八角形FDPSO張緊式系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

孫 強(qiáng)，董慶輝，彭貴勝，田 天，謝 彬，王世圣，喻西崇，趙晶瑞

(1. 大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究所有限公司，遼寧 大連 116021 2. 中海油研究總院，北京 100028)

八角形FDPSO張緊式系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

孫 強(qiáng)1，董慶輝1，彭貴勝1，田 天1，謝 彬2，王世圣2，喻西崇2，趙晶瑞2

(1. 大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究所有限公司，遼寧 大連 116021 2. 中海油研究總院，北京 100028)

從船型、環(huán)境條件和設(shè)計(jì)工況考慮，定性地為八角形浮式鉆井生產(chǎn)儲卸裝置(FDPSO)選擇等角度分組張緊式系泊系統(tǒng)。以2 000 m水深處環(huán)境條件為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一套等角度分組張緊式系泊系統(tǒng)，以滿足八角形FDPSO的定位要求和系泊線受力要求。與懸鏈?zhǔn)较到y(tǒng)相比，張緊式系泊系統(tǒng)垂向重量小，錨泊半徑小，百年一遇海況下一根錨鏈破損之后FDPSO的水平偏移能夠得到有效控制。所提出的系泊系統(tǒng)不但可以滿足八角形FDPSO系泊定位的要求，而且可為類似浮體的深水系泊設(shè)計(jì)提供參考。

系泊系統(tǒng)；浮式鉆井生產(chǎn)儲卸裝置；張緊式系泊；懸鏈?zhǔn)较挡?/p>

0 引 言

浮式生產(chǎn)儲卸裝置(FPSO)是目前常用的海洋工程裝備。它是集成了油品處理、存儲和外輸功能的海上浮體。但針對油田開發(fā)，F(xiàn)PSO缺少油氣鉆采功能。2000年左右，Halkyard等[1]針對西非和巴西海域環(huán)境特點(diǎn)提出了一種半潛式浮式鉆井生產(chǎn)儲卸裝置(FDPSO)概念，在FPSO基礎(chǔ)上增加了鉆采功能。2009年8月，世界上第一艘FDPSO服役，該船具有140萬桶油的儲油能力和4萬桶的日加工量，目前用于剛果南梅爾善羅豐德區(qū)塊Azurite油田的開發(fā)[2]。2009年11月，Sevan Marine公司設(shè)計(jì)了首座圓筒形超深水鉆探儲油平臺[3]。目前在研的FDPSO的船型可以歸納為7種，大致分為4大類：大水線面船體，包括圓形、八角形、圓角倒棱臺形；小水線船體，半潛式，包括多立柱+圓柱、四立柱+旁通；深吃水浮體，碗型；船型。其中，八角形FDPSO除了滿足基本功能要求外還有較高的儲油效率，且建造容易、成本低，有良好的經(jīng)濟(jì)性[4]。

目前深水海域油氣開發(fā)尚處于早期，對于油藏情況了解不充分，應(yīng)當(dāng)對一些有油氣儲量的區(qū)塊進(jìn)行試生產(chǎn)，進(jìn)而決定開發(fā)模式和規(guī)模。這種無基礎(chǔ)建設(shè)和依托區(qū)塊的試生產(chǎn)，需要鉆采、儲油和外輸?shù)榷囗?xiàng)功能的綜合實(shí)現(xiàn)[5]。八角形FDPSO概念的提出適逢其會，其應(yīng)用將大大降低油田初期開發(fā)費(fèi)用，及早投產(chǎn)并回收成本。而隨著水深的增加，定位系統(tǒng)的作用越發(fā)重要。目前海上浮式結(jié)構(gòu)物的定位主要分為動力定位和錨泊定位兩種。動力定位屬于主動式控制，相較而言能耗較高；錨泊定位屬于被動式控制，在投資成本上更具優(yōu)勢。對于FDPSO這種經(jīng)濟(jì)型油氣田開發(fā)裝備，錨泊定位系統(tǒng)更加適用。

針對FDPSO錨泊系統(tǒng)的研究，目前處于方案確定階段，研究的手段主要依賴邊界元理論，采用數(shù)值分析對系泊方案進(jìn)行驗(yàn)證。水深、海況條件以及系泊方式的差異，將對系泊方案的確定和驗(yàn)證產(chǎn)生很大的影響。目前學(xué)者針對八角形FPSO在渤海淺水邊際油田應(yīng)用進(jìn)行了探索，設(shè)計(jì)了八角形浮體適用于淺水無鉆井要求的系泊方案[6-7]；針對新型多筒式FDPSO系泊系統(tǒng)進(jìn)行了研究[8]；針對船型FDPSO單點(diǎn)系泊定位進(jìn)行了水動力性能和模型試驗(yàn)研究[9]；針對深水八角形FDPSO總體性能進(jìn)行了分析，采用懸鏈?zhǔn)叫〗嵌确纸M系泊系統(tǒng)[4]。但對于深水FDPSO采用張緊式系泊系統(tǒng)仍鮮有報(bào)道。本文以2 000 m水深處環(huán)境條件為基礎(chǔ)，針對八角形FDPSO，設(shè)計(jì)了一套滿足生產(chǎn)要求的張緊式系泊系統(tǒng)并進(jìn)行了分析驗(yàn)證。本項(xiàng)工作可為類似于八角形FDPSO的浮式結(jié)構(gòu)物深水錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 八角形FDPSO錨泊系統(tǒng)選型研究

八角形FDPSO與船型浮體不同，不具有明顯的方向性，因此系泊系統(tǒng)的選擇應(yīng)以多點(diǎn)系泊系統(tǒng)為主。小角度分組式系泊在各個方向上的剛度差異較大，當(dāng)環(huán)境載荷來自于回復(fù)剛度較弱的方向時，浮體位移難以保證，而單純增大剛度又將導(dǎo)致系泊力劇增；等角度式系泊在各個方向上的剛度大致相同，在一根系泊線破損的情況下，剛度的損失相對和緩，平臺偏移及系泊力的變化相對較小?？紤]到特定海域環(huán)境方向的不確定性以及單根系泊線破損工況的考核，等角度分組式系泊系統(tǒng)比小角度分組式系泊系統(tǒng)在系泊性能上更具優(yōu)勢。因此，針對特定海域2 000 m水深八角形FDPSO的錨泊定位，選擇等角度分組式多點(diǎn)系泊系統(tǒng)。

懸鏈?zhǔn)较挡聪到y(tǒng)屬于較為傳統(tǒng)的系泊系統(tǒng)，目前應(yīng)用量較大，較為可靠，但隨著水深的增大，其重量產(chǎn)生的垂向載荷增加，限制了其在深水中的應(yīng)用。張緊式系泊一般與纖維纜結(jié)合，通過系泊線變形產(chǎn)生水平回復(fù)力，目前多應(yīng)用于深水浮式結(jié)構(gòu)物系泊定位。半張緊式系泊介于兩者之間，與張緊式系泊的主要區(qū)別在于系泊線與海底平面的夾角更小。針對特定海域2 000 m水深服役的八角形FDPSO，以滿足系泊定位為目標(biāo)，本文設(shè)計(jì)一套張緊式系泊系統(tǒng)并進(jìn)行分析驗(yàn)證。

1.1 系泊設(shè)計(jì)要求

八角形FDPSO集鉆井、儲油和外輸為一體，對浮式結(jié)構(gòu)物提出了諸多技術(shù)要求：為了滿足鉆井的需求，在作業(yè)工況下水平偏移要有效控制，原則上不能超過水深的5%，而在生存工況和破損工況下浮體偏移不應(yīng)超過水深的10%[4]；為了確保系泊狀態(tài)下的安全，其系泊線強(qiáng)度在生存工況下應(yīng)滿足強(qiáng)度要求。系泊分析衡準(zhǔn)如表1所示。

1.2 環(huán)境條件與浮式結(jié)構(gòu)物信息

該八角形FDPSO以2 000 m水深應(yīng)用為目標(biāo)。本文采用真實(shí)的海域環(huán)境條件，環(huán)境參數(shù)如表2所示。表3列出了八角形FDPSO不同裝載狀態(tài)下的參數(shù)信息。

表1 系泊分析衡準(zhǔn)Table 1 Criteria of mooring analysis

表2 分析環(huán)境參數(shù)Table 2 Environmental Parameters

表3 八角形FDPSO不同裝載狀態(tài)下參數(shù)Table 3 Octagon FDPSO parameters under different loading conditions

1.3 錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系泊系統(tǒng)采用張緊式系泊，共設(shè)置4組系泊線，每組4條，在水平面方向，系泊線間以22.5°間隔均勻分布，系泊線與海底平面成42°夾角，預(yù)張力為4 170 kN。在平臺頂端采用R5級錨鏈，破斷載荷為26 100 kN，中間段采用深水系泊用纖維纜，在海底端采用R5級錨鏈，保證纖維纜部分在觸地點(diǎn)以上以避免纖維纜與海底產(chǎn)生磨損。具體參數(shù)如表4所示；系泊布置如圖1所示。

表4 張緊式系泊系統(tǒng)布置方案Table 4 Arrangement plan of the taut mooring system

圖1 張緊式系泊系統(tǒng)布置方案示意圖Fig.1 Arrangement sketch of the taut mooring system

2 系泊系統(tǒng)研究方法

研究系泊系統(tǒng)時，主要關(guān)注浮式結(jié)構(gòu)物的水平運(yùn)動。本文采用線性頻域分析方法進(jìn)行系泊系統(tǒng)的分析。針對系泊系統(tǒng)的剛度，采用線性化方式進(jìn)行簡化；浮式結(jié)構(gòu)物在持續(xù)穩(wěn)定輸入的外部激勵下，將產(chǎn)生與外部激勵相同頻率的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)運(yùn)動，采用頻域的方法進(jìn)行分析。

波頻周期一般在4～10 s，而低頻周期一般在1 min至幾分鐘不等。由于頻率相差較大，因此可以在浮式結(jié)構(gòu)物定常位移基礎(chǔ)上分別考慮波頻和低頻響應(yīng)，基于ANSYS AQWA進(jìn)行系泊分析。

2.1 風(fēng)流載荷確定

風(fēng)流載荷考慮為定常載荷，分別依照規(guī)范中規(guī)定的經(jīng)驗(yàn)公式[10]確定。其中風(fēng)力Fw公式為

(1)

式中:Fw為風(fēng)力；ρa(bǔ)為空氣密度，15°時可選取1.226 kg/m3；UT,z為平均水面線以上高度z處、T時間跨度內(nèi)平均風(fēng)速，一般z取10 m，T取1 min；Cs為浮體形狀系數(shù)；Ch為浮體高度系數(shù)；Aw為浮式結(jié)構(gòu)物在風(fēng)速方向內(nèi)的投影面積。流載荷公式為

(2)

式中：Fc為流力；ρw為水密度；CD為拖曳力系數(shù)；Ac為浮式結(jié)構(gòu)物在流方向上的投影面積；Vc為流速。

2.2 波浪載荷確定

采用勢流理論求解大尺度結(jié)構(gòu)物所遭受的水動力載荷。假設(shè)結(jié)構(gòu)物附近的流場是無黏性的，即無旋有勢，速度勢是空間位置和時間的函數(shù)，應(yīng)滿足連續(xù)性方程，即速度勢Φ(x,y,z,t)必須滿足控制方程

2Φ(x,y,z,t)=0.

(3)

式(3)為拉普拉斯方程，它在直角坐標(biāo)系中的表達(dá)式為

(4)

拉普拉斯方程和相應(yīng)的邊界條件都是線性的，可應(yīng)用疊加原理把速度勢加以分解。令速度勢為

Φ(x,y,z,t)=ΦI(x,y,z,t)+ΦD(x,y,z,t)+ΦR(x,y,z,t)，

(5)

式中：ΦI(x,y,z,t)為入射勢；ΦD(x,y,z,t)為繞射勢;ΦR(x,y,z,t)為輻射勢。ΦI、ΦD和ΦR各自都滿足拉普拉斯方程及邊界條件。于是按照線性理論，場內(nèi)速度勢的定解問題可分解成輻射問題和繞射問題來分別求解。通過邊界元方法可求得繞射勢和輻射勢。這樣，有了速度勢后即可根據(jù)伯努利方程求解作用在結(jié)構(gòu)物表面上的水動壓力等。

在頻域范圍內(nèi)的波頻運(yùn)動運(yùn)動方程為

(6)

式中：M為結(jié)構(gòu)質(zhì)量；Ma為水動力附加質(zhì)量；C為系泊線性化阻尼；K為系統(tǒng)總剛度;F為系統(tǒng)外載荷；X為運(yùn)動響應(yīng)。

Sx(ω)=|Hx(ω)|2S(ω),

(7)

式中，Sx(ω)為浮體運(yùn)動響應(yīng)；Hx(ω)為傳遞函數(shù)；S(ω)為波譜。

2.3 低頻慢漂運(yùn)動分析

當(dāng)采用頻域法分析浮體低頻運(yùn)動時，激勵力可用波漂力譜表示。波漂力譜可依照下式計(jì)算：

(8)

式中：S(ω)和S(ω+Ω)分別表示為ω和(ω+Ω)頻率的波浪譜；fd(ω)和fd(ω+Ω)分別表示頻率為ω和(ω+Ω)的波浪平均漂移力系數(shù)。

考慮浮體在特定流體區(qū)域內(nèi)的線動量和角動量，不考慮浮體運(yùn)動，結(jié)合伯努利方程能夠得出浮體的平均波浪漂移力：

(9)

系泊浮體在系統(tǒng)固有頻率附近能夠產(chǎn)生低頻慢漂運(yùn)動，主要由低頻二階力引起。為簡化起見，假設(shè)結(jié)構(gòu)低頻運(yùn)動方程是線性的，縱蕩的運(yùn)動方程為

(10)

考慮到力學(xué)系統(tǒng)是線性的，可以用下式將響應(yīng)譜和激勵譜聯(lián)系起來：

(11)

(12)

當(dāng)阻尼很小時，微小的激勵將引起較大的響應(yīng)，從而可見準(zhǔn)確評估系統(tǒng)阻尼的關(guān)鍵性。Molin[11]針對錨泊FPSO各種阻尼貢獻(xiàn)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析：隨著有義波高的增大，錨泊系統(tǒng)阻尼占總阻尼的比例大大增加，遠(yuǎn)超過黏性阻尼和漂移阻尼。因此，本文中忽略黏性阻尼的作用，僅通過拖曳力系數(shù)和附加質(zhì)量系數(shù)考慮錨泊系統(tǒng)的阻尼作用。相關(guān)的系數(shù)如表5所示。

表5 錨泊系統(tǒng)水動力系數(shù)Table 5 Hydrodynamic parameters of mooring system

2.4 線性頻域分析

浮式結(jié)構(gòu)物在環(huán)境載荷的作用下將產(chǎn)生一定的偏移，同時導(dǎo)致系泊系統(tǒng)產(chǎn)生一個與外載荷方向相反的回復(fù)力，從而達(dá)到浮式結(jié)構(gòu)物系泊定位的目的。在風(fēng)、流和平均漂移力聯(lián)合作用下，系泊浮式結(jié)構(gòu)物將產(chǎn)生平均位移，對應(yīng)圖2所示“位移-受力”曲線。

圖2 系泊浮式結(jié)構(gòu)物“位移-受力”曲線Fig.2 Offset-force curve of mooring floating structure

,

(13)

式中：Xmean為平均位移;Xw,sig為有義波頻位移;Xw,max為最大波頻位移;XL,sig為有義低頻位移;XL,max為最大低頻位移。受力的確定方法與此類似。

3 系泊性能與安全評估

系泊系統(tǒng)的主要功能是將漂浮結(jié)構(gòu)物偏移限定在一定范圍之內(nèi)，保證浮體正常運(yùn)作。因此，浮式結(jié)構(gòu)物的水平偏移便是評估系泊系統(tǒng)性能的重要參數(shù)。系泊系統(tǒng)在限制浮體偏移的同時，需要保證自身的受力小于最小破斷力，以免系泊線斷開導(dǎo)致系泊系統(tǒng)失效。按照這些原則，基于圖3所示ANSYS AQWA水動力分析模型，評估所提出的系泊系統(tǒng)的性能。

3.1 工況設(shè)置

八角形FDPSO屬于對稱結(jié)構(gòu)，而錨鏈也是對稱布置的，因此只考慮33.75°和45°兩個入射方向(見圖1)?？紤]到FDPSO不同的裝載狀態(tài)，分別考慮壓載和滿載兩種情況，具體工況如表6所示。

3.2 系泊系統(tǒng)響應(yīng)

通過線性頻域分析得到的浮體位移和系泊線受力信息如表7和表8所示。

圖3 AQWA 水動力分析模型Fig.3 AQWA hydrodynamic model

表6 工況命名列表Table 6 Load case list

表7 浮體位移狀態(tài)信息Table 7 Offset of the floating structure m

(續(xù)表)

通過表7可以得出不同工況下FDPSO的偏移值：破損工況下最大偏移發(fā)生在工況8，達(dá)到193.87 m，小于要求的200 m；完整作業(yè)工況下的最大偏移發(fā)生在工況14，達(dá)到99.37 m，小于要求的100 m；完整生存工況下的最大偏移發(fā)生在工況16，為164.52 m，小于要求的200 m。

表8 系泊線受力狀態(tài)信息Table 8 Mooring line tension

通過表8可以得出不同工況下FDPSO系泊線的受力值：破損工況下最大張力發(fā)生在工況8，安全系數(shù)為1.65，大于要求的1.25；完整工況下的最大張力發(fā)生在工況16，安全系數(shù)為1.89，大于要求的1.67。

3.3 張緊式與懸鏈?zhǔn)较挡聪到y(tǒng)性能對比

該設(shè)計(jì)應(yīng)用張緊式系泊系統(tǒng)，而目前已有學(xué)者針對相同環(huán)境條件下同一FDPSO進(jìn)行了懸鏈?zhǔn)较挡聪到y(tǒng)設(shè)計(jì)和分析[4]，兩種方案均采用了16根系泊線。針對兩種方案進(jìn)行參數(shù)對比，如表9所示；針對兩方案系統(tǒng)響應(yīng)進(jìn)行對比，如表10所示。

表9 張緊式與懸鏈?zhǔn)椒桨竻?shù)對比Table 9 Parameter comparison between taut and catenary mooring systems

張緊式系泊系統(tǒng)的單根系泊線重量明顯小于懸鏈?zhǔn)较挡聪到y(tǒng)，能夠降低由系泊系統(tǒng)重量引起的浮體浮力損失；懸鏈?zhǔn)较挡丛O(shè)計(jì)方案中未提及錨泊半徑，依據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)，此半徑將超過3 000 m，而張緊式系泊系統(tǒng)2 263 m的錨泊半徑明顯優(yōu)于懸鏈?zhǔn)较挡聪到y(tǒng)的，可為海底管線鋪設(shè)等提供良好條件。

表10 張緊式與懸鏈?zhǔn)椒桨疙憫?yīng)對比Table 10 Response Comparison between taut and catenary mooring systems

兩種方案都能夠達(dá)到系泊定位的目的，系泊系統(tǒng)的受力均小于最小破斷力，能夠保證系泊系統(tǒng)安全。在錨鏈完整狀態(tài)下，兩種方案的浮體偏移與錨鏈?zhǔn)芰η闆r差異不大；在錨鏈破損工況下，懸鏈?zhǔn)较到y(tǒng)設(shè)計(jì)方案中未提及浮體偏移，從懸鏈?zhǔn)较挡吹脑沓霭l(fā)，該偏移量難以控制，預(yù)計(jì)在400 m左右，而張緊式系泊系統(tǒng)在破損生存工況下的浮體偏移仍控制在200 m以內(nèi)，破損作業(yè)工況下的浮體偏移仍控制在120 m以內(nèi)。

4 結(jié) 語

八角形FDPSO屬于概念階段的新型海洋結(jié)構(gòu)物。本文針對八角形FDPSO在特定海域所采用的系泊系統(tǒng)型式進(jìn)行了討論和研究，闡述了載荷確定和慢漂運(yùn)動分析的理論，應(yīng)用線性頻域的分析方法針對八角形FDPSO張緊式系泊系統(tǒng)性能進(jìn)行了分析，并與懸鏈?zhǔn)较挡聪到y(tǒng)進(jìn)行對比研究。主要結(jié)論如下：

(1) 在完整作業(yè)工況下浮體最大偏移為99.37 m，滿足100 m的鉆井偏移限制；在生存或破損工況下浮體的最大偏移為193.87 m，滿足200 m的生產(chǎn)偏移限制；系泊線受力同時能夠滿足安全系數(shù)的要求,因此張緊式系泊系統(tǒng)能夠滿足特定海域2 000 m水深八角形FDPSO的系泊定位要求。

(2) 等角度分組張緊式系泊系統(tǒng)各個方向剛度相近，考慮的兩個角度之間，位移和張力差異不大；由于環(huán)境載荷的差異，生存工況下浮體的偏移和張力均大于作業(yè)工況；單根錨鏈發(fā)生破損時，系泊系統(tǒng)的剛度有所損失，破損狀態(tài)下系泊系統(tǒng)的偏移和受力大于完整狀態(tài)。

(3) 較之懸鏈?zhǔn)较挡聪到y(tǒng)，張緊式系泊系統(tǒng)重量更輕，使得同樣的FDPSO儲油能力增強(qiáng)；張緊式系泊系統(tǒng)錨泊半徑更小，節(jié)省了海床資源，更加方便油田管道鋪設(shè)等操作。

(4) 張緊式系泊增大了系泊系統(tǒng)的上拔力，因此需要慎重考慮錨的選擇和安裝，進(jìn)行相應(yīng)的分析。

(5) 針對一根錨鏈破損的工況，張緊式系泊系統(tǒng)具有有效的系泊定位能力，能夠保證浮體偏移在200 m限制范圍內(nèi)，保證了油田生產(chǎn)的安全。

總之，等角度分組張緊式系泊系統(tǒng)可以保證八角形FDPSO在特定海域2 000 m水深處的系泊定位。然而，高強(qiáng)度纖維纜的疲勞性能仍有待進(jìn)一步研究。八角形FDPSO屬于新型海洋工程裝備，需要通過模型試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證等角度分組張緊式系泊方案的可行性。

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TautMooringSystemDesignandAnalysisofOctagonFDPSO

SUN Qiang1, DONG Qing-hui1, PENG Gui-sheng1, TIAN Tian1， XIE Bin2，WANG Shi-sheng2, YU Xi-chong2, ZHAO Jing-rui2

(1.DalianShipbuildingIndustryEngineeringandResearchInstituteCo.,Ltd.,Dalian,Liaoning116021,China;2.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

The existing mooring systems are compared and analyzed with the consideration of vessel shape, environmental condition and design cases. Average-distributed taut mooring system is finally selected for the octagon floating drilling, production, storage and off loading system (FDPSO) in the South China Sea. According to the requirements of station keeping and line forces, an averaged-distributed taut mooring system is designed based on the environmental condition at the depth of 2 000 m in the South China Sea. Compared with the traditional catenary mooring system designed for the same FDPSO, the averaged-distributed taut mooring system reduces the mooring system self-weight and the mooring radius on seabed. In addition, the offset of FDPSO with one mooring line damaged can be efficiently managed under 100-year environmental condition. The proposed mooring system can meet the requirements of octagon FDPSO. Furthermore, the research results will offer references for the mooring design of similar floating structures.

mooring system; floating drilling, production, storage and off loading system (FDPSO); taut mooring; catenary mooring

2015-04-07

國家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05026-006-04)

孫強(qiáng)(1986—)，男，碩士，工程師，主要從事海洋工程裝備方面的研究。

U656.1+26

A

2095-7297(2015)03-0175-09