劉秀全, 陳國(guó)明, 馬秀梅, 暢元江

(中國(guó)石油大學(xué) 海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心, 山東 青島 266580)

海洋石油981平臺(tái)動(dòng)力學(xué)仿真教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)

劉秀全, 陳國(guó)明, 馬秀梅, 暢元江

(中國(guó)石油大學(xué) 海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心, 山東 青島 266580)

為了便于深水鉆井平臺(tái)動(dòng)力學(xué)的教學(xué),基于VC++和Matlab開發(fā)了一套海洋石油981平臺(tái)動(dòng)力學(xué)仿真教學(xué)系統(tǒng),主要包括平臺(tái)認(rèn)知、動(dòng)力學(xué)仿真及安全作業(yè)3個(gè)模塊。通過(guò)與平臺(tái)動(dòng)力學(xué)理論教學(xué)有機(jī)結(jié)合,形成平臺(tái)認(rèn)知、動(dòng)力學(xué)理論與仿真和安全作業(yè)教學(xué)體系。學(xué)生可通過(guò)海洋石油981平臺(tái)掌握海洋平臺(tái)動(dòng)力學(xué)理論、仿真及安全作業(yè)過(guò)程,對(duì)培養(yǎng)科學(xué)研究能力起到積極的作用。

海洋石油平臺(tái)； 動(dòng)力學(xué)； 虛擬仿真； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

我國(guó)南海的油氣資源極為豐富,占我國(guó)油氣總資源量的1/3,其中70%蘊(yùn)藏于153.7 萬(wàn)km2的深水區(qū)域。在實(shí)現(xiàn)我國(guó)南海“深水大慶”戰(zhàn)略目標(biāo)中,深水鉆井平臺(tái)是海洋油氣勘探開發(fā)的關(guān)鍵裝備。為此,我國(guó)自2008年自主設(shè)計(jì)并建造成第六代深水半潛式鉆井平臺(tái)——海洋石油981平臺(tái)。2012年,海洋石油981平臺(tái)在我國(guó)南海深水海域正式開鉆,自主完成LH29-2-1、LW6-1-1等深水自營(yíng)井的鉆探作業(yè),標(biāo)志著我國(guó)海洋石油工業(yè)的“深水戰(zhàn)略”由此邁出了實(shí)質(zhì)性的一步[1-4]。

海洋石油981平臺(tái)工作于復(fù)雜的海洋環(huán)境中,受到風(fēng)浪、海流以及動(dòng)力推進(jìn)器等的聯(lián)合作用,會(huì)發(fā)生復(fù)雜的平臺(tái)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。在教學(xué)實(shí)踐中,采用單一的平臺(tái)動(dòng)力學(xué)理論教學(xué)模式,學(xué)生理解較困難[5-6]。為此,筆者基于VC++和Matlab開發(fā)了一套海洋石油981平臺(tái)動(dòng)力學(xué)仿真教學(xué)系統(tǒng),通過(guò)與傳統(tǒng)的平臺(tái)動(dòng)力學(xué)理論教學(xué)有機(jī)結(jié)合,為半潛式鉆井平臺(tái)的認(rèn)知、動(dòng)力學(xué)理論與仿真、安全作業(yè)教學(xué)提供一體化的教學(xué)環(huán)境。該仿真系統(tǒng)界面友好、可操作性強(qiáng),為學(xué)生提供了實(shí)踐的仿真環(huán)境,幫助學(xué)生深入了解海洋石油981平臺(tái)以及我國(guó)海洋石油工業(yè)鉆井平臺(tái)前沿技術(shù),掌握海洋平臺(tái)動(dòng)力學(xué)理論,提高科學(xué)研究能力。

1 平臺(tái)動(dòng)力學(xué)理論模型

海洋石油981平臺(tái)作業(yè)時(shí)受到復(fù)雜的海洋環(huán)境載荷、隔水管系統(tǒng)的作用載荷等。在外部海洋環(huán)境載荷以及結(jié)構(gòu)載荷的綜合作用下,為了保持深水平臺(tái)在某位置附近達(dá)到動(dòng)力平衡,需要平臺(tái)動(dòng)力定位推進(jìn)器實(shí)時(shí)控制平臺(tái)位置。深水鉆井平臺(tái)動(dòng)力學(xué)理論模型可表示為[5-8]

(1)

式中,下標(biāo)F、R分別表示深水鉆井平臺(tái)與隔水管,MF和MR分別為鉆井平臺(tái)和隔水管的質(zhì)量矩陣,BF和BR分別為鉆井平臺(tái)和隔水管的阻尼矩陣,KF和KR分為平臺(tái)和隔水管的剛度矩陣。

平臺(tái)和隔水管的外部力向量FF、FR可表示為：

FF=Fw+Fwd+Fcu+Fth+Fin

(2)

FR=-Fin+W+Fe

(3)

式中,Fw、Fwd、Fcu、Fth、Fin分別為波浪力、風(fēng)力、海流力、推進(jìn)器推力、平臺(tái)和隔水管相互作用力向量；W為有效重力向量；Fe為隔水管外部環(huán)境載荷力向量。

在鉆井平臺(tái)外部環(huán)境載荷方面,一階波浪載荷引起的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)可采用響應(yīng)幅值算子計(jì)算[9],平臺(tái)所受的風(fēng)力、海流力以及二階波浪力可以分別根據(jù)風(fēng)力系數(shù)、流力系數(shù)以及二階波浪力系數(shù)計(jì)算,可表示為:

(4)

(5)

(6)

式中,fwd、fcu、fsw分別為風(fēng)力、海流力和二階波浪力,Cwd和Ccu分別為風(fēng)力系數(shù)和流力系數(shù),Csw為二階波浪力系數(shù),uwd和ucu分別為平臺(tái)與風(fēng)、平臺(tái)與海流之間的相對(duì)速度,S(w)為波浪譜密度。

動(dòng)力定位系統(tǒng)為一個(gè)閉環(huán)的控制系統(tǒng),通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海風(fēng)信息以及平臺(tái)位置信息,采用最優(yōu)二次控制確定平臺(tái)推進(jìn)器的推力fth,可表示為

fth=-Kxe+fwd

(7)

式中,K為反饋增益,xe為平臺(tái)位置偏差。

隔水管系統(tǒng)也受到海洋環(huán)境載荷的影響,一般采用修正形式的Morison方程計(jì)算作用于隔水管系統(tǒng)的波流聯(lián)合作用力fe可表示為

(8)

式中,ρ為海水密度,CM和CD分別為慣性力系數(shù)和拖曳力系數(shù),D為隔水管水動(dòng)力外徑,aW為波浪引起的水質(zhì)點(diǎn)加速度,a為隔水管加速度,uW為波浪引起的水質(zhì)點(diǎn)速度,uC為海流引起的水質(zhì)點(diǎn)速度,u為隔水管速度。

此外,深水鉆井平臺(tái)與隔水管之間還存在相互作用的結(jié)構(gòu)載荷。在深水鉆井平臺(tái)-隔水管系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析過(guò)程中,可實(shí)時(shí)提取隔水管頂部張緊力及頂部轉(zhuǎn)角,確定隔水管頂部張力沿各個(gè)方向的分量,即為相互作用力向量。

2 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 仿真系統(tǒng)框架

為了便于深水鉆井平臺(tái)動(dòng)力學(xué)理論模型的講解與仿真,以海洋石油981平臺(tái)為目標(biāo)對(duì)象,從平臺(tái)認(rèn)知、動(dòng)力學(xué)仿真和安全作業(yè)3個(gè)層次建立海洋石油981平臺(tái)動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)框架。其基本思想是使學(xué)生在了解海洋石油981平臺(tái)基本結(jié)構(gòu)以及作業(yè)模式的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)不同作業(yè)模式下的平臺(tái)動(dòng)力學(xué)仿真,并以深水鉆井平臺(tái)動(dòng)力學(xué)為核心,針對(duì)不同作業(yè)模式確定平臺(tái)安全作業(yè)窗口,進(jìn)一步拓展平臺(tái)動(dòng)力學(xué)在深水鉆井工程中的應(yīng)用。

海洋石油981平臺(tái)動(dòng)力學(xué)仿真教學(xué)系統(tǒng)主要包含平臺(tái)認(rèn)知模塊、動(dòng)力學(xué)仿真模塊和安全作業(yè)窗口模塊,如圖1所示。其中,平臺(tái)認(rèn)知模塊主要介紹海洋石油981平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵參數(shù),以及深水鉆井平臺(tái)作業(yè)模式；動(dòng)力學(xué)仿真模塊可開展不同作業(yè)模式下的平臺(tái)動(dòng)力學(xué)仿真分析；安全作業(yè)窗口模塊主要針對(duì)連接鉆井、緊急解脫隔水管、懸掛隔水管、避臺(tái)風(fēng)撤離4種典型作業(yè)模式進(jìn)行平臺(tái)動(dòng)力學(xué)仿真分析,從而確定不同作業(yè)模式下的平臺(tái)安全作業(yè)窗口。

圖1 仿真系統(tǒng)框架圖

2.2 開發(fā)環(huán)境

海洋石油981平臺(tái)動(dòng)力學(xué)仿真教學(xué)系統(tǒng)以Visual Studio 2008開發(fā)系統(tǒng)可視化界面,利用Visual C++語(yǔ)言編寫后臺(tái)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),在軟件前處理系統(tǒng)與核心數(shù)據(jù)庫(kù)之間建立一條通道,實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)與龐大的數(shù)據(jù)信息之間的無(wú)縫對(duì)接(見圖2)。

圖2 工作原理

為提高教學(xué)系統(tǒng)的計(jì)算能力、效率和精度,該軟件系統(tǒng)利用Matlab開發(fā)教學(xué)系統(tǒng)各模塊求解器,并對(duì)求解器進(jìn)行封裝,使其脫離龐大的Matlab環(huán)境而獨(dú)立執(zhí)行,提高教學(xué)系統(tǒng)的可移植性[10-11]。為充分利用Matlab繪圖優(yōu)勢(shì)以及VC++的報(bào)表展示能力,該軟件系統(tǒng)的后處理界面將兩者進(jìn)行分工而后進(jìn)行整合,充分完善軟件的后處理系統(tǒng)。

為提高用戶的可操作性以及軟件系統(tǒng)的簡(jiǎn)易性,該軟件系統(tǒng)將所有模塊集成在VS2008基礎(chǔ)工具編寫的系統(tǒng)界面內(nèi),用戶只需在界面內(nèi)操作,即可完成系統(tǒng)的整體運(yùn)行流程。

3 仿真系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

3.1 平臺(tái)認(rèn)知模塊

平臺(tái)認(rèn)知模塊是海洋石油981平臺(tái)動(dòng)力學(xué)仿真教學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊,供學(xué)生了解海洋石油981平臺(tái)的概況。該模塊分為平臺(tái)結(jié)構(gòu)認(rèn)知和作業(yè)模式認(rèn)知兩個(gè)子模塊。平臺(tái)結(jié)構(gòu)認(rèn)知子模塊主要介紹海洋石油981平臺(tái)的整體概況、重要組成部件及部件的關(guān)鍵參數(shù)；作業(yè)模式認(rèn)知子模塊主要介紹深水鉆井平臺(tái)的基本作業(yè)模式以及作業(yè)流程。平臺(tái)認(rèn)知模塊配置大量的圖片幫助學(xué)生進(jìn)行直觀觀察,并針對(duì)不同的作業(yè)模式配備了相應(yīng)的流程動(dòng)畫以輔助學(xué)生學(xué)習(xí),為后續(xù)的平臺(tái)動(dòng)力學(xué)仿真和安全作業(yè)分析奠定良好的基礎(chǔ)。

以圖3所示平臺(tái)基本概況子窗口為例,其右側(cè)的信息框顯示海洋石油981平臺(tái)的關(guān)鍵參數(shù),其左側(cè)則具體給出平臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸圖,并可對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸圖進(jìn)行放大顯示。

圖3 平臺(tái)基本概況子窗口

3.2 動(dòng)力學(xué)仿真模塊

基于深水鉆井平臺(tái)動(dòng)力學(xué)理論模型,在Matlab中開發(fā)了平臺(tái)動(dòng)力學(xué)求解器,主要包括動(dòng)力定位載荷模塊、風(fēng)載荷模塊、海流載荷模塊、波浪載荷模塊、隔水管系統(tǒng)載荷模塊,通過(guò)各模塊可確定平臺(tái)動(dòng)力學(xué)載荷并傳入到平臺(tái)動(dòng)力學(xué)求解模塊,基于Runge-Kutta法完成平臺(tái)動(dòng)力學(xué)模型仿真。此外,為了考慮連接鉆井工況下平臺(tái)-隔水管系統(tǒng)的相互作用,基于有限單元法求解隔水管系統(tǒng)響應(yīng)(見圖4)。

在此基礎(chǔ)上,以平臺(tái)動(dòng)力學(xué)求解器為核心進(jìn)行平臺(tái)動(dòng)力學(xué)仿真模塊開發(fā),分為平臺(tái)波頻運(yùn)動(dòng)、平臺(tái)動(dòng)力學(xué)定位模擬、平臺(tái)漂移運(yùn)動(dòng)、平臺(tái)驅(qū)離運(yùn)動(dòng)以及平臺(tái)-隔水管動(dòng)力學(xué)等[12],并將平臺(tái)基本參數(shù)、海況環(huán)境參數(shù)以及作業(yè)參數(shù)等集合為動(dòng)力學(xué)仿真模塊下的一個(gè)全新子模塊,稱之為基本參數(shù)管理模塊。開展不同運(yùn)動(dòng)模式下的平臺(tái)動(dòng)力學(xué)分析時(shí),只需通過(guò)平臺(tái)動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)界面定義相關(guān)求解參數(shù),平臺(tái)動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)自動(dòng)將基礎(chǔ)參數(shù)傳入各求解器進(jìn)行求解,并將仿真結(jié)果讀入平臺(tái)動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)進(jìn)行圖形化顯示。

以平臺(tái)動(dòng)力定位模擬為例(見圖5),在該界面內(nèi)可對(duì)平臺(tái)動(dòng)力定位計(jì)算參數(shù)進(jìn)行查看和管理操作,同時(shí)依據(jù)設(shè)定的水動(dòng)力參數(shù)以及海洋石油981平臺(tái)推進(jìn)器相關(guān)參數(shù)對(duì)平臺(tái)動(dòng)力定位進(jìn)行仿真計(jì)算,并在結(jié)果查看組合框內(nèi)顯示平臺(tái)在不同方向上的位移或平臺(tái)某個(gè)對(duì)應(yīng)推進(jìn)器的推力時(shí)間歷程曲線圖,以便于對(duì)其進(jìn)行觀察分析。

圖4 平臺(tái)動(dòng)力學(xué)求解過(guò)程

圖5 平臺(tái)動(dòng)力定位模擬窗口

3.3 安全作業(yè)模塊

平臺(tái)動(dòng)力學(xué)關(guān)系深水鉆井作業(yè)的安全。平臺(tái)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)過(guò)大會(huì)引起隔水管系統(tǒng)及鉆井作業(yè)失效,有必要在平臺(tái)動(dòng)力學(xué)仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展安全作業(yè)分析,拓展平臺(tái)動(dòng)力學(xué)在工程安全作業(yè)中的應(yīng)用[13-14]。安全作業(yè)模塊的基本思路為:首先確定不同作業(yè)模式下的平臺(tái)-隔水管系統(tǒng)安全作業(yè)準(zhǔn)則,依次開展不同海洋環(huán)境條件和平臺(tái)偏移下的平臺(tái)-隔水管系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真,并將動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果與安全作業(yè)準(zhǔn)則對(duì)比,通過(guò)非線性搜索計(jì)算出平臺(tái)安全作業(yè)窗口,即不同海洋環(huán)境條件下允許的平臺(tái)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)幅值。

根據(jù)深水鉆井平臺(tái)作業(yè)工況,將安全作業(yè)窗口模塊分為連接鉆井作業(yè)、緊急解脫作業(yè)、懸掛作業(yè)與避臺(tái)風(fēng)撤離作業(yè)4個(gè)子模塊。以連接鉆井作業(yè)仿真模塊(見圖6)為例,在該模塊界面內(nèi)以圖形化的方式顯示作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn),并可輸入每個(gè)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的作業(yè)極限準(zhǔn)則；然后定義隔水管系統(tǒng)配置,并支持隔水管系統(tǒng)配置的添加、修改刪除等操作；通過(guò)仿真計(jì)算調(diào)用平臺(tái)動(dòng)力學(xué)求解器依次完成不同海況下的動(dòng)力學(xué)仿真分析,并確定平臺(tái)連接作業(yè)窗口。圖6中綠色區(qū)域即為平臺(tái)的安全作業(yè)窗口。

圖6 連接鉆井作業(yè)窗口

3.4 仿真系統(tǒng)應(yīng)用

編寫海洋石油981平臺(tái)動(dòng)力學(xué)仿真教學(xué)系統(tǒng)代碼后,通過(guò)編譯的方式將其轉(zhuǎn)化為獨(dú)立可執(zhí)行程序,以便于學(xué)生的廣泛使用。具體應(yīng)用時(shí),海洋石油981平臺(tái)動(dòng)力學(xué)仿真教學(xué)系統(tǒng)可與傳統(tǒng)課堂教學(xué)有機(jī)結(jié)合,提升深水鉆井平臺(tái)動(dòng)力學(xué)的教學(xué)效果。

(1) 平臺(tái)認(rèn)識(shí)方面。通過(guò)海洋石油981平臺(tái)動(dòng)力學(xué)教學(xué)仿真系統(tǒng),可以直觀展示平臺(tái)結(jié)構(gòu)組成及作業(yè)模式,配合課堂講解,促進(jìn)學(xué)生深入了解海洋石油981平臺(tái),掌握我國(guó)海洋石油工業(yè)深水鉆井平臺(tái)前沿技術(shù)。

(2) 平臺(tái)動(dòng)力學(xué)方面。在傳統(tǒng)平臺(tái)動(dòng)力學(xué)理論模型講解的基礎(chǔ)上,基于海洋石油981平臺(tái)動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)增加平臺(tái)動(dòng)力學(xué)仿真模塊學(xué)習(xí)、手動(dòng)練習(xí)以及結(jié)果規(guī)律分析等教學(xué)環(huán)節(jié),形成較為系統(tǒng)的深水鉆井平臺(tái)動(dòng)力學(xué)教學(xué)過(guò)程。

(3) 平臺(tái)安全作業(yè)方面。從工程角度進(jìn)一步拓展平臺(tái)動(dòng)力學(xué)應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)平臺(tái)動(dòng)力學(xué)與工程作業(yè)的緊密結(jié)合,并促進(jìn)學(xué)生對(duì)平臺(tái)動(dòng)力學(xué)的理解。

總體而言,海洋石油981平臺(tái)動(dòng)力學(xué)仿真教學(xué)系統(tǒng)豐富了平臺(tái)動(dòng)力學(xué)理論教學(xué)手段,通過(guò)與平臺(tái)動(dòng)力學(xué)理論講解有機(jī)結(jié)合,形成比較完善的平臺(tái)認(rèn)知、動(dòng)力學(xué)理論與仿真、安全作業(yè)的教學(xué)體系,實(shí)現(xiàn)從單一課堂講授向多元化教學(xué)模式發(fā)展,對(duì)于提高學(xué)生的認(rèn)知水平和學(xué)習(xí)興趣具有重要意義。

4 結(jié)語(yǔ)

基于VC++和Matlab開發(fā)的海洋石油981平臺(tái)動(dòng)力學(xué)仿真教學(xué)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)波頻運(yùn)動(dòng)、平臺(tái)動(dòng)力定位、平臺(tái)漂移運(yùn)動(dòng)、平臺(tái)驅(qū)離運(yùn)動(dòng)以及平臺(tái)-隔水管動(dòng)力學(xué)等平臺(tái)動(dòng)力學(xué)模擬,可與傳統(tǒng)的平臺(tái)動(dòng)力學(xué)理論教學(xué)有機(jī)結(jié)合,形成以深水鉆井平臺(tái)動(dòng)力學(xué)為核心的平臺(tái)認(rèn)知、動(dòng)力學(xué)理論與仿真和安全作業(yè)的教學(xué)體系,實(shí)現(xiàn)從單一課堂講授模式向多元化教學(xué)模式的發(fā)展,提升深水鉆井平臺(tái)動(dòng)力學(xué)的教學(xué)效果。學(xué)生可通過(guò)海洋石油981平臺(tái)動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)跟蹤我國(guó)海洋石油工業(yè)深水鉆井平臺(tái)前沿技術(shù),開展深水鉆井平臺(tái)動(dòng)力學(xué)仿真與計(jì)算實(shí)踐,掌握深水鉆井平臺(tái)動(dòng)力學(xué)理論、仿真及安全作業(yè)過(guò)程,提高科學(xué)研究能力。

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Development of dynamics simulation teaching system for offshore oil 981 platform

Liu Xiuquan, Chen Guoming, Ma Xiumei, Chang Yuanjiang

(Research Centre for Offshore Oil and Gas Equipment and Safety Technology, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

In order to facilitate the teaching of the deepwater drilling platform dynamics, a dynamic simulation teaching system for the offshore oil 981 platform is developed on the basis of VC++ and Matlab. The system is composed of the platform cognition module, the dynamics simulation module and the safety operation module. Through the organic combination of the platform dynamics theory teaching, the teaching system for the platform cognition, dynamics theory and simulation, and safety operation is formed. Students can master the dynamics theory, simulation and safety operation process of the offshore platform through the offshore oil 981 platform, which plays a positive role in training students’ scientific research ability.

offshore oil platform; dynamics; virtual simulation;experimental teaching

2017-05-08

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)課題(2015CB251203)；國(guó)家科技重大專項(xiàng)子課題(2016ZX05028-001-05)；山東省自然科學(xué)基金聯(lián)合專項(xiàng)(ZR2014EL018)

劉秀全(1987—),男,山東棗莊,博士,講師,主要從事海洋油氣裝備教學(xué)與科研工作.

E-mail：lxqmcae@163.com

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.032

TE52

A

1002-4956(2017)12-0132-06