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浮式钻井生产储油轮(FDPSO)水动力性能及概念设计研究

魏跃峰  
【摘要】:随着全球能源需求不断增加,价格不断上涨,并且陆上油气资源日渐枯竭,油气资源勘探开发不断向海洋发展,并逐渐从浅海、半浅海向深海延伸。中国拥有300多万平方公里的海域,海底蕴藏着丰富的石油和天然气资源。目前,近海油气田的开发已具有一定规模,深海油田还尚待开发,深海油气开采技术的突破是海洋油气开采长期战略的关键因素。 传统的深海油气开采需要两套功能独立的系统,即钻井系统和生产储油系统,这不仅投资巨大,更重要的是生产周期较长。浮式钻井生产储油轮(Floating,Drilling, production, storage and offloading vessel,简称FDPSO)是具备油矿钻探、原油生产以及储备等多功能的海洋平台。FDPSO是在FPSO基础上配置钻井设备发展而来,既具有FPSO较强的生产储油特点,又具备钻探和完井的功能,降低了投资成本,缩短了生产周期,并且具备井口维修时不停产的特点,是近年来新发展的深海油气开采装备,自上世纪90年代提出之后,引起海洋石油界的广泛关注,有很多研究机构对此开展研究,并逐渐有实船建造。目前,全世界已经建成的FDPSO总共有两艘,第一艘是船型FDPSO,由新加坡吉宝船厂将一艘VLCC改造而成,2009年8月在西非海域正式投产;第二艘是圆筒型FDPSO,SEVAN DRILLER,由南通中远船务建造,于2010年2月,服务于巴西海域。 FDPSO水动力性能及概念设计研究是目前海洋工程学科的前沿课题,也是我国南海油气开采战略中的重要课题。本论文以FDPSO水动力性能为主要研究内容,通过数值模拟和模型试验相结合的方法,对FDPSO船体水动力性能,定位性能,船体与钻井装置耦合水动力性能,以及概念设计等方面开展研究,旨在掌握FDPSO水动力性能和定位技术主要特征,为中国开发利用FDPSO系统提供技术保障。 本文首先采用三维频域势流理论方法对FDPSO船体水动力性能进行频域分析,计算了FDPSO船体运动幅值响应(ResponseAmplitude Operator,简称RAO),研究了FDPSO船体的水动力性能。FDPSO船体具有月池,月池的存在对FDPSO船体水动力性能影响较大。本文计算了不同月池尺寸、位置和不同船体吃水下,FDPSO船体辐射水动力系数,一阶波浪力和二阶平均波浪力,研究了FDPSO船体水动力性能随月池尺寸、位置和船体吃水的变化规律。 基于卡明斯理论,采用频域转时域的方法,对FDPSO进行船体/系泊缆时域耦合数值分析。计算了多点系泊和内转塔单点系泊定位下FDPSO船体运动性能和系泊缆的张力特性,研究了FDPSO多点系泊和内转塔单点系泊系统的定位性能。计算了不同海况、不同浪向下多点系泊和单点系泊FDPSO船体运动性能,研究了FDPSO多点系泊和单点系泊适应的极限海况。计算了FDPSO多点系泊不同系泊缆直径、单位长度重量和轴向刚度下船体运动和系泊缆动力响应,研究了这些因素对系泊缆定位性能的影响。 采用模型试验的方法对船型FDPSO,MPF1000的水动力性能及定位性能开展研究,验证了数值计算方法的可靠性,并对FDPSO水动力性能及定位性能进行深入系统的研究。模型试验包括静水衰减试验,白噪声试验和风浪流试验。静水衰减试验测量了船体垂荡、横摇和纵摇运动固有周期和阻尼特性;白噪声试验获得了不同浪向下船体六自由度运动幅值响应(RAO);风浪流试验研究了FDPSO多点系泊系统在中国南海海域作业海况和生存海况,不同风浪流方向下的定位特性;风浪流试验还研究了FDPSO内转塔单点系泊系统在中国南海海域作业海况和生存海况,不同风浪流方向下的定位特性。 深海钻井平台采用升沉补偿装置补偿船体的升沉运动,使钻柱上下往复运动幅度减小。目前,液压式升沉补偿系统在浮式钻井平台上应用较广。但随着海上油气开采不断向深海推进,平台作业环境越来越恶劣,升沉运动幅度越来越剧烈,传统的液压式升沉补偿装置已不能满足深海钻井作业的需求。FDPSO所采用的升沉补偿系统主要有隐藏式立管浮箱(Sheltered Riser Vessel,简称SRV)补偿系统和张力腿甲板(Tension Leg Deck,简称TLD)补偿系统等。 采用模型试验的方法,对FDPSO船体与SRV耦合的水动力性能开展研究。模型试验包括白噪声试验和风浪流试验。白噪声试验测量了FDPSO船体和SRV耦合时,船体和SRV的运动幅值响应(RAO);风浪流试验研究了中国南海海域作业海况下,FDPSO船体的运动特性和SRV的补偿性能,验证了SRV概念在南海海域应用的可行性。采用CFD方法对FDPSO船体和SRV耦合水动力性能开展数值模拟,研究了SRV补偿性能,分析了FDPSO和SRV耦合的流场特性。 建立了FDPSO船体和TLD耦合频域水动力性能分析的数学模型,开发了数值计算程序,计算了船体与TLD甲板运动幅值响应,并研究了不同悬挂重物质量、立管刚度和系泊缆刚度对船体和TLD甲板垂荡运动的影响。建立了FDPSO船体和TLD耦合时域水动力性能分析的数值模型,计算了中国南海海域作业海况下船体和TLD甲板六自由度运动特性,系泊缆和立管张力等。为了验证数值计算方法的精度,采用模型试验的方法对FDPSO船体和TLD耦合水动力性能开展研究。模型试验包括白噪声试验和风浪流试验。白噪声试验测量了FDPSO船体和TLD耦合时,船体和TLD甲板的运动幅值响应(RAO),并和频域数值模拟结果比较,验证频域方法的可行性;风浪流试验获得了中国南海海域作业海况下,FDPSO船体和TLD甲板的运动性能,并和时域耦合结果比较,验证时域方法的准确性,研究了TLD的补偿性能以及TLD概念在南海海域应用的可行性。 针对中国南海海域环境条件的特点,提出了一种多立柱半潜FDPSO概念。在对该概念进行稳性校核的基础上,采用模型试验和数值计算的方法对其水动力性能和定位性能开展研究。模型试验包括白噪声试验和风浪流试验。白噪声试验测量了迎浪、斜浪和横浪下船体运动幅值响应;风浪流试验测量了中国南海海域,作业海况和生存海况下,多点系泊定位船体运动特性。数值计算包括频域水动力性能计算和时域船体/系泊缆耦合数值分析。频域水动力性能计算获得了船体水动力系数、一阶和二阶波浪力,以及船体运动幅值响应,并和白噪声模型试验结果比较,研究了概念设计FDPSO船体水动力性能。时域水动力性能分析获得了中国南海海域作业海况和生存海况下船体运动特性并和风浪流试验结果比较,研究了概念设计FDPSO在中国南海海域的定位特性。 综上所述,本文从FDPSO船体水动力性能、定位性能、船体与钻井装置耦合水动力性能及概念设计等方面着手,提出了合理的数值计算方法和模型试验步骤,针对中国南海海域环境条件,深入研究了FDPSO船体水动力性能,定位性能,船体与钻井装置耦合水动力性能,并提出了适合中国南海海域作业的FDPSO概念形式,得到了具有创新意义的结论,为我国系统掌握FDPSO关键技术提供理论依据和技术支持。


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