海洋石油981平臺動力學仿真教學系統開發

劉秀全, 陳國明, 馬秀梅, 暢元江

(中國石油大學 海洋油氣裝備與安全技術研究中心, 山東 青島 266580)

海洋石油981平臺動力學仿真教學系統開發

劉秀全, 陳國明, 馬秀梅, 暢元江

(中國石油大學 海洋油氣裝備與安全技術研究中心, 山東 青島 266580)

為了便于深水鉆井平臺動力學的教學,基于VC++和Matlab開發了一套海洋石油981平臺動力學仿真教學系統,主要包括平臺認知、動力學仿真及安全作業3個模塊。通過與平臺動力學理論教學有機結合,形成平臺認知、動力學理論與仿真和安全作業教學體系。學生可通過海洋石油981平臺掌握海洋平臺動力學理論、仿真及安全作業過程,對培養科學研究能力起到積極的作用。

海洋石油平臺； 動力學； 虛擬仿真； 實驗教學

我國南海的油氣資源極為豐富,占我國油氣總資源量的1/3,其中70%蘊藏于153.7 萬km2的深水區域。在實現我國南海“深水大慶”戰略目標中,深水鉆井平臺是海洋油氣勘探開發的關鍵裝備。為此,我國自2008年自主設計并建造成第六代深水半潛式鉆井平臺——海洋石油981平臺。2012年,海洋石油981平臺在我國南海深水海域正式開鉆,自主完成LH29-2-1、LW6-1-1等深水自營井的鉆探作業,標志著我國海洋石油工業的“深水戰略”由此邁出了實質性的一步[1-4]。

海洋石油981平臺工作于復雜的海洋環境中,受到風浪、海流以及動力推進器等的聯合作用,會發生復雜的平臺動力學響應。在教學實踐中,采用單一的平臺動力學理論教學模式,學生理解較困難[5-6]。為此,筆者基于VC++和Matlab開發了一套海洋石油981平臺動力學仿真教學系統,通過與傳統的平臺動力學理論教學有機結合,為半潛式鉆井平臺的認知、動力學理論與仿真、安全作業教學提供一體化的教學環境。該仿真系統界面友好、可操作性強,為學生提供了實踐的仿真環境,幫助學生深入了解海洋石油981平臺以及我國海洋石油工業鉆井平臺前沿技術,掌握海洋平臺動力學理論,提高科學研究能力。

1 平臺動力學理論模型

海洋石油981平臺作業時受到復雜的海洋環境載荷、隔水管系統的作用載荷等。在外部海洋環境載荷以及結構載荷的綜合作用下,為了保持深水平臺在某位置附近達到動力平衡,需要平臺動力定位推進器實時控制平臺位置。深水鉆井平臺動力學理論模型可表示為[5-8]

(1)

式中,下標F、R分別表示深水鉆井平臺與隔水管,MF和MR分別為鉆井平臺和隔水管的質量矩陣,BF和BR分別為鉆井平臺和隔水管的阻尼矩陣,KF和KR分為平臺和隔水管的剛度矩陣。

平臺和隔水管的外部力向量FF、FR可表示為：

FF=Fw+Fwd+Fcu+Fth+Fin

(2)

FR=-Fin+W+Fe

(3)

式中,Fw、Fwd、Fcu、Fth、Fin分別為波浪力、風力、海流力、推進器推力、平臺和隔水管相互作用力向量；W為有效重力向量；Fe為隔水管外部環境載荷力向量。

在鉆井平臺外部環境載荷方面,一階波浪載荷引起的平臺運動可采用響應幅值算子計算[9],平臺所受的風力、海流力以及二階波浪力可以分別根據風力系數、流力系數以及二階波浪力系數計算,可表示為:

(4)

(5)

(6)

式中,fwd、fcu、fsw分別為風力、海流力和二階波浪力,Cwd和Ccu分別為風力系數和流力系數,Csw為二階波浪力系數,uwd和ucu分別為平臺與風、平臺與海流之間的相對速度,S(w)為波浪譜密度。

動力定位系統為一個閉環的控制系統,通過實時監測海風信息以及平臺位置信息,采用最優二次控制確定平臺推進器的推力fth,可表示為

fth=-Kxe+fwd

(7)

式中,K為反饋增益,xe為平臺位置偏差。

隔水管系統也受到海洋環境載荷的影響,一般采用修正形式的Morison方程計算作用于隔水管系統的波流聯合作用力fe可表示為

(8)

式中,ρ為海水密度,CM和CD分別為慣性力系數和拖曳力系數,D為隔水管水動力外徑,aW為波浪引起的水質點加速度,a為隔水管加速度,uW為波浪引起的水質點速度,uC為海流引起的水質點速度,u為隔水管速度。

此外,深水鉆井平臺與隔水管之間還存在相互作用的結構載荷。在深水鉆井平臺-隔水管系統動力學分析過程中,可實時提取隔水管頂部張緊力及頂部轉角,確定隔水管頂部張力沿各個方向的分量,即為相互作用力向量。

2 仿真系統設計

2.1 仿真系統框架

為了便于深水鉆井平臺動力學理論模型的講解與仿真,以海洋石油981平臺為目標對象,從平臺認知、動力學仿真和安全作業3個層次建立海洋石油981平臺動力學仿真系統框架。其基本思想是使學生在了解海洋石油981平臺基本結構以及作業模式的基礎上,實現不同作業模式下的平臺動力學仿真,并以深水鉆井平臺動力學為核心,針對不同作業模式確定平臺安全作業窗口,進一步拓展平臺動力學在深水鉆井工程中的應用。

海洋石油981平臺動力學仿真教學系統主要包含平臺認知模塊、動力學仿真模塊和安全作業窗口模塊,如圖1所示。其中,平臺認知模塊主要介紹海洋石油981平臺的基本結構及其關鍵參數,以及深水鉆井平臺作業模式；動力學仿真模塊可開展不同作業模式下的平臺動力學仿真分析；安全作業窗口模塊主要針對連接鉆井、緊急解脫隔水管、懸掛隔水管、避臺風撤離4種典型作業模式進行平臺動力學仿真分析,從而確定不同作業模式下的平臺安全作業窗口。

圖1 仿真系統框架圖

2.2 開發環境

海洋石油981平臺動力學仿真教學系統以Visual Studio 2008開發系統可視化界面,利用Visual C++語言編寫后臺數據處理系統,在軟件前處理系統與核心數據庫之間建立一條通道,實現軟件系統與龐大的數據信息之間的無縫對接(見圖2)。

圖2 工作原理

為提高教學系統的計算能力、效率和精度,該軟件系統利用Matlab開發教學系統各模塊求解器,并對求解器進行封裝,使其脫離龐大的Matlab環境而獨立執行,提高教學系統的可移植性[10-11]。為充分利用Matlab繪圖優勢以及VC++的報表展示能力,該軟件系統的后處理界面將兩者進行分工而后進行整合,充分完善軟件的后處理系統。

為提高用戶的可操作性以及軟件系統的簡易性,該軟件系統將所有模塊集成在VS2008基礎工具編寫的系統界面內,用戶只需在界面內操作,即可完成系統的整體運行流程。

3 仿真系統開發及應用

3.1 平臺認知模塊

平臺認知模塊是海洋石油981平臺動力學仿真教學系統的基礎模塊,供學生了解海洋石油981平臺的概況。該模塊分為平臺結構認知和作業模式認知兩個子模塊。平臺結構認知子模塊主要介紹海洋石油981平臺的整體概況、重要組成部件及部件的關鍵參數；作業模式認知子模塊主要介紹深水鉆井平臺的基本作業模式以及作業流程。平臺認知模塊配置大量的圖片幫助學生進行直觀觀察,并針對不同的作業模式配備了相應的流程動畫以輔助學生學習,為后續的平臺動力學仿真和安全作業分析奠定良好的基礎。

以圖3所示平臺基本概況子窗口為例,其右側的信息框顯示海洋石油981平臺的關鍵參數,其左側則具體給出平臺結構尺寸圖,并可對結構尺寸圖進行放大顯示。

圖3 平臺基本概況子窗口

3.2 動力學仿真模塊

基于深水鉆井平臺動力學理論模型,在Matlab中開發了平臺動力學求解器,主要包括動力定位載荷模塊、風載荷模塊、海流載荷模塊、波浪載荷模塊、隔水管系統載荷模塊,通過各模塊可確定平臺動力學載荷并傳入到平臺動力學求解模塊,基于Runge-Kutta法完成平臺動力學模型仿真。此外,為了考慮連接鉆井工況下平臺-隔水管系統的相互作用,基于有限單元法求解隔水管系統響應(見圖4)。

在此基礎上,以平臺動力學求解器為核心進行平臺動力學仿真模塊開發,分為平臺波頻運動、平臺動力學定位模擬、平臺漂移運動、平臺驅離運動以及平臺-隔水管動力學等[12],并將平臺基本參數、海況環境參數以及作業參數等集合為動力學仿真模塊下的一個全新子模塊,稱之為基本參數管理模塊。開展不同運動模式下的平臺動力學分析時,只需通過平臺動力學仿真系統界面定義相關求解參數,平臺動力學仿真系統自動將基礎參數傳入各求解器進行求解,并將仿真結果讀入平臺動力學仿真系統進行圖形化顯示。

以平臺動力定位模擬為例(見圖5),在該界面內可對平臺動力定位計算參數進行查看和管理操作,同時依據設定的水動力參數以及海洋石油981平臺推進器相關參數對平臺動力定位進行仿真計算,并在結果查看組合框內顯示平臺在不同方向上的位移或平臺某個對應推進器的推力時間歷程曲線圖,以便于對其進行觀察分析。

圖4 平臺動力學求解過程

圖5 平臺動力定位模擬窗口

3.3 安全作業模塊

平臺動力學關系深水鉆井作業的安全。平臺動力學響應過大會引起隔水管系統及鉆井作業失效,有必要在平臺動力學仿真的基礎上進一步開展安全作業分析,拓展平臺動力學在工程安全作業中的應用[13-14]。安全作業模塊的基本思路為:首先確定不同作業模式下的平臺-隔水管系統安全作業準則,依次開展不同海洋環境條件和平臺偏移下的平臺-隔水管系統動力學仿真,并將動力學仿真結果與安全作業準則對比,通過非線性搜索計算出平臺安全作業窗口,即不同海洋環境條件下允許的平臺動力學響應幅值。

根據深水鉆井平臺作業工況,將安全作業窗口模塊分為連接鉆井作業、緊急解脫作業、懸掛作業與避臺風撤離作業4個子模塊。以連接鉆井作業仿真模塊(見圖6)為例,在該模塊界面內以圖形化的方式顯示作業風險點,并可輸入每個作業風險點對應的作業極限準則；然后定義隔水管系統配置,并支持隔水管系統配置的添加、修改刪除等操作；通過仿真計算調用平臺動力學求解器依次完成不同海況下的動力學仿真分析,并確定平臺連接作業窗口。圖6中綠色區域即為平臺的安全作業窗口。

圖6 連接鉆井作業窗口

3.4 仿真系統應用

編寫海洋石油981平臺動力學仿真教學系統代碼后,通過編譯的方式將其轉化為獨立可執行程序,以便于學生的廣泛使用。具體應用時,海洋石油981平臺動力學仿真教學系統可與傳統課堂教學有機結合,提升深水鉆井平臺動力學的教學效果。

(1) 平臺認識方面。通過海洋石油981平臺動力學教學仿真系統,可以直觀展示平臺結構組成及作業模式,配合課堂講解,促進學生深入了解海洋石油981平臺,掌握我國海洋石油工業深水鉆井平臺前沿技術。

(2) 平臺動力學方面。在傳統平臺動力學理論模型講解的基礎上,基于海洋石油981平臺動力學仿真系統增加平臺動力學仿真模塊學習、手動練習以及結果規律分析等教學環節,形成較為系統的深水鉆井平臺動力學教學過程。

(3) 平臺安全作業方面。從工程角度進一步拓展平臺動力學應用,實現平臺動力學與工程作業的緊密結合,并促進學生對平臺動力學的理解。

總體而言,海洋石油981平臺動力學仿真教學系統豐富了平臺動力學理論教學手段,通過與平臺動力學理論講解有機結合,形成比較完善的平臺認知、動力學理論與仿真、安全作業的教學體系,實現從單一課堂講授向多元化教學模式發展,對于提高學生的認知水平和學習興趣具有重要意義。

4 結語

基于VC++和Matlab開發的海洋石油981平臺動力學仿真教學系統可實現平臺波頻運動、平臺動力定位、平臺漂移運動、平臺驅離運動以及平臺-隔水管動力學等平臺動力學模擬,可與傳統的平臺動力學理論教學有機結合,形成以深水鉆井平臺動力學為核心的平臺認知、動力學理論與仿真和安全作業的教學體系,實現從單一課堂講授模式向多元化教學模式的發展,提升深水鉆井平臺動力學的教學效果。學生可通過海洋石油981平臺動力學仿真系統跟蹤我國海洋石油工業深水鉆井平臺前沿技術,開展深水鉆井平臺動力學仿真與計算實踐,掌握深水鉆井平臺動力學理論、仿真及安全作業過程,提高科學研究能力。

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Development of dynamics simulation teaching system for offshore oil 981 platform

Liu Xiuquan, Chen Guoming, Ma Xiumei, Chang Yuanjiang

(Research Centre for Offshore Oil and Gas Equipment and Safety Technology, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

In order to facilitate the teaching of the deepwater drilling platform dynamics, a dynamic simulation teaching system for the offshore oil 981 platform is developed on the basis of VC++ and Matlab. The system is composed of the platform cognition module, the dynamics simulation module and the safety operation module. Through the organic combination of the platform dynamics theory teaching, the teaching system for the platform cognition, dynamics theory and simulation, and safety operation is formed. Students can master the dynamics theory, simulation and safety operation process of the offshore platform through the offshore oil 981 platform, which plays a positive role in training students’ scientific research ability.

offshore oil platform; dynamics; virtual simulation;experimental teaching

2017-05-08

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)課題(2015CB251203)；國家科技重大專項子課題(2016ZX05028-001-05)；山東省自然科學基金聯合專項(ZR2014EL018)

劉秀全(1987—),男,山東棗莊,博士,講師,主要從事海洋油氣裝備教學與科研工作.

E-mail：lxqmcae@163.com

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.032

TE52

A

1002-4956(2017)12-0132-06