浮式鉆井生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置運(yùn)動(dòng)性能分析

何進(jìn)輝 張海彬 景寶金

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

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浮式鉆井生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置運(yùn)動(dòng)性能分析

何進(jìn)輝 張海彬 景寶金

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

［摘 要］首先介紹了浮式鉆井生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置（FDPSO）設(shè)有月池開口的船型特點(diǎn)，為評(píng)估月池開口對(duì)FDPSO船體運(yùn)動(dòng)性能的影響，設(shè)計(jì)了不同月池尺寸的方案。采用三維勢(shì)流理論對(duì)不同月池尺寸方案水動(dòng)力性能進(jìn)行計(jì)算，得到FDPSO船體運(yùn)動(dòng)傳遞函數(shù)，總結(jié)FDPSO船體橫搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)隨月池尺寸變化的規(guī)律，并確定合理的目標(biāo)FDPSO方案。最后對(duì)目標(biāo)FDPSO方案進(jìn)行運(yùn)動(dòng)性能實(shí)例分析，評(píng)估目標(biāo)FDPSO方案的耐波性。

［關(guān)鍵詞］浮式鉆井生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置；月池尺寸；運(yùn)動(dòng)性能分析

張海彬（1976-），男，博士，研究員，研究方向：海洋工程結(jié)構(gòu)物總體設(shè)計(jì)。

景寶金（1971-），男，碩士，研究員，研究方向：海洋工程結(jié)構(gòu)物總體設(shè)計(jì)。

引 言

浮式鉆井生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置（FDPSO，F(xiàn)loating Drilling Production Storage & Offloading）是集油藏鉆探、原油生產(chǎn)、儲(chǔ)存以及外輸?shù)榷喾N功能于一身的新型海洋油氣資源開發(fā)裝備。在傳統(tǒng)油氣田開發(fā)模式中，通常利用鉆井平臺(tái)鉆好評(píng)價(jià)井和生產(chǎn)井之后，再利用生產(chǎn)平臺(tái)（如FPSO等）裝備進(jìn)行油氣開采。FDPSO是在FPSO基礎(chǔ)上配置鉆井設(shè)備發(fā)展而成，既具有FPSO較強(qiáng)的生產(chǎn)儲(chǔ)油功能，又具備鉆探和完井的功能；既降低投資成本，縮短生產(chǎn)周期，又具有井口維修不停產(chǎn)的特點(diǎn)［1］。

為滿足鉆井功能，必須在FDPSO船體中央設(shè)置一個(gè)垂向貫穿船體的月池，下部與外界海水相連，腔內(nèi)有自由液面。對(duì)于月池內(nèi)的流體，存在著兩類固有振蕩現(xiàn)象：流體沿月池深度方向的“活塞”運(yùn)動(dòng)和流體在月池內(nèi)的“晃蕩”運(yùn)動(dòng)［2］。合適的月池尺寸可作為被動(dòng)式減搖水艙，對(duì)船體運(yùn)動(dòng)性能具有改善作用；反之，不合適的月池尺寸可能會(huì)使得月池內(nèi)液體運(yùn)動(dòng)與船體產(chǎn)生共振，船體運(yùn)動(dòng)幅度增大［3］。

劉學(xué)勤等人［3］曾對(duì)一艘作業(yè)水深1 500 m的鉆井船月池開口對(duì)運(yùn)動(dòng)性能的影響進(jìn)行分析，通過有月池和無月池方案對(duì)船體橫搖固有周期影響對(duì)比分析表明，月池開口的存在使該鉆井船橫搖固有周期減小，橫搖固有周期由無月池方案的18.00 s減小為16.43 s。但是，與鉆井船排水量約40 000～50 000 t不同，F(xiàn)DPSO為滿足儲(chǔ)油要求，通常排水量較大（可達(dá)到200 000 t），月池體積占排水量比例較小，月池開口對(duì)FDPSO運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律會(huì)有所不同。

本文采用三維勢(shì)流理論，對(duì)某型FDPSO不同尺寸月池方案進(jìn)行水動(dòng)力性能計(jì)算，并與無月池船體運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)了月池效應(yīng)對(duì)該FDPSO船體運(yùn)動(dòng)的橫搖、垂蕩響應(yīng)及固有周期的影響規(guī)律，進(jìn)而為確定該FDPSO月池尺寸提供依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)目標(biāo)FDPSO方案的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行短期預(yù)報(bào)，評(píng)估該FDPSO的運(yùn)動(dòng)性能。

1　計(jì)算基礎(chǔ)

1.1坐標(biāo)系定義

水動(dòng)力計(jì)算參考坐標(biāo)系如圖1所示。該坐標(biāo)用于定義濕表面模型、質(zhì)量模型以及運(yùn)動(dòng)RAO，原點(diǎn)定于水線面上，波浪從船尾向船首為0°，從右舷向左舷為90°［4］。

圖1　水動(dòng)力計(jì)算參考坐標(biāo)系

1.2計(jì)算方案

一般鉆井平臺(tái)上設(shè)置的月池尺寸主要根據(jù)船型尺度和鉆井作業(yè)設(shè)備而定，需要滿足主要鉆井設(shè)備如防噴器和采油樹等設(shè)備的起升和下放要求。通常月池寬度方向約為8～10 m，長度方向差異較大，較短的月池長度約為15 m，較長的月池長度約可達(dá)到40 m，如“海洋石油981”號(hào)。為便于研究不同月池尺寸對(duì)FDPSO船型運(yùn)動(dòng)性能的影響，同時(shí)也基本涵蓋鉆井作業(yè)需求，本文考慮選用3個(gè)不同月池尺寸方案，分別為8 m×8 m、12 m×12 m、16 m×16 m。通過3個(gè)不同月池尺寸方案水動(dòng)力性能與無月池船體方案的水動(dòng)力性能對(duì)比分析，總結(jié)出月池效應(yīng)隨尺寸變化的規(guī)律。不同月池計(jì)算方案如圖2 -圖5所示。曳力、流體的分離或其他原因造成的阻尼，而且很難判斷哪些部分因素是橫搖阻尼的主要因素［5］。HydroStar是基于勢(shì)流理論的分析軟件，不能直接計(jì)算船體橫搖運(yùn)動(dòng)的阻尼，但其提供臨界阻尼系數(shù)和阻尼矩陣接口兩種方式將橫搖阻尼的影響加入計(jì)算。其中臨界阻尼系數(shù)可以根據(jù)模型試驗(yàn)、工程經(jīng)驗(yàn)或者直接數(shù)據(jù)計(jì)算求得；阻尼矩陣的數(shù)值可通過半經(jīng)驗(yàn)公式ITH方法計(jì)算求得。ITH方法計(jì)算過程比較復(fù)雜，文獻(xiàn)［6］中有詳細(xì)闡述，本文不再贅述。

圖2　無月池船體方案

圖3　8 m×8 m月池方

圖4　12 m×12 m月池方案

圖5　16 m×16 m月池方案

本文主要研究不同月池尺寸對(duì)FDPSO運(yùn)動(dòng)性能的影響。為使不同方案運(yùn)動(dòng)性能具有可比性，對(duì)不同月池尺寸方案取相同的臨界阻尼系數(shù)，按照一般工程經(jīng)驗(yàn)，將臨界阻尼系數(shù)取為3%。

2　月池效應(yīng)對(duì)FDPSO運(yùn)動(dòng)性能的影響分析

1.3計(jì)算手段

本文的運(yùn)動(dòng)性能分析基于BV開發(fā)的商用軟件HydroStar，它基于三維線性勢(shì)流理論，能夠完整地求解在有限水深和無限水深條件下波浪繞射和輻射的一階問題，以及浮體有航速或者無航速下的二階低頻波浪載荷傳遞函數(shù)QTF。文中采用HydroStar對(duì)上述不同月池方案進(jìn)行計(jì)算，得到船體運(yùn)動(dòng)的傳遞函數(shù)，再通過對(duì)傳遞函數(shù)的分析，得出月池效應(yīng)隨月池尺寸變化的規(guī)律。

1.4橫搖阻尼

船體的橫搖阻尼成分較為復(fù)雜，如摩擦、拖

浮式平臺(tái)的六自由度的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)中，以橫搖和垂蕩響應(yīng)對(duì)鉆井作業(yè)影響最大。與縱搖和首搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)相比，橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)通常幅度較大，特別是橫浪作用于船體時(shí)，如果橫搖運(yùn)動(dòng)過大，對(duì)平臺(tái)上設(shè)備作業(yè)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，甚至可能會(huì)發(fā)生隔水管與月池壁碰撞等事故。過大的垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)則會(huì)使鉆桿上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，引起井底鉆壓變化，甚至使鉆頭脫離井底，影響鉆井效率，降低鉆頭和鉆桿壽命。

對(duì)于船型浮體，通常橫浪時(shí)的橫搖和垂蕩最大。因此，本文主要研究不同月池尺寸方案FDPSO在橫浪作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，其傳遞函數(shù)如下頁圖6和圖7所示。

從圖6中可以看出，不同月池尺寸對(duì)FDPSO的橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)峰值影響不大，橫搖峰值基本都在7.5 °/m左右。但是隨著月池尺寸的增大，能量較為集中的譜峰區(qū)域整體“左移”，即橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)固有周期相應(yīng)減小。與無月池船體相比，3個(gè)尺寸的月池開口使船體橫搖固有周期減小，月池效應(yīng)對(duì)船體橫搖固有周期的影響規(guī)律與文獻(xiàn)［3］所述一致。不過，由于該FDPSO排水量和水線面較大，月池體積和月池截面積相對(duì)較小，月池開口對(duì)FDPSO船體橫搖固有周期的影響比鉆井船小。

圖6　不同月池方案船體在橫浪作用下橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)傳遞函數(shù)

圖7　不同月池方案船體在橫浪作用下垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)傳遞函數(shù)

圖8　不同月池方案船體在45°斜浪作用下縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)傳遞函數(shù)

通常鉆井作業(yè)海域海況的譜峰周期多分布于10～16 s，位于FDPSO橫搖固有周期“左側(cè)”。月池尺寸越大，橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)譜峰區(qū)域向波浪譜峰區(qū)域“靠近”，容易形成“共振”，使船體產(chǎn)生較大的橫搖運(yùn)動(dòng)。因此，為減少橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)值，不宜設(shè)置過大的月池尺寸。

由圖7可見，波浪周期在10～32 s的較大范圍內(nèi)。不同月池方案的船體垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)基本重合，這是由于FDPSO船型水線面較大，月池截面積較小，對(duì)垂蕩的影響非常小。波浪周期小于10 s區(qū)域垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)值出現(xiàn)一定差異，但該區(qū)域已經(jīng)“偏離”垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)譜峰區(qū)域較遠(yuǎn)，對(duì)垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)短期預(yù)報(bào)值的影響可忽略不計(jì)。

由圖8可見，不同月池方案對(duì)船體縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響規(guī)律與垂蕩一致。各方案縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)基本重合，僅在小于10 s區(qū)域縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)有一定差異，但基本上不影響其短期預(yù)報(bào)值。

橫搖、垂蕩及縱搖的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)固有周期如表1所示。

表1　不同月池運(yùn)動(dòng)響應(yīng)固有周期

從表1中也可以看出，橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)固有周期隨著月池尺寸的增大而減小，垂蕩和縱搖固有周期對(duì)月池尺寸的改變并不敏感。

3　目標(biāo)方案運(yùn)動(dòng)性能分析

3.1目標(biāo)方案

根據(jù)上述分析結(jié)果顯示，在滿足鉆井設(shè)備布置的前提下，采用較小的月池尺寸可以改善橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)預(yù)報(bào)值，因此目標(biāo)FDPSO采用8 m×8 m的月池方案。FDPSO其他主尺度如下：垂線間長252.30 m、型寬48.90 m、型深26.70 m、滿載吃水17.80 m、滿載排水量約213 000 t。其濕表面模型如圖9所示。

圖9　目標(biāo)FDPSO方案濕表面模

3.2短期預(yù)報(bào)

采用HydroStar對(duì)目標(biāo)FDPSO方案進(jìn)行水動(dòng)力分析，獲得運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的傳遞函數(shù)后，結(jié)合FDPSO使用海域的海況資料，采用譜分析方法預(yù)報(bào)其在不規(guī)則波中的短期響應(yīng)，包括六自由度的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)等。

船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)在短期內(nèi)可看作一個(gè)平穩(wěn)隨機(jī)過程，其響應(yīng)譜可表達(dá)為：

大量實(shí)踐表明，船體運(yùn)動(dòng)幅值的短期響應(yīng)服從Rayleigh分布。該分布只有方差σ2一個(gè)參數(shù)，可由響應(yīng)譜按下式直接得到：

這樣，可獲得船體運(yùn)動(dòng)短期預(yù)報(bào)的各種統(tǒng)計(jì)值，包括均值、有義值、十一值等。其中，單幅有義值的表達(dá)式為：

此外，可進(jìn)一步求短期響應(yīng)的最大值。短期響應(yīng)最大值與有義值的關(guān)系為：

式中：n為該變量的短期循環(huán)次數(shù)，對(duì)于3小時(shí)，其表達(dá)式為：

式中：m0和m2分別為響應(yīng)譜的零階和二階矩。

3.3作業(yè)海域環(huán)境條件

目標(biāo)FDPSO方案作業(yè)海域?yàn)槲鞣?，西非海區(qū)的環(huán)境條件特點(diǎn)是涌浪出現(xiàn)概率較高，涌浪與風(fēng)生浪并存。以一年一遇回歸期的西非海況為作業(yè)海況，結(jié)果如表2所示。

表2　作業(yè)海域工況

當(dāng)涌浪與風(fēng)生浪疊加時(shí)，需采用采用雙峰譜（Ochi-Hubble譜）對(duì)其進(jìn)行描述，其表達(dá)式［7］為：

雙峰譜分為兩部分，一部分為低頻部分、另一部分為高頻部分，每部分由3個(gè)參數(shù)表示，共6個(gè)參數(shù)（H1、Tp1、λ1、H2、Tp2、λ2）。H1為主涌浪的有義波高，H2為風(fēng)生浪有義波高。Tp1、Tp2分別為兩部分的譜峰周期。λ1= 3.00，λ2= 1.54e-0.062H。

3.4FDPSO運(yùn)動(dòng)性能預(yù)報(bào)結(jié)果

結(jié)合目標(biāo)FDPSO方案的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)傳遞函數(shù)和目標(biāo)海域海況的波浪譜，可對(duì)目標(biāo)FDPSO運(yùn)動(dòng)響應(yīng)作短期預(yù)報(bào)。對(duì)于鉆井作業(yè)，運(yùn)動(dòng)衡準(zhǔn)一般是垂蕩小于2.29 m，橫搖、縱搖小于4°；對(duì)于濕樹油氣生產(chǎn)作業(yè)，運(yùn)動(dòng)衡準(zhǔn)一般是垂蕩小于7.0 m，橫搖、縱搖小于15°。目標(biāo)FDPSO垂蕩、橫搖及縱搖短期預(yù)報(bào)值與鉆井運(yùn)動(dòng)衡準(zhǔn)對(duì)比如圖10所示。

圖10　目標(biāo)FDPSO垂蕩、橫搖及縱搖短期預(yù)報(bào)值及衡準(zhǔn)對(duì)

由圖10可見，作業(yè)海況下目標(biāo)FDPSO整體運(yùn)動(dòng)性能優(yōu)良，垂蕩最大響應(yīng)值為3.436 m，橫搖最大響應(yīng)值為8.034°，縱搖最大響應(yīng)值為1.690°。因此，目標(biāo)FDPSO運(yùn)動(dòng)性能可以在360°范圍內(nèi)滿足濕樹油氣生產(chǎn)作業(yè)的運(yùn)動(dòng)衡準(zhǔn)。對(duì)于鉆井作業(yè)，浪向與船體首向夾角大于45°時(shí)，垂蕩響應(yīng)值和橫搖響應(yīng)值超出了鉆井作業(yè)運(yùn)動(dòng)衡準(zhǔn)，因此在鉆井作業(yè)時(shí)需要采取首向角限制措施，使船體首向角與浪向角夾角不大于45°。

4　結(jié) 論

通過上述計(jì)算和分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）FDPSO船型垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)對(duì)月池尺寸的變化不敏感，其響應(yīng)峰值和固有周期基本不隨月池尺寸變化而變化。

（2）FDPSO船型橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)峰值對(duì)月池尺寸變化不敏感；但其固有周期隨著月池尺寸的增大而減小，且更接近一般作業(yè)海況波浪譜譜峰周期，較大月池尺寸對(duì)橫搖運(yùn)動(dòng)存在不利影響。

（3）FDPSO排水量和水線面較大，月池開口體積和截面積相對(duì)較小，月池開口對(duì)FDPSO船體運(yùn)動(dòng)性能的影響比鉆井船小。

（4）目標(biāo)FDPSO方案運(yùn)動(dòng)短期預(yù)報(bào)結(jié)果顯示，目標(biāo)方案垂蕩響應(yīng)和橫搖響應(yīng)值較小；采用月池尺寸較小的方案是合理的，可以在全浪向下滿足濕樹油氣生產(chǎn)作業(yè)的運(yùn)動(dòng)要求；但為滿足鉆井作業(yè)時(shí)的運(yùn)動(dòng)要求，則需采取一定的首向限制措施。

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Motions analysis of floating drilling production storage & offloading

HE Jin-hui ZHANG Hai-bin JING Bao-jin
（Marine Design & Research Institute of China， Shanghai 200011， China）

Abstract：At first， the characteristics of a floating drilling production storage& offloading（FDPSO） with a moonpool in the middle of the hull are introduced. Different moonpool sizes are designed to study the effect of moonpool on the motion of FDPSO. By three-dimensional potential theory， the motion response amplitude operator （RAO） of FDPSO with different moonpool sizes is then calculated to obtain the variation of roll and heave responses with the moonpool size， resulting in a reasonable target scheme of FDPSP. Finally， the motion of the target FDPSO scheme is analyzed for the evaluation of seakeeping performance.

Keywords：floating drilling production storage& offloading （FDPSO）； moonpool size； motions analysis

［中圖分類號(hào)］U661.32

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

［文章編號(hào)］1001-9855（2016）03-0015-06

［收稿日期］2015-08-24；［修回日期］2015-10-10

［作者簡介］何進(jìn)輝（1986-），男，碩士，工程師，研究方向：海洋工程結(jié)構(gòu)物總體設(shè)計(jì)。