張力腿平臺(tái)就位安裝壓載方案研究及穩(wěn)性分析

馮加果， 劉小燕， 謝文會(huì)， 樊娟娟， 李曉慧， 黃　佳

(1.中海油研究總院， 北京 100027； 2.北京高泰深海技術(shù)有限公司， 北京 100011)

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張力腿平臺(tái)就位安裝壓載方案研究及穩(wěn)性分析

馮加果1， 劉小燕2， 謝文會(huì)1， 樊娟娟2， 李曉慧2， 黃佳2

(1.中海油研究總院， 北京 100027； 2.北京高泰深海技術(shù)有限公司， 北京 100011)

摘要：建立了張力腿平臺(tái)(TLP)安裝過(guò)程中確定壓載方案的流程，然后應(yīng)用該流程制定了某在研TLP的安裝壓載方案，并應(yīng)用MOSES軟件研究了該壓載方案下TLP安裝各階段的正浮浮態(tài)和臨時(shí)傾斜浮態(tài)時(shí)的穩(wěn)性。研究表明，TLP傾斜會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)性降低，但該TLP在這些浮態(tài)時(shí)的穩(wěn)性均滿(mǎn)足規(guī)范要求，初步說(shuō)明了制定的壓載方案是可行的，同時(shí)也驗(yàn)證了此TLP的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足安裝穩(wěn)性的要求。

關(guān)鍵詞：張力腿平臺(tái)；壓載方案；穩(wěn)性分析；安裝

0引言

隨著全球海洋石油開(kāi)發(fā)不斷向深海發(fā)展，我國(guó)南海深水油氣開(kāi)發(fā)日益受到關(guān)注，而張力腿平臺(tái)(Tension Leg Platform，TLP)作為一種典型的深水浮式平臺(tái)，由于其升沉運(yùn)動(dòng)非常小，平臺(tái)穩(wěn)定性好，可采用干式采油樹(shù)，制造、安裝和維修費(fèi)用相對(duì)較低等特點(diǎn)[1]，在深海油田開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用越來(lái)越多，也是我國(guó)南海深水油氣開(kāi)發(fā)所倚重的重要平臺(tái)型式之一[2]。因此，開(kāi)展張力腿平臺(tái)的開(kāi)發(fā)研究有著重要的意義和廣闊的市場(chǎng)前景。

TLP安裝過(guò)程的穩(wěn)性是評(píng)估能否將TLP應(yīng)用于油氣開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。同時(shí)，TLP的安裝離不開(kāi)艙室壓載，但目前尚無(wú)指導(dǎo)如何制定TLP壓載方案的方法和流程。因此，該文首先根據(jù)TLP平衡要求，綜合考慮TLP艙容布置、艙容數(shù)據(jù)和TLP布置情況，建立TLP就位安裝壓載方案確定流程；其次針對(duì)在研的TLP制定具體的壓載方案，包括安裝各階段的壓載艙壓載情況和壓載速度，進(jìn)行安裝各階段對(duì)應(yīng)的正浮狀態(tài)和壓載臨時(shí)傾斜狀態(tài)時(shí)TLP的穩(wěn)性分析，從穩(wěn)性的角度判斷壓載方案是否可行，同時(shí)也驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的TLP是否滿(mǎn)足安裝穩(wěn)性的要求。

1TLP概況及MOSES模型建立

此次研究開(kāi)發(fā)的是張力腿鉆井平臺(tái)，目標(biāo)油氣田是南海某油氣田，水深約為1 500 m。該TLP平臺(tái)主體為常規(guī)TLP形式，由4根立柱支撐，立柱之間有Pontoon連接，每根立柱通過(guò)2根張緊的筋腱連接到海底，鉆井架位于平臺(tái)中央位置。

張力腿壓載平衡調(diào)整和穩(wěn)性分析均采用MOSES軟件計(jì)算，該軟件是美國(guó)休斯頓Ultramarine公司研發(fā)的，用于海洋工程的專(zhuān)業(yè)水靜力和水動(dòng)力分析。

采用該軟件建立TLP穩(wěn)性分析模型時(shí)有以下建議：由于TLP模型較為復(fù)雜，如果用MOSES語(yǔ)言建模工作量較大，建議先采用有限元軟件建立TLP有限元模型，然后導(dǎo)出包含有限元節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和面元信息的文本文件，通過(guò)編寫(xiě)接口程序或者EXCEL將文本文件轉(zhuǎn)成MOSES能識(shí)別的程序語(yǔ)言，再通過(guò)讀入經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后的文本文件建立TLP模型，建立的TLP模型如圖1所示。

圖1　TLP的MOSES模型圖

2TLP就位安裝壓載方案及穩(wěn)性分析

TLP就位安裝是指TLP拖航到待安裝現(xiàn)場(chǎng)后，通過(guò)對(duì)壓載艙實(shí)施壓載，使TLP吃水增加，達(dá)到設(shè)計(jì)吃水，然后安裝筋腱的過(guò)程。在安裝壓載過(guò)程中，需要保證TLP的平穩(wěn)過(guò)渡，使得TLP在安裝過(guò)程中盡可能處于正浮平衡狀態(tài)，這就需要合理安排壓載艙壓載的順序、壓載速度和壓載量，也就是需要制定合適的壓載方案。

由于很難保證TLP在安裝過(guò)程中的任何時(shí)候都是平衡的，所以一般情況下是將壓載方案劃分為4個(gè)階段：吃水量25%、50%、75%和100%，通過(guò)壓載調(diào)節(jié)使得這四個(gè)階段時(shí)TLP處于正浮平衡狀態(tài)。而TLP在到達(dá)這四個(gè)階段的平衡浮態(tài)之前，會(huì)由于某些原因(比如壓載過(guò)程中臨時(shí)壓載不均)導(dǎo)致TLP臨時(shí)傾斜，出現(xiàn)臨時(shí)傾斜浮態(tài)。將安裝各階段調(diào)整壓載水平衡后的浮態(tài)稱(chēng)為正浮浮態(tài)，將安裝各階段的正浮狀態(tài)之前由于各種原因引起的TLP臨時(shí)傾斜的浮態(tài)稱(chēng)為T(mén)LP臨時(shí)傾斜浮態(tài)。進(jìn)行TLP安裝穩(wěn)性校核時(shí)，一般都是校核各安裝階段正浮狀態(tài)下TLP的穩(wěn)性，很少有人關(guān)注臨時(shí)傾斜狀態(tài)的穩(wěn)性，而臨時(shí)傾斜狀態(tài)是安裝過(guò)程中難以避免的一種浮態(tài)。因此，需研究這兩種浮態(tài)下TLP的穩(wěn)性，保證制定的壓載方案使得設(shè)計(jì)的TLP在這兩種浮態(tài)下的穩(wěn)性都滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2.1穩(wěn)性衡準(zhǔn)

根據(jù)IMO標(biāo)準(zhǔn)，安裝工況下，為保證TLP在36 m/s的風(fēng)速引起的傾覆力作用下有足夠的干舷和浮力，需滿(mǎn)足以下幾項(xiàng)指標(biāo)[3]：

(1)對(duì)于立柱支撐的浮式平臺(tái)，風(fēng)傾覆力矩施加后，靜穩(wěn)性曲線下復(fù)原力臂從平衡位置到船體橫傾進(jìn)水角的面積，必須大于風(fēng)傾覆力臂在該角度范圍內(nèi)面積的30%。

(2)復(fù)原力臂曲線在船體從平衡到復(fù)原力臂與風(fēng)傾覆力臂的第二個(gè)交點(diǎn)之間，必須都是正值。

2.2確定TLP就位安裝壓載方案的流程

TLP就位安裝過(guò)程中很重要的工作是確定該過(guò)程的壓載方案，制定壓載方案的主要原則是保證安裝過(guò)程中TLP是平衡的，同時(shí)保證TLP的穩(wěn)性滿(mǎn)足規(guī)范要求，通過(guò)研究得到確定壓載方案的流程圖，如圖2所示。

圖2　確定TLP就位安裝壓載方案的流程圖

2.3TLP就位安裝的壓載方案

TLP壓載艙的布置如圖3所示，命名原則是以方位的首字代表艙室所處的位置，數(shù)字代表所處的層數(shù)。應(yīng)用上面建立的壓載方案確定流程初步制定TLP安裝時(shí)的壓載方案如下：

(1) 在濕拖壓載(EPN1-100%、EPS1-100%、WPS1-70%和WPN1-48%)的基礎(chǔ)上，向WPS1和WPN1中壓載30%，同時(shí)向NPE1和SPE1艙中加水93%。其中，后兩個(gè)艙注水的速度是前兩個(gè)艙的3倍，此時(shí)TLP吃水量大約為25%。

圖3　TLP下層壓載艙布置圖

(2) 以相同的速度向NPE1、SPE1、NPW1和SPW1中各壓載7%，然后向WPN1壓載22%、SESE1壓載33%、NENE1壓載25%、NPW1和SPW1各壓載43%，其中向NPW1和SPW1艙中注水速度是其他三個(gè)艙的2倍，此時(shí)TLP吃水量大約為50%。

(3) 以相同的速度向NWNW1、SWSW1、SESE1和NENE1中各壓載33%，再繼續(xù)同時(shí)同速向SWSW1和NENE1中再各壓載8%，接下來(lái)向NPW1壓載50%、SPW1壓載50%、SESE1壓載19%、NENE1壓載19%，其中向NPW1和SPW1艙中注水的速度是向SESE1和NENE1中加壓載水速度的3倍，此時(shí)TLP吃水量大約75%。

(4) 以相同速度向NESW2和SWNE2中壓載100%，使TLP達(dá)到設(shè)計(jì)吃水27.29 m，吃水量達(dá)到100%。

此壓載方案下，安裝各階段的艙室壓載情況見(jiàn)表1，各階段相對(duì)壓載速度和壓載滯后量的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。表1、表2中：“相對(duì)壓載速度”是指某一壓載階段時(shí)，其他壓載艙相對(duì)于該壓載階段所需壓載的最小壓載量的壓載速度；“剩余待壓載量”是指由于相對(duì)壓載速度取整造成的某些壓載艙部分壓載量滯后但還需繼續(xù)壓載的剩余壓載量。

表1　安裝過(guò)程中TLP壓載艙壓載情況統(tǒng)計(jì)

表2　各階段相對(duì)壓載速度及剩余待壓載量計(jì)算表

2.4安裝各階段正浮時(shí)完整穩(wěn)性分析

確定壓載方案后，計(jì)算四個(gè)安裝階段的穩(wěn)性。選擇濕拖完整穩(wěn)性分析中最危險(xiǎn)的135°傾覆軸，分別計(jì)算TLP安裝過(guò)程吃水量25%、50%、75%和100%時(shí)TLP的完整穩(wěn)性，計(jì)算中的風(fēng)速依據(jù)IMO規(guī)范取36 m/s (約70 kn)[3]，計(jì)算得到安裝過(guò)程中TLP的船體特征和完整穩(wěn)性數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，靜穩(wěn)性曲線如圖4所示。其中：“面積比”是指靜穩(wěn)性曲線圖中復(fù)原力臂曲線從平衡位置到船體橫傾進(jìn)水角處圍成的面積與風(fēng)傾力臂曲線從平衡位置到船體橫傾進(jìn)水角處圍成的面積的比值；“復(fù)原力臂是否均為正”是指復(fù)原力臂曲線從船體平衡位置到其與風(fēng)傾力臂第二個(gè)交點(diǎn)之間是否都是正值。

表3　TLP安裝各階段暫時(shí)傾斜和正浮時(shí)船體特征和穩(wěn)性數(shù)據(jù)

圖4　安裝過(guò)程中不同吃水量時(shí)TLP完整穩(wěn)性的靜穩(wěn)性曲線

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出：安裝過(guò)程中，TLP在不同吃水量時(shí)各靜穩(wěn)性曲線下，復(fù)原力臂從平衡位置到船體橫傾進(jìn)水角的面積與風(fēng)載荷傾覆力臂在該角度范圍內(nèi)面積的比值均大于1.3，滿(mǎn)足規(guī)范要求的前者比后者大30%，并且復(fù)原力臂從船體平衡位置到復(fù)原力臂與風(fēng)載荷傾覆力臂的第二個(gè)交點(diǎn)之間的值都是正值，滿(mǎn)足規(guī)范要求，說(shuō)明此壓載方案能滿(mǎn)足TLP安裝時(shí)的穩(wěn)性要求，從穩(wěn)性角度考慮，該壓載方案是可行的。

2.5安裝各階段臨時(shí)傾斜穩(wěn)性研究

從安裝壓載方案的分析可以看出，在安裝至吃水量25%前、吃水量50%前和吃水量75%前會(huì)由于部分艙室有剩余壓載量而引起TLP臨時(shí)傾斜，出現(xiàn)三個(gè)臨時(shí)傾斜浮態(tài)。這三個(gè)浮態(tài)下TLP穩(wěn)性是否滿(mǎn)足要求也是TLP能否順利安裝的關(guān)鍵。綜合分析表1、表2可得，選擇最危險(xiǎn)的135°傾覆軸，風(fēng)速取為36 m/s (約70 kn)，計(jì)算得到TLP船體特征和穩(wěn)性分析結(jié)果見(jiàn)表3，靜穩(wěn)性曲線如圖5所示。

圖5　不同安裝階段前的傾斜浮態(tài)時(shí)TLP完整穩(wěn)性的靜穩(wěn)性曲線

比較表3中安裝各階段正浮狀態(tài)和臨時(shí)傾斜狀態(tài)的穩(wěn)性數(shù)據(jù)可以看出，臨時(shí)傾斜浮態(tài)的橫穩(wěn)性高、縱穩(wěn)性高、面積比均比對(duì)應(yīng)的正浮狀態(tài)時(shí)相應(yīng)數(shù)據(jù)小。說(shuō)明安裝各階段臨時(shí)傾斜浮態(tài)的穩(wěn)性比相應(yīng)吃水附近正浮狀態(tài)差。因此，在安裝過(guò)程中有必要計(jì)算壓載過(guò)程中臨時(shí)傾斜的穩(wěn)性，建議用臨時(shí)傾斜狀態(tài)代替正浮狀態(tài)作為T(mén)LP安裝過(guò)程的穩(wěn)性校核工況。將表3中的穩(wěn)性數(shù)據(jù)與規(guī)范要求對(duì)比發(fā)現(xiàn)，雖然壓載傾斜導(dǎo)致TLP穩(wěn)性降低，但是這三個(gè)傾斜狀態(tài)時(shí)的面積比均大于1.3，復(fù)原力臂均為正值，說(shuō)明安裝各階段TLP傾斜后的穩(wěn)性仍然滿(mǎn)足規(guī)范要求。

綜合以上分析可以看出，TLP在安裝各階段正浮浮態(tài)和臨時(shí)傾斜浮態(tài)時(shí)的穩(wěn)性均滿(mǎn)足規(guī)范要求，說(shuō)明了制定的壓載方案是可行的，也驗(yàn)證了該TLP的設(shè)計(jì)能滿(mǎn)足安裝穩(wěn)性的要求。

3結(jié)論

該文首先根據(jù)TLP重量分布、艙容大小及壓載艙布置等因素制定了TLP就位安裝的壓載方案確定流程，給出了具體的壓載方案，然后研究了該壓載方案下TLP安裝過(guò)程的完整穩(wěn)性以及壓載不均導(dǎo)致的TLP傾斜對(duì)穩(wěn)性的影響，通過(guò)研究得到如下結(jié)論：

(1) 安裝各階段TLP臨時(shí)傾斜的穩(wěn)性比該吃水附近正浮時(shí)的穩(wěn)性要小，因此建議用安裝各階段臨時(shí)傾斜狀態(tài)代替正浮狀態(tài)作為T(mén)LP安裝過(guò)程的穩(wěn)性校核工況。

(2) 此次TLP在安裝過(guò)程中，不同安裝階段正浮時(shí)和臨時(shí)傾斜時(shí)的穩(wěn)性均滿(mǎn)足規(guī)范要求，驗(yàn)證了此次研究的TLP的設(shè)計(jì)能滿(mǎn)足安裝穩(wěn)性要求。

(3) 應(yīng)用建立的壓載方案確定流程為此次研究的TLP制定的安裝壓載方案能夠滿(mǎn)足TLP在安裝過(guò)程中的穩(wěn)性要求，初步驗(yàn)證該方案是可行的，可提供給項(xiàng)目組作參考。

(4) 文中建立的確定TLP安裝壓載方案的流程可為其他平臺(tái)(比如半潛平臺(tái)、Spar等)的壓載方案制定提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]“典型深水平臺(tái)概念設(shè)計(jì)研究”課題組．張力腿平臺(tái)安裝分析[J]．中國(guó)造船，2005，46(A1)：457-463.

[2]謝彬，張愛(ài)霞，段夢(mèng)蘭．中國(guó)南海深水油氣田開(kāi)發(fā)工程模式及平臺(tái)選型[J]．石油學(xué)報(bào)，2007，28(1)：115-118.

[3]IMO A649(16)．Code For The Construction And Equipment Of Mobile Offshore Drilling Units[S].1989.

收稿日期：2015-10-23

基金項(xiàng)目：“深水平臺(tái)工程技術(shù)(2011ZX05026-002)”,國(guó)家973計(jì)劃-2015CB251203。

作者簡(jiǎn)介：馮加果(1985-)，男，工程師。

文章編號(hào)：1001-4500(2016)03-0074-07

中圖分類(lèi)號(hào):P75

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research on Ballast Project and Stability Analysis of Installation of Tension Leg Platform

FENG Jia-guo1， LIU Xiao-yan2， XIE Wen-hui1， FAN Juan2,LI Xiao-hui2, HUANG Jia-juan2

(1.CNOOC Research Institute, Beijing 100027， China;2.COTEC Offshore Engineering Solutions, Beijing 100011, China)

Abstract：By applying the program which had been established to find a ballast project for the Tension Leg Platform(TLP) installation process, a preliminary ballast project was determined for the TLP. And then the stabilities of this TLP using the above ballast project were analyzed in the upright and temporary slope floating state based on the MOSES software. It con be concluded showed that slope to the TLP would lead to decrease the stability of the TLP, but the stability of the TLP in these floating states all meet the criterion. The preliminary ballast project for this TLP was proved to be feasible and the design of this TLP was verified to meet the requirements of the stability in the installation by the research.

Keywords：TLP; ballast project; stability analysis; installation