通過調(diào)整一些水動力學(xué)參數(shù)(通常通過模型試驗得到),時域全耦合分析可以得到令人信服的結(jié)論。而對于一些頻域響應(yīng)占主要部分的運動和系泊纜受力,例如垂蕩運動以及預(yù)張力較大的半張緊系泊纜軸向力,還有在西非極限波浪海況下的運動,頻域計算以及時域半耦合分析能更快捷地得到相關(guān)的統(tǒng)計值,在平臺初步設(shè)計時,這一結(jié)論有助于提高設(shè)計效率。論文接下來通過模型試驗,初步研究了不同數(shù)目和形式的垂蕩阻尼板對平臺垂蕩運動性能的影響,得到以下主要結(jié)論:在立柱式

17、平臺桁架部分安裝垂蕩板能有效地減小垂蕩運動響應(yīng)。增加垂蕩板的數(shù)目,同時減小垂蕩板間距能夠有效地增大平臺垂蕩附加質(zhì)量并減小垂蕩響應(yīng)。在一些情況下,打孔板比實心板能更有效的起到減小垂蕩響應(yīng)的作用,通過選擇合適的“打孔面積比”,可以得到較小的垂蕩響應(yīng)。對于打孔板而言,為了得到較大的邊長,從而增大粘性阻尼,同時又不損失太多的板面積(附加質(zhì)量),在工程實際允許的范圍內(nèi),打孔直徑需相對較小。盡管附加質(zhì)量對于減小Spar平臺垂蕩運動起著十分重要的作用

18、,阻尼的效果也不容忽視。囿于時間等方面因素的限制,本論文沒有對這一問題進行深入的機理性研究,只對特定實驗和研究條件下所觀察到的現(xiàn)象做了簡單的總結(jié),結(jié)論中的部分規(guī)律僅限于所研究的特定平臺和情況,暫不具有普適性,希望本論文的研究,給今后開展類似問題的理論計算和局部研究起到拋磚引玉的作用。本文三個階段的研究成果,對發(fā)展我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的Spar平臺概念,全面認識和深入研究Spar平臺的水動力等技術(shù)性能,形成相關(guān)的Spar平臺性能的預(yù)報技術(shù)