謝文會(huì)，謝 彬，粟 京，韓旭亮，李 陽(yáng)，趙晶瑞，馮加果

(中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028)

傳統(tǒng)的浮式生產(chǎn)平臺(tái)中，張力腿平臺(tái)和Spar平臺(tái)可以應(yīng)用干樹(shù)采油，但建造安裝技術(shù)難度大，需要?jiǎng)佑么笮秃Ｉ细〉踝鳂I(yè)，費(fèi)用高。傳統(tǒng)的半潛式生產(chǎn)平臺(tái)相對(duì)建造安裝技術(shù)難度小，費(fèi)用相對(duì)較低，由于其垂蕩性能較差，不能實(shí)現(xiàn)海上油田的干樹(shù)開(kāi)發(fā)。海上油田干樹(shù)開(kāi)發(fā)具有操作運(yùn)維簡(jiǎn)便、費(fèi)用低的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)具有干樹(shù)開(kāi)采能力的半潛式平臺(tái)成為世界海洋工程界的研究熱點(diǎn)。美國(guó)FloaTEC公司提出的桁架式半潛平臺(tái)[1]，利用垂蕩板來(lái)增加附加質(zhì)量，改善垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值，實(shí)現(xiàn)油氣田干樹(shù)開(kāi)發(fā)，但其桁架式垂蕩板海上安裝難度大，風(fēng)險(xiǎn)高；該公司提出的可擴(kuò)展吃水式半潛式平臺(tái)[2]，也采用垂蕩板，可以根據(jù)作業(yè)狀態(tài)自由收起和放下垂蕩板，且垂蕩板中加裝固定壓載，降低平臺(tái)中心，改善平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能，但該型平臺(tái)安裝時(shí)需要向垂蕩板內(nèi)注入固定壓載，同時(shí)其垂蕩板提升連接機(jī)構(gòu)復(fù)雜，成本高，實(shí)用性差；Aker公司提出DPS系列平臺(tái)也采用垂蕩板來(lái)降低垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值[3]，其設(shè)計(jì)理念與桁架式半潛平臺(tái)相似，存在同樣的海上安裝作業(yè)問(wèn)題；最近國(guó)內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)也提出了許多干樹(shù)半潛平臺(tái)方案，如漸變立柱深吃水干樹(shù)式半潛生產(chǎn)平臺(tái)[4]、立柱和甲板分開(kāi)的干樹(shù)式半潛生產(chǎn)平臺(tái)[5]，這些概念通過(guò)優(yōu)化改變傳統(tǒng)半潛平臺(tái)形式，達(dá)到干樹(shù)采油所需的運(yùn)動(dòng)性能；美國(guó)Technip公司提出的可伸縮半潛式平臺(tái)，Mansour和Wu提出的自由懸掛固體壓載艙式半潛式平臺(tái)，中海油研究總院提出的深水不倒翁平臺(tái)(DTP)等干樹(shù)半潛平臺(tái)概念均是采用為傳統(tǒng)半潛平臺(tái)增加下部垂蕩板、增加吃水、垂蕩板中添加固定壓載等方案改善平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能，達(dá)到平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)干樹(shù)開(kāi)采的目的，傳統(tǒng)形式的深吃水半潛平臺(tái)加裝垂蕩板成為目前干樹(shù)半潛平臺(tái)開(kāi)發(fā)的主要研究方向[6-11]。但目前所有增加垂蕩板形式的干樹(shù)半潛平臺(tái)均未解決垂蕩板連接結(jié)構(gòu)復(fù)雜、海上施工難度大，風(fēng)險(xiǎn)高的問(wèn)題。干樹(shù)半潛平臺(tái)研發(fā)不僅需要考慮平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)性能滿(mǎn)足海上油田干樹(shù)開(kāi)采的需要，更重要的是需要考慮針對(duì)特定油氣田的油氣藏特性需求，建造、安裝可行性，經(jīng)濟(jì)成本等要素，才能開(kāi)發(fā)出經(jīng)濟(jì)、安全、實(shí)用的平臺(tái)型式。2016年，中海油研究總院針對(duì)目標(biāo)氣田開(kāi)發(fā)了一型適應(yīng)我國(guó)南海海域環(huán)境條件的深水多功能干樹(shù)半潛平臺(tái)，作業(yè)水深1 500 m。平臺(tái)上部為傳統(tǒng)的深吃水半潛平臺(tái)型式，下部采用細(xì)長(zhǎng)柔性連接結(jié)構(gòu)連接垂蕩板，細(xì)長(zhǎng)柔性連接結(jié)構(gòu)采用成熟的張力腿結(jié)構(gòu)型式，通過(guò)張力腿柔性連接接頭釋放平臺(tái)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的巨大彎矩，結(jié)構(gòu)安全可靠，建造安裝簡(jiǎn)便，運(yùn)動(dòng)性能優(yōu)良，可實(shí)現(xiàn)干式開(kāi)采和回接水下井口、油氣生產(chǎn)處理、凝析油存儲(chǔ)、鉆修井等功能。該新型平臺(tái)提供了非常具有競(jìng)爭(zhēng)力的深水油氣田開(kāi)發(fā)模式，特別是適合于我國(guó)南海惡劣海況、凝析油氣田為主及南海管網(wǎng)相對(duì)缺乏等特點(diǎn)。該新型平臺(tái)工程化成熟后，相關(guān)技術(shù)將會(huì)有力的促進(jìn)中國(guó)深水油氣田的開(kāi)發(fā)。

1 新型干樹(shù)儲(chǔ)油半潛平臺(tái)結(jié)構(gòu)型式

新型干樹(shù)儲(chǔ)油半潛平臺(tái)由上部組塊、主船體、細(xì)長(zhǎng)柔性連接結(jié)構(gòu)、箱型垂蕩板、TTR立管系統(tǒng)、系泊系統(tǒng)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)型式如圖1所示。甲板結(jié)構(gòu)采用桁架結(jié)構(gòu)，易于組塊的建造和安裝。浮體結(jié)構(gòu)由主船體、細(xì)長(zhǎng)柔性連接結(jié)構(gòu)和箱型垂蕩板三部分組成。主船體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)半潛式平臺(tái)類(lèi)似，細(xì)長(zhǎng)柔性連接結(jié)構(gòu)連接主船體與箱型垂蕩板，為張力腿平臺(tái)的張力腿結(jié)構(gòu)，連接點(diǎn)采用柔性接頭連接結(jié)構(gòu)，可繞連接處轉(zhuǎn)動(dòng)，釋放由于箱型垂蕩板慣性力引起的巨大彎矩，平臺(tái)在作業(yè)期間連接構(gòu)件始終處于拉伸狀態(tài)。箱型垂蕩板安裝就位后與海水連通，自由懸掛于主船體。采用箱型垂蕩板結(jié)構(gòu)提高垂蕩板的剖面模數(shù)，承受附連水慣性力，抑制平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)。垂蕩板中間開(kāi)孔，并設(shè)有導(dǎo)向支撐結(jié)構(gòu)，TTR立管從中間穿過(guò)，通向上部組塊，實(shí)現(xiàn)干樹(shù)開(kāi)采。系泊系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的深水系泊方式，水深適應(yīng)性好。

圖1 平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)型式Fig. 1 Global structure of the platform

圖2 平臺(tái)建造完成后狀態(tài)Fig. 2 Post-construction status of the platform

新型干樹(shù)儲(chǔ)油半潛平臺(tái)可在船塢、船臺(tái)建造，建造完成后如圖2所示，平臺(tái)箱型垂蕩板位于主船體下部，支撐主船體與上部組塊重量，張力腿連接構(gòu)件固定于立柱外側(cè)。在濕拖過(guò)程中，箱型垂蕩板浮力遠(yuǎn)大于其自身重量，為平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)物提供浮力，箱型垂蕩板上設(shè)置水平限位裝置，限制箱型垂蕩板與主船體之間的水平相對(duì)運(yùn)動(dòng)，平臺(tái)箱型垂蕩板、主船體疊放在一起，可實(shí)現(xiàn)整體濕拖。濕拖至安裝場(chǎng)地后，通過(guò)調(diào)整箱型垂蕩板中所充海水重量，調(diào)整箱型垂蕩板濕重，采用簡(jiǎn)易機(jī)構(gòu)下放箱型垂蕩板至預(yù)定位置，連接張力腿連接結(jié)構(gòu)，隨后箱型垂蕩板完全充水，主船體調(diào)整壓載，平臺(tái)達(dá)到預(yù)定吃水。箱型垂蕩板可承受平臺(tái)在位水壓頭，在在位工況下通過(guò)高壓空氣可調(diào)節(jié)垂蕩板浮力，可實(shí)現(xiàn)在位張力腿連接構(gòu)件更換。

該新型干樹(shù)儲(chǔ)油半潛平臺(tái)一方面通過(guò)箱型垂蕩板增加附連水質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)阻尼，獲得良好的垂蕩運(yùn)動(dòng)性能。另一方面通過(guò)成熟的張力腿連接構(gòu)件形式解決了平臺(tái)主船體與垂蕩板的連接問(wèn)題，其上下柔性連接接頭釋放了由于平臺(tái)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的巨大彎矩，結(jié)構(gòu)形式安全可靠、費(fèi)用低。此種型式的半潛平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能優(yōu)良，可以實(shí)現(xiàn)海上油氣田的干樹(shù)開(kāi)發(fā)。

新型干樹(shù)儲(chǔ)油半潛平臺(tái)在主船體立柱內(nèi)設(shè)置儲(chǔ)油艙，可存儲(chǔ)天然氣凝析油，隨后可采用動(dòng)力定位穿梭油輪外輸，解決了凝析油天然氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中天然氣凝析油的存儲(chǔ)外輸問(wèn)題，相較管道外輸凝析油方案成本低，可實(shí)現(xiàn)凝析油天然氣田的經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)發(fā)。

新型干樹(shù)儲(chǔ)油半潛平臺(tái)主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

1) 平臺(tái)具有天然氣處理、天然氣外輸、凝析油存儲(chǔ)與卸載等多種功能，可有效開(kāi)發(fā)深水海上天然氣田；

2) 平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)性能優(yōu)良，適用于干式、濕式或干濕組合式等多種油田開(kāi)發(fā)方式；

3) 平臺(tái)主船體和箱型垂蕩板之間采用成熟的張力腿構(gòu)件連接，技術(shù)成熟可靠；

4) 平臺(tái)主船體和箱型垂蕩板一體化建造，可實(shí)現(xiàn)整體拖航，安裝簡(jiǎn)單，海上施工風(fēng)險(xiǎn)可控；

5) 平臺(tái)箱型垂蕩板采用采用耐水壓設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)節(jié)箱型垂蕩板中的充水量可實(shí)現(xiàn)箱型垂蕩板的自安裝和在役狀態(tài)張力腿構(gòu)件的更換。

2 新型干樹(shù)儲(chǔ)油半潛平臺(tái)總體方案

針對(duì)南海西部目標(biāo)凝析油天然氣田，新型干樹(shù)儲(chǔ)油半潛平臺(tái)為天然氣開(kāi)發(fā)生產(chǎn)平臺(tái)，平臺(tái)具有鉆修井功能。平臺(tái)自持能力10 d，生產(chǎn)井?dāng)?shù)11口，天然氣產(chǎn)量1 081×104m3/d，凝析油產(chǎn)量1 850 m3/d，水量1 500 m3/d。平臺(tái)設(shè)計(jì)生存環(huán)境條件為目標(biāo)天然氣田百年一遇環(huán)境條件，百年一遇風(fēng)速56.9 m/s(1分鐘)，百年一遇浪高13.3 m(Hs)，百年一遇流速2.39 m/s，設(shè)計(jì)水深1 500 m。平臺(tái)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足API(美國(guó)石油協(xié)會(huì))/ABS(美國(guó)船級(jí)社)相關(guān)規(guī)范要求[12-14]。平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)主要海洋工程建造場(chǎng)地建造，并可以采用國(guó)內(nèi)海洋工程安裝裝備安裝。

2.1 上部組塊設(shè)計(jì)

首先開(kāi)展工藝流程設(shè)計(jì)確定工藝流程及選定鉆井裝備要求，進(jìn)行設(shè)備選型；隨后按照生產(chǎn)流程和同類(lèi)設(shè)備適當(dāng)集中的原則進(jìn)行布置，需滿(mǎn)足安全、防火、消防人員逃生以及救生需要，同時(shí)設(shè)備布置要考慮質(zhì)量在組塊甲板上均勻分布，質(zhì)量較大設(shè)備布置在船體或下甲板，降低重心高度。由于目標(biāo)區(qū)域?yàn)闅馓?，天然氣處理設(shè)備較多，通風(fēng)要求高，平臺(tái)上部組塊甲板形式采用桁架式甲板，分為兩層甲板，為主甲板和生產(chǎn)甲板。主甲板主要布置鉆修井設(shè)備和生活樓，生產(chǎn)甲板布置生產(chǎn)工藝設(shè)備。新型干樹(shù)儲(chǔ)油半潛平臺(tái)安裝12根TTR，1根SCR(鋼制懸鏈線立管)，立管垂向載荷5 200 t。考慮上部組塊工藝設(shè)備布置及TTR張緊器和干式采油樹(shù)布置，生產(chǎn)甲板至主甲板層高11 m。上部組塊結(jié)構(gòu)、鉆井設(shè)備、工藝設(shè)備、生活樓等操作重為18 300 t。

2.2 平臺(tái)主尺度

新型干樹(shù)儲(chǔ)油半潛平臺(tái)主尺度設(shè)計(jì)以上部組塊載荷、儲(chǔ)油量為輸入條件，需要考慮建造要求、安裝要求、在位要求等限制條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。最主要的是考慮建造場(chǎng)地出塢吃水和航道吃水限制，拖航、安裝工況對(duì)垂蕩板的浮力及耐水壓設(shè)計(jì)要求，在位工況對(duì)垂蕩板的強(qiáng)度要求等綜合確定新型干樹(shù)儲(chǔ)油半潛平臺(tái)的主尺度。主要尺度參數(shù)見(jiàn)表1所示。

2.3 儲(chǔ)油艙設(shè)計(jì)

平臺(tái)每立柱內(nèi)沿立柱高度方向設(shè)置數(shù)個(gè)儲(chǔ)油艙，每個(gè)立柱艙室容積5 500 m3。儲(chǔ)油艙室上下布置隔離空艙；與通道和海水之間設(shè)置隔離艙，隔離艙室寬度1.8 m，大于1.5 m的碰撞貫入深度，如圖3所示；同時(shí)儲(chǔ)油艙設(shè)置在水線面以下3 m，避免常規(guī)碰撞事故帶來(lái)的艙室損壞泄漏。隔離艙、空艙、儲(chǔ)油艙采用惰化系統(tǒng)惰化，防止發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。

表1 平臺(tái)主要尺度參數(shù)Tab. 1 Global size of the platform

圖3 儲(chǔ)油艙示意Fig. 3 Oil storage tank diagram

2.4 系泊系統(tǒng)

平臺(tái)系泊系統(tǒng)由4組、每組4根共16根相同的組合系泊纜組成。相鄰組系泊纜的夾角為90°，而同組相鄰系泊纜之間的夾角為5°。在設(shè)計(jì)水深1 500 m條件下，導(dǎo)纜孔與錨泊點(diǎn)的水平距離為1 900 m，表2為平臺(tái)組合系泊錨鏈主要參數(shù)。

表2 系泊纜主要物理參數(shù)Tab. 2 Main parameters of mooring line

2.5 建造方案

平臺(tái)在建造場(chǎng)地分段建造，首先建造箱型垂蕩板，隨后在箱型垂蕩板上設(shè)置墊木支撐，在箱型垂蕩板上組裝平臺(tái)主船體，并在箱型垂蕩板上安裝水平限位裝置，限制主船體和箱型垂蕩板之間的水平位移。上部組塊分別建造，建造完成后采用提升裝置或大噸位龍門(mén)吊提升上部組塊與船體合攏，鑒于國(guó)內(nèi)船廠船塢吃水限制和船廠航道吃水限制，平臺(tái)出塢吃水限制在9.5米，同時(shí)可考慮部分設(shè)備在塢外或臨時(shí)系泊處吊裝。平臺(tái)建造完成，安裝前狀態(tài)如圖2所示。

2.6 安裝方案

平臺(tái)建造完成后處于主船體和箱型垂蕩板處于疊放狀態(tài)，可采用干拖或濕拖方式整體拖航至安裝場(chǎng)地；濕拖狀態(tài)下箱型垂蕩板作為平臺(tái)整體的一部分提供浮力，可在設(shè)計(jì)拖航吃水條件下拖航。到達(dá)安裝場(chǎng)地后，主船體壓載艙部分壓載，半潛平臺(tái)整體下沉；平臺(tái)四組系泊纜每組安裝三根系泊纜，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行初步定位；平臺(tái)每角一條錨鏈連接箱型垂蕩板，箱型垂蕩板充水，使重力大于浮力，隨后錨鏈絞車(chē)下放箱型垂蕩板至預(yù)定位置，此時(shí)張力腿連接構(gòu)件同時(shí)下放，下放至預(yù)定位置后張力腿連接結(jié)構(gòu)上連接接頭與主船體鎖死；放松錨鏈，箱型垂蕩板完全充水，張力腿連接結(jié)構(gòu)承受箱型垂蕩板重量；船體壓載，平臺(tái)下沉至設(shè)計(jì)吃水；解脫連接在箱型垂蕩板上的錨鏈，與原先預(yù)鋪設(shè)的錨鏈連接，完成平臺(tái)每角最后一根系泊纜的安裝。隨后連接TTR和SCR立管，進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)試。

3 平臺(tái)關(guān)鍵性能分析

3.1 在位工況水動(dòng)力性能

3.1.1 平臺(tái)設(shè)計(jì)分析工況

根據(jù)新型平臺(tái)特點(diǎn)結(jié)合工業(yè)界實(shí)踐確定新型平臺(tái)設(shè)計(jì)分析工況。

1)完整工況

對(duì)于完整工況，需要分析作業(yè)工況，生存工況，對(duì)應(yīng)的環(huán)境條件是1年一遇，100年一遇。

2)破損工況

破損工況是指平臺(tái)有發(fā)生破壞，并對(duì)其總體性能有明顯影響的工況，主要包括：系泊纜斷裂工況，船艙浸水工況，一根張力腿連接結(jié)構(gòu)損壞或移除的工況。

3.1.2 主要水動(dòng)力性能

平臺(tái)水動(dòng)力頻域分析采用三維勢(shì)流理論，使用WAMIT軟件。由于平臺(tái)的對(duì)稱(chēng)性，計(jì)算浪向取0°至90°區(qū)間，步長(zhǎng)15°，共7個(gè)浪向。頻率計(jì)算的波浪周期取3～50 s，共28個(gè)周期。對(duì)平臺(tái)水下濕表面部分，共劃分2 558塊單元，單元尺度為2 m，如圖4所示。由于平臺(tái)是多體(multi-body),通常的衰減運(yùn)動(dòng)和固有周期很難計(jì)算得到，所以在計(jì)算固有周期時(shí)，在模型中設(shè)置兩個(gè)結(jié)構(gòu)(船體和箱型垂蕩板)是剛性連接(伸縮立柱柔性接頭剛度無(wú)限大)。平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)周期26.3 s，橫縱搖運(yùn)動(dòng)周期為38 s。圖5為干樹(shù)半潛平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)RAO，平臺(tái)在波浪主要能量周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)性能優(yōu)良，基本與Spar相當(dāng)。

圖4 三維濕表面模型Fig. 4 Three-D wet surface model

圖5 平臺(tái)垂蕩RAOFig. 5 Platform heave RAO

平臺(tái)總體性能時(shí)域分析采用全耦合分析方法進(jìn)行，使用OrcaFlex軟件。時(shí)域分析模擬時(shí)間為10 800 s，步長(zhǎng)為0.2 s，過(guò)渡時(shí)間為200 s。對(duì)于關(guān)鍵工況，采用了三個(gè)隨機(jī)種子，結(jié)果是三個(gè)種子計(jì)算結(jié)果的平均值。平臺(tái)運(yùn)動(dòng)結(jié)果主要包括平臺(tái)垂蕩、偏移、轉(zhuǎn)角，因?yàn)橄挡蠢|采用聚酯纜，分析了系泊系統(tǒng)高剛度(SS)和低剛度(PI)兩種情況。表3是主要分析工況下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)極值，表中SS為系泊系統(tǒng)高剛度情況，PI為系泊系統(tǒng)低剛度情況。圖6和7分別是平臺(tái)全耦合時(shí)域分析模型和百年一遇環(huán)境條件下平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)間歷程。

圖6 全耦合時(shí)域分析模型Fig. 6 Fully coupled time domain analysis model

圖7 百年一遇環(huán)境垂蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)間歷程Fig. 7 Heave time history for 100-year return period environment

平臺(tái)最大垂蕩運(yùn)動(dòng)是2.96 m (100 a) 和0.83 m (1 a)；平臺(tái)最大位移是83.9 m (100 a) 和32.8 m (1 a)；平臺(tái)最大橫/縱搖是7.87° (100 a) 和3.06° m (1 a)。平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能可實(shí)現(xiàn)干樹(shù)采油，同時(shí)分析結(jié)果展示系泊系統(tǒng)和張力腿結(jié)構(gòu)、箱型垂蕩板之間不會(huì)發(fā)生干涉碰撞。

表3 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值Tab. 3 Statistical values of platform motion response

3.2 張力腿連接構(gòu)件性能

主船體與箱型垂蕩板之間的張力腿連接構(gòu)件共8根，直徑0.86 m，壁厚38.1 mm，材質(zhì)為API5Lx70，上下連接柔性接頭可轉(zhuǎn)動(dòng)，線性化后接頭轉(zhuǎn)動(dòng)剛度為100 kN·m/deg。使用OrcaFlex軟件，通過(guò)時(shí)域耦合分析，獲得張力腿連接結(jié)構(gòu)最大、最小張力，上下柔性接頭轉(zhuǎn)角等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，表4為張力腿連接結(jié)構(gòu)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值。張力腿連接構(gòu)件最大轉(zhuǎn)角為11.9°(100 a) 和5.88°(1 a)；張力腿連接構(gòu)件最小張力+575 kN (100 a) 和+4 801 kN (1 a)，滿(mǎn)足為正的要求；張力腿連接構(gòu)件最大張力15 003 kN (100 a) 和11 404 kN (1 a)，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。圖8是百年一遇環(huán)境條件下張力腿連接構(gòu)件接頭轉(zhuǎn)角的時(shí)間歷程，圖9是百年一遇環(huán)境條件下張力腿連接構(gòu)件張力時(shí)間歷程。

表4 張力腿連接結(jié)構(gòu)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值Tab. 4 Statistical values of tendon response

圖8 張力腿連接構(gòu)件接頭轉(zhuǎn)角Fig. 8 Rotation angle of tendon flexible connector

圖9 張力腿連接構(gòu)件張力Fig. 9 Tension of tendon

3.3 TTR生產(chǎn)立管性能分析

一般張力腿平臺(tái)和Spar平臺(tái)利用干樹(shù)開(kāi)發(fā)時(shí)利用TTR回接水下井口，進(jìn)行開(kāi)發(fā)生產(chǎn)，新型干樹(shù)儲(chǔ)油半潛平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能滿(mǎn)足干樹(shù)開(kāi)發(fā)要求，由于其箱型垂蕩板和主船體結(jié)構(gòu)由張力腿連接構(gòu)件相連，可產(chǎn)生輕微相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致對(duì)TTR設(shè)計(jì)提出新的要求。新型平臺(tái)生產(chǎn)立管TTR直徑為0.273 m，上部通過(guò)張緊器掛在生產(chǎn)甲板，下部通過(guò)連接器連到井口結(jié)構(gòu)。為了避免立管之間的干涉以及立管與箱型垂蕩板之間的碰撞，在箱型垂蕩板處，設(shè)計(jì)有桁架結(jié)構(gòu)橫向約束立管。由于有橫向約束，此處會(huì)承受比較大的彎矩，為了避免應(yīng)力過(guò)大，箱型垂蕩板橫向支撐處TTR立管設(shè)計(jì)有壁厚增加的變截面楔型結(jié)構(gòu)，如圖10所示。生產(chǎn)立管TTR預(yù)張力為357 t，張緊器的剛度為100 kN/m，通過(guò)耦合時(shí)域分析，生產(chǎn)立管最大許用應(yīng)力為533.5 MPa，分析計(jì)算最大應(yīng)力為468 MPa，滿(mǎn)足要求。圖11為百年一遇環(huán)境條件下最大Von Mises應(yīng)力沿立管長(zhǎng)度的分布。

圖10 立管變截面楔型結(jié)構(gòu)Fig. 10 Double tapered stress joint of TTR

圖11 最大Von Mises應(yīng)力沿立管長(zhǎng)度分布Fig. 11 Max Von Mises stress along TTR

3.4 張力腿連接構(gòu)件柔性接頭轉(zhuǎn)角敏感性分析

新型干樹(shù)半潛平臺(tái)與其他類(lèi)型平臺(tái)最大的區(qū)別是采用張力腿連接結(jié)構(gòu)連接主船體和箱型垂蕩板，箱型垂蕩板和主船體之間可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)，張力腿上下柔性連接接頭有一定轉(zhuǎn)角限制，一般為12°。同時(shí)主船體和箱型垂蕩板之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)也是TTR設(shè)計(jì)的關(guān)鍵輸入指標(biāo)，因此需要大量分析，設(shè)計(jì)中盡量減小主船體和箱型垂蕩板之間的相對(duì)水平運(yùn)動(dòng)，即使柔性接頭轉(zhuǎn)角盡量小。目前工業(yè)界張力腿柔性接頭剛度一般非線性剛度，近似線性，線性化后剛度一般為100 kN·m/deg，同時(shí)具有生產(chǎn)至500 kN·m/deg剛度柔性接頭的能力，研究中分析了常規(guī)柔性接頭線性化剛度、非線性剛度及線性化剛度分別為156 kN·m/deg、300 kN·m/deg、500 kN·m/deg的柔性接頭轉(zhuǎn)角對(duì)旋轉(zhuǎn)剛度的敏感性，如圖12所示。張力腿連接構(gòu)件接頭剛度越大，轉(zhuǎn)角越小，同時(shí)采用線性化剛度計(jì)算，最大轉(zhuǎn)角結(jié)果相對(duì)保守。比較了張力腿連接結(jié)構(gòu)最大轉(zhuǎn)角對(duì)張力腿連接立柱長(zhǎng)度的敏感性，如圖13所示。張力腿連接結(jié)構(gòu)越長(zhǎng)，轉(zhuǎn)角越小，但張力腿連接結(jié)構(gòu)過(guò)長(zhǎng)會(huì)造成運(yùn)輸安裝的不便。因此，根據(jù)盡量采用成熟現(xiàn)有構(gòu)件和簡(jiǎn)便運(yùn)輸安裝的原則，本平臺(tái)張力腿連接結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為60 m，柔性接頭剛度選取100 kN·m/deg。

圖12 轉(zhuǎn)角對(duì)旋轉(zhuǎn)剛度的敏感性(SS，百年一遇，45°)Fig. 12 Sensitivity of rotation angle to rotating stiffness

圖13 轉(zhuǎn)角對(duì)張力腿連接結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度的敏感性(SS，百年一遇，0°)Fig. 13 Sensitivity of rotation angle to tendon length

3.5 系泊系統(tǒng)

采用錨鏈—聚酯纜—錨鏈組成形式的系泊纜，在性能分析時(shí)，由于聚酯纜的非線性拉伸行為，單個(gè)線性剛度模型不能充分地預(yù)報(bào)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)和系泊線動(dòng)載荷。根據(jù)工業(yè)界常用方法，在分析中，時(shí)域計(jì)算進(jìn)行兩次，一次采用高剛度(SS)，一次采用低剛度(PI)。

分析計(jì)算中使用的剛度是基于廠家的推薦值：

1) 低剛度 (PI):EA=13×MBL=319 MN

2) 高剛度 (SS):EA=28×MBL=687 MN

通過(guò)時(shí)域耦合分析，獲得系統(tǒng)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值，如表5。系泊系統(tǒng)最大系泊張力為12 694 kN，安全系數(shù)都滿(mǎn)足工業(yè)界要求；最小的聚酯纜離海底的高度為12.2 m，不接觸海底。圖14為生存狀態(tài)系泊纜張力時(shí)間歷程，圖15為生存狀態(tài)聚酯纜底端離水面(水深1 500 m)高度時(shí)間歷程。完整工況系泊系統(tǒng)錨鏈安全系數(shù)為2.03，完整工況系泊系統(tǒng)聚酯纜安全系數(shù)為2.06，均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

表5 系泊系統(tǒng)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值Tab. 5 Statistical values of mooring line

圖14 生存狀態(tài)系泊纜張力Fig. 14 Tension of mooring line

圖15 生存狀態(tài)聚酯纜底端離水面高度Fig. 15 Bottom height from water surface of polyester line

3.6 與傳統(tǒng)深水浮式平臺(tái)對(duì)比

新型干樹(shù)儲(chǔ)油半潛平臺(tái)與傳統(tǒng)平臺(tái)對(duì)比如表6，新型干樹(shù)儲(chǔ)油半潛平臺(tái)采用現(xiàn)有成熟技術(shù)集成，建造安裝簡(jiǎn)便，運(yùn)動(dòng)性能優(yōu)良，沒(méi)有水深限制，較TLP和Spar平臺(tái)有明顯優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)建造場(chǎng)地和安裝資源即可實(shí)現(xiàn)該平臺(tái)的自主建造和安裝。

表6 新型干樹(shù)儲(chǔ)油半潛平臺(tái)與傳統(tǒng)平臺(tái)對(duì)比Tab. 6 Comparison between the new type dry tree oil storage semi-submersible platform and the conventional platform

4 結(jié) 語(yǔ)

考慮特定油氣田的油氣藏特性需求、建造、安裝可行性和經(jīng)濟(jì)成本等要素，開(kāi)發(fā)了一型適應(yīng)我國(guó)南海海域環(huán)境條件的深水多功能干樹(shù)半潛平臺(tái)，作業(yè)水深1 500 m。平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能優(yōu)良，可實(shí)現(xiàn)干式開(kāi)采和回接水下井口、油氣生產(chǎn)處理、凝析油存儲(chǔ)、鉆修井等功能，為中國(guó)南海凝析油天然氣田開(kāi)發(fā)提供了一種新的開(kāi)發(fā)理念。

新型平臺(tái)主船體和箱型垂蕩板采用成熟的張力腿構(gòu)件連接，箱型垂蕩板采用承壓設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的整體拖航，簡(jiǎn)便下放安裝，安裝費(fèi)用低。由于箱型垂蕩板采用承水壓設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)張力腿結(jié)構(gòu)的在位維修或更換，安全性能優(yōu)良。新型平臺(tái)在開(kāi)發(fā)中考慮TTR立管、箱型垂蕩板、平臺(tái)主船體運(yùn)動(dòng)耦合等全系統(tǒng)因素，通過(guò)分析新型平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)在中國(guó)南海的凝析油天然氣田的高效開(kāi)發(fā)。