魏躍峰,楊建民,陳 剛,胡志強(qiáng)

(上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實驗室,上海 200240)

深海多立柱半潛浮式鉆井生產(chǎn)儲油輪概念設(shè)計研究

魏躍峰,楊建民,陳 剛,胡志強(qiáng)

(上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實驗室,上海 200240)

浮式鉆井生產(chǎn)儲油輪(floating,drilling,production,storage and offloading vessel,簡稱FDPSO)是具備油礦鉆探、原油生產(chǎn)以及儲備等多功能的海洋平臺。對FDPSO概念設(shè)計過程做了初步研究,提出深海多立柱半潛FDPSO概念,并對其做了穩(wěn)性計算、水動力性能分析和系泊系統(tǒng)設(shè)計,研究該概念在中國南海海域應(yīng)用的可行性。

浮式鉆井生產(chǎn)儲油輪;概念設(shè)計;穩(wěn)性;水動力性能

Abstract:FDPSO isamultifunction floating platform,capableof drilling,production,storage and offloading.Preliminary study on the concept design of FDPSO has beenmade and amulti-column semi-submersible FDPSO concept has been proposed.Stability calculation,hydrodynamic performance analysis and mooring system design have beenmade to validate the feasibility of the concept in the South China Sea.

Key words:FDPSO;concept design;stability;hydrodynamic performance

世界原油總產(chǎn)量的1/4來自海洋,隨著人類對能源需求的增加,海上油氣開發(fā)逐漸向水深500～1 500 m的深水域和水深1 500m以上的超深水域發(fā)展[1]。傳統(tǒng)的深水(海)油氣開采需要兩套功能獨立的系統(tǒng),即鉆井系統(tǒng)和生產(chǎn)儲油系統(tǒng),這不僅投資巨大,更重要的是生產(chǎn)周期較長。FDPSO是在FPSO基礎(chǔ)上配置鉆井設(shè)備發(fā)展而來,既具有FPSO較強(qiáng)的生產(chǎn)儲油特點,又具備鉆探和完井的功能,降低了投資成本,縮短了生產(chǎn)周期,并且具備井口維修時不停產(chǎn)的特點[2],是近年來快速發(fā)展的深水(海)油氣開采裝備,引起海洋石油界的廣泛關(guān)注。

目前,全世界已經(jīng)建成的FDPSO總共有兩艘,第一艘是船型FDPSO,由新加坡吉寶船廠將一艘VLCC改造而成,2009年8月在西非海域正式投產(chǎn)[3];第二艘是圓筒型FDPSO(SEVAN DRILLER),由南通中遠(yuǎn)船務(wù)建造,2009年11月交付,服務(wù)于墨西哥灣海域。此外,John et al[4]針對西非海域和巴西海域的環(huán)境特點,提出了一種半潛型FDPSO概念。這三種型式如圖1所示。

船型FDPSO具有儲油量大、移動靈活、安裝費用低、便于維修與保養(yǎng)等優(yōu)點,但由于鉆井裝置的存在,FDPSO不能像FPSO一樣具有風(fēng)標(biāo)效應(yīng),當(dāng)海洋環(huán)境方向變化較頻繁時,作業(yè)效率較低,且安全性不高。因此,船型FDPSO是否適合在我國南海海域應(yīng)用,仍在研究之中。圓筒型FDPSO由于其全對稱性,作業(yè)時不受環(huán)境條件方向變化的影響,且建造方便,安裝工藝簡單,具有較大的可變甲板負(fù)載,但由于其水線面面積較大,其垂蕩性能不理想,對鉆井作業(yè)非常不利。半潛型FDPSO由于其水線面面積較小,垂蕩固有周期大于波浪周期,運動性能較好。但是,由于其吃水受載重量影響較大,需采用壓載水艙來調(diào)節(jié)吃水變化。半潛型FDPSO運動性能受環(huán)境載荷方向影響程度介于船型FDPSO和圓筒型FDPSO之間。

在總結(jié)現(xiàn)有FDPSO形式優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上,提出了一種新穎的多立柱半潛FDPSO概念,并對該概念進(jìn)行了穩(wěn)性計算和水動力性能分析以及系泊系統(tǒng)的設(shè)計分析,旨在通過對這三方面的關(guān)鍵性分析,研究這種新穎的FDPSO在我國南海海域適用的可行性。

圖1 三種形式的FDPSOFig.1 Three typesof FDPSO

1 FDPSO的主要組成及特點

FDPSO主要由上部甲板模塊、船體、鉆井模塊、定位系統(tǒng)以及立管等組成。

上部甲板模塊設(shè)有油氣生產(chǎn)和污水處理設(shè)備、供電供熱系統(tǒng)、泥漿循環(huán)系統(tǒng)、生產(chǎn)控制系統(tǒng)和生活區(qū)、直升機(jī)平臺等[5]。油氣生產(chǎn)設(shè)備將原油處理合格后儲存于艙內(nèi)。污水處理設(shè)備將生產(chǎn)污水處理后一部分排入海里,一部分作為油田注水的水源。供電供熱系統(tǒng)將FDPSO生產(chǎn)過程中分離出來的廢氣作為燃料進(jìn)行發(fā)電和加熱鍋爐,鍋爐產(chǎn)生的熱量供生產(chǎn)流程加熱使用。泥漿循環(huán)系統(tǒng)位于鉆井月池前方,包括泥漿泵、泥漿混合間等,可以連續(xù)向鉆頭提供清潔的泥漿,并對回流的泥漿再處理,使之可以重新利用。生活區(qū)為平臺上生產(chǎn)操作人員提供辦公、生活和休息的場所。直升機(jī)平臺為海上人員往來和應(yīng)急之用。

船體部分主要包括儲油艙,用于儲存處理合格的原油,除此之外,還設(shè)有壓載水艙、燃油艙、淡水艙、機(jī)泵艙、錨鏈艙以及與生產(chǎn)模塊相關(guān)的工藝艙等。

鉆井模塊位于船體中部鉆井月池處,由井架、提升、轉(zhuǎn)動、鉆桿、隔水管張緊、井控等系統(tǒng)組成。

FDPSO的定位系統(tǒng)可采用動力定位和錨泊定位兩種方式。立管包括生產(chǎn)立管和鉆井立管兩種。

2 FDPSO概念設(shè)計

FDPSO是目前世界上最新型的海洋鉆采平臺,其設(shè)計方法還沒有直接的規(guī)范指導(dǎo)。海洋平臺的設(shè)計是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工作,涉及到許多方面的問題,是一個逐步近似,不斷調(diào)整的過程。參考相關(guān)深海平臺的設(shè)計原理[6-10],結(jié)合FDPSO自身的主要特點,提出了FDPSO的設(shè)計螺旋曲線,如圖2。按照該設(shè)計螺旋曲線,提出一種新穎的FDPSO概念,并對其進(jìn)行了完整穩(wěn)性和耐波性計算以及系泊方案設(shè)計。

2.1 新穎FDPSO的型式及主尺度

結(jié)合現(xiàn)有FDPSO平臺的特點,提出了一種多立柱半潛FDPSO平臺,如圖3所示。該半潛式FDPSO下浮體由6個直徑完全相同的圓立柱和一個大的圓柱形沉箱組成,平臺的浮力由立柱和沉箱提供。沉箱設(shè)有儲油艙,壓載艙等各種艙室。該平臺即具有半潛型FDPSO優(yōu)良的運動性能,又具有圓筒型FDPSO不受浪向影響的優(yōu)點。為了克服半潛型FDPSO吃水受載重量影響較大的缺點,采用文獻(xiàn)[11]中提出的儲油方式進(jìn)行儲油,即將石油和水儲存在同一個艙室內(nèi),由于石油和水密度的不同,石油占據(jù)儲油艙的上部,而水占據(jù)儲油艙的下部,當(dāng)生產(chǎn)時,進(jìn)入油艙的油將同重量的水,排到甲板上的污水處理模塊,經(jīng)處理確保合格后排出海中,當(dāng)外輸時,輸出油的重量由海中的海水進(jìn)入油艙填補(bǔ),從而保持該半潛型FDPSO吃水變化很小。該多立柱半潛型FDPSO滿足以下設(shè)計要求:作業(yè)環(huán)境為中國南海海域;作業(yè)水深1 500 m;儲油能力65萬bbls;工作年限20年。該多立柱半潛型FDPSO總體布局如圖4所示。

圖2 FDPSO設(shè)計螺旋曲線Fig.2 Design spire of FDPSO

圖3 多立柱半潛FDPSO概念Fig.3 Multi-column semi-submersible FDPSO

圖4 多立柱半潛型FDPSO總體布局Fig.4 General arrangementofmulti-column semi-submersible FDPSO

依據(jù)甲板上各個設(shè)備的尺寸及布置,確定甲板尺寸為130m×130m。根據(jù)儲油能力以及壓載艙、淡水艙等各種艙室的艙容,確定沉箱直徑100m,高23m,月池直徑32 m?？紤]到立柱直徑對平臺穩(wěn)性以及垂蕩自然周期的影響,確定立柱直徑20m。根據(jù)設(shè)計海況分析氣隙的結(jié)果確定立柱高33m,平臺吃水保持在41m。表1給出了FDPSO作業(yè)工況下主要模塊的重量及重心垂向位置。

表1 平臺質(zhì)量分布Tab.1 Weight distribution of FDPSO

2.2 完整穩(wěn)性計算

深海浮式平臺的穩(wěn)性在概念上類似于船舶的穩(wěn)性,但由于平臺形狀特殊,功能各異,使用工況復(fù)雜,長期錨泊在海上受到各種方向風(fēng)浪的影響,平臺穩(wěn)性同常規(guī)船舶相比又有其特殊性[12]。采用NAPA軟件對深海多立柱半潛FDPSO進(jìn)行了完整穩(wěn)性計算(包括初穩(wěn)性計算和大傾角穩(wěn)性計算)。FDPSO平臺作業(yè)工況下的完整穩(wěn)性按照CCS《海上移動平臺入級與建造規(guī)范》(2005版)中對柱穩(wěn)式平臺的相關(guān)要求進(jìn)行校核,計算風(fēng)速取36m/s(70 kn),校核結(jié)果見圖5、表2所示。

圖5 完整穩(wěn)性曲線Fig.5 Intact stability curve

表2 完整穩(wěn)性校核結(jié)果Tab.2 Check results of intact stability

2.3 水動力性能分析

FDPSO具有鉆井功能,由于鉆井作業(yè)的要求,平臺的運動受到嚴(yán)格的限制。在鉆井時,鉆桿除受到自身的拉力和旋轉(zhuǎn)的扭矩外,如果平臺搖擺,靠近水面的鉆桿還要產(chǎn)生彎曲,如果平臺漂移,水面和井口處的鉆桿也要產(chǎn)生彎曲。平臺搖擺和漂移的數(shù)值越大,鉆桿的彎曲越大,受力越大;鉆桿在不斷旋轉(zhuǎn),此應(yīng)力為交變應(yīng)力,造成鉆桿疲勞破壞。據(jù)統(tǒng)計,當(dāng)平臺搖擺角小于2°時,對鉆桿壽命無影響,而當(dāng)搖擺角為5°時,鉆桿工作1～2 h就有10%遭到不同程度的破壞。除此之外,較大的搖擺角對鉆井工藝操作很不方便[13]。因此,水動力性能分析對FDPSO的概念設(shè)計十分重要。

采用三維頻域勢流理論對FDPSO進(jìn)行水動力性能分析。流體運動可以由速度勢Φ表示,Φ在流體域滿足控制方程Laplace方程以及相應(yīng)的邊界條件,從而構(gòu)成Φ的邊界值問題。該邊界值問題通過邊界元方法,在浮體濕表面上分布源進(jìn)行求解。求出速度勢后可由Bernoulli方程得到作用于浮體表面的波浪力,由平臺運動方程可以解出平臺六個自由度的運動響應(yīng),平臺六自由度耦合運動方程:

式中:Mhull表示6×6質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量矩陣,μ表示6×6附加質(zhì)量系數(shù)矩陣,λ為6×6輻射阻尼矩陣,Chull代表6×6恢復(fù)力系數(shù)矩陣,Fwave為6×1一階波浪力矩陣,x為需要求解的六自由度運動響應(yīng)[14]。附加質(zhì)量系數(shù)、阻尼以及線性波浪力由WADAM計算。水動力計算模型如圖6。

深海多立柱半潛FDPSO垂向運動幅值響應(yīng)結(jié)果見圖7。

圖7是FDPSO在浪向為0°、30°、60°和90°的垂蕩、橫搖和縱搖運動幅值響應(yīng)結(jié)果。該多立柱半潛型FDPSO水線面面積較小,垂蕩運動固有周期超出了波浪周期范圍,在波頻運動范圍內(nèi)FDPSO垂蕩運動響應(yīng)較小。另外,橫搖和縱搖的幅值響應(yīng)結(jié)果也較小,能夠滿足平臺鉆井作業(yè)的要求。由于多立柱半潛型FDPSO在結(jié)構(gòu)上的全對稱性 ,垂蕩運動不受浪向影響 ,并且浪向為 0°、30°、60°、90°時的橫搖值分別與浪向為 90°、60°、30°和0°時的縱搖值相同。

圖6 深海多立柱半潛FDPSO水動力計算模型Fig.6 Hydrodynamicmodelofmulti-column semi-submersible FDPSO

圖7 FDPSO垂向運動幅值響應(yīng)結(jié)果Fig.7 RAO resultsof verticalmotion

2.4 系泊系統(tǒng)設(shè)計

FDPSO的定位方式有三種:動力定位、單點錨泊和多點錨泊。根據(jù)新穎FDPSO的對稱特點,采用多點錨泊方式。根據(jù)鉆井作業(yè)實踐總結(jié),浮式鉆井平臺水平漂移不能超過水深的5%,系泊系統(tǒng)的功能就在于有效地控制平臺的水平位移在一個合理的范圍內(nèi)。在設(shè)計時系泊系統(tǒng)最大載荷需滿足規(guī)范要求,API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定如下[15]:表3中,安全系數(shù)SC表示破斷強(qiáng)度與單根系泊纜最大載荷的比值;破壞條件是指極限海況、最危險浪向條件下,載荷最大的單根纜失效時的狀況。

為了減輕錨鏈重量,同時又能夠保證足夠的剛度,FDPSO的系泊纜一般采用“錨鏈-鋼絲纜-錨鏈”的組成形式,表4列出了系泊纜的參數(shù)。由于該FDPSO的下浮箱是圓柱形,在設(shè)計時采用12根系泊纜,分3組,每組4根,同一組內(nèi)相鄰兩根系泊纜間夾角5°。圖8給出了系泊系統(tǒng)布置的俯視圖。

圖8 系泊系統(tǒng)布置俯視示意Fig.8 Arrangementofmooring system

表3 API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的錨泊系統(tǒng)Tab.3 APIrecommendations of mooring system

表4 系泊纜參數(shù)Tab.4 Mooring line particulars

中國南海荔灣水域百年一遇海洋環(huán)境:風(fēng)速39.0 m/s,表面流速1.95 m/s,波浪采用JONSWAP譜描述,有義波高12.3m,譜峰周期14.6 s,譜峰因子為2。由于該多立柱半潛FDPSO結(jié)構(gòu)上的全對稱性,風(fēng)浪流方向均為180°。采用DNV的SESAM軟件的DeepC模塊對平臺系統(tǒng)進(jìn)行時域耦合分析,12根錨鏈張力計算結(jié)果如表5。

表5 南海百年一遇海況下系泊纜張力統(tǒng)計結(jié)果Tab.5 The statistics of mooring line tension in 100-a storm in South China Sea

2.5 深海多立柱半潛FDPSO運動特征

參考南海半潛式平臺981正常鉆井作業(yè)的工作環(huán)境條件:風(fēng)速23.1 m/s,表面流速0.93 m/s,有義波高6.0m,譜峰周期11.2 s,風(fēng)、浪、流均為180°。采用DeepC模塊對平臺進(jìn)行時域耦合分析。為了盡可能的模擬實際海況,計算時間總長為3 h。

圖9描述了深海多立柱半潛FDPSO作業(yè)狀況下六自由度運動時歷。為了比較詳細(xì)地展示該FDPSO的運動特征,圖中時間段選取4 000～8 000 s。從圖中可以看出,深海多立柱半潛FDPSO縱蕩、橫蕩和首搖運動中低頻慢漂運動占主要成分,而垂蕩、橫搖和縱搖運動中波頻運動明顯。深海多立柱半潛FDPSO六自由度運動統(tǒng)計結(jié)果如表6。

表6 作業(yè)海況下平臺運動統(tǒng)計結(jié)果Tab.6 Motion statistic of FDPSO in operation condition

從運動計算結(jié)果可以看出,平臺最大水平運動不超過水深的5%,垂蕩運動不超過2m,搖擺最大不超過5°,均滿足正常鉆井作業(yè)要求,因此該系泊系統(tǒng)設(shè)計是合理的,并且多立柱半潛FDPSO概念可以應(yīng)用于中國南海海域。

圖9 深海多立柱半潛FDPSO作業(yè)狀況下六自由度運動時歷Fig.9 Pitchmotion in time seriesof FDPSO in operation condition

3 結(jié) 語

FDPSO是深海油氣開發(fā)中的新型設(shè)施,對FDPSO概念設(shè)計的方法和流程進(jìn)行初步研究,提出深海多立柱半潛FDPSO概念,并對其進(jìn)行了穩(wěn)性計算和水動力性能數(shù)值分析以及系泊系統(tǒng)設(shè)計,得到如下結(jié)論:

1)對深海多立柱半潛FDPSO進(jìn)行了完整穩(wěn)性計算,并按照CCS規(guī)范中對移動式鉆井平臺的穩(wěn)性衡準(zhǔn)要求進(jìn)行校核,該FDPSO概念滿足規(guī)范中的穩(wěn)性衡準(zhǔn)要求;

2)深海多立柱半潛FDPSO垂蕩運動較小,并且不受環(huán)境條件方向的變化,滿足鉆井作業(yè)要求;

3)系泊系統(tǒng)設(shè)計合理,在該系泊系統(tǒng)下,深海多立柱FDPSO運動幅度滿足南海環(huán)境條件下鉆井和生產(chǎn)作業(yè)的要求,因此深海多立柱FDPSO概念在南海海域是可行的;

4)深海多立柱FDPSO水平運動(縱蕩、橫蕩和首搖)中低頻慢漂運動占主要成分,垂向運動(垂蕩、橫搖和首搖)中波頻運動明顯。

由于目前FDPSO還沒有具體的規(guī)范和設(shè)計方法,此處也只是對其船型概念設(shè)計做了初步探討,有關(guān)FDPSO船體與鉆井裝置耦合的水動力計算、結(jié)構(gòu)分析以及平臺安裝等很多問題需要進(jìn)一步解決。

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Research on the concept design for deep-watermulti-column semi-submersible FDPSO

WEIYue-feng,YANGJian-min,CHEN Gang,HU Zhi-qiang
(State Key Laboratory of Ocean Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

P751

A

1005-9865(2011)01-0001-08

2010-07-08

國家科技重大專項資助項目(2008ZX05026-006-01)

魏躍峰(1981-),男,河南禹州人,博士生,主要從事海洋工程水動力性能研究。E-mail:weiyuefeng2005@yahoo.com.cn