韓旭亮 謝文會(huì) 鄧小康 武 旭

(中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028)

伴隨著中國(guó)首個(gè)自營(yíng)深水氣田——陵水17-2氣田的正式投產(chǎn)，中國(guó)南海深水油氣開(kāi)發(fā)的大幕已拉開(kāi)，預(yù)計(jì)未來(lái)南海深水區(qū)將有更多大型氣田發(fā)現(xiàn)[1-3]。天然氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中伴隨有一定數(shù)量的凝析油，凝析油問(wèn)題成為深水氣田開(kāi)發(fā)一大技術(shù)瓶頸。目前，國(guó)際上典型的深水浮式平臺(tái)有TLP(張力腿平臺(tái))、SPAR(深吃水立柱式平臺(tái))、SEMI(半潛式平臺(tái))和FPSO(浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置)。其中SPAR和TLP可用于干樹(shù)開(kāi)采，但SPAR的組塊安裝需動(dòng)用大型浮吊、無(wú)儲(chǔ)油功能，中國(guó)也無(wú)SPAR船體建造場(chǎng)地，且安裝成本高；TLP應(yīng)用水深受限，無(wú)儲(chǔ)油能力，承載能力有限；SEMI和FPSO/FLNG(浮式液化天然氣裝置)運(yùn)動(dòng)性能較差，且僅適用于濕式開(kāi)采。半潛式生產(chǎn)平臺(tái)建造安裝技術(shù)難度相對(duì)較小，費(fèi)用相對(duì)較低，但由于其垂蕩性能較差，不能用于干式開(kāi)采?？梢?jiàn)，現(xiàn)有的平臺(tái)應(yīng)用于南海油氣田開(kāi)發(fā)，都存在著各自的制約和弊端。

目前，開(kāi)發(fā)具有干樹(shù)開(kāi)采能力的半潛式平臺(tái)成為海洋工程界的研究熱點(diǎn)[4-7]。此類平臺(tái)要求垂蕩運(yùn)動(dòng)性能優(yōu)良，且具備生產(chǎn)可靠、運(yùn)維簡(jiǎn)單方便、采收率高等特點(diǎn)。為了經(jīng)濟(jì)有效地開(kāi)發(fā)南海深遠(yuǎn)海氣田，迫切需要開(kāi)發(fā)一型能適應(yīng)于中國(guó)南海特殊環(huán)境條件，能夠存儲(chǔ)、卸載天然氣開(kāi)采過(guò)程中的凝析油，運(yùn)動(dòng)性能優(yōu)良且能夠?qū)崿F(xiàn)干樹(shù)開(kāi)采，安全性能良好，符合國(guó)內(nèi)現(xiàn)有建造安裝能力并具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型浮式平臺(tái)。本文針對(duì)新設(shè)計(jì)研發(fā)的一種新型干樹(shù)半潛式平臺(tái)，介紹了該平臺(tái)的基本情況及尺寸參數(shù)，并基于三維勢(shì)流理論，采用時(shí)域耦合計(jì)算分析方法，采用數(shù)值模擬及模型試驗(yàn)的手段對(duì)該平臺(tái)總體性能進(jìn)行對(duì)比研究，為適用于中國(guó)南海凝析油天然氣田開(kāi)發(fā)的新型干樹(shù)半潛式平臺(tái)的研發(fā)提供參考。

1 平臺(tái)簡(jiǎn)介

1.1 平臺(tái)概況

所設(shè)計(jì)的新型干樹(shù)半潛式平臺(tái)以中國(guó)南海某大型氣田開(kāi)發(fā)為目標(biāo)，具有干式采油(氣)、油氣生產(chǎn)處理、鉆修井等功能。該平臺(tái)由上部半潛船體、中間伸縮立柱以及下部浮箱組成，通過(guò)中間伸縮立柱連接上部與下部結(jié)構(gòu)(圖1)。伸縮立柱采用類似TLP的筋鍵結(jié)構(gòu)，上端和下端采用柔性接頭與結(jié)構(gòu)物連接。下部浮箱為箱型結(jié)構(gòu)，有抑制垂蕩運(yùn)動(dòng)的作用。平臺(tái)在建造和拖航時(shí)，下部浮箱與上部船體貼合在一起，作為整體進(jìn)行拖航。到達(dá)作業(yè)油氣田后，通過(guò)調(diào)節(jié)壓載及伸縮立柱將下部浮箱完全下放。該新型平臺(tái)與現(xiàn)有典型深水浮式平臺(tái)均不相同，沒(méi)有現(xiàn)成的工程或規(guī)范可供參考，但可采用現(xiàn)有成熟技術(shù)對(duì)其進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)自主建造安裝[8]，運(yùn)動(dòng)性能優(yōu)良[9-10]，較TLP和SPAR有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖1 新型干樹(shù)半潛式平臺(tái)示意圖

該平臺(tái)采用分布式系泊系統(tǒng)進(jìn)行永久錨泊定位，設(shè)計(jì)了12個(gè)頂部張緊立管井槽，布置方式為3×4，槽中心間距6 m。平臺(tái)功能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 新型干樹(shù)半潛式平臺(tái)功能參數(shù)

平臺(tái)所處海域環(huán)境條件按南海百年一遇環(huán)境參數(shù)選取，假設(shè)風(fēng)、浪、流均為同向入射，浪向角分別取0°、22.5°和45.0°等3種工況，風(fēng)、浪、流具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 環(huán)境條件參數(shù)

1.2 平臺(tái)主尺度參數(shù)

平臺(tái)的上部設(shè)置主甲板和生產(chǎn)甲板，需要較大的甲板面積來(lái)布置鉆修井設(shè)備、油氣處理設(shè)備等，其操作質(zhì)量為18 148 t。平臺(tái)在位吃水36 m，下浮箱吃水140 m。平臺(tái)作業(yè)載況排水量為130 021 t，立柱高度為57 m，在最大波浪時(shí)負(fù)責(zé)提供足夠的氣隙，初始?xì)庀陡叨葹?1 m。立柱中心間距為65 m。平臺(tái)主尺度參數(shù)見(jiàn)表3。平臺(tái)主體質(zhì)量為72 150 t，主體中心高度30.78 m，橫搖、縱搖、首搖慣性半徑分別為40.6、40.6、42.0 m。平臺(tái)下浮箱為箱型結(jié)構(gòu)，當(dāng)安裝完成后，下浮箱內(nèi)灌滿海水，成為永久壓載，且下浮箱內(nèi)外液面壓力相同，不承受水壓力。下浮箱質(zhì)量為48 083 t，橫搖、縱搖慣性半徑分別為27.5、28.3 m。平臺(tái)主體與下浮箱之間共8根伸縮立柱，類似張力腿張力筋腱。伸縮立柱長(zhǎng)100 m，結(jié)構(gòu)質(zhì)量710 t，單根伸縮立柱上端預(yù)張力2 103 t(水中)，通過(guò)鉸接方式將平臺(tái)主體與下浮箱進(jìn)行連接。

表3 新型干樹(shù)半潛式平臺(tái)主尺度參數(shù)

1.3 系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

平臺(tái)系泊系統(tǒng)為散布式系泊系統(tǒng)，采用“鏈-纜-鏈”形式，由4組、每組4根，共16根相同的深水系泊纜組成。相鄰組系泊纜間的夾角為90°，每組相鄰系泊纜之間的夾角為5°(圖2)。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。系泊纜索組成及其屬性參數(shù)見(jiàn)表4。系泊系統(tǒng)的預(yù)張力為3 240 kN，約為聚酯纜最大破斷力的13.2%。在計(jì)算分析時(shí)，取聚酯纜高剛度為687 MN(28 MBL)，低剛度為319 MN(13 MBL)，鋼鏈腐蝕速度0.4 mm/a，設(shè)計(jì)壽命為30年。

圖2 系泊系統(tǒng)布置示意圖

表4 系泊纜屬性參數(shù)

1.4 伸縮立柱設(shè)計(jì)參數(shù)

平臺(tái)的伸縮立柱采用張力筋腱形式連接上主體和下浮箱，張力筋腱的結(jié)構(gòu)形式為空心鋼管，上下端為直徑較小的連接件，中間為直徑較大的主體。伸縮立柱的主要設(shè)計(jì)參數(shù)有：伸縮立柱的直徑和壁厚、上下連接方式及長(zhǎng)度。張力筋腱管的直徑和壁厚主要根據(jù)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而確定，但需要在目前工業(yè)界的制造極限范圍內(nèi)。伸縮立柱共8根，分成4組，每組2根布置在平臺(tái)立柱外側(cè)。伸縮立柱長(zhǎng)100 m、直徑1 066.8 mm、壁厚43.2 mm。上下連接采用柔性連接，旋轉(zhuǎn)剛度為非線性，等效為156 kN·m/(°)。伸縮立柱的懸掛點(diǎn)及位置布置見(jiàn)圖3及表5。

圖3 伸縮立柱懸掛點(diǎn)示意圖

表5 伸縮立柱懸掛點(diǎn)位置

2 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能研究

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

新型干樹(shù)半潛式平臺(tái)采用伸縮立柱將上部平臺(tái)主體和下浮箱通過(guò)柔性連接頭相連，兩者之間具有一定的相互運(yùn)動(dòng)情形，在建模計(jì)算時(shí)將上部平臺(tái)主體與下浮箱當(dāng)作多體系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析?；谌S勢(shì)流理論方法，采用AQWA軟件建立數(shù)值模型(圖4)，計(jì)算新型干樹(shù)半潛式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能。模型濕表面網(wǎng)格寬度設(shè)置為2 m，時(shí)域計(jì)算模擬時(shí)間為10 800 s，時(shí)間步長(zhǎng)為0.2 s。

圖4 新型干樹(shù)半潛式平臺(tái)數(shù)值計(jì)算模型

2.2 水池試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

為了測(cè)試分析新型干樹(shù)半潛式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、系泊系統(tǒng)張力、伸縮立柱張力和角度等，針對(duì)不同海況，開(kāi)展了平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能的水池模型試驗(yàn)研究(圖5)。該試驗(yàn)在上海交通大學(xué)海洋深水試驗(yàn)池完成。該試驗(yàn)池由水池主體和一個(gè)深井組成，可模擬風(fēng)、浪、流等各種海況。水池長(zhǎng)50 m、寬40 m、整體水深10 m。基于波浪水池試驗(yàn)規(guī)范和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備能力，試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂s尺比選為1∶60。模型試驗(yàn)結(jié)果可驗(yàn)證理論分析與數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，為實(shí)際工程項(xiàng)目提供重要的技術(shù)參考和依據(jù)。

圖5 新型干樹(shù)半潛式平臺(tái)水池試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2.3 運(yùn)動(dòng)性能分析

新型干樹(shù)半潛式平臺(tái)與常規(guī)SPAR平臺(tái)[11]垂蕩運(yùn)動(dòng)RAO對(duì)比，如圖6所示。

圖6 新型干樹(shù)半潛式平臺(tái)與常規(guī)SPAR平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)RAO對(duì)比

可以看出，新型干樹(shù)半潛式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能在波浪主要能量周期內(nèi)表現(xiàn)優(yōu)良，優(yōu)于常規(guī)SPAR平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)性能。

采用時(shí)域耦合計(jì)算分析方法，對(duì)南海百年一遇環(huán)境條件作用下新型干樹(shù)半潛式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、系泊系統(tǒng)張力、伸縮立柱張力和角度分別開(kāi)展了數(shù)值模擬結(jié)果和模型試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析。平臺(tái)縱蕩、垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表6～7，可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果和模型試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。由于風(fēng)、浪、流環(huán)境方向與平臺(tái)縱蕩方向一致，故平臺(tái)的縱蕩運(yùn)動(dòng)最大值出現(xiàn)在工況A中，且平臺(tái)縱蕩運(yùn)動(dòng)性能指標(biāo)滿足小于10%的水深要求。平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)最大值出現(xiàn)在工況B中，試驗(yàn)值達(dá)到了2.31 m，其他工況下垂蕩運(yùn)動(dòng)最大值均保持在2.30 m以內(nèi)，垂蕩運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)差保持在0.50 m以下，說(shuō)明平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)具有較好的穩(wěn)定性，滿足垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值不大于3.5 m的技術(shù)指標(biāo)要求，可以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)干樹(shù)采油。相比而言，平臺(tái)縱搖運(yùn)動(dòng)變化顯著。在工況A中，平臺(tái)縱搖運(yùn)動(dòng)最大值達(dá)到5.56°。系泊系統(tǒng)張力結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表8，可以看出，系泊系統(tǒng)張力數(shù)值模擬結(jié)果和模型試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好，且在環(huán)境工況C中，平臺(tái)系泊纜頂端張力最大，對(duì)應(yīng)的最小安全系數(shù)為2.08，滿足南海百年一遇極限海況的系泊系統(tǒng)要求[12]。

表6 平臺(tái)縱蕩、垂蕩運(yùn)動(dòng)結(jié)果對(duì)比

表7 平臺(tái)縱搖運(yùn)動(dòng)結(jié)果對(duì)比

表8 系泊系統(tǒng)張力結(jié)果對(duì)比

表9給出了百年一遇風(fēng)、浪、流環(huán)境條件下，浪向角分別為0°(工況A)、45°(工況B)時(shí)伸縮立柱的張力最大值、最小值的對(duì)比結(jié)果?？梢钥闯?，伸縮立柱張力數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果接近。工況A的第3根伸縮立柱張力最大，計(jì)算值為42 022 kN；第8根伸縮立柱張力最小，計(jì)算值為927 kN；工況C的第2根伸縮立柱張力最大，計(jì)算值為44 898 kN；第3根伸縮立柱張力最小，計(jì)算值為2 824 kN。伸縮立柱張力值既滿足工業(yè)界實(shí)際需要,也滿足API RP 2T規(guī)范要求[13]。

表9 伸縮立柱張力對(duì)比結(jié)果

表10給出了百年一遇風(fēng)、浪、流環(huán)境條件下，0°和45°方向的伸縮立柱頂部轉(zhuǎn)角極值的對(duì)比結(jié)果，可以看出，伸縮立柱頂部轉(zhuǎn)角極值結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果接近。環(huán)境工況A的第1根伸縮立柱轉(zhuǎn)角最大，為13.52°，其余工況轉(zhuǎn)角均在12°以下。

表10 伸縮立柱最大轉(zhuǎn)角對(duì)比結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種新設(shè)計(jì)研發(fā)的新型干樹(shù)半潛式平臺(tái)，該平臺(tái)采用伸縮立柱的柔性連接將上部主體和下部浮箱相連。它是完全自主設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)性能優(yōu)良，可實(shí)現(xiàn)干式開(kāi)采等功能，為深水油氣田開(kāi)發(fā)提供了非常具有競(jìng)爭(zhēng)力的模式，特別適合于中國(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)，具有良好應(yīng)用前景。為了進(jìn)一步推動(dòng)該平臺(tái)的工程實(shí)際應(yīng)用，還需要進(jìn)行持續(xù)性研發(fā)，需要在新型干樹(shù)半潛式平臺(tái)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、制造與材料、工程應(yīng)用技術(shù)體系等方面開(kāi)展大量的研究工作，從而促進(jìn)南海深水油氣田高效開(kāi)發(fā)。