深海立柱式平臺(tái)概念設(shè)計(jì)及水動(dòng)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(tái)不斷涌現(xiàn)。1996年出現(xiàn)的立柱式平臺(tái)(Sparplatform)就是其中最新一代已獲成功應(yīng)用的深海平臺(tái)。Spar平臺(tái)概念是從張力

2、腿平臺(tái)發(fā)展而來的,主要具備以下特點(diǎn):主體吃水很深,水線面相對(duì)較小,從而有效減少波浪引起的平臺(tái)垂蕩;柱體底部裝有壓載使得平臺(tái)的重心低于浮心,保證平臺(tái)的穩(wěn)性;與其他深海平臺(tái)相比,Spar平臺(tái)的系泊系統(tǒng)投資成本降低一半左右。以上特點(diǎn)使Spar平臺(tái)成為當(dāng)今國際海洋工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。自1996年誕生之日起,Spar平臺(tái)已發(fā)展了三代,分別為:傳統(tǒng)Spar平臺(tái)、桁架式Spar平臺(tái)和多柱式Spar平臺(tái)。Spar平臺(tái)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(diǎn)選擇目標(biāo)。國內(nèi)目前對(duì)于Spar平臺(tái)的研究還處在起步階段,研究對(duì)象大部分還是集中在國外已有的Spar平臺(tái)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(jì)算。從長遠(yuǎn)發(fā)展深海Spar平臺(tái)的角度講,急需開展新型Spar平臺(tái)概念設(shè)計(jì)及其水動(dòng)力性能等方面的理論計(jì)算和模型試驗(yàn)研究,從而為將來進(jìn)一步開展平臺(tái)的詳細(xì)設(shè)計(jì)、建造以及在油氣開采中實(shí)際應(yīng)用這一新型平臺(tái)提供豐富的技術(shù)儲(chǔ)備。本論文為國家自然科

4、學(xué)專項(xiàng)基金項(xiàng)目“深海平臺(tái)的動(dòng)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(tái)關(guān)鍵動(dòng)力特性的理論與實(shí)驗(yàn)研究”的一部分。論文的主要研究過程分為三個(gè)階段。第一階段:新型Spar平臺(tái)概念及設(shè)計(jì)研究。首先,論文在充分調(diào)研國外已有Spar平臺(tái)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(tái)的特點(diǎn),提出了一種新型的Spar平臺(tái)概念——多柱桁架式立柱平臺(tái)(Cell-TrussSparplatform)。通過設(shè)置桁架和垂蕩板,使

5、Cell-TrussSpar平臺(tái)能具有桁架式Spar平臺(tái)良好的垂向運(yùn)動(dòng)性能,以及較小的水平拖曳力系數(shù)等優(yōu)點(diǎn);同時(shí),在硬艙的建造方面,通過多柱式的設(shè)計(jì)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(tái)主體的渦激運(yùn)動(dòng)。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(jì)了三座具體的Cell-TrussSpar平臺(tái),分別為:Cell-TrussSpar-I型平臺(tái)、Cell-TrussSpar-II-A和

6、II-B型平臺(tái)。三座平臺(tái)的主要區(qū)別是,I型平臺(tái)采用濕式采油樹,平臺(tái)內(nèi)部無中心井,硬艙結(jié)構(gòu)只提供浮力,平臺(tái)直徑相對(duì)較小,建造和安裝成本相對(duì)較低;而II型平臺(tái)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(tái)直徑相對(duì)較大,開采能力較強(qiáng)。II-A型平臺(tái)的中央圓柱體延伸到了平臺(tái)底部的軟艙,目的是為了保護(hù)硬艙下部的立管;而II-B型平臺(tái)則考慮到在海流比較嚴(yán)重的海域,中部的桁架結(jié)構(gòu)能有效減小作用在平臺(tái)主體上的流載荷。結(jié)合具體

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

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(tái)主體及系泊系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì),并給出了主要尺寸。第二階段,Spar平臺(tái)水動(dòng)力性能的研究。本文中,Spar平臺(tái)水動(dòng)力性能的研究共涉及到四座Spar平臺(tái),除了上述三座Cell-TrussSpar平臺(tái)概念外,作為Spar平臺(tái)水動(dòng)力性能的前期研究工作,論文對(duì)一座合作研究的幾何形立柱式平臺(tái)(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(yàn)進(jìn)行了分析。論文首先總結(jié)了G-Spar平臺(tái)在三種海況下的運(yùn)動(dòng)性能。結(jié)果表明,G-Spar平臺(tái)縱蕩、垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)的固有周期遠(yuǎn)離海洋環(huán)境中的波浪周期通常較為集中的范圍,波頻運(yùn)動(dòng)并不明顯。垂蕩板的數(shù)量對(duì)垂蕩運(yùn)動(dòng)的影響較為明顯,增加垂蕩板的數(shù)量,垂蕩運(yùn)動(dòng)明顯的減小。水平方向上的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng),相應(yīng)的,錨鏈上的作用力也集

10、中在低頻部分,同時(shí)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(yùn)動(dòng),因此,涌浪的影響不能忽視。在初步研究了G-Spar水動(dòng)力性能的基礎(chǔ)上,論文接下來對(duì)Cell-TrussSpar-I型平臺(tái)的水動(dòng)力性能進(jìn)行了詳細(xì)地分析。分析方法包括時(shí)域耦合分析計(jì)算,以及基于等效截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)的混合模型試驗(yàn)方法的水池模擬試驗(yàn),最后將二者的數(shù)據(jù)結(jié)果加以對(duì)比從而總結(jié)出平臺(tái)在不同海洋環(huán)境條件下的運(yùn)動(dòng)及系泊纜受力的主要特點(diǎn)。

11、研究結(jié)果表明,Cell-TrussSpar-I平臺(tái)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(yùn)動(dòng)響應(yīng)的自然周期較長,遠(yuǎn)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(lì),而二階低頻波浪往往能夠引起較大的水平漂移。平臺(tái)底部的水平運(yùn)動(dòng)幾乎全部由低頻激勵(lì)引起,而水線面處平臺(tái)的縱蕩則同時(shí)包含低頻和波頻的部分。另一方面,平臺(tái)主體低頻運(yùn)動(dòng)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(dòng)力載荷。就整體縱蕩響應(yīng)而言,三種不同海況下,Spar平臺(tái)底部的水平運(yùn)動(dòng)最小。縱蕩和垂蕩運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)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(duì)Cell-TrussSpar-II-A和-B型平臺(tái)的水動(dòng)力性能,本文主要進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算研究,采取了時(shí)域耦合的分析方法。在不同海況條件下,這種平臺(tái)概念均能滿足相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求,平臺(tái)運(yùn)動(dòng)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(tái)分析結(jié)果類似,Cell-TrussSpar-II型平臺(tái)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(tái)不同方向上的運(yùn)動(dòng)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(duì)應(yīng)相關(guān)。對(duì)于這類復(fù)雜的海況,平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的分析尤為值得關(guān)注。此外,對(duì)Cell-TrussSpar-II-B平臺(tái)而言,首次計(jì)算了中國南海東部百年一遇臺(tái)風(fēng)

14、海況下平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及系泊力,平臺(tái)依然表現(xiàn)出良好的運(yùn)動(dòng)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(gè)部分,分別用來控制縱蕩和縱搖的低頻部分以及垂蕩運(yùn)動(dòng)和縱蕩、縱搖運(yùn)動(dòng)的波頻部分,頻率關(guān)系對(duì)應(yīng)良好?？傮w而言,上述分析結(jié)論表明,Cell-TrussSpar平臺(tái)概念滿足相應(yīng)的油氣開采設(shè)計(jì)要求,運(yùn)動(dòng)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(tái)水動(dòng)力性能的影響。

15、在Cell-TrussSpar-I型平臺(tái)數(shù)值計(jì)算和理論研究的基礎(chǔ)上,論文歸納了頻域準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算方法以及時(shí)域部分耦合和全耦合方法在分析平臺(tái)運(yùn)動(dòng)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(yàn)方法中,對(duì)截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)的設(shè)計(jì)需要進(jìn)一步考慮深水柔性桿件(系泊系統(tǒng)、立管等)的動(dòng)力耦合特性。而在數(shù)值計(jì)算中,受耦合作用影響的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)響應(yīng)的原因。在不考慮耗

16、時(shí)的情況下,通過調(diào)整一些水動(dòng)力學(xué)參數(shù)(通常通過模型試驗(yàn)得到),時(shí)域全耦合分析可以得到令人信服的結(jié)論。而對(duì)于一些頻域響應(yīng)占主要部分的運(yùn)動(dòng)和系泊纜受力,例如垂蕩運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng),頻域計(jì)算以及時(shí)域半耦合分析能更快捷地得到相關(guān)的統(tǒng)計(jì)值,在平臺(tái)初步設(shè)計(jì)時(shí),這一結(jié)論有助于提高設(shè)計(jì)效率。論文接下來通過模型試驗(yàn),初步研究了不同數(shù)目和形式的垂蕩阻尼板對(duì)平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)性能的影響,得到以下主要結(jié)論:在立柱式

17、平臺(tái)桁架部分安裝垂蕩板能有效地減小垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。增加垂蕩板的數(shù)目,同時(shí)減小垂蕩板間距能夠有效地增大平臺(tái)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(shí)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(duì)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(shí)又不損失太多的板面積(附加質(zhì)量),在工程實(shí)際允許的范圍內(nèi),打孔直徑需相對(duì)較小。盡管附加質(zhì)量對(duì)于減小Spar平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)起著十分重要的作用

18、,阻尼的效果也不容忽視。囿于時(shí)間等方面因素的限制,本論文沒有對(duì)這一問題進(jìn)行深入的機(jī)理性研究,只對(duì)特定實(shí)驗(yàn)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(tái)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(jì)算和局部研究起到拋磚引玉的作用。本文三個(gè)階段的研究成果,對(duì)發(fā)展我國具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的Spar平臺(tái)概念,全面認(rèn)識(shí)和深入研究Spar平臺(tái)的水動(dòng)力等技術(shù)性能,形成相關(guān)的Spar平臺(tái)性能的預(yù)報(bào)技術(shù)