王火平 劉義勇 冒家友 馮麗梅 李龍祥

(中海石油(中國)有限公司深圳分公司深水工程建設中心 廣東深圳 518067)

南海張力腿平臺氣隙計算方法*

王火平 劉義勇 冒家友 馮麗梅 李龍祥

(中海石油(中國)有限公司深圳分公司深水工程建設中心 廣東深圳 518067)

王火平,劉義勇,冒家友，等.南海張力腿平臺氣隙計算方法[J].中國海上油氣，2017,29(2)：142-146.WANG Huoping,LIU Yiyong,MAO Jiayou,et al.Calculating method of the airgap for TLPs in South China Sea[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(2):142-146.

氣隙是張力腿平臺性能的重要指標之一。通過對張力腿平臺氣隙設計要求及影響因素進行分析，給出了張力腿平臺氣隙預報模型。以流花16-2油田為例，結合張力腿平臺前端工程設計研究項目，采用氣隙簡化估算公式、數值模擬和模型試驗相結合的方法進行了氣隙計算。計算結果表明，在前期工程設計或初步設計時，可采用本文給出的簡化估算公式快速計算氣隙，對于最終設計氣隙，建議以數值模擬和模型試驗相結合的方法來確定。本文提出的張力腿平臺氣隙設計方法可為南海今后類似張力腿平臺設計提供借鑒。

張力腿平臺；氣隙；預報模型；氣隙簡化估算；數值模擬；模型試驗

張力腿平臺(TLP)作為一種典型的深水浮式平臺，具有運動性能優(yōu)良、可采用干式采油樹開發(fā)、適用水深范圍廣(300～1 500 m)等優(yōu)點，在國外深海油氣開發(fā)中得到了廣泛應用。目前國外已建成TLP平臺27座，其中17座位于墨西哥灣。2015年中國海洋石油總公司首次以南海流花16-2油田為應用目標，完成了TLP前端工程設計和研究工作，以探求適應南海深水油氣開發(fā)特點的更多深水浮式平臺技術。

流花16-2油田地處臺風頻發(fā)的南海北部區(qū)域，如何確保TLP平臺在惡劣環(huán)境下的安全可靠性是工程設計中面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。在TLP諸多安全性能指標中，氣隙作為衡量平臺主甲板是否遠離波浪拍擊區(qū)域的一個重要指標，是TLP設計的重點。目前對于半潛式平臺的氣隙預報國內已經有所研究[1-2]，但是對于TLP這種類型的浮體，氣隙的研究還尚在進行且無實際工程設計應用。國外對于浮體結構的氣隙研究主要集中在數值模擬[3-7]和模型試驗[8-10]等方面，對于在設計早期階段如何快速有效地預報TLP平臺氣隙，在工程詳細設計階段如何合理有效地利用模型試驗結果準確給出平臺氣隙，以及在TLP設計中可以直接應用的具體方法很少涉及。本文結合南海流花16-2油田TLP前端工程設計研究項目，通過對TLP氣隙設計要求進行分析，給出了TLP氣隙響應的預報模型，并采用簡化公式、數值模擬和模型試驗相結合的方法進行了氣隙計算。

1 TLP平臺氣隙設計要求及預報模型

1.1 氣隙設計要求

TLP由上部組塊和下浮體兩部分組成，其中上部組塊由上部生產設施模塊、生活樓和鉆井模塊等組成，下浮體由主船體(包括立柱和浮箱)、立管系統(tǒng)、張力腿系統(tǒng)、樁基礎系統(tǒng)等組成。根據規(guī)范[11-12]TLP氣隙定義為在各種計算工況下TLP下層甲板大梁底部至最大波峰面之間的垂直距離(圖1)，平臺下層甲板大梁底部至平均海平面的垂直距離則定義為初始氣隙(或最小甲板間隙)。為確保TLP在惡劣環(huán)境條件下安全可靠，平臺應具有足夠的甲板高度。根據API RP 2T規(guī)范[11]推薦，百年一遇臺風重現期極端工況下平臺氣隙建議不小于1.5 m，千年一遇臺風重現期生存工況下建議不小于0，但如果出現輕微程度的負氣隙，需要進一步分析證明在千年一遇最大波峰的沖擊下平臺不會出現整體失效。

圖1 TLP氣隙定義示意圖Fig .1 Definition of TLP airgap

此外，氣隙滿足規(guī)范要求后也不能有過大的余量，否則會抬高平臺的重心位置，增加風載荷和風矩，進而影響TLP的總體性能、張力腿的最小張力和最大張力，使得浮體排水量增大和張力腿尺度增大，平臺的投資也會相應增加。因此，準確預報平臺氣隙十分重要，不僅有利于確保平臺安全可靠，還可以適當降低平臺造價。TLP氣隙設計時應考慮以下因素。

1) 平臺運動響應引起的下沉量。不同于固定平臺，TLP在惡劣環(huán)境下會發(fā)生較大偏移而產生下沉或垂向運動，從而引起甲板相對于水平面的高程減小，其下沉量隨著平臺偏移量增加而非線性增加，環(huán)境條件越惡劣，甲板高程減少會越多。

2) 最大波峰面高度。根據波浪理論，波浪經過漂浮結構時，最大波峰面高度由非線性波的波峰面高度和爬坡效應引起非線性的自由表面升高疊加而成。在極端海況下，入射波表現出較強的非線性特征，極值波浪的波峰和波谷表現出的不對稱性非常明顯。由于TLP平臺立柱尺度較大，入射波經過立柱時會產生輻射繞射作用，從而引起自由表面升高。這種自由表面升高稱為爬坡效應，表現為波浪沿平臺立柱向上爬升，波浪的爬升過程從理論上可解釋為當入射波浪沖擊浮體時，水波的動能轉化為勢能同時波高發(fā)生放大的過程。

3) 其他因素。在確定平臺氣隙時，還須考慮風暴增水和潮汐(合為高潮水位)以及平臺壽命期內可能發(fā)生的地質沉陷和海平面上升引起的水位增加。

1.2 平臺氣隙預報模型

如圖1所示，假定初始氣隙為ZDC，平臺底部垂向運動為ZDK，瞬時波峰面高度為ZF,風暴增水和潮汐為ZTD，平臺壽命期內可能發(fā)生的海底沉陷和海平面上升分別為ZSUB和ZSR,某工況下的平臺甲板底部某點的氣隙Z可通過式(1)求得(波面高是瞬時概念，應表示為ZF(t),相應的平臺下沉和潮汐都是瞬時概念)

(1)

考慮將平臺垂向運動和波峰面高度合并為一項，即ZDK+ZF=ZRC，ZRC稱為相對波峰面高度，則可將式(1)簡化為

(2)

從式(2)可知，求得平臺最小氣隙(設計氣隙)的關鍵是要求出平臺的最大相對波峰面高度，包括平臺的瞬時垂向運動和波峰面高度，則式(2)可變?yōu)?/p>

(3)

最大相對波峰面高度是波峰面相對于平臺底部某點位置的距離，可通過波峰面高度減去某點的垂向運動，最終的氣隙可通過初始氣隙減去相對的波峰面高度求得。平臺的垂向運動和波峰面高度是2個未知的非線性分量，可通過水動力分析求得。業(yè)界現在采用的繞射和輻射分析軟件尚不能準確計算波浪的非線性部分，因此在計算相對波峰面高度時須對波浪的非線性項進行修正(即疊加波浪的高階分量)，即

(4)

式(4)中：ZRCmax(1storder)為一階波產生經分析數值軟件擬合后的最大相對波峰面高度，ηmaxdesign為根據實際海況在不同重現期的最大波峰面設計值，ηmax(numerical)為在分析軟件模擬得到的一階波浪的最大波峰面，兩者差值為Δη。

2 計算實例

TLP氣隙計算涉及到非線性因素，是一個非常復雜的問題。因此計算TLP氣隙時一般采用時域數值模擬方法，最后結合模型試驗結果對平臺氣隙進行適當修正。但是在工程設計初期或進行總體尺度初始規(guī)劃時，采用必要的簡化方法計算氣隙能節(jié)省大量的時間和工程計算。本文以流花16-2油田TLP前期工程設計方案為例介紹TLP氣隙的計算方法，該平臺工作水深約為400 m，采用經典的四立柱傳統(tǒng)型TLP，設計壽命為20 a，設計排水量約5.0×104t，上部組塊操作質量約1.5×104t，船體質量約1.57×104t，布置有8根張力腿和12根頂張式立管，張力腿在泥面位置與樁基礎直接相連，平臺主尺度及設計環(huán)境條件數據分別見表1和表2。結合流花16-2油田及油藏特點，在本研究中不考慮TLP平臺壽命期內可能發(fā)生的海底沉陷和海平面上升。

表1 流花16-2油田TLP平臺主尺度Table 1 Principal dimensions of the TLP in LH 16-2 oilfield

表2 流花16-2油田TLP平臺設計環(huán)境條件數據Table 2 Environmental condition design data for the TLP in LH 16-2 oilfield

2.1 氣隙簡化估算

在前期工程設計階段，需要確定平臺總體尺度，特別是平臺的高程，借鑒式(1)給出簡化計算方法可以快速有效地給出最小氣隙的估值:

(5)

式(1)中的瞬時波峰面高度ZF被αHs代替，該項包含繞輻射作用下的最大波峰面高度Hs以及實際海況下最大波峰面高度的修正參數α。不同的海域α會有所不同，但是一般在臺風主導的區(qū)域α值建議取1.4～1.5，建議在墨西哥灣取上限值1.5,在中國南海取下限值1.4。與之相對應的公式(5)中的ZDK對應的是平均垂直運動，傳統(tǒng)四立柱TLP 225°浪支配的工況一般是最小氣隙的關鍵工況。以流花16-2油田TLP前期設計方案為例，利用本文簡化估計公式，在千年一遇臺風最大浪工況下，取ZDC=29 m,ZDK=2.42 m,α=1.45,Hs=16.5 m,ZTD=2.4 m,ZSUB=0,ZSR=0，最小氣隙為0.255 m。

2.2 氣隙數值計算

氣隙數值計算主要有2個關鍵因素，一是找到平臺氣隙設計的最不利點，二是通過時域分析方法求得該點的相對最大波峰面高度。TLP氣隙不利點一般都是在順浪立柱的內側點，圖2給出了流花16-2油田TLP數值模擬計算選取的氣隙研究點示意圖。

圖2 流花16-2油田TLP平臺最不利氣隙點篩選Fig .2 Points of interest for airgap analysis in LH 16-2 oilfield

篩選出氣隙的最不利位置后，通過時域數值分析求得TLP平臺6個自由度的運動時程，之后通過韋布爾擬合方法求得可能的數值分析的最大波峰面高度。圖3中顯示了波面高度的運動時程，波面高度是從數值模擬軟件中得到。波高的時域曲線一般是通過多個規(guī)則波的波浪分量疊加得到的，這個波高指的是平臺研究對象正下方那一點對應的波高。

圖3 數值分析方法得到的流花16-2油田TLP平臺 最不利點的相對波峰面高度Fig .3 Maximum relative wave crest derived from numerical analyses of TLP platform in LH 16-2 oilfield 在工程詳細設計階段， TLP平臺最小氣隙一般都采用時域數值模擬和模型試驗數據相互結合的方法確定。TLP氣隙計算數值模擬以及試驗校核方法的基本步驟如下。

1) 定義好各個感興趣的點后，通過繞輻射軟件得到各個點波面高度的運動響應RAO，包括入射、繞射和輻射的線性部分，并篩選出最不利的氣隙位置。

2) 通過時域運動分析軟件進行平臺的運動分析求得指定點的平臺運動時程(波峰面高度和平臺垂向運動)。之后連同從步驟1)中獲得的RAO進行處理，計算指定點的相對瞬時波峰面高度(包括入射波、繞射和輻射的線性部分及平臺垂向運動)。

3) 通過韋布爾擬合的統(tǒng)計分析，得到關鍵點最大相對波峰面高度和STDV標準差(包含了TLP運動、一階入射波、繞射和輻射)。

4) 在步驟3)中獲得的只有一階入射波， 其最大波峰和實際海況取得的最大波峰相比缺少了非線性部分，因此在時域運動軟件對一階入射波進行統(tǒng)計分析，利用實際海況給予的最大波峰對在步驟3)中獲得的最大相對波峰面進行修正，然后進行下一步的模型試驗修正。

5) 模型試驗修正，其方法為

(6)

(7)

(8)

式(6)～(8)中：Fcorr為模型試驗結果的標準差修正系數；Fextreme為模型試驗的極值修正系數；ZRCSTDV為從數值模擬中獲得的相對波峰的標準差;RCSTDVmodel為從模型試驗結果得到的統(tǒng)計值模型標準差；RCSTDVnumerical為從數值分析得到的統(tǒng)計值數值標準差；RCmaxmodel為從模型試驗結果得到的統(tǒng)計值模型極值。

平臺設計氣隙經模型試驗結果修正后的公式為

(9)

6) 潮位等數據修正，得到最終設計氣隙數據。南海潮差較大，千年一遇最高潮位達2.4 m，本研究把潮位直接扣除可能略有保守，建議在TLP詳細設計階段對其敏感性作進一步研究。

2.3 氣隙計算

在流花16-2油田TLP平臺氣隙實際計算時，分別考慮了百年一遇和千年一遇環(huán)境條件下現行規(guī)范要求的各種分析工況，根據總體性能分析結果，225°海浪支配的工況為氣隙計算的控制工況。為取得TLP平臺模型試驗數據，在國內某水池試驗進行了1∶50比例水動力模型試驗(圖4)，求得百年一遇和千年一遇225°海浪支配工況的最小氣隙。

圖4 TLP平臺模型試驗Fig .4 TLP model testing

百年一遇和千年一遇臺風225°海浪工況下最小氣隙計算過程見表3，從表3可知，百年一遇和千年一遇時最小氣隙分別為2.68 m和-0.82 m，百年一遇的工況滿足API RP 2T(2010)規(guī)范要求；千年一遇時甲板大梁底部會遭受波浪砰擊(甲板底部大梁高度為1.5 m)，在詳細設計時須考慮對甲板大梁進行局部加強，以確保平臺的安全可靠性。

根據本文提供的簡化公式計算，千年一遇時得出的最小氣隙0.255 m，與經過時域數值模擬和模型試驗修正的最終結果相差約1 m。考慮到最小氣隙計算的復雜性，該誤差在工程設計初期或進行總體尺度初始規(guī)劃階段應該屬于可接受范圍內。

表3 百年一遇和千年一遇臺風225°海浪工況下 最小氣隙計算過程Table 3 The model test correction factors and the minimum airgap for 100-year and 1000-year return period typhoon under 225° wave dominant condition

3 結論

在前期工程設計或初步設計時，確定TLP平臺主尺度時可采用本文給出的簡化公式快速計算氣隙。由于TLP氣隙預報涉及很多復雜的非線性分析，因此對于最終設計氣隙，建議以數值模擬和模型試驗相結合的方法來確定。

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(編輯：葉秋敏)

Calculating method of the airgap for TLPs in South China Sea

WANG Huoping LIU Yiyong MAO Jiayou FENG Limei LI Longxiang

(DeepwaterEngineeringandConstructionCenter,ShenzhenBranchofCNOOCCo.Ltd.,Shenzhen,Guangdong518067,China)

Airgap is one of the important parameters for tension leg platforms (TLPs). Based on the investigation of the TLP airgap design criteria and the influencing factors, an airgap prediction model was derived. Combining the front engineering research project, this paper presents a case study carried out for Liuhua 16-2 TLP FEED project in South China Sea, and the airgap was calculated by combining the simplified estimation formula, the numerical analysis, and model tests. The results demonstrate that the simplified method for airgap calculation presented here can be utilized during early or preliminary stage of TLP design; however, for the final design, the model test is highly recommended in conjunction with the numerical calculations. The airgap design methodology presented in this paper can be applied in future TLP projects in South China Sea.

tension leg platform; airgap; prediction mode; airgap simplification estimation; numerical simulation; model test

*國家工信部高技術船舶科研項目“500米水深油田生產裝備TLP自主研發(fā)”部分研究成果。

王火平，男，工程師，2004年畢業(yè)于廣東海洋大學，獲船舶與海洋工程學士學位，現主要從事深水油氣田開發(fā)工程建設管理工作。地址：廣東省深圳市南山區(qū)后海濱路(深圳灣段)3168號中海油大廈A座37樓(郵編：518067)。E-mail:wanghp5@cnooc.com.cn

1673-1506(2017)02-0142-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.02.020

TE952

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