深海人工海床系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

甄興偉，呂瑩瑩，段秋陽，杜文杰，寧軼男，黃一

大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024

水下生產(chǎn)系統(tǒng)是當(dāng)今實(shí)施深遠(yuǎn)海油氣資源開發(fā)生產(chǎn)的尖端裝備，不僅能夠提高采收率、解決油井產(chǎn)出物的處理和輸送問題，而且受強(qiáng)風(fēng)、巨浪以及表面強(qiáng)流等海面災(zāi)害性海洋環(huán)境要素影響較小，因此備受關(guān)注并蓬勃發(fā)展。然而，在深遠(yuǎn)海，以海床為支撐基礎(chǔ)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)存在以下技術(shù)局限性：水下生產(chǎn)及工藝設(shè)備的技術(shù)性能要求高，設(shè)計(jì)和制造工藝復(fù)雜，造價(jià)高昂；安裝、維修和維護(hù)工藝復(fù)雜，操作難度大；流動保障困難。

針對水下生產(chǎn)系統(tǒng)的上述局限性，一種深海人工海床（deepwater artificial seabed，DAS）系統(tǒng)[1]被提出，該系統(tǒng)通過建立大型水下承載平臺，在充分降低強(qiáng)風(fēng)、巨浪、表面強(qiáng)流和海底超高壓等災(zāi)害性海洋環(huán)境要素的影響基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了“淺海水下生產(chǎn)系統(tǒng)”在深海油氣開發(fā)生產(chǎn)中的拓展應(yīng)用，降低了現(xiàn)行水下生產(chǎn)及工藝設(shè)備的性能要求及安裝維護(hù)的工藝要求。

近年來，大型水下承載平臺在深海油氣田開發(fā)活動中得到日益廣泛的關(guān)注，主要應(yīng)用于混合式立管，綜合了剛性立管和柔性立管的技術(shù)優(yōu)勢。平臺主要包括剛性立管支撐平臺（單線偏移立管[2]、同軸偏移立管[3]、集輸混合偏移立管[4]等）和鋼懸鏈線立管支撐平臺[5]。相關(guān)研究成果為深海人工海床系統(tǒng)的技術(shù)可行性和優(yōu)越性提供了有力的技術(shù)佐證。

大連理工大學(xué)甄興偉副教授課題組長期專注于深海人工海床系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能分析的基礎(chǔ)研究工作，具有較深厚的研究基礎(chǔ)。本文主要論述甄興偉副教授課題組在深海人工海床系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析關(guān)鍵技術(shù)方面的研究進(jìn)展，并對今后的研究重點(diǎn)進(jìn)行了展望。

1 深海人工海床系統(tǒng)技術(shù)概述

深海人工海床系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)原理[1]是采用多級子生產(chǎn)系統(tǒng)（海面、水中、海底）的分層設(shè)計(jì)。首先在海面下適當(dāng)深度的“淺海環(huán)境”處建立一個(gè)水中承載平臺，即人工海床，人工海床通過張力系泊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位。在此基礎(chǔ)上，剛性立管提升海底井口至水中，并聯(lián)合淺海水下生產(chǎn)設(shè)備和工藝設(shè)備設(shè)置于人工海床。接著通過柔性跨接管纜建立人工海床與海面浮式生產(chǎn)設(shè)施（floating production unit，F(xiàn)PU）的聯(lián)系通道。深海人工海床系統(tǒng)主要由以下4 部分結(jié)構(gòu)組成：人工海床、張力系泊、剛性立管和柔性跨接管，如圖1 所示。表1 系統(tǒng)總結(jié)了深海人工海床系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特征。

圖1 深海人工海床系統(tǒng)

表1 深海人工海床系統(tǒng)設(shè)計(jì)特征

綜上可知，深海人工海床系統(tǒng)的突出優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）人工海床位于海面下適當(dāng)深度，充分降低了強(qiáng)風(fēng)、巨浪、表面強(qiáng)流和海底超高壓等災(zāi)害性海洋環(huán)境要素的影響，具有良好的在位服役性能；

2）水下生產(chǎn)及工藝設(shè)備設(shè)計(jì)安裝在位于“淺海深度”的水中井口上，實(shí)現(xiàn)了淺海水下生產(chǎn)及工藝設(shè)備在深海的拓展應(yīng)用，降低了深海水下生產(chǎn)及工藝設(shè)備的性能要求及安裝和維護(hù)的工藝要求；

3）低溫海床上無長距離的海底管線回接，易于滿足流動保障要求。

2 概念設(shè)計(jì)

深海人工海床系統(tǒng)作為一種新原理深海油氣生產(chǎn)和外輸系統(tǒng)，其概念設(shè)計(jì)方法尚無直接的規(guī)范或指南可以遵循。鑒于此，黃一等[6]提出了一種交互式的設(shè)計(jì)方法，如圖2 所示。從中可以看出，深海人工海床系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷調(diào)整、螺旋式上升的過程，需要各設(shè)計(jì)工作的交互實(shí)現(xiàn)。值得注意的是，人工海床結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)有2 個(gè)演變階段，如圖3 所示。

圖2 深海人工海床系統(tǒng)交互式設(shè)計(jì)方法[1]

圖3 人工海床結(jié)構(gòu)型式演變

第1 階段：桁架式海星單體構(gòu)型[1]。該型人工海床由封閉式的浮筒本體和開放式的桁架結(jié)構(gòu)組成，桁架結(jié)構(gòu)連接在浮筒本體外緣，向外延伸成懸臂梁結(jié)構(gòu)，各自夾角120°。開放的桁架式懸臂結(jié)構(gòu)具有良好的水動力特性，且以最少的系泊纜繩數(shù)量（3 根）有效約束了人工海床運(yùn)動，簡化了系泊工藝；但其單體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難以同時(shí)滿足剛性立管和系泊纜繩的不同頂張緊力需求，且三點(diǎn)定位的安全裕度不足。

第2 階段：組合式多體構(gòu)型[7]。該型人工海床由外層平臺和內(nèi)層浮力罐組成，內(nèi)層浮力罐和外層平臺分別提供剛性立管和系泊纜繩所需頂張緊力。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 柔性跨接管長度優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則建立

柔性跨接管建立了FPU 和人工海床的聯(lián)系通道，是深海人工海床系統(tǒng)關(guān)鍵子結(jié)構(gòu)?；谶\(yùn)動耦合分離的設(shè)計(jì)原理，柔性跨接管長度優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的建立至關(guān)重要?，F(xiàn)行工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是基于經(jīng)驗(yàn)選擇的FPU 與人工海床水平跨距的1.4～1.6倍[7]，缺乏理論依據(jù)，且未建模人工海床深度與經(jīng)濟(jì)性要素影響。針對上述問題，甄興偉等[8]基于懸鏈線理論建立了綜合水平極限跨距、人工海床深度以及經(jīng)濟(jì)性的高精度柔性跨接管長度優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，核心思想是確定柔性跨接管的最小長度以平衡其運(yùn)動耦合分離設(shè)計(jì)要求和經(jīng)濟(jì)性要求之間的矛盾，其表達(dá)式為

式中：lcrit為柔性跨接管的最優(yōu)設(shè)計(jì)長度，sfar為柔性跨接管的最大水平跨距，d為人工海床潛沒深度。

圖4 和圖5 分別建立了在不同水平跨距和人工海床潛沒深度下的柔性跨接管頂張緊力與長度的數(shù)值關(guān)系。

圖4 不同水平跨距下柔性跨接管頂張緊力與長度關(guān)系[8]

圖5 不同潛沒深度下柔性跨接管頂張緊力與長度關(guān)系[8]

從中可以發(fā)現(xiàn)，存在關(guān)聯(lián)柔性跨接管最小頂張緊力的最優(yōu)設(shè)計(jì)長度，且數(shù)值結(jié)果與式（1）的理論結(jié)果吻合良好，證明了柔性跨接管長度優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的有效性和準(zhǔn)確性。

3.2 基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)和代理模型的立管系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

深海人工海床立管系統(tǒng)由柔性跨接管和剛性立管組成，建立了FPU 與海底井口的聯(lián)系通道，是深海人工海床系統(tǒng)的關(guān)鍵子結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)基于經(jīng)驗(yàn)的立管串行設(shè)計(jì)方法存在大量反復(fù)性嘗試與修改計(jì)算，立管總體設(shè)計(jì)效率低下，并缺乏多目標(biāo)的均衡考慮，失去系統(tǒng)整體最優(yōu)解。

針對上述問題，吳佳豪[9]提出了一種基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)和代理模型的立管整體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以提升立管系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)效率。該方法建立了立管系統(tǒng)優(yōu)化模型：

式中：X為設(shè)計(jì)變量，f(X)為目標(biāo)函數(shù)，gj(xi)為約束函數(shù)，cj1為約束函數(shù)的下限，cj2為約束函數(shù)的上限，xi,l為設(shè)計(jì)變量的下限，xi,u為設(shè)計(jì)變量的上限。

深海人工海床立管系統(tǒng)優(yōu)化模型的設(shè)計(jì)變量較多，包括人工海床的潛沒深度（d）、阻力面積（A）和阻力系數(shù)（Cd），系泊系統(tǒng)的頂部張力（T）、頂部鏈長（Ltc）和底部鏈長（Lbc），柔性跨接管的水平跨度（s），剛性立管的頂部張力系數(shù)（FTT）、底部應(yīng)力接頭長度（Lbsj）、龍骨接頭長度（Lkj）、外徑（Do）和壁厚（To），過多的設(shè)計(jì)變量將導(dǎo)致優(yōu)化設(shè)計(jì)效率低下。鑒于此，在優(yōu)化設(shè)計(jì)開始前，采用二水平全因子（2k）試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，分析立管系統(tǒng)設(shè)計(jì)變量的靈敏度，從而篩選出對立管系統(tǒng)有顯著主效應(yīng)的4 個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，即：人工海床的潛沒深度、剛性立管的頂部張力系數(shù)、外徑和壁厚。圖6 給出了設(shè)計(jì)變量對立管系統(tǒng)輸出變量（成本和響應(yīng)）的影響等級。

圖6 設(shè)計(jì)變量對輸出變量的影響等級[9]

為了提升優(yōu)化過程中深海人工海床系統(tǒng)全耦合動態(tài)響應(yīng)的數(shù)值預(yù)報(bào)效率，采用基于反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的代理模型快速、準(zhǔn)確地預(yù)測了立管系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

3.3 深海人工海床系統(tǒng)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化

如前所述，深海人工海床系統(tǒng)是由人工海床、剛性立管、柔性跨接管、系泊纜繩等構(gòu)建的多體復(fù)雜工程系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)過程涵蓋水動力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)及經(jīng)濟(jì)性等多學(xué)科的理論和分析方法，且學(xué)科之間耦合關(guān)聯(lián)，需要對各學(xué)科均衡考慮，才能形成完整的深海人工海床系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。鑒于此，吳佳豪等[10-11]系統(tǒng)開展了深海人工海床系統(tǒng)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化研究工作。

深海人工海床系統(tǒng)總體優(yōu)化劃分為成本、拖曳力和整體運(yùn)動響應(yīng)3 個(gè)學(xué)科。其中成本學(xué)科包含了所有全局設(shè)計(jì)變量，且從拖曳力學(xué)科到整體動力響應(yīng)學(xué)科，既有數(shù)據(jù)正向傳遞，又有數(shù)據(jù)反饋。圖7 給出了基于多學(xué)科可行策略的深海人工海床系統(tǒng)多學(xué)科優(yōu)化模型，其中成本學(xué)科置于系統(tǒng)級優(yōu)化層內(nèi)。從中可以看出，系統(tǒng)優(yōu)化層包含所有設(shè)計(jì)變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù)。

圖7 深海人工海床系統(tǒng)確定性多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化模型[11]

為了充分考慮深海人工海床系統(tǒng)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中不確定性因素的影響，建立了基于區(qū)間模型的深海人工海床系統(tǒng)不確定性多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化模型，如圖8 所示。

從圖8 中可以看出，系統(tǒng)優(yōu)化層為外層優(yōu)化，包含深海人工海床系統(tǒng)的區(qū)間不確定性優(yōu)化模型。

4 水動力特性

深海人工海床系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理規(guī)避了表面波對人工海床的作用，因此需重點(diǎn)考慮海流和內(nèi)孤立波的作用。

4.1 人工海床水動力特性研究

為了準(zhǔn)確預(yù)報(bào)深海人工海床系統(tǒng)的動力響應(yīng)，人工海床水動力系數(shù)的確定至關(guān)重要。甄興偉[1]系統(tǒng)開展了桁架式海星構(gòu)型人工海床水動力特性研究，并計(jì)算得到了桁架式海星構(gòu)型人工海床的拖曳力系數(shù)，如表2 所示。由于桁架式海星構(gòu)型人工海床由封閉式的浮筒本體和開放式的桁架懸臂結(jié)構(gòu)組成，因此采用數(shù)值模擬方法（大渦模擬）獲取大尺度浮筒本體的拖曳力，采用Morison 方程計(jì)算小尺度桁架懸臂結(jié)構(gòu)的橫向拖曳力。另外為了校驗(yàn)所提出的拖曳力系數(shù)數(shù)值預(yù)報(bào)方法的準(zhǔn)確性，采用人工海床深水鉆井（artificial seabed deepwater drilling,ASDD）模型的三維固定繞流試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證[12]。目前，組合式多體構(gòu)型人工海床水動力特性的研究工作正在進(jìn)行中。

表2 桁架式海星構(gòu)型人工海床拖曳力系數(shù)

4.2 人工海床內(nèi)孤立波載荷特征研究

大連理工大學(xué)與國防科技大學(xué)開展合作研究，采用物理模型實(shí)驗(yàn)方法系統(tǒng)研究了人工海床潛沒深度、內(nèi)孤立波波幅和上下層流體深度比對人工海床內(nèi)孤立波載荷的影響規(guī)律，如圖9所示。

圖9 人工海床內(nèi)孤立波載荷實(shí)驗(yàn)布置

圖10 給出了人工海床模型位于內(nèi)界面，不同波幅下無因次內(nèi)孤立波載荷的時(shí)歷曲線。從圖10 中可以發(fā)現(xiàn)：隨著先導(dǎo)內(nèi)孤立波波峰逐漸靠近人工海床模型，其受到的水平力和垂向力的絕對值逐漸增大，并在內(nèi)孤立波波峰經(jīng)過人工海床模型中心軸時(shí)達(dá)到最大值；此后，隨著先導(dǎo)內(nèi)孤立波逐漸遠(yuǎn)離人工海床模型，其水平力、垂向力的絕對值逐漸減小至零。人工海床模型會在尾波列作用下出現(xiàn)小幅震蕩，但震蕩幅值遠(yuǎn)小于先導(dǎo)內(nèi)孤立波產(chǎn)生的載荷幅值。垂向力幅值相較于水平力較小，這是由于流場的垂向速度相對于水平速度較小。

圖10 人工海床無因次內(nèi)孤立波載荷時(shí)歷曲線

4.3 波流作用下深海人工海床系統(tǒng)動力響應(yīng)特征

甄興偉等[13-17]建立了FPU-DAS 系統(tǒng)全耦合數(shù)值模型，如圖11 所示。

圖11 FPU-DAS 系統(tǒng)全耦合數(shù)值模型

系統(tǒng)研究了深海人工海床系統(tǒng)在波浪-海流聯(lián)合作用下的動力響應(yīng)特征，包括系泊系統(tǒng)性能分析、柔性跨接管運(yùn)動響應(yīng)分析及剛性立管運(yùn)動響應(yīng)分析、干涉分析、強(qiáng)度分析、屈曲分析和疲勞分析。研究結(jié)果表明：波浪運(yùn)動對剛性立管在位性能影響微小，證明了FPU 與人工海床間具有良好的解耦作用；剛性立管的干涉、強(qiáng)度、屈曲和最大疲勞損傷均很好地滿足了設(shè)計(jì)要求。

圖12 給出了人工海床外層平臺和內(nèi)層浮力罐在極端海況條件下（有義波高Hs=15 m，過零周期Tz=10.4 s）的縱蕩和垂蕩運(yùn)動。可以看到：內(nèi)層浮力罐在縱蕩方向上受到外層平臺的約束，二者運(yùn)動保持一致；但在垂蕩方向上，內(nèi)層浮力罐與外層平臺實(shí)現(xiàn)了有效解耦，利于保持水中井口系 統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖12 波流聯(lián)合作用下人工海床運(yùn)動時(shí)歷曲線

4.4 內(nèi)孤立波作用下系泊人工海床耦合動力響應(yīng)

段秋陽等[18]提出了一種內(nèi)孤立波作用下的系泊人工海床耦合動力響應(yīng)分析方法，具體過程如圖13 所示。主要步驟包括：在初始化階段，以非線性和色散性參數(shù)為依據(jù)，選擇適用的內(nèi)孤立波理論模型；在靜態(tài)分析結(jié)果中提供人工海床-系泊系統(tǒng)初始狀態(tài)下單元/節(jié)點(diǎn)的位置和受力信息；在動力分析中，以Generalized-α 時(shí)間步進(jìn)技術(shù)結(jié)合牛頓迭代法求解模擬時(shí)間內(nèi)耦合系統(tǒng)的動力響應(yīng)。

圖13 內(nèi)孤立波作用下系泊人工海床耦合動力響應(yīng)分析方法[18]

圖14 給出了人工海床運(yùn)動和系泊纜張力的時(shí)歷曲線，其中工況1～3（Case1～3）分別代表人工海床處于上層流體、密度躍層和下層流體。

圖14 內(nèi)孤立波作用下人工海床運(yùn)動和系泊纜張力的時(shí)歷曲線[18]

從圖14 中可以看出，張力系泊系統(tǒng)對人工海床水平方向運(yùn)動的約束較小，因此縱蕩運(yùn)動顯著，其幅值可達(dá)32.54 m；垂蕩響應(yīng)和縱搖效應(yīng)受內(nèi)孤立波載荷和張力系泊約束，幅值均較小。

5 安全分析

在工業(yè)化應(yīng)用和推廣過程中，深海人工海床系統(tǒng)的安全性是業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。鑒于此，針對深海人工海床系統(tǒng)面臨的潛在危險(xiǎn)，大連理工大學(xué)與挪威科技大學(xué)聯(lián)合開展了原油泄漏風(fēng)險(xiǎn)定量評估、在線風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測及FPU 作業(yè)安全極限的研究工作。

5.1 深海人工海床系統(tǒng)原油泄漏風(fēng)險(xiǎn)定量評估

甄興偉等[19]建立了深海人工海床系統(tǒng)原油泄漏風(fēng)險(xiǎn)定量評估的理論框架，包括：風(fēng)險(xiǎn)分析邊界定義、風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則建立、危險(xiǎn)辨識、失效概率分析、失效后果分析、不確定性評估和風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。其中，危險(xiǎn)事件主要包括水下井口頭泄漏、剛性立管泄漏、水中井口頭泄漏、采油樹泄漏和柔性跨接管泄漏。圖15 給出了深海人工海床系統(tǒng)的安全屏障原理圖，從中可以確立原油的泄漏路徑及泄漏最終位置。

圖15 深海人工海床系統(tǒng)安全屏障原理[19]

原油泄漏風(fēng)險(xiǎn)定量評估結(jié)果表明：由于深海人工海床系統(tǒng)的“偏移距”特征，水中及井下設(shè)備的失效對于人員風(fēng)險(xiǎn)無明顯影響；相較于已建立的風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則，只有水下井口頭泄漏的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)水平位于最低合理可行（as low as reasonably practicable，ALAPR）區(qū)域，其余危險(xiǎn)事件的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)水平和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)水平均位于可接受風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。值得注意的是，深海人工海床系統(tǒng)較低的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)水平對深海油氣開發(fā)商具有較大的吸引力。

5.2 深海人工海床系統(tǒng)在線風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測

深海人工海床系統(tǒng)的主要危險(xiǎn)和事故情況確定為：井控失效、系泊系統(tǒng)失效、壓載系統(tǒng)失效、水下生產(chǎn)設(shè)備與立管系統(tǒng)泄漏與損壞。此外，大量海洋工程事故統(tǒng)計(jì)表明，所辨識的主要危險(xiǎn)和事故情況的發(fā)生頻率較高。鑒于此，甄興偉等[20]提出基于在線風(fēng)險(xiǎn)建模與決策支持原理為深海人工海床系統(tǒng)的井口系統(tǒng)、系泊系統(tǒng)、壓載系統(tǒng)和外部沖擊防護(hù)系統(tǒng)增加新的安全屏障功能，從而實(shí)現(xiàn)深海人工海床系統(tǒng)內(nèi)在風(fēng)險(xiǎn)水平的降低。如圖16 所示，深海人工海床系統(tǒng)在線風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測和決策支持架構(gòu)包括：組織管理模塊、自主輔助決策模塊、在線風(fēng)險(xiǎn)模型模塊和數(shù)據(jù)收集模塊。案例分析結(jié)果表明：在線風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測和決策支持系統(tǒng)將為作業(yè)人員提供深海人工海床系統(tǒng)在位實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)圖，并對可能出現(xiàn)的偏差進(jìn)行預(yù)警，低風(fēng)險(xiǎn)水平的偏差將通過自主輔助決策模塊自動糾正；中高風(fēng)險(xiǎn)水平偏差的糾正，自主輔助決策模塊須獲取操作人員的授權(quán)方可實(shí)施。由此可見，在線風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測和決策支持系統(tǒng)能夠幫助相關(guān)作業(yè)人員做出準(zhǔn)確及時(shí)的決策，且避免信息過載。

圖16 深海人工海床系統(tǒng)在線風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測和決策支持架構(gòu)[20]

5.3 動力定位FPU-DAS 耦合系統(tǒng)作業(yè)安全界限預(yù)測

FPU 動力定位系統(tǒng)存在失效風(fēng)險(xiǎn)，主要表現(xiàn)為驅(qū)離（drive-off）和漂移（drift-off）2 種失效模式。在驅(qū)離和漂移2 種失效模式下，F(xiàn)PU 牽引柔性跨接管發(fā)生接近或遠(yuǎn)離人工海床的運(yùn)動，均易破壞深海人工海床系統(tǒng)的井口完整性。因此，有必要建立FPU-DAS 耦合系統(tǒng)預(yù)警界限并實(shí)現(xiàn)動力定位FPU 作業(yè)安全界限的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)，從而確保深海人工海床系統(tǒng)的安全運(yùn)行。大連理工大學(xué)與挪威科技大學(xué)主要圍繞動力定位FPU 漂移失效模式下深海人工海床系統(tǒng)的作業(yè)安全開展聯(lián)合研究。

5.3.1 FPU 漂移預(yù)警界限分析

韓玥等[21]建立了FPU-DAS 耦合系統(tǒng)動力學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上，建立了FPU-DAS 耦合系統(tǒng)的漂移預(yù)警界限準(zhǔn)則，如圖17 所示。漂移預(yù)警界限由黃色界限、紅色界限和物理界限組成，分別對應(yīng)FPU 應(yīng)急解脫程序的準(zhǔn)備、啟動和完成。在正常作業(yè)期間，F(xiàn)PU 位于黃色界限內(nèi)；當(dāng)FPU 發(fā)生漂移并超過黃色界限時(shí)，操作員應(yīng)做好應(yīng)急解脫程序的準(zhǔn)備工作；當(dāng)FPU 漂移至紅色界限時(shí)，應(yīng)及時(shí)啟動應(yīng)急解脫程序，從而確保FPU 漂移至物理界限前完成解脫。

圖17 FPU-DAS 耦合系統(tǒng)的漂移預(yù)警界限定義[21]

圖18 給出了一年一遇海況條件下不同環(huán)境載荷方向的FPU-DAS 耦合系統(tǒng)的漂移預(yù)警界限。從中可以看出，由于深海人工海床的分層設(shè)計(jì)特征，漂移預(yù)警界限構(gòu)成的安全運(yùn)動區(qū)域呈蝶形，且FPU 漂移預(yù)警界限主要分布于人工海床的近端和遠(yuǎn)端；對于大多數(shù)環(huán)境載荷方向，由于結(jié)構(gòu)失效發(fā)生在柔性跨接管與防彎器的連接處（柔性跨接管被過度牽拉），預(yù)警界限分布在人工海床的遠(yuǎn)端；但在180°載荷方向上，即當(dāng)FPU 靠近人工海床時(shí)（柔性跨接管過度彎曲），由于結(jié)構(gòu)失效發(fā)生在柔性跨接管的懸垂位置，預(yù)警界限分布在人工海床的近端。

圖18 不同環(huán)境載荷方向下FPU-DAS 耦合系統(tǒng)的漂移預(yù)警界限（一年一遇海況條件）[21]

影響因素分析結(jié)果表明，環(huán)境載荷方向、波高和柔性跨接管長度對FPU-DAS 耦合系統(tǒng)漂移預(yù)警界限的影響最為顯著，需引起注意。

5.3.2 FPU 漂移作業(yè)安全界限實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)

為了實(shí)現(xiàn)FPU-DAS 耦合系統(tǒng)漂移作業(yè)安全界限的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)，韓玥等[22]提出了一種綜合力學(xué)模型、代理模型和概率模型的3 階段概率模擬方法，該方法的輸出是作業(yè)安全界限的統(tǒng)計(jì)分布。方法的實(shí)施主要包括以下步驟：首先，建立FPUDAS 耦合系統(tǒng)動力學(xué)模型；接著由特定的訓(xùn)練樣本集合為動力學(xué)模型提供環(huán)境載荷的輸入，動力學(xué)模型的輸出是該訓(xùn)練樣本集合下的失效狀態(tài)和作業(yè)安全界限；進(jìn)一步地，由該訓(xùn)練樣本集合建立并訓(xùn)練代理模型，代理模型用于對統(tǒng)計(jì)分析的失效狀態(tài)和作業(yè)安全極限進(jìn)行預(yù)報(bào)；另一方面，海況的統(tǒng)計(jì)參數(shù)用以建立威布爾分布表征平均風(fēng)速、表面流速和最大波高的統(tǒng)計(jì)特性，這樣即可由逆變換法生成環(huán)境載荷的隨機(jī)樣本集合，作為代理模型的輸入。

需要注意的是，不同海域環(huán)境載荷的不同將會影響FPU-DAS 耦合系統(tǒng)漂移作業(yè)安全界限的預(yù)報(bào)。因此，在建立動力學(xué)模型前，應(yīng)首先獲取目標(biāo)海域海況的統(tǒng)計(jì)信息，確定環(huán)境載荷的概率分布，進(jìn)而開展作業(yè)安全極限的頻率預(yù)報(bào)，從而實(shí)現(xiàn)FPU 漂移失效風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警。

6 結(jié)論與展望

深海人工海床系統(tǒng)是基于深海災(zāi)害性海洋環(huán)境要素并由現(xiàn)行水下生產(chǎn)系統(tǒng)局限性認(rèn)知所提出的一項(xiàng)前瞻性技術(shù)，為深遠(yuǎn)海油氣開發(fā)提供了一種全新的解決方案。本文系統(tǒng)梳理并介紹了深海人工海床系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)展，涵蓋概念設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、波流/內(nèi)孤立波環(huán)境中水動力特性以及安全控制機(jī)制等。上述研究成果的介紹對深海工程領(lǐng)域水下系泊裝備（如Buoyant Frame[2]、Mid Water Arches[23]等）的研究具有重要的借鑒意義。

然而在現(xiàn)階段，深海人工海床系統(tǒng)技術(shù)的工程化應(yīng)用仍然受到諸多制約因素的挑戰(zhàn)，涉及深海人工海床系統(tǒng)的安裝、監(jiān)控、維護(hù)、維修、應(yīng)急撤離、全生命周期的風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)性分析以及實(shí)海大尺度模型試驗(yàn)驗(yàn)證等關(guān)鍵技術(shù)。因此，為了有效推動具有自主知識產(chǎn)權(quán)的深海人工海床系統(tǒng)的工業(yè)化試驗(yàn)及應(yīng)用進(jìn)程，建議未來進(jìn)一步系統(tǒng)開展深海人工海床系統(tǒng)的安裝與撤離技術(shù)研究、全生命周期定量風(fēng)險(xiǎn)評估研究、內(nèi)孤立波環(huán)境下動力響應(yīng)的模型實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究和基于數(shù)字孿生的在位監(jiān)控技術(shù)等，以完善和優(yōu)化深海人工海床系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)維的關(guān)鍵技術(shù)，期待為推動中國深遠(yuǎn)海油氣自主開發(fā)的進(jìn)程發(fā)揮重要作用。