基于水深截斷的深水系泊系統(tǒng)計算

楊 光， 劉旭平， 楊小龍， 董寶輝， 毛程亮

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300461)

0 引 言

隨著海上油氣勘探和開采技術(shù)不斷進步，海洋油氣生產(chǎn)設(shè)施的可適應(yīng)水深不斷增加。深水海洋浮式生產(chǎn)設(shè)施常用的定位方式為系泊定位系統(tǒng)和動力定位系統(tǒng)。系泊系統(tǒng)具有投資相對較少、使用可靠性較高、經(jīng)驗相對成熟的優(yōu)勢，是業(yè)界優(yōu)先考慮的定位系統(tǒng)，并廣泛應(yīng)用于深水海洋浮式平臺。深水系泊系統(tǒng)在整個工程投資中占比較大，是深水海洋浮式平臺關(guān)鍵技術(shù)的研究重點。

深水海洋浮式平臺服役期一般為25 a，其間可能遭遇惡劣海況，系泊系統(tǒng)是其生存的重要保證。深水系泊系統(tǒng)的設(shè)計工作可分為數(shù)值設(shè)計和模型驗證兩大塊。國際通用的計算軟件可計算海洋平臺在特定海況下的運動和受力情況，并且大多數(shù)情況的計算結(jié)果與模型試驗結(jié)果比較吻合。工業(yè)界認(rèn)為設(shè)計方案需要通過物理模型的驗證才較為可靠，并以此作為最終設(shè)計、建造的依據(jù)[1]。

1 水深截斷模型試驗方法

面對海洋平臺作業(yè)水深的不斷增加，在現(xiàn)有水池尺度確定的情況下，若按照全水深模擬深水作業(yè)海況，則選用的縮尺比會較小，試驗結(jié)果的精度難以保證。為避免縮尺比過小帶來的弊端，一般可選取水深截斷模型試驗方法。

早期發(fā)展的被動式混合模型試驗僅進行水深截斷系統(tǒng)的等效設(shè)計和水深截斷的模型試驗，并根據(jù)試驗結(jié)果直接預(yù)測實際海洋平臺的水動力性能。但是，若水深急劇增加，則水深截斷與全水深的差別越來越大，試驗結(jié)果不一定可靠。為盡可能減小差異，國際拖曳水池會議(ITTC)提出在截斷模型試驗的基礎(chǔ)上，采用時域耦合數(shù)值計算軟件，引入后處理數(shù)值計算過程，包括數(shù)值重構(gòu)計算和數(shù)值外推計算[2]。水深截斷系泊系統(tǒng)設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 水深截斷系泊系統(tǒng)設(shè)計流程

2 水深截斷模型參數(shù)

2.1 目標(biāo)平臺、環(huán)境條件及系泊系統(tǒng)

以某深水海洋半潛式鉆井平臺為例，環(huán)境水深為1 500 m。表1為該平臺的主要環(huán)境參數(shù)。船型為雙浮體、四立柱、箱型封閉式平臺，對稱于中縱剖面及中橫剖面。平臺主尺度：主船體為74.42 m×74.42 m×8.60 m；立柱為17.40 m×17.40 m×21.46 m；浮箱為114.00 m×20.12 m×8.54 m；浮箱間距為58.60 m；主甲板高度為38.60 m；井架為70.00 m。

表1 某半潛式平臺主要環(huán)境參數(shù)

該平臺全水深系泊系統(tǒng)采用12根組合式錨索，錨纜采用鏈-纜-鏈組合形式，預(yù)張力為1.5 MN。與平臺連接段為直徑84 mm的R5有檔錨鏈，中間段為直徑89 mm的鋼絲繩，與錨連接段同樣為直徑84 mm的R5有檔錨鏈。全水深錨纜主要參數(shù)如表2所示。系泊布置及環(huán)境力方向如圖2所示。

表2 全水深錨纜主要參數(shù)

圖2 系泊布置及環(huán)境力方向

2.2 600 m等效水深截斷的系泊設(shè)計

綜合考慮水池模型試驗的縮尺比定為1︰60，水深截斷為10 m，相應(yīng)于目標(biāo)平臺水深截斷為600 m的模型試驗。根據(jù)相應(yīng)等效截斷原則[3]，得到等效水深截斷錨纜參數(shù)，如表3所示。

表3 600 m等效水深截斷錨纜參數(shù)

3 數(shù)值計算分析

3.1 數(shù)值重構(gòu)的計算模型

對于深水系泊系統(tǒng)計算分析，已有一些較成熟的專業(yè)軟件可應(yīng)用。由挪威船級社(DNV)出品的船舶與海洋結(jié)構(gòu)物分析軟件SESAM功能強大，HydroD模塊可用于平臺水動力的分析模擬，Deep C模塊專門針對平臺及錨系的耦合問題進行求解，被證明分析結(jié)果可信度較高[4]。采用該軟件作為計算分析工具。

應(yīng)用軟件建立目標(biāo)平臺在600 m工作水深下的水動力模型(見圖3)，包括平臺的濕表面模型和質(zhì)量模型。通過軟件求解得到平臺在單位波高下的頻域運動響應(yīng)和附加質(zhì)量、阻尼系數(shù)等水動力參數(shù)。根據(jù)頻域分析結(jié)果，通過系泊纜數(shù)值模擬，以截斷模型水池試驗特征值作為調(diào)整目標(biāo)，調(diào)整目標(biāo)平臺或系泊纜的水動力參數(shù)，反復(fù)試算，最終使目標(biāo)平臺的運動和受力等數(shù)值重構(gòu)的計算結(jié)果與截斷試驗結(jié)果基本一致。圖4為水深截斷系泊系統(tǒng)模型。

圖3 目標(biāo)平臺600 m工作水深的水動力模型

圖4 水深截斷系泊系統(tǒng)模型

3.2 截斷模型試驗與數(shù)值重構(gòu)對比分析

應(yīng)用軟件對目標(biāo)平臺的水動力模型進行求解，求得平臺在單位波高下的頻域運動響應(yīng)和附加質(zhì)量、阻尼系數(shù)等水動力參數(shù)。利用頻域分析結(jié)果對目標(biāo)平臺及其系泊系統(tǒng)進行非線性時域耦合分析。圖5和圖6為目標(biāo)平臺在作業(yè)工況和生存工況下180°環(huán)境力方向主要運動響應(yīng)(縱蕩、垂蕩、縱搖)的對比數(shù)據(jù)。由圖5和圖6可知：截斷試驗與數(shù)值重構(gòu)模型的運動響應(yīng)趨勢及幅值吻合較好；在波頻范圍內(nèi)，垂蕩運動的響應(yīng)峰值出現(xiàn)在21.0 s左右；縱搖運動的響應(yīng)幅值較小，峰值出現(xiàn)在12.0 s左右。

圖5 在作業(yè)工況下180°環(huán)境力方向運動響應(yīng)

圖6 在生存工況下180°環(huán)境力方向運動響應(yīng)

圖7和圖8分別為目標(biāo)平臺在作業(yè)工況和生存工況下180°環(huán)境力方向系泊系統(tǒng)的水平回復(fù)力特性曲線。

圖7 在作業(yè)工況下180°環(huán)境力方向系泊系統(tǒng)的水平回復(fù)力特性曲線

圖8 在生存工況下180°環(huán)境力方向系泊系統(tǒng)的水平回復(fù)力特性曲線

由圖7和圖8可知：在作業(yè)工況下，當(dāng)水平回復(fù)力小于5 000 kN時3組系統(tǒng)的水平位移相近，當(dāng)水平回復(fù)力超過5 000 kN時全水深的水平位移稍大；類似規(guī)律也出現(xiàn)在生存工況下。

表4為目標(biāo)平臺在作業(yè)工況下截斷試驗與數(shù)值重構(gòu)的縱蕩、橫蕩、垂蕩等3個主要運動的固有周期和阻尼系數(shù)，數(shù)據(jù)顯示截斷試驗與數(shù)值重構(gòu)的系泊系統(tǒng)固有周期比較吻合。

表4 在作業(yè)工況下平臺運動的固有周期和阻尼系數(shù)

表5列出目標(biāo)平臺在作業(yè)工況下各環(huán)境力方向(180°、135°、90°)截斷試驗與數(shù)值重構(gòu)的水平位移數(shù)據(jù)。平臺位移的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的統(tǒng)計值大多吻合，但90°環(huán)境力方向縱蕩和180°環(huán)境力方向橫蕩的計算結(jié)果比試驗結(jié)果小很多，原因在于在試驗時風(fēng)浪流方向可能存在少許偏差。

表5 在作業(yè)工況下平臺各環(huán)境力方向的水平位移數(shù)據(jù)

表6列出目標(biāo)平臺在生存工況下各環(huán)境力方向(180°、135°、90°)受力最大錨纜的受力數(shù)據(jù)。計算結(jié)果的平均值和最大值均與試驗結(jié)果吻合，標(biāo)準(zhǔn)差與試驗結(jié)果大多吻合。

表6 在生存工況下平臺各環(huán)境力方向受力最大錨纜的受力數(shù)據(jù)

對目標(biāo)平臺水動力特性、系泊系統(tǒng)回復(fù)力特性、目標(biāo)平臺位移和受力進行分析比較，數(shù)值重構(gòu)計算結(jié)果與截斷試驗測量結(jié)果基本一致，經(jīng)過驗證的水動力參數(shù)可用于全水深系統(tǒng)的數(shù)值外推。

3.3 全水深數(shù)值外推計算結(jié)果

全水深系統(tǒng)的數(shù)值外推基本考慮：在水深截斷模型試驗與數(shù)值重構(gòu)的數(shù)值對比結(jié)果基本一致的前

提下，采用同樣的時域分析軟件建立全水深的平臺和系泊纜模型，輸入校正過的水動力參數(shù)。已得到全水深數(shù)值結(jié)果目標(biāo)平臺全水深系統(tǒng)的數(shù)值外插計算與水深截斷系統(tǒng)的數(shù)值重構(gòu)類似，也使用DNV的SESAM軟件，采用耦合分析方法。全水深計算結(jié)果如表7和表8所示。在作業(yè)工況下、180°環(huán)境力方向上平臺水平偏移最大，為74.6 m，與作業(yè)水深的偏移比為4.97%；在135°環(huán)境力方向上系泊纜受力達到最大，為3 387.45 kN，安全因數(shù)為2.48。水平偏移與系泊纜最大受力均滿足美國石油協(xié)會(API)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定[5]。在生存工況下、135°環(huán)境力方向上系泊纜受力最大，為3 779.59 kN，安全因數(shù)為2.23，滿足API規(guī)范的相關(guān)規(guī)定[5]。

表7 在作業(yè)工況下位移和系泊纜受力數(shù)據(jù)

表8 在生存工況下系泊纜受力數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

以工作水深為1 500 m的某深水海洋半潛式鉆井平臺為目標(biāo)平臺，根據(jù)其600 m等效水深截斷試驗結(jié)果，對其進行數(shù)值重構(gòu)對比分析，驗證水動力參數(shù)，對其運動響應(yīng)和系泊系統(tǒng)進行評估，結(jié)論如下：

(1) 600 m等效水深截斷可較好地模擬1 500 m全水深系泊系統(tǒng)的水動力特性，如回復(fù)力剛度、固有周期等。

(2) 通過調(diào)整水動力參數(shù)，可實現(xiàn)數(shù)值重構(gòu)計算結(jié)果與截斷試驗結(jié)果基本一致。

(3) 經(jīng)數(shù)值重構(gòu)得到的水動力參數(shù)可作為深水海洋浮式平臺運動及系泊系統(tǒng)計算分析的依據(jù)。

(4) 基于等效水深截斷的系泊系統(tǒng)設(shè)計方法滿足工程要求，可用于深水系泊系統(tǒng)的初步設(shè)計。