一種新型干樹式半潛平臺設計

紀亨騰，冉志煌，葉 偉，李建勛，李國杰，唐修俊，王中念，吳洪武

(1. 深圳深德海洋工程有限公司，廣東 深圳 518067; 2. 三一海洋重工研究院，廣東 珠海 519055)

一種新型干樹式半潛平臺設計

紀亨騰1，冉志煌1，葉 偉1，李建勛1，李國杰2，唐修俊2，王中念2，吳洪武2

(1. 深圳深德海洋工程有限公司，廣東 深圳 518067; 2. 三一海洋重工研究院，廣東 珠海 519055)

開發了一種新型的深吃水干樹式半潛生產平臺(TCDD-Semi)，該平臺可用于中國南海深水區域的油氣田開發。它的一個顯著特點是立柱的截面形狀呈現為漸變形式，而非傳統的等截面形式。立柱的底部最大，向上逐漸變小，再結合適當的下浮體設計，能夠為平臺在服役前期及在位狀態時提供足夠的浮力以及穩性。最重要的是這種新型立柱的設計能夠明顯地減小平臺在惡劣海況時的垂向運動，從而使在平臺上布置具有干式采油樹的TTR立管系統成為可能。此外，這種漸變式的立柱設計也有利于減弱平臺在流作用下的渦激誘導運動(VIM)。分析結果表明這種漸變式立柱半潛平臺可以明顯降低平臺的垂向運動，也可以在碼頭組裝時提供足夠的浮力以及在平臺下沉過程中提供足夠的穩性。平臺優越的垂向運動性能可以使頂部張緊式立管的行程范圍限制在10.5 m之內(包括平臺偏移、垂蕩運動、潮汐影響、海床沉降、熱膨脹等因素)。分析結果表明平臺的垂蕩范圍、水平偏移、傾側角度、上部模塊重心處的加速度等可以滿足設計要求，證明了這種新型干樹式半潛平臺的可行性。

浮式平臺；半潛式平臺；垂蕩運動；深吃水；立柱；干式采油樹；立管張緊器

與水下采油樹的相比，海洋平臺采用干式采油樹具有可直接監測、控制、干預以及提高碳水化合物油氣回收率的優點。另外，進行鉆井、完井以及修井操作時采用干式采油樹的平臺在費用和工程進度上也更有優勢。在浮式海洋平臺上，目前只有張力腿平臺(TLP)和單柱式平臺(SPAR)可以采用干式采油樹布置，原因是它們在波浪中的垂向運動響應都比較小，但這兩種平臺在安裝水深、有效載荷、上部甲板面積等方面存在明顯限制，并且在海上安裝時操作復雜、經濟性較差。因此，對于深水和超深水海域的鉆井和生產項目，有必要開發出一種新型的干樹式浮式平臺來解決TLP和SPAR平臺存在的這些缺陷。根據調查和分析研究，干樹式半潛平臺是一個具有可行性的替代解決方案。這種平臺沒有水深限制，可以在碼頭進行上部模塊與船體的合攏和調試，并且能夠提供更大的上部甲板面積。

近些年來，干樹式半潛平臺的概念開發專注于提高立管系統的順從性以及改善平臺在波浪中的運動響應這兩方面。Halkyard等[1]開發了一種帶有可伸縮垂蕩板的深吃水半潛平臺，垂蕩板的目的是減小垂蕩運動。Mungall等[2]提出了一種用于墨西哥灣的干樹式半潛生產平臺，該平臺具有垂直接入式順應式立管。Zen等[3]給出了一種帶有TTR(top tension riser)立管的深吃水干樹式半潛平臺的解決方案，并指出該平臺的垂向運動對項目的可行性和成本控制最為關鍵。 Muehlner amp; Banumurthy[4]提出了一種新型的具有外伸下浮體的半潛平臺(OPS)。該平臺的下浮體偏離立柱向外，垂向運動響應較小。Das amp; Zou[5]介紹了一種“成對立柱”式半潛平臺(paired-column semi)的概念，和常規的半潛平臺進行了一些特征響應的比較后，結果表明這種新型平臺的運動特性比較優越。

一般而言，增加半潛平臺的吃水是減小平臺垂向運動最有效的方法。通常情況下吃水超過45 m的半潛平臺的垂向運動和轉動較常規淺吃水的半潛平臺要小，因此深吃水的半潛平臺具有支持TTR立管的可能性。平臺建造時，在船廠碼頭進行船體和上部模塊的合攏是最安全和最經濟的方法，但一般碼頭的水深為9.0～10. 5 m ，因此如果在碼頭進行合攏，合攏時平臺船體的吃水就需要限制在此吃水范圍內，而同時還須保證浮力足夠支持船體和上部模塊的重量。對于在位時具有深吃水的常規半潛平臺，其船體在碼頭時要維持如此淺的吃水是很困難的，因為其幾何外形此時難以提供足夠的浮力。當然，半潛平臺的船體和上部模塊也可以在近海或者現場進行合攏，但這兩種方式都是在離岸的海域進行，嚴重依賴天氣條件以及重型浮吊的工期，增加了項目的風險和費用。

平臺船體和上部模塊合攏后，半潛平臺通常被濕拖或者由運輸船運往現場。這兩種方法都涉及到船體在服役前期中的壓載操作。在壓載過程中，浮體的穩性通常會隨著吃水的增加以及下浮體地突然下沉而降低。這種現象是深吃水半潛平臺的特殊問題，原因在于此種平臺的立柱高度大以及所支持的上部模塊位置很高。

與常規的半潛平臺比較，深吃水半潛平臺的立柱要高許多。盡管平臺的垂向運動由于下浮體深置于水中得到減小，但加長的立柱容易受到VIM(vortex induced motion)的影響，而VIM運動是平臺、系纜以及立管這些結構疲勞損壞的重要原因。此外，VIM誘導的側向運動使得平臺維持在井口位置會更加困難，也增加了立管系統損壞的可能性。Xu[6]、Kyoung等[7]介紹了一種新的船體設計，該設計擴大了立柱的底部。Zou 等[8]提出了一種干樹式“成對立柱”半潛式平臺的概念。這兩種設計都能改善平臺在強流下的VIM運動響應。TCDD半潛平臺的漸變式立柱設計也能夠減小半潛平臺的VIM運動響應。

基于上述背景，這里提出了一種新型的深吃水半潛平臺TCDD(tapered column deep draft semi-submersible)。該平臺的立柱設計區別于常規半潛平臺立柱等截面形式，而是在不同吃水處采用不同的截面形式。這種特殊的立柱形式旨在解決半潛式生產平臺在碼頭淺吃水條件下的合攏、服役前期平臺的穩性、VIM運動以及垂向運動過大等問題。

為了將TCDD平臺的概念應用于干樹式生產平臺的設計，根據中國南海深水海域的環境條件，采用頻域和時域方法著重分析了平臺的水動力及運動性能，包括平臺的總體運動、最小氣隙以及TTR張緊器的最大行程范圍等。其中總體運動又包括平臺的最大偏移、最大垂蕩、最大傾側等指標。限于篇幅，服役前的分析以及平臺的VIM運動分析等不在本文展開。

1 總體設計

1.1設計基礎和環境條件

假想的氣田位于中國南海的某區塊，產量為每年50億立方米(483.8 MMSCFD)。平臺布置區域水深約1 500 m。平臺設計成可以布置12根TTR干樹式立管(1根鉆井立管，11根生產立管/注水立管)和10根回接鋼制懸鏈線立管(SCR)，以及2根輸出SCR立管。平臺采用分布式系泊系統進行定位。生產出的氣液凝聚物將從平臺西向的輸氣SCR立管和輸油SCR立管向外輸出。

根據平臺設計基礎，干樹式半潛平臺應滿足表1所列運動性能要求。甲板(上部模塊)水平加速度定義在主甲板的高度處。表中“WD”表示水深(Water Depth)，“g”為重力加速度。

表1 設計基礎對總體性能的要求Tab. 1 Requirements of global motions in design basis

生產現場的環境條件以全年從東北方向來的風為主，因此除了夏季存在因西南方向來的臺風引起的強風和大浪外，波浪的主要方向也是東北方向。全年流的主要方向是西或者西南偏西方向。

對于船體和上部模塊結構的設計而言，操作條件為100年非臺風環境，極限條件為100年臺風環境，參考南海某氣田項目，參數如表2中定義。

表2 極限和操作環境條件Tab. 2 Extreme and operating environmental criteria

1.2平臺主尺度及重量

TCDD半潛平臺的上部模塊設兩層甲板：下甲板和主甲板。在操作工況時，上部模塊的總重量為19 624 t，包括結構重量6 884 t和設備重量12 740 t。

立柱的頂部具有16.75 m的干舷，下甲板的底部距水面21.354 m，主甲板的底部距水面31.354 m。平臺主船體的吃水為48.75 m，在操作工況下排水量約65 000 t。下浮體的長度為50.5 m，其橫截面的寬度為11.5 m，高度為9 m。下浮體和立柱的連接處有過渡段。當安裝完成后，下浮體內充滿海水(與海水貫通)，成為永久壓載。圖1為TCDD半潛平臺完整的3D模型圖。圖2為TCDD平臺船體的側視圖，立柱中間為豎直通道。

圖1 TCDD半潛平臺的3D模型(已有專利)Fig. 1 3D model of TCDD semi-submersible

圖2 TCDD半潛平臺船體側視圖Fig. 2 Side view of TCDD semi-submersible hull

TCDD半潛平臺立柱高度為65.5 m，在最大波浪時負責提供足夠的氣隙。立柱的截面形狀在不同高度處設計成不同，下部立柱(基線到12 m高度處)的正方形截面的邊長為25 m，上部立柱(高度32.2～65.5 m)的正方形截面的邊長為19 m。在下部與上部立柱的過渡部分(12～32.2 m)，截面的邊長逐漸從25 m縮小到19 m。這種幾何外形的設計能保證平臺在不同吃水狀態下具有足夠的穩性。在每個立柱的內部，設置8 m × 8 m尺寸的豎直通道。立柱中心線之間的間距為69.5 m。

在每個立柱內部共有6層水平隔壁，它們位于高度距基線0 m(龍骨)到65.5 m (立柱頂)之間。表 3列出了半潛平臺主船體的主尺度。表中的工作排水量不包括永久壓載(即和海水貫通的壓載艙內海水的重量)。

表3 主船體主尺度Tab. 3 Principal dimensions of the hull

1.3系泊系統設計

設計4組共16根繃緊式系泊纜用于平臺的定位。系泊纜布置在平臺的四個角上，為永久性系泊系統。每根系泊纜具有相同的無擋錨鏈-聚酯繩-無擋錨鏈的配置。在主船體的每個角上，4根系纜的上端位于基線上 12 m處。系泊纜關于平臺的幾何中心對稱布置。系泊纜的布置形式參看圖3，其組成和特性列于表 4。

對系泊系統進行了獨立的時域內的計算分析。在極限環境下，校核了完整狀態時系纜的強度；在操作環境下，校核了一纜破斷時系纜的強度。結果表明系泊系統的設計是滿足API推薦標準的。表 5為系泊系統安全系數分析結果。

表4 系纜組成部分Tab. 4 Mooring line configuration

圖3 系泊系統的布置Fig. 3 Mooring system arrangement

表5 系泊系統安全系數Tab. 5 Safety factor of mooring system

2 水動力與總體性能分析

在極限環境和操作環境情況下，采用AQWA軟件對平臺的總體運動性能進行了時域動態分析，每個工況的時長為3小時，考慮了角度間隔為22.5°的全方向的環境。模擬了作用在上部模塊、船體以及系纜上的動態風載荷、流載荷以及波浪載荷。在分析中對 TTR立管和SCR立管也進行了等效模擬。立柱和下浮體的黏性阻尼是船體阻尼的重要來源，因此采用STAR-CCM+ 軟件先對作用于它們上的阻力進行了計算，然后等效成Morison 單元的水動力系數，用來更準確地模擬立柱和下浮體上的非線性阻尼。圖4為TCDD半潛平臺船體的水動力分析面元模型。

首先進行了 TCDD半潛平臺、常規的等截面立柱淺吃水半潛平臺以及深吃水平臺三者垂蕩運動RAO曲線之間的對比，對比結果見圖5。圖中常規的淺吃水半潛平臺的吃水為29 m，立柱寬度為23 m。常規的深吃水半潛平臺的立柱寬度則和TCDD立柱的直立部分相同。從圖中可見，TCDD半潛平臺的垂蕩響應在20 s以內比較小，RAO曲線的第一個峰值小于0.2 m，且垂蕩的固有周期大于20 s。對于中國南海的極限波浪環境，這樣的垂蕩運動性能是應用干式采油樹所期望的。垂蕩RAO曲線的比較表明，TCDD平臺的立柱設計結合下浮體形狀的優化可以提高主船體下部的波浪力消失效果，從而顯著地減小平臺波頻范圍內的垂蕩響應。

圖4 平臺船體的面元模型Fig. 4 Panel model of the hull

圖5 垂蕩RAO曲線的比較Fig. 5 Comparison of heave motion RAOs

圖6 CFD計算表面網格Fig. 6 Surface mesh for CFD calculation

圖7 CFD計算的典型尾流場Fig. 7 Typical wake flow in CFD calculation

圖6和圖7為CFD計算分析中的物面網格以及典型尾流場顯示，計算結果表明這種新型的立柱形式對VIM運動有明顯地抑制作用。這里的總體運動性能分析著重于計算操作環境與極限環境下平臺的總體運動、水面與底甲板之間的氣隙以及最大的TTR立管張緊器的行程范圍。在極限環境條件下，將臺風季節時百年一遇的風暴作為設計條件來確定平臺的最大運動。在操作環境條件下，采用非臺風季節時百年一遇的風暴進行計算，環境條件的具體參數見表2。分析結果總結如下。

2.1最大運動

表6給出了極限環境條件下平臺的最大運動結果。平臺的最大垂蕩范圍為5.92 m；最大傾側角度8.19°；最大水平偏移為水深的 4.67% 。上部模塊重心處最大水平加速度0.179g。

表6 極限條件下總體運動匯總Tab. 6 Global motion summary in extreme condition

表7給出了操作環境條件下平臺的最大總體運動。平臺的最大垂蕩范圍為1.63 m；最大傾側角度為3.18°；最大水平偏移為水深的 0.99% ；上部模塊重心處最大水平加速度0.052g。

表7 操作條件下總體運動匯總Tab. 7 Global motion summary in operating condition

2.2最小氣隙

API RP 2FPS要求平臺的氣隙在設計環境下考慮非線性因素影響后應該大于0。在分析中，波浪的峰谷不對稱性、波浪在立柱附近抬高、平臺對環境力的動態響應以及船體和立管、系泊系統的相互作用等非線性因素都得到了考慮。分析結果表明在極限環境下最小氣隙為0.84 m(2.74 ft)，發生在-112.5°浪向時底甲板下邊緣迎浪處。因此，平臺的總體設計滿足API 關于最小氣隙應不小于0的要求。

圖8顯示了最危險浪向時最小氣隙的等高線圖。

2.3TTR張緊器最大行程范圍

設計方案中，TCDD半潛平臺的TTR 立管采用最大行程范圍為10.67 m(35 ft)的上拉式張緊器系統。呈長方形范圍內布置的井口中，中間的一根TTR立管為鉆井立管，其余11根為生產立管。鉆井立管的外徑為419 mm，生產立管的外徑為244 mm。圖 9為TTR立管進口布置圖。

圖8 最危險浪向時最小氣隙等高線圖Fig. 8 Minimum airgap contour for most critical case

圖9 TTR立管布置Fig. 9 TTRs well bay layout

在張緊器行程范圍的計算中，除平臺運動的貢獻外還考慮了0.61 m的海底沉降的影響、2.15 m的潮汐影響以及0.02 m的熱膨脹影響。

表8中列出了計算TTR 張緊器行程范圍的4種工況。環境條件為表2中所列。

表8 張緊器行程范圍計算的工況Tab. 8 Stroke range load cases

張緊器行程范圍的計算按如下步驟進行：

1)潮汐、海床沉降和熱膨脹的影響按靜態處理。

2)由于環境力作用，包括平均漂移、慢漂以及波頻的垂直和水平運動所引起的部分由AQWA DRIFT 軟件在時域內全耦合計算。

3)TTR 立管采用AQWA 中的Tether 單元來模擬，準確定義了立管的幾何形狀、重量、彈性(用于拉伸和彎曲)以及張緊器的剛度。考慮了TTR 本身彈性引起的拉伸、對平臺運動動態響應引起的變形以及波浪和流載荷。

4)每根TTR 在極限和操作條件下的向上行程Δs+和向下行程Δs-在16個浪向角上進行計算，角度間隔為22.5°。每個浪向的行程峰值取為10個不同的3小時隨機波所產生的時歷結果中的最大向上和向下行程的均值。需要注意的是向上和向下行程的最大值可能并不發生在同一個浪向上。

5)對于一纜破斷以及一艙破損的情況，最危險的工況由完整狀態時的行程結果來確定。向上和向下行程在時域內的計算方法和完整狀態時相同。需要注意的是一纜破斷情形和一艙破損情形是分開進行的。

(4種工況),

最終的TTR 張緊器行程范圍計算結果如下：

1)在船體完整以及操作環境條件下，最大的TTR 張緊器行程范圍為4.64 m；

2)在一艙破損以及操作環境條件下，最大的TTR 張緊器行程范圍為4.64 m(需要注意的是雖然最后的行程范圍和完整狀態下相同，但是各自的向上行程和向下行程與船體完整狀態時是不同的)；

3)在系泊系統完整以及極限環境條件下，最大的TTR 張緊器行程范圍為9.74 m；

4)在一纜破斷以及極限環境條件下，最大的TTR 張緊器行程范圍為10.09 m。

3 結 語

開發了一種新型的深吃水半潛平臺(TCDD)，該平臺主船體采用了一種特殊的立柱形式。結合下浮體的優化設計，該型平臺不但可以具有優越的水動力運動性能，且兼顧了建造、安裝等服務前期的總體性能。采用時域全耦合的計算分析方法對該平臺的總體運動性能進行了分析研究，得出如下結論：

1)TCDD平臺具有優越的垂向運動性能，且同時保證其它總體運動性能也能滿足性能要求，如最小氣隙、最大水平偏移、最大平臺傾角、上部模塊加速度等。目前在用的浮式平臺上布置干式采油樹的只是TLP和SPAR。制約常規半潛平臺采用干式采油樹的是平臺的垂向運動性能，反映為TTR張緊器的行程范圍不能太大，而TCDD平臺優越的垂向運動性能使半潛平臺上布置干式采油樹成為可能。

2)TCDD平臺的外形設計可以提供足夠浮力，滿足碼頭淺吃水條件下上部模塊和主船體的合攏，并且在服役前的壓載操作中提供足夠的穩性。

3)根據中國南海典型極限環境條件進行計算分析，表明TCDD干樹式半潛平臺應用于中國南海深水海域是可行的。

4)在總體運動性能分析中，采用CFD方法先得到平臺水平和垂直方向的黏性阻力，然后等效成總體水動力分析中Morison單元的水動力系數，為初步設計階段更準確地模擬半潛平臺的黏性阻尼提供了一種新途徑。

5)CFD計算分析表明這種變截面立柱形式對深吃水半潛平臺船體的VIM運動有明顯地抑制作用。

除總體運動性能分析外，對TCDD半潛平臺還同時進行了結構計算分析、立管系統計算分析以及疲勞計算分析等工作。針對總體性能分析結果，下一步的工作是根據模型試驗結果對理論分析結果進行校核，找出二者之間的差異，進一步完善TCDD半潛平臺總體性能的驗證。

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A new type of semi-submersible platform with superior global performance for dry-tree application

JI Hengteng1, RAN Zhihuang1, YE Wei1, LI Jianxun1, LI Guojie2, TANG Xiujun2, WANG Zhongnian2, WU Hongwu2

(1. Offshore Tech LLC, Shenzhen 518067, China; 2. SANY Marine Heavy Industry Co., LTD., Zhuhai 519055, China)

A Tapered Column Deep Draft Semi-submersible (TCDD-Semi) concept has been developed for dry tree drilling and production application. The platform is suitable as a host facility for an oil or gas project in deep water area in South China Sea. The new concept features lower hull geometry with gradually varying column cross-section, in contrast to the conventional semi-submersible design with uniform columns. The enlarged lower columns, in combination with properly sized upper columns and pontoons, provide sufficient buoyancy and stability for topside-quayside integration and offshore pre-service operations such as submergence and wet-tow. Most importantly, this new TCDD-Semi concept with tapered columns optimizes the cancelation effect of wave force and is able to reduce the heave motion in harsh environmental condition to such a level that the utilization of top tensioned drilling and production riser system with dry trees is feasible. Additionally, the tapered shape of the columns helps reduce the vortex induced motions (VIM) of the platform in currents. The design analysis results show that the proposed TCDD Semi-submersible platform has superb heave motion performance, sufficient quayside integration buoyancy, and adequate transition stability during pontoon submergence. Its excellent heave motion performance enables the application of top-tensioned riser system with 10.5 m stroke limit, including all contributing factors such as platform offset, heave motion, tide, seabed subsidence, thermal expansion, damaged tank and damaged mooring. In addition, the platform heave motion range, horizontal offset, heel angle, acceleration at topside COG, etc. also meet the requirement of the design basis. It is demonstrated that the use of dry trees on a semi-submersible platform is feasible.

floating platform; semi-submersible; heave motion; deep draft; column; dry tree; riser tensioner

1005-9865(2017)06-0010-09

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.06.002

2017-01-10

廣東省引進創新創業團隊計劃資助項目(2013G058)

紀亨騰(1976-)，男，陜西西安人，博士，從事海洋工程結構物水動力及安裝分析工作。E-mail: Hunter.ji@offshoretechllc.com