深海新型浮式生產鉆井儲油系統運動分析

陳矗立，范 菊，尤云祥

（上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海200030）

1 新型FPDSO概述

近年來，由于中等和淺海的開發技術已經成熟以及當今世界大部分地區的淺海油氣資源已日趨減少，因而深海和超深海油氣開發已成為海洋開發的熱點和必然趨勢［1］。張力腿平臺（TLP）可用于1 000m左右的水深，但其結構復雜，造價高，對水深過于敏感，龐大的重力和浮力以及作用于平臺上的水動力載荷使其不適于更深海域［2］。而FPSO則是一種費用低廉的油田開采裝置，集生產、儲油、外輸多項功能于一身，儼然是海上大型石油加工廠，順應了海洋事業發展的要求，尤其適用于那些缺少大規模管道網絡的地區。

美國Novellent LLC公司結合傳統FPSO和TLP的優點，建設性地提出將帶有鉆井功能的隱藏式立管浮箱SRV（sheltered riser vessel）技術應用于FPSO，以適應西非2 500m深海域的特殊環境，并稱這種新型海洋結構物為浮式生產鉆井儲油系統（FPDSO），見圖1。

圖1 浮式生產鉆井儲油系統

其中，SRV設計理念的功能類似于TLP，利用緊繃狀態下的立管產生的拉力和上部浮箱的剩余浮力獲取平衡［3］。其主要特點包括：

1）SRV位于FPDSO船體甲板中央的月井中，采用了月井外加防護板的保護措施，減少了一切環境載荷對它的作用，也基本不受FPDSO船體運動的影響，使得垂蕩運動大大減少。

2）SRV能為立管系統提供足夠的張力，完全滿足極端深水情況下干式完井采用所必須的各種要求，克服了傳統生產平臺功能單一的缺陷，更有利于深海鉆井采油作業的實施。

3）SRV與FPDSO船體相互獨立，彼此通過活動裝置連接，其立管的張力荷載不會對PFDSO船體的載荷產生影響，而FPDSO船體的縱搖和橫搖運動，特別是垂蕩運動也基本不會造成SRV立管張力的改變。

4）船形的傳統FPSO外觀設計，保持了FPDSO的經濟型，靈活性和穩定性。

作為一種新型的海洋工程產品，FPDSO必須滿足某一特定海況環境的要求。

2 FPDSO及SRV運動的理論分析

2.1 雙物體耦合的勢流理論

要正確評估FPDSO船體和SRV之間的耦合運動特征，必須仔細分析兩個物體間的相互作用。簡單起見，采用了一個雙體系統，對每個單體采用勢流理論計算［4-5］。坐標系統定義為平面位于靜水面，見圖2。

圖2 雙物體坐標系統

對于物體1（內部），在o1x1y1z1坐標系統的總速度勢為：

對于物體2（外部），在o2x2y2z2坐標系統的總速度勢為：

式中：Φ（1）I、Φ（2）I——入射波速度勢；

ΦD（1）、ΦI（2）——繞射勢；

ΦR（1）、ΦI（2）——物體運動引起的輻射勢。

假設作用于物體上的入射波為一階近似，即為所熟知的余弦前進波。因而入射速度勢可表示為：

作用于物體上的外力，比如靜水力和水動力可由貝努利方程求得。將（1）和（2）式代入貝努利方程，則作用于物體1和物體2上的水動力可表示為：

式中：n（1）i、n（2）i——指向物體內部的濕表面單位法向向量，（i＝1，2，3）。

（4）和（5）式中前兩項分別表示作用于單個物體上的力，而第三項則表示兩個物體間的相互作用力。

2.2 SRV的受力分析及運動

為方便起見，分析SRV在一個平面內運動時的受力，三維情況可依此類推。假設船體在迎浪或橫浪情況下，其在波浪上的運動為（t）、1（t）（t），SRV 為（t）（t）（t），并且船體的運動不受SRV運動的影響。基于這種假設，由于防護墊和立管的約束而作用于SRV上的力和力矩如下。

1）x方向的力FSX為：

3）繞oy軸的力矩MSY為：

式中：ffi——第i個防護墊的剛度；

zfi——第i個防護墊的水平距離；

kli——i個立管的剛度。

文中只考慮一階力的情況，因此假設附加質量和阻尼系數都是從線性理論中獲得。由于兩個物體之間的相互作用，作用在SRV上的水動力應該包括一個額外的部分，即由船體運動引起的。因此，SRV在月井中的垂蕩運動公式可表示為：

式中：mij——SRV的附加質量；

dij——阻尼系數；

i、j——相關的運動模態。

3 數值計算結果與試驗結果的比較

模型試驗在上海交通大學海洋工程國家重點實驗室進行。由于不能對SRV的相關數據進行直接測量，試驗通過對FPDSO船體和SRV之間的相對運動來間接的測量SRV的運動數據。實驗中采用的環境條件為無風、無流，波浪譜采用JONSWAP譜，參數采用西非極限波浪的參數。縮比尺為1∶70，試驗水深4.6m，錨系采用鋼絲繩。表1和表2分別為SRV和FPDSO船體的主要技術參數。

表1 SRV主要技術參數

表2 FPDSO船體主要技術參數

續表2

對于船形PFDSO，吃水較淺，橫搖和縱搖運動的固有周期較短，固有頻率在波頻范圍內，使得其以一階運動為主，故對運動的分析只考慮與一階力相關的垂蕩、縱搖和橫搖的相應結果。下面分別給出了相關運動的RAO（一階運動的響應幅值算子）和統計值的比較。在本文涉及的模型試驗中，載荷狀態為壓載，吃水為10.50m，浪向角為135°；原型及模型的有義波高分別為5.10和0.07m，對應的波譜周期分別為18.80和2.25s。

3.1 SRV的RAO及相關系數的比較

由圖3可看出，對于相關系數在頻率為0.7 rad／s之前，理論計算的垂蕩RAO與試驗結果吻合較好，且變化趨勢大致相同。而在0.7rad／s之后，數值很低，試驗結果可信度低，故試驗與理論結果有些差別。

圖3 SRV垂蕩RAO和相關系數

3.2 PFDSO船體的RAO比較

由圖4可看出，理論計算的垂蕩、縱搖和橫搖RAO與試驗結果基本吻合，包括峰值位置以及峰值大小基本一致，且變化趨勢大致相同。

圖4 RAO的比較

3.3 統計值的比較

表3所示為計算得到的FPDSO船體運動的垂蕩、縱搖和橫搖標準差以及SRV的垂蕩標準差與相應的試驗結果的比較。可見，垂蕩、縱搖和橫搖的標準差以及SRV的垂蕩值與相應的試驗結果基本接近。這說明本文采取的理論方法分析PFDSO在西非極限波情況下垂蕩、縱搖和橫搖運動特性的可行性。

表3 標準差的比較

綜合比較圖3、4中的垂蕩RAO以及表3中的垂蕩運動計算值和試驗值，可以很明顯地看到：無論是SRV的垂蕩運動RAO還是統計值的結果都大大的小于PFDSO船體相對應的結果。這說明，SRV設計理念的采用，的確大大減少了其受到的環境載荷的影響，使得深海鉆井和采油作業可以在同一個平臺進行，大大減少了平臺的作業周期并降低了相應的成本。

4 分析結果與討論

從以上的分析比較中可以看出，理論分析的結果和試驗結果無論從運動RAO，還是統計值上都基本吻合。對于系泊深海平臺，由于錨系處于張緊狀態，對FPDSO船體的水平運動以及錨系張力的分析，需要進一步發展浮體與錨泊系統相耦合的時域程序，以完善理論。

在西非極限波情況下，垂蕩運動的標準差在0.86m以內，橫搖運動在0.55°之內，縱搖運動在0.50°以內，除垂蕩外，平臺總體運動較小。在真實的西非海況下，需將風、流等的情況加入。

PFDSO由于采用了FPSO和TLP設計的優點，既保持了FPSO的經濟性和靈活性，又保持了TLP適應深海采油的良好動力特性，SRV設計理念的采用，大大降低了其垂蕩運動。在西非極限波情況下，SRV垂蕩運動標準差在0.2m以內。這使得這種新型浮式生產鉆井采油系統在將來的深海石油開采中具有一定的優勢。

［1］金 秋，張國忠.世界海洋油氣開發現狀及前景展望［J］.國際石油經濟，2005（3）：43-44.

［2］李 波.新型采油平臺——浮式塔的一階動力響應及二階定常慢漂力［D］.上海：上海交通大學，1999.

［3］John Allen Mercier Ltd.，et a1.Evaluation of button TLP response to environmental loads［C］.OTC4429，Houston，1982.

［4］S.Chen and O.Mahrenholtz.Dynamic Responses of Floating Twin Bodies in Beam Waves［C］.International Offshore and Polar Engineering Conference，1992.

［5］劉應中，繆國平.船舶在波浪上的運動理論［M］.上海：上海交通大學出版社，1986.