新型干樹半潛平臺(tái)凝析油外輸計(jì)算分析

韓旭亮, 謝文會(huì), 文志飛, 鄧小康

(1.中海油研究總院有限責(zé)任公司， 北京 100028； 2.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

中國(guó)南海海域蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源，天然氣資源占整個(gè)南海油氣資源的83%，其中70%的天然氣資源來自深水。深水油氣資源合理開發(fā)利用對(duì)降低國(guó)外能源依存度，保障國(guó)家能源安全都具有重要意義。天然氣開發(fā)過程中伴隨有一定數(shù)量的凝析油，凝析油外輸是整個(gè)氣田開發(fā)不可或缺的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[1-2]。在實(shí)際海上生產(chǎn)作業(yè)過程中，儲(chǔ)油平臺(tái)需要將產(chǎn)生的凝析油定期外輸，以便騰出艙容從而持續(xù)生產(chǎn)，一旦出現(xiàn)故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)海上生產(chǎn)作業(yè)出現(xiàn)停產(chǎn)，嚴(yán)重還會(huì)出現(xiàn)癱瘓。目前，海洋工程儲(chǔ)油平臺(tái)常用的外輸方式主要分為浮筒外輸、旁靠外輸與串靠艉輸?shù)刃问絒3]。經(jīng)中外大量研究表明，基于中國(guó)南海實(shí)際海況條件，旁靠外輸技術(shù)對(duì)海況的限制較強(qiáng)，作業(yè)效率低，而串靠艉輸方式[4]對(duì)海況要求較低，其外輸作業(yè)操作簡(jiǎn)單，安全性較高，是目前應(yīng)用較多的原油外輸方式。然而，串靠艉輸外輸作業(yè)采用漂浮軟管將原油從船型浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船(floating production storage and offloading，F(xiàn)PSO)輸送到外輸油輪，兩者通常均為船型浮式結(jié)構(gòu)物。由船體首部迎著來浪方向，外輸系統(tǒng)布置在船體尾部，從而減小因外部環(huán)境作用導(dǎo)致外輸油輪與船型FPSO相撞概率，具有較好的風(fēng)標(biāo)效應(yīng)。

新型干樹半潛平臺(tái)抵御環(huán)境載荷的能力優(yōu)于船型FPSO，適用于較惡劣海況環(huán)境，但是它對(duì)環(huán)境方向性不敏感，不具備風(fēng)標(biāo)效應(yīng)的特點(diǎn)。為此，針對(duì)具有凝析油儲(chǔ)存功能的新型干樹半潛平臺(tái)與油輪直接外輸方案進(jìn)行計(jì)算研究，充分考慮多浮體耦合作用，分別對(duì)油輪抵達(dá)和油輪駛離新型干樹半潛平臺(tái)的外輸作業(yè)進(jìn)行時(shí)域計(jì)算分析，探討了不同工況下外輸油輪的艏搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和外輸系泊纜的張力響應(yīng)情況。

1 平臺(tái)概況

圖1為新型干樹半潛平臺(tái)示意圖。該型平臺(tái)與現(xiàn)有典型深水浮式平臺(tái)均不相同，綜合了單柱式平臺(tái)、張力腿平臺(tái)和半潛式平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)凝析油天然氣田，該型平臺(tái)適應(yīng)中國(guó)南海惡劣環(huán)境條件，運(yùn)動(dòng)性能優(yōu)良、海上安裝難度低、可以實(shí)現(xiàn)干式采油(氣)、油氣生產(chǎn)處理、凝析油儲(chǔ)存與卸載、鉆修井等多種功能[5-7]。平臺(tái)采用分布式多點(diǎn)系泊系統(tǒng)進(jìn)行錨泊定位，作業(yè)水深為1 500 m。平臺(tái)設(shè)計(jì)有12個(gè)頂張緊立管(top tension riser，TTR)井槽。表1給出了新型干樹半潛平臺(tái)生產(chǎn)能力的情況。

新型干樹半潛平臺(tái)對(duì)環(huán)境方向性不敏感，抵御載荷的能力優(yōu)于船型FPSO，更適用于環(huán)境惡劣的南海海域。由于其特殊的外部形狀，決定了其無法使用旁靠外輸，而且其不具備風(fēng)標(biāo)效應(yīng)的特點(diǎn)。新型干樹半潛平臺(tái)凝析油可以采用油輪直接串靠外輸方案。將新型干樹半潛平臺(tái)與油輪采用前后串列外輸方式，在輔助船舶的幫助下油輪船艏通過一根外輸系泊纜同平臺(tái)連接，經(jīng)漂浮軟管或者跨接軟管將凝析油輸送到油輪。串靠系泊方式對(duì)兩船噸位匹配、裝載工況、海況條件要求較低，可以抵御較大的風(fēng)浪，外輸距離較遠(yuǎn)，安全性較高。串靠系泊操作比較簡(jiǎn)單，系泊纜通常為尼龍纜，兩端配有摩擦鏈。

圖1 新型干樹半潛平臺(tái)示意圖

表1 新型干樹半潛平臺(tái)生產(chǎn)能力

2 研究對(duì)象及參數(shù)

2.1 新型干樹半潛平臺(tái)主尺度參數(shù)

新型干樹半潛平臺(tái)在位吃水36 m，下浮箱吃水140 m。平臺(tái)作業(yè)載況排水量為130 021 t，立柱高度為57 m，在最大波浪時(shí)負(fù)責(zé)提供足夠的氣隙，初始?xì)庀陡叨葹?1 m。立柱中心間距為65 m。表2給出了平臺(tái)主尺度具體參數(shù)。平臺(tái)主體質(zhì)量為72 150 Mt，主體中心高度30.78 m，x軸、y軸、z軸方向的慣性半徑分別為40.6、40.6、42.0 m。平臺(tái)下浮箱為箱型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，當(dāng)安裝完成后，下浮箱內(nèi)灌滿海水，成為永久壓載，且下浮箱不承受水壓力。下浮箱重量為48 083 t，x軸、y軸方向的慣性半徑分別為27.5、28.3 m。平臺(tái)主體與下浮箱之間共有八根伸縮立柱，類似張力腿張力筋腱。伸縮立柱長(zhǎng)度為100 m，通過鉸接方式將平臺(tái)主體與下浮箱連接。伸縮立柱結(jié)構(gòu)重量為710 t，單根伸縮立柱上端預(yù)張力(水中)為2 103 t。

表2 平臺(tái)主尺度參數(shù)

2.2 系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2給出了系泊系統(tǒng)布置示意圖。新型干樹半潛平臺(tái)系泊系統(tǒng)由16根(4組×4根)系泊纜組成。相鄰組系泊纜中心的夾角為90°，而同組相鄰系泊纜之間的夾角為5°。表3給出了系泊纜索組成及其屬性參數(shù)。新型干樹半潛平臺(tái)系泊纜由底鏈、聚酯纜和船鏈三部分組成。上部船鏈與平臺(tái)導(dǎo)纜孔連接，底部底鏈與海底樁基連接，通常采用抗摩擦性能好的錨鏈。中間部分采用質(zhì)量輕、成本低的聚酯纜。系泊系統(tǒng)的預(yù)張力為3 240 kN。

圖2 系泊系統(tǒng)布置示意圖

圖3 外輸系統(tǒng)布置示意圖

表3 系泊纜屬性參數(shù)

2.3 外輸油輪主尺度參數(shù)

新型干樹半潛平臺(tái)凝析油采用油輪直接串靠外輸，表4給出了外輸油輪主尺度參數(shù)。外輸油輪垂線間長(zhǎng)為120 m，型寬為20.6 m，型深為11.15 m，儲(chǔ)油能力為16 500 m3。表5給出了外輸油輪裝載工況參數(shù)。壓載抵達(dá)工況時(shí)，吃水為5.5 m，x軸、y軸、z軸方向的慣性半徑分別為8.2、31.0、31.0 m；滿載駛離工況時(shí)，吃水為8.5 m，x軸、y軸、z軸方向的慣性半徑分別為6.1、31.0、31.0 m。

表4 外輸油輪主尺度參數(shù)

表5 外輸油輪裝載工況參數(shù)

2.4 外輸系泊纜參數(shù)

在凝析油外輸作業(yè)時(shí)，外輸油輪通過一根外輸系泊纜與新型干樹半潛平臺(tái)連接，平臺(tái)同外輸油輪之間距離為110 m。外輸系統(tǒng)布置示意圖，如圖3所示。表6給出了外輸系泊纜參數(shù)，它具有非線性剛度特性。表7給出平臺(tái)外輸系泊纜需要滿足的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[8]。

表6 外輸系泊纜參數(shù)

表7 外輸系泊纜安全系數(shù)

圖4 環(huán)境條件年分布玫瑰圖

2.5 外輸環(huán)境及計(jì)算工況參數(shù)

圖4分別給出了波浪、風(fēng)速、流速的年分布玫瑰圖。從波浪、風(fēng)速方向分布可以發(fā)現(xiàn)二者具有較強(qiáng)的相關(guān)性，主方向?yàn)闁|北方向。流的方向與這兩者基本不具備相關(guān)性。采用JONSWAP譜模擬實(shí)際不規(guī)則波浪，考慮到外輸油輪的作業(yè)概率與環(huán)境條件的方向分布，確定用于外輸作業(yè)分析的環(huán)境條件為：波浪有義波高(Hs)為3.0 m；對(duì)應(yīng)譜峰周期(Tp)為9.3 s，波浪譜峰因子取1.4；風(fēng)速(Vw)為13.0 m/s；表面流速(Vc)為0.6 m/s。表8給出了外輸作業(yè)的不同計(jì)算工況參數(shù)。假定油輪有拖輪輔助進(jìn)行作業(yè)，拖輪拉力為200 kN，作用方向沿著船體在環(huán)境條件作用下的平均艏向，作業(yè)點(diǎn)為船艉甲板系纜位置，使其不至于因合力方向突然變化而導(dǎo)致油輪與目標(biāo)儲(chǔ)油平臺(tái)發(fā)生碰撞。

表8 計(jì)算工況參數(shù)

3 數(shù)值計(jì)算與分析

采用WAMIT軟件計(jì)算由新型干樹半潛平臺(tái)和油輪組成的多浮體相互作用的水動(dòng)力。采用Orcina開發(fā)的Orcaflex動(dòng)態(tài)分析軟件建立多體外輸耦合系統(tǒng)模型，主要包括：新型干樹半潛平臺(tái)、系泊系統(tǒng)、油輪、外輸系泊纜系統(tǒng)。根據(jù)各個(gè)計(jì)算工況分別對(duì)油輪抵達(dá)和油輪駛離進(jìn)行時(shí)域耦合分析，每個(gè)計(jì)算工況進(jìn)行5個(gè)不同隨機(jī)波浪種子的時(shí)域數(shù)值模擬，取其計(jì)算平均值，得到各個(gè)計(jì)算工況下外輸油輪艏搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和外輸系泊纜張力響應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。

表9給出了外輸油輪抵達(dá)、駛離工況下油輪艏搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與外輸系泊纜張力響應(yīng)的計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯?，在工況D時(shí)，外輸油輪的艏搖運(yùn)動(dòng)較為劇烈，最大運(yùn)動(dòng)幅值為5°。外輸系泊纜在風(fēng)、浪、流共線的工況A最大，最大張力695.6 kN，對(duì)應(yīng)安全系數(shù)3.7，能夠滿足規(guī)范要求。在工況B和工況D時(shí)，外輸油輪的艏搖運(yùn)動(dòng)較為劇烈，最大運(yùn)動(dòng)幅值在5.5°。外輸系泊纜在風(fēng)、浪、流共線的工況A最大，最大張力為668.6 kN，對(duì)應(yīng)安全系數(shù)3.9，能夠滿足規(guī)范要求。

表9 油輪抵達(dá)、駛離工況計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

以新型干樹半潛平臺(tái)和油輪組成的多體外輸耦合系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用時(shí)域耦合動(dòng)力響應(yīng)方法分別對(duì)油輪抵達(dá)和油輪駛離半潛平臺(tái)的外輸作業(yè)進(jìn)行計(jì)算分析，探討了不同工況下外輸油輪艏搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和外輸系泊纜張力響應(yīng)。研究結(jié)果表明，外輸油輪的艏搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)在非共線工況較為劇烈，而外輸系泊纜在共線工況最大，對(duì)應(yīng)安全系數(shù)能夠滿足規(guī)范要求。該外輸油輪方案可以有效、安全實(shí)現(xiàn)新型干樹半潛平臺(tái)凝析油外輸。