李 剛 李 達(dá) 王朝陽(yáng) 易 叢 賈魯生

（中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028）

0 引 言

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置（FPSO）作為海洋油氣田開(kāi)發(fā)的重要裝備，尤其是對(duì)于離岸較遠(yuǎn)、周邊缺少管網(wǎng)依托的油田，往往成為海上油田開(kāi)發(fā)的一種經(jīng)濟(jì)有效模式。我國(guó)從上世紀(jì)80 年代開(kāi)始在南海北部灣首次采用由舊油輪改造而成的FPSO，1989年首艘自主設(shè)計(jì)建造的FPSO“渤海友誼號(hào)”在渤海油田投入使用。經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展，我國(guó)FPSO 整體技術(shù)已達(dá)到世界領(lǐng)先水平，并已成為全球FPSO 制造與使用大國(guó)。我國(guó)在南海和渤海的油田開(kāi)發(fā)中已投入使用了20 艘FPSO，F(xiàn)PSO 載重量包括5 萬(wàn)噸級(jí)、10 萬(wàn)噸級(jí)、15 萬(wàn)噸級(jí)以及30萬(wàn)噸級(jí)。我國(guó)所擁有的FPSO 數(shù)量和總噸位均位居世界前列，F(xiàn)PSO 對(duì)支撐我國(guó)海上油田產(chǎn)能建設(shè)、保障我國(guó)的能源供應(yīng)作出了重要的貢獻(xiàn)。

目前，我國(guó)海上油田開(kāi)發(fā)所使用的FPSO 均為船型FPSO，船型FPSO 通常需要采用單點(diǎn)系泊系統(tǒng)使其長(zhǎng)期系泊定位在油田附近海域。單點(diǎn)系泊系統(tǒng)可使FPSO 具有“風(fēng)向標(biāo)”效應(yīng)，允許FPSO 在風(fēng)浪流作用下繞單點(diǎn)系泊系統(tǒng)自由旋轉(zhuǎn)，使FPSO始終承受最小的環(huán)境載荷。此外，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)還發(fā)揮傳輸井流、電力和通訊等作用。單點(diǎn)系泊系統(tǒng)是船型FPSO 的核心組成部分，其技術(shù)長(zhǎng)期被歐美國(guó)家的單點(diǎn)公司所壟斷，整體投資高昂、供貨周期較長(zhǎng)，導(dǎo)致船型FPSO 的整體工程投資很高。同時(shí)，船型FPSO 對(duì)環(huán)境條件較為敏感，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)（尤其是垂蕩運(yùn)動(dòng)性能）相對(duì)其他浮式裝置差，應(yīng)用于深水油氣田開(kāi)發(fā)會(huì)給回接至FPSO 上的立管設(shè)計(jì)和應(yīng)用帶來(lái)較大的挑戰(zhàn)。

近年來(lái)，圓筒型FPSO 作為一種新型海洋工程裝置，逐漸被應(yīng)用于全球海洋油氣資源的開(kāi)發(fā)。2007 年，全球首座圓筒型FPSO“Sevan Piranema”在巴西投產(chǎn)使用。目前，全球已有5 座圓筒型FPSO 分別在巴西、英國(guó)北海和挪威北海投入使用，作業(yè)水深從100 m 到1 000 m 左右。與傳統(tǒng)船型FPSO 類(lèi)似，圓筒型FPSO 同樣具有油氣水生產(chǎn)處理、儲(chǔ)油、外輸及生活居住等多種功能，但其圓柱型船體為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)型式，采用多點(diǎn)系泊系統(tǒng)進(jìn)行定位，很少采用造價(jià)較為高昂的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)。圓筒型FPSO 在船體底部采用比船體直徑更大的阻尼板，以增加附加質(zhì)量和阻尼，改善其運(yùn)動(dòng)性能。

在圓筒型FPSO 運(yùn)動(dòng)性能預(yù)報(bào)方面，黃佳等通過(guò)水池模型試驗(yàn)對(duì)圓筒型FWPSO 的縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行了研究，并將圓筒型FPSO 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析；童波等采用CFD 方法對(duì)不同阻尼結(jié)構(gòu)的圓筒型FPSO 垂蕩運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行了研究，驗(yàn)證新型阻尼結(jié)構(gòu)的阻尼性能優(yōu)于傳統(tǒng)垂蕩板；劉波基于三維勢(shì)流理論對(duì)幾種典型浮式結(jié)構(gòu)物在南海環(huán)境條件下的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行了對(duì)比研究，證實(shí)了圓筒型FWPSO 在中國(guó)南海的適用性；AARSNES J V 等和VIDEC-PERUNOVIC J 等通過(guò)研究驗(yàn)證了圓筒型FPSO 的運(yùn)動(dòng)性能可適應(yīng)鋼懸鏈立管（SCR）在深水油田的應(yīng)用。

本文以中國(guó)南海某深水油氣田開(kāi)發(fā)為研究對(duì)象，采用深吃水的圓筒型FPSO 改善其運(yùn)動(dòng)性能，以在該油氣田的開(kāi)發(fā)中適應(yīng)鋼懸鏈立管的設(shè)計(jì)和應(yīng)用需求，降低立管的工程投資。此研究將基于三維勢(shì)流理論和莫里森（Morison）方程，采用Sesam系列軟件建立圓筒型FPSO 水動(dòng)力計(jì)算模型，并進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，研究分析圓筒型FPSO 的船體直徑、阻尼板直徑、吃水等變化對(duì)其運(yùn)動(dòng)性能的影響，為深水油氣田開(kāi)發(fā)前期研究設(shè)計(jì)中浮式裝置總體設(shè)計(jì)和立管的選型提供參考和指導(dǎo)。

1 計(jì)算分析原理和方法

本文所研究的圓筒型FPSO 船體及阻尼板相當(dāng)于大尺度結(jié)構(gòu)物，采用三維勢(shì)流理論計(jì)算其所受的繞射力和慣性力等作用。阻尼板的黏性阻尼貢獻(xiàn)需采用莫里森模型求解。通過(guò)建立基于三維勢(shì)流理論的面元模型與莫里森模型組合成的混合模型可以較好地解決此類(lèi)結(jié)構(gòu)物的水動(dòng)力分析問(wèn)題。本文研究首先分別建立圓筒型FPSO 的面元模型和阻尼板的莫里森模型，然后組合成水動(dòng)力分析混合模型，再進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，最后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果的后處理。計(jì)算分析流程如圖1 所示。

圖1 圓筒型FPSO 水動(dòng)力計(jì)算流程

2 計(jì)算模型與環(huán)境數(shù)據(jù)

2.1 有限元模型

采用面單元模型計(jì)算基于三維勢(shì)流理論的動(dòng)壓力、附加質(zhì)量和阻尼。在Sesam-GeniE 中建立圓筒型FPSO 的幾何模型和濕表面有限元模型如圖2 所示。圓筒型FPSO 有限元模型全部采用四邊形網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸約2 m，整個(gè)模型網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量約 8 161 個(gè)，單元數(shù)量約8 100 個(gè)。船體外表面設(shè)置由流體指向船體表面的靜水壓力面，即濕表面。

圖2 圓筒型FPSO 船體面元模型

本文采用莫里森模型計(jì)算阻尼板的拖曳力，在Sesam-Genie 軟件中采用桿單元建立二維莫里森模型，建模時(shí)為了防止莫里森模型的浮力及F-K力（傅汝德-克雷洛夫力）對(duì)水動(dòng)力分析結(jié)果的影響，莫里森模型的直徑必須很?。≧e~10）。本文中莫里森模型的直徑為0.01 m，整個(gè)莫里森模型的單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)均為158 個(gè)，如圖3 所示。

圖3 阻尼板莫里森有限元模型

2.2 水動(dòng)力分析模型

水動(dòng)力計(jì)算時(shí)，將圓筒型FPSO 船體面元有限元模型和阻尼板莫里森有限元模型導(dǎo)入Sesam 的HydroD 軟件中，設(shè)置環(huán)境參數(shù)、莫里森模型的附加質(zhì)量系數(shù)和阻尼系數(shù)以及質(zhì)量模型等。水動(dòng)力計(jì)算分析模型如圖4 所示。

圖4 圓筒型FPSO 水動(dòng)力分析模型

2.3 環(huán)境條件數(shù)據(jù)

水動(dòng)力計(jì)算時(shí)，浪向角取0~180°、間隔15°，共13 個(gè)浪向。波浪周期取2~40 s，其中：2~10 s 間隔1 s、10~24 s 間隔0.5 s、24~40 s 間隔2 s，共45個(gè)波浪周期。水深為1 450 m。采用JONSWAP 譜定義不規(guī)則波，其譜密度函數(shù)表達(dá)式為：

考慮到黏性阻尼的非線(xiàn)性作用將導(dǎo)致不同海況下的RAO 不同，而且這種影響對(duì)圓筒型FPSO 的垂蕩運(yùn)動(dòng)尤為明顯，因此本文中將分別對(duì)圓筒型FPSO在一年一遇、十年一遇、百年一遇以及千年一遇環(huán)境條件數(shù)據(jù)下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分析。南海某深水油氣田海域的波浪主極值數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 波浪主極值數(shù)據(jù)

3 圓筒型FPSO 與船型FPSO 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)對(duì)比分析

為本文選取南海載重量相近的船型FPSO 和圓筒型FPSO 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的對(duì)比分析，船型FPSO與圓筒型FPSO 主尺度如表2 所示。

表2 船型FPSO 和圓筒型FPSO 主尺度參數(shù)

通過(guò)計(jì)算分析得圓筒型FPSO 與船型FPSO 縱搖、橫搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)RAO 對(duì)比曲線(xiàn)分別如圖5 和圖6 所示，運(yùn)動(dòng)幅值與固有周期對(duì)比見(jiàn)下頁(yè)表3。

表3 船型FPSO 和圓筒型FPSO 運(yùn)動(dòng)RAO幅值與固有周期對(duì)比

圖5 圓筒型FPSO 與船型FPSO 橫/縱搖運(yùn)動(dòng)RAO 對(duì)比曲線(xiàn)

圖6 圓筒型FPSO 與船型FPSO 垂蕩運(yùn)動(dòng)RAO 對(duì)比曲線(xiàn)

從圖5~6 及表3 中可以看出，圓筒型FPSO 橫搖/縱搖運(yùn)動(dòng)RAO 幅值要比傳統(tǒng)船型FPSO 的RAO幅值小很多，運(yùn)動(dòng)固有周期更大，更有利于提高FPSO 船體使用壽命。圓筒型FPSO 垂蕩運(yùn)動(dòng)RAO幅值同樣比船型FPSO 垂蕩運(yùn)動(dòng)RAO 幅值小，而且圓筒型FPSO 垂蕩固有周期要比船型FPSO 大，更有利于深水立管的設(shè)計(jì)。

4 圓筒型FPSO 垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)敏感性分析

考慮到圓筒型FPSO 的垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)對(duì)其能否在深水油氣田中應(yīng)用SCR 至關(guān)重要，本文將主要對(duì)船體直徑、吃水、阻尼板直徑等對(duì)圓筒型FPSO垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響進(jìn)行分析。

4.1 船體直徑影響分析

選取船體直徑不同的4 種尺度圓筒型FPSO分別進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，以研究船體直徑對(duì)圓筒型FPSO 垂蕩運(yùn)動(dòng)性能的影響，圓筒型FPSO 的主尺度如表4 所示。

表4 不同圓筒型FPSO 主尺度參數(shù)m

不同船體直徑圓筒型FPSO 垂蕩運(yùn)動(dòng)RAO 曲線(xiàn)如圖7 所示。對(duì)比圖中曲線(xiàn)可知，隨著船體直徑的不斷增大，船體垂蕩固有周期逐漸增加，可更好地與波浪周期錯(cuò)開(kāi)，且垂蕩運(yùn)動(dòng)性能逐漸得到改善。

圖7 不同船體直徑圓筒型FPSO 垂蕩運(yùn)動(dòng)RAO 曲線(xiàn)

4.2 阻尼板直徑影響分析

基于76 m 船體直徑的圓筒型FPSO，分別對(duì)阻尼板直徑為110 m、112 m和114 m的圓筒型FPSO進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，得到不同阻尼板直徑下的圓筒型FPSO 垂蕩運(yùn)動(dòng)RAO 曲線(xiàn)如圖8 所示，垂蕩運(yùn)動(dòng)周期如表5 所示。

圖8 不同阻尼板直徑圓筒型FPSO 垂蕩運(yùn)動(dòng)RAO 曲線(xiàn)

表5 不同阻尼板直徑圓筒型FPSO 垂蕩運(yùn)動(dòng)固有周期

從圖8 和表5 可以看出：隨著圓筒型FPSO 阻尼板直徑的增加，船體垂蕩運(yùn)動(dòng)RAO 最大幅值變化不大，但垂蕩運(yùn)動(dòng)固有周期隨著阻尼板直徑的增加逐漸增大，可更好地避開(kāi)波浪周期，更有利于SCR 的強(qiáng)度設(shè)計(jì)。然而，隨著阻尼板直徑的增加，靠近波浪譜峰周期附近的運(yùn)動(dòng)幅值也有微幅增加，不利于SCR 的疲勞設(shè)計(jì)。

4.3 船體吃水影響

針對(duì)船體直徑為76 m、阻尼板直徑為114 m的圓筒型FPSO，分別對(duì)其船體吃水為25 m、30 m、35 m 時(shí)進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，得到不同吃水下的圓筒型FPSO 垂蕩運(yùn)動(dòng)RAO 曲線(xiàn)如圖9 所示。

圖9 不同吃水圓筒型FPSO 垂蕩運(yùn)動(dòng)RAO 曲線(xiàn)

從圖9 可以看出，隨著圓筒型FPSO 吃水從 25 m 增加至35 m，垂蕩運(yùn)動(dòng)固有周期增加幅度很小，但在波浪譜峰周期（T=16.3 s）附近的RAO幅值會(huì)降低，有利于改善SCR 的疲勞性能。

4.4 環(huán)境條件重現(xiàn)期影響

針對(duì)南海某深水油氣田項(xiàng)目圓筒型FPSO 的主尺度，對(duì)其在一年一遇、十年一遇、百年一遇和千年一遇環(huán)境條件下的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行分析，得到圓筒型FPSO 的縱蕩/橫蕩、縱搖/橫搖、垂蕩運(yùn)動(dòng)RAO 曲線(xiàn)分別如圖10~12 所示。

從圖10~12可以看出：不同重現(xiàn)期環(huán)境條件下，圓筒型FPSO 縱蕩/橫蕩和縱搖/橫搖運(yùn)動(dòng)的RAO幾乎相同，但由于黏性阻尼的非線(xiàn)性作用而導(dǎo)致垂蕩運(yùn)動(dòng)RAO 曲線(xiàn)差異較大，垂向運(yùn)動(dòng)幅值隨著重現(xiàn)期增加而減小。

圖10 圓筒型FPSO 縱蕩/橫蕩運(yùn)動(dòng)RAO 曲線(xiàn)

圖11 圓筒型FPSO 縱搖/橫搖運(yùn)動(dòng)RAO 曲線(xiàn)

圖12 圓筒型FPSO 垂蕩運(yùn)動(dòng)RAO 曲線(xiàn)

5 結(jié) 論

本文基于三維勢(shì)流理論及莫里森方程，采用Sesam 系列軟件對(duì)圓筒型FPSO 進(jìn)行水動(dòng)力分析，并針對(duì)南海某深水油氣田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，對(duì)圓筒型FPSO 在波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性進(jìn)行了系統(tǒng)分析，得出主要結(jié)論如下：

（1）相比于相近載重量的船型FPSO，深吃水圓筒型FPSO 的垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)小，固有周期遠(yuǎn)離波浪主要能量范圍，更有利于在深水油氣田開(kāi)發(fā)中應(yīng)用鋼懸鏈立管（SCR）。

（2）圓筒型FPSO 船體直徑增大，垂蕩運(yùn)動(dòng)固有周期隨之增加，可更好地與波浪譜峰周期錯(cuò)開(kāi)，使其垂蕩運(yùn)動(dòng)性能逐漸得到改善。

（3）圓筒型FPSO 阻尼板直徑增大，垂蕩運(yùn)動(dòng)固有周期將隨之增加，有利于SCR 的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，但對(duì)SCR 的疲勞設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生一定不利影響。

（4）增加圓筒型FPSO 的吃水，垂蕩運(yùn)動(dòng)固有周期增加幅度很小，但在波浪譜峰周期附近的垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值會(huì)降低，有利于改善SCR 的疲勞。

（5）黏性阻尼的非線(xiàn)性作用導(dǎo)致圓筒型FPSO垂向運(yùn)動(dòng)RAO 幅值隨著環(huán)境條件重現(xiàn)期增加而減小。