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深水锚泊半潜式钻井平台运动及动力特性研究

史琪琪  
【摘要】:近年来,随着海洋油气资源的开发利用不断向深海推进,深水海洋平台技术也获得了飞速的发展。半潜式钻井平台以抗风浪能力强,适应水深范围广,钻机能力强等特点,在深水油气开发中得到了广泛的应用。因此,对深水半潜式钻井平台进行全面的水动力性能分析,了解平台主体及其系泊系统在各种海况下的耦合运动和动力响应特性,深入研究环境变化对其水动力性能的影响规律,并进一步对深水半潜式钻井平台的关键参数和构成进行优化分析,具有十分重要的意义。 本文在充分调研和分析国内外深水半潜式钻井平台水动力性能研究现状和发展趋势的前提下,对南海深水半潜式钻井平台及其系泊系统的运动性能和动力特性开展全面的探索,并在此基础上对平台系统的水动力性能开展了一系列的拓展研究。论文的主要工作包括以下方面: (1)深水半潜式钻井平台及其系泊系统水动力性能分析通过模型试验和数值模拟对比分析,对深水半潜式钻井平台及其系泊系统的水动力性能进行全面分析。 数值模拟包括频域计算和时域耦合数值模拟。首先根据三维势流理论对平台在各海况下进行频域计算,得到不同频率下的附加质量和阻尼系数,各个频率和浪向下的运动响应幅值算子(RAO)等水动力参数,组成频域下的水动力参数数据库。而后对半潜式钻井平台及其系泊系统在作业海况和生存海况风浪流作用下的水动力性能进行时域耦合分析,考虑迎浪和横浪等典型风浪流组合工况,得到深水半潜式钻井平台在特定海洋环境条件下的六自由度运动响应和系泊系统的受力情况。同时通过对比分析,分别研究了不同水深、海况条件、非定常风以及一根系泊缆破断的极端条件等情况对深水半潜式钻井平台及其系泊系统的运动和动力特性所产生的影响,为平台的优化设计以及运营安全度的保证提供了有力的依据。 模型试验在上海交通大学海洋工程国家重点实验室的海洋工程深水池中完成,主要包括深水半潜式平台的自由衰减、规则波和白噪声试验,以及不同水深时作业海况和生存海况下平台的风浪流试验,从中得到平台主体的6自由度运动和系泊系统的受力情况,结合相应的数值模拟结果进行深入分析。 (2)深水半潜式钻井平台参数敏感性分析 通过分析数值模拟的对比结果,对深水半潜式钻井平台进行多个关键参数的特性研究。分别探索了平台主体重心高度和吃水的变化,以及在不同水深处安装不同尺寸垂荡板,引起的平台和系泊系统耦合运动及动力特性变化规律,为后续深水半潜式钻井平台的优化设计提供一定的理论基础。 (3)深水半潜式钻井平台新型防台装置隔水管系统设计及性能分析通过数值分析方法,研究新型防台装置隔水管系统对平台主体和系泊系统水动力性能带来的影响。分别对隔水管自由站立和连接在正常作业平台上的情况进行分析,确定了台风天气下平台脱开后,保证隔水管自由站立安全性所必须的顶部浮筒净浮力大小;同时对安装防台隔水管系统的平台和常规平台进行对比,分析安装防台隔水管系统对平台运动和系泊系统受力特性所产生的影响,同时考虑南海海域的内波效应,为新型隔水管系统的优化设计和应用提供一定的依据。 (4)三维相邻多浮体问题水动力特性探究 运用FORTRAN编程语言,分别对高阶边界元法和波浪交互理论在处理三维相邻多浮体水动力问题中的适用性和影响规律进行研究,探索其在不同浮体间距情况下的适用性和影响规律。进而分析波浪交互理论中两个关键参数对波浪力及浮体表面压力分布结果的影响规律,为其进一步在深水半潜式钻井平台水动力问题上的应用提供依据。 本文围绕深水半潜式钻井平台及其系泊系统的水动力特性问题进行了一系列的探索,研究了深水半潜式平台及其系泊系统时域耦合的数值计算方法,模型试验与数值结果的对比情况,平台主体参数变化对系统运动和受力的影响,新型防台隔水管系统的特性,以及高阶边界元法和波浪交互理论在三维相邻多浮体问题上的应用等内容,得到的相应结论和规律可为深水半潜式钻井平台主体、隔水管系统及其系泊系统的设计、选型和优化提供参考,对促进深水半潜式钻井平台设计分析技术的发展具有十分重要的意义。


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