軟剛臂系泊FPSO水動(dòng)力響應(yīng)研究.pdf

1、FPSO是FloatingProductionStorageandOffloadingSystem的英文縮寫(xiě)，中文稱(chēng)為浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置。隨著近年來(lái)石油開(kāi)采的如火如荼，F(xiàn)PSO在解決海上油田的開(kāi)采和儲(chǔ)存問(wèn)題上越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的重視，發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用在世界各地的海上油田中。在世界范圍內(nèi)海上主要產(chǎn)油區(qū)，有100多座FPSO浮式生產(chǎn)系統(tǒng)正在投產(chǎn)運(yùn)行，超過(guò)了所有其他浮式生產(chǎn)系統(tǒng)的總和。FPSO是世界海上石油開(kāi)發(fā)的創(chuàng)新技術(shù)，其

2、裝置投資省、建造周期短、安裝費(fèi)用低、遷移方便、可重復(fù)使用，幾乎適用于所有水深，是當(dāng)今世界石油開(kāi)發(fā)的主流方式，在能源消耗與日俱增的今天，F(xiàn)PSO的發(fā)展對(duì)海洋石油的鉆探、開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)有著重要的意義。 我國(guó)的渤海灣有豐富的油田資源，但其大部分為淺水油田。淺水對(duì)FPSO的影響，有一定的特性。環(huán)境條件對(duì)FPSO的安全性和作業(yè)效率有著很大的影響。很多的學(xué)者對(duì)FPSO進(jìn)行各方面研究，以使其適用于更多海域，但研究大多數(shù)針對(duì)深水油田；國(guó)內(nèi)外有關(guān)淺水

3、FPSO的研究極少，特別是淺水軟剛臂系泊超大型FPSO的數(shù)值模擬，由于特殊系泊方式以及船底與海底間的小間隙帶來(lái)特殊復(fù)雜的水動(dòng)力特性，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究報(bào)道罕見(jiàn)。對(duì)于我國(guó)豐富的淺水油田，需要做大量的研究來(lái)預(yù)報(bào)FPSO在淺水中的運(yùn)動(dòng)和系泊系統(tǒng)的受力，安全性以及對(duì)其性能的優(yōu)化。應(yīng)用現(xiàn)有的理論對(duì)淺水中FPSO進(jìn)行研究，對(duì)我國(guó)近海油田開(kāi)發(fā)具有重要而深遠(yuǎn)的意義。 本論文為國(guó)家863重大專(zhuān)項(xiàng)《渤海大油田勘探開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)》中《淺水超大型浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油

4、系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)》課題的一部分，主要為軟剛臂系泊FPSO在淺水中的應(yīng)用提供理論依據(jù)，采取理論分析，數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，分析研究FPSO在淺水海域百年一遇環(huán)境條件下的運(yùn)動(dòng)，系泊力及碰底情況，考慮其安全性，穩(wěn)定性的問(wèn)題。 首先應(yīng)用三維勢(shì)流理論計(jì)算FPSO在淺水深單位波高規(guī)則波下各個(gè)頻率浪向的水動(dòng)力參數(shù)，研究FPSO的水動(dòng)力參數(shù)隨水深吃水比的變化規(guī)律，包括附加質(zhì)量，阻尼系數(shù)，一階波浪力，二階平均波浪力等，得到附加質(zhì)量隨著水

5、深吃水比的減小，即船底與海底間隙的減小，呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，特別是垂蕩、橫搖和縱搖三個(gè)方向的附加質(zhì)量增大的幅度非常大，因而在淺水環(huán)境下，垂蕩、橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)幅度也必將有較大的緩和；阻尼系數(shù)隨著水深吃水比的減小，總體上為增大趨勢(shì)，這一規(guī)律在低頻時(shí)尤為明顯，而且淺水時(shí)的阻尼系數(shù)比深水時(shí)有明顯的增加；一階波浪力隨著吃水的變化，規(guī)律不明顯；平均波浪漂移力隨著吃水的增大，均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)；水平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)縱蕩、橫蕩和首搖在頻域下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)隨著水深吃水比

6、的變化較小，而其他三個(gè)波頻運(yùn)動(dòng)橫搖縱搖和垂蕩則隨著水深吃水比的減小而明顯減小，這些結(jié)果與之后對(duì)淺水效應(yīng)的研究結(jié)果相一致。 結(jié)合多剛體動(dòng)力學(xué)的分析方法，建立了軟剛臂系泊系統(tǒng)的縱向和垂向的動(dòng)力方程，進(jìn)行受力分析，并將實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)得到的運(yùn)動(dòng)代入動(dòng)力方程中計(jì)算得到轉(zhuǎn)塔上的系泊力與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)的系泊力進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證動(dòng)力方程與計(jì)算程序的正確性，二者對(duì)比的結(jié)果吻合良好，動(dòng)力分析方法正確，可應(yīng)用于對(duì)系泊系統(tǒng)的模擬。 應(yīng)用時(shí)域模擬的方法，建立運(yùn)

7、動(dòng)方程，計(jì)算在海洋環(huán)境條件下的環(huán)境力，并將系泊系統(tǒng)的動(dòng)力方程與運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)耦合和分析，模擬整個(gè)系統(tǒng)在環(huán)境條件下的運(yùn)動(dòng)、系泊力以及在運(yùn)動(dòng)中船底與海底的間隙，并將結(jié)果與實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，二者吻合良好，因此通過(guò)以上方法進(jìn)行的數(shù)值計(jì)算，可以用來(lái)預(yù)報(bào)軟剛臂系泊FPSO系統(tǒng)在海洋環(huán)境條件下運(yùn)動(dòng)，其結(jié)果可靠，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)在淺水中的特性作進(jìn)一步的研究，分析淺水中水深吃水比變化時(shí)，F(xiàn)PSO的運(yùn)動(dòng)及系泊力的變化。得到水深不變時(shí)，波頻運(yùn)動(dòng)隨著吃水的增大，即

8、船底與海底的間隙的減小而明顯呈減小的趨勢(shì)，此現(xiàn)象也稱(chēng)作淺水效應(yīng)，雖然船底與海底的間隙很小，但運(yùn)動(dòng)的幅度亦隨之減小，因此在水深變淺時(shí)并不容易發(fā)生碰底的現(xiàn)象。通過(guò)淺水效應(yīng)的應(yīng)用，可以對(duì)FPSO的船型進(jìn)行優(yōu)化，適當(dāng)增大吃水，增大儲(chǔ)油量。 針對(duì)渤海淺水BZ25-1油田的具體情況，應(yīng)用以上的分析，以BZ25-1的FPSO為例進(jìn)行了數(shù)值模擬，并在海洋工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)水池進(jìn)行試驗(yàn)研究，詳盡研究整個(gè)系統(tǒng)在淺水中的水動(dòng)力響應(yīng)。BZ25-1的FPS

9、O采用原有的QHD32-6油田FPSO的設(shè)計(jì)，而是應(yīng)用到更淺水的海域，但保持原有的吃水不變。為此，研究其安全性及可能性，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算和模型實(shí)驗(yàn)，找到該FPSO的臨界吃水，并對(duì)其在百年一遇海洋環(huán)境條件下的運(yùn)動(dòng)、系泊力及是否觸底的問(wèn)題展開(kāi)分析，研究“改變船型加大吃水”對(duì)其運(yùn)動(dòng)和觸底等安全性的影響，以達(dá)到增加儲(chǔ)油量，提高經(jīng)濟(jì)效益的目的，解決實(shí)際問(wèn)題。為尋找FPSO船底與海底的最小作業(yè)間隙，調(diào)整FPSO吃水分別為12.34m、13.7m、1

10、4.0m、14.2m、14.5m和14.7m，進(jìn)行了百年一遇環(huán)境條件下的研究，得到14.5m吃水可以被認(rèn)為是該FPSO遭遇百年一遇環(huán)境條件時(shí)船底與海底將碰未碰的臨界點(diǎn)，建議建造時(shí)仍可采用原有的設(shè)計(jì)吃水14.5m，達(dá)到增加儲(chǔ)油量，但實(shí)際操作時(shí)在遭遇百年一遇風(fēng)浪的海況時(shí)應(yīng)該適當(dāng)減少FPSO的載油量，以確保安全，這樣既提高了經(jīng)濟(jì)效益，又解決了實(shí)際問(wèn)題。 本論文所獲得的結(jié)論現(xiàn)已在工程實(shí)踐中得到應(yīng)用。渤海BZ25-1油田FPSO的設(shè)計(jì)正是