新型干樹半潛平臺凝析油外輸計算分析

韓旭亮, 謝文會, 文志飛, 鄧小康

(1.中海油研究總院有限責(zé)任公司， 北京 100028； 2.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

中國南海海域蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源，天然氣資源占整個南海油氣資源的83%，其中70%的天然氣資源來自深水。深水油氣資源合理開發(fā)利用對降低國外能源依存度，保障國家能源安全都具有重要意義。天然氣開發(fā)過程中伴隨有一定數(shù)量的凝析油，凝析油外輸是整個氣田開發(fā)不可或缺的一個重要環(huán)節(jié)[1-2]。在實(shí)際海上生產(chǎn)作業(yè)過程中，儲油平臺需要將產(chǎn)生的凝析油定期外輸，以便騰出艙容從而持續(xù)生產(chǎn)，一旦出現(xiàn)故障會導(dǎo)致整個海上生產(chǎn)作業(yè)出現(xiàn)停產(chǎn)，嚴(yán)重還會出現(xiàn)癱瘓。目前，海洋工程儲油平臺常用的外輸方式主要分為浮筒外輸、旁靠外輸與串靠艉輸?shù)刃问絒3]。經(jīng)中外大量研究表明，基于中國南海實(shí)際海況條件，旁靠外輸技術(shù)對海況的限制較強(qiáng)，作業(yè)效率低，而串靠艉輸方式[4]對海況要求較低，其外輸作業(yè)操作簡單，安全性較高，是目前應(yīng)用較多的原油外輸方式。然而，串靠艉輸外輸作業(yè)采用漂浮軟管將原油從船型浮式生產(chǎn)儲油船(floating production storage and offloading，F(xiàn)PSO)輸送到外輸油輪，兩者通常均為船型浮式結(jié)構(gòu)物。由船體首部迎著來浪方向，外輸系統(tǒng)布置在船體尾部，從而減小因外部環(huán)境作用導(dǎo)致外輸油輪與船型FPSO相撞概率，具有較好的風(fēng)標(biāo)效應(yīng)。

新型干樹半潛平臺抵御環(huán)境載荷的能力優(yōu)于船型FPSO，適用于較惡劣海況環(huán)境，但是它對環(huán)境方向性不敏感，不具備風(fēng)標(biāo)效應(yīng)的特點(diǎn)。為此，針對具有凝析油儲存功能的新型干樹半潛平臺與油輪直接外輸方案進(jìn)行計算研究，充分考慮多浮體耦合作用，分別對油輪抵達(dá)和油輪駛離新型干樹半潛平臺的外輸作業(yè)進(jìn)行時域計算分析，探討了不同工況下外輸油輪的艏搖運(yùn)動響應(yīng)和外輸系泊纜的張力響應(yīng)情況。

1 平臺概況

圖1為新型干樹半潛平臺示意圖。該型平臺與現(xiàn)有典型深水浮式平臺均不相同，綜合了單柱式平臺、張力腿平臺和半潛式平臺的優(yōu)點(diǎn)。針對凝析油天然氣田，該型平臺適應(yīng)中國南海惡劣環(huán)境條件，運(yùn)動性能優(yōu)良、海上安裝難度低、可以實(shí)現(xiàn)干式采油(氣)、油氣生產(chǎn)處理、凝析油儲存與卸載、鉆修井等多種功能[5-7]。平臺采用分布式多點(diǎn)系泊系統(tǒng)進(jìn)行錨泊定位，作業(yè)水深為1 500 m。平臺設(shè)計有12個頂張緊立管(top tension riser，TTR)井槽。表1給出了新型干樹半潛平臺生產(chǎn)能力的情況。

新型干樹半潛平臺對環(huán)境方向性不敏感，抵御載荷的能力優(yōu)于船型FPSO，更適用于環(huán)境惡劣的南海海域。由于其特殊的外部形狀，決定了其無法使用旁靠外輸，而且其不具備風(fēng)標(biāo)效應(yīng)的特點(diǎn)。新型干樹半潛平臺凝析油可以采用油輪直接串靠外輸方案。將新型干樹半潛平臺與油輪采用前后串列外輸方式，在輔助船舶的幫助下油輪船艏通過一根外輸系泊纜同平臺連接，經(jīng)漂浮軟管或者跨接軟管將凝析油輸送到油輪。串靠系泊方式對兩船噸位匹配、裝載工況、海況條件要求較低，可以抵御較大的風(fēng)浪，外輸距離較遠(yuǎn)，安全性較高。串靠系泊操作比較簡單，系泊纜通常為尼龍纜，兩端配有摩擦鏈。

圖1 新型干樹半潛平臺示意圖

表1 新型干樹半潛平臺生產(chǎn)能力

2 研究對象及參數(shù)

2.1 新型干樹半潛平臺主尺度參數(shù)

新型干樹半潛平臺在位吃水36 m，下浮箱吃水140 m。平臺作業(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。表2給出了平臺主尺度具體參數(shù)。平臺主體質(zhì)量為72 150 Mt，主體中心高度30.78 m，x軸、y軸、z軸方向的慣性半徑分別為40.6、40.6、42.0 m。平臺下浮箱為箱型結(jié)構(gòu)設(shè)計，當(dāng)安裝完成后，下浮箱內(nèi)灌滿海水，成為永久壓載，且下浮箱不承受水壓力。下浮箱重量為48 083 t，x軸、y軸方向的慣性半徑分別為27.5、28.3 m。平臺主體與下浮箱之間共有八根伸縮立柱，類似張力腿張力筋腱。伸縮立柱長度為100 m，通過鉸接方式將平臺主體與下浮箱連接。伸縮立柱結(jié)構(gòu)重量為710 t，單根伸縮立柱上端預(yù)張力(水中)為2 103 t。

表2 平臺主尺度參數(shù)

2.2 系泊系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

圖2給出了系泊系統(tǒng)布置示意圖。新型干樹半潛平臺系泊系統(tǒng)由16根(4組×4根)系泊纜組成。相鄰組系泊纜中心的夾角為90°，而同組相鄰系泊纜之間的夾角為5°。表3給出了系泊纜索組成及其屬性參數(shù)。新型干樹半潛平臺系泊纜由底鏈、聚酯纜和船鏈三部分組成。上部船鏈與平臺導(dǎo)纜孔連接，底部底鏈與海底樁基連接，通常采用抗摩擦性能好的錨鏈。中間部分采用質(zhì)量輕、成本低的聚酯纜。系泊系統(tǒng)的預(yù)張力為3 240 kN。

圖2 系泊系統(tǒng)布置示意圖

圖3 外輸系統(tǒng)布置示意圖

表3 系泊纜屬性參數(shù)

2.3 外輸油輪主尺度參數(shù)

新型干樹半潛平臺凝析油采用油輪直接串靠外輸，表4給出了外輸油輪主尺度參數(shù)。外輸油輪垂線間長為120 m，型寬為20.6 m，型深為11.15 m，儲油能力為16 500 m3。表5給出了外輸油輪裝載工況參數(shù)。壓載抵達(dá)工況時，吃水為5.5 m，x軸、y軸、z軸方向的慣性半徑分別為8.2、31.0、31.0 m；滿載駛離工況時，吃水為8.5 m，x軸、y軸、z軸方向的慣性半徑分別為6.1、31.0、31.0 m。

表4 外輸油輪主尺度參數(shù)

表5 外輸油輪裝載工況參數(shù)

2.4 外輸系泊纜參數(shù)

在凝析油外輸作業(yè)時，外輸油輪通過一根外輸系泊纜與新型干樹半潛平臺連接，平臺同外輸油輪之間距離為110 m。外輸系統(tǒng)布置示意圖，如圖3所示。表6給出了外輸系泊纜參數(shù)，它具有非線性剛度特性。表7給出平臺外輸系泊纜需要滿足的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[8]。

表6 外輸系泊纜參數(shù)

表7 外輸系泊纜安全系數(shù)

圖4 環(huán)境條件年分布玫瑰圖

2.5 外輸環(huán)境及計算工況參數(shù)

圖4分別給出了波浪、風(fēng)速、流速的年分布玫瑰圖。從波浪、風(fēng)速方向分布可以發(fā)現(xiàn)二者具有較強(qiáng)的相關(guān)性，主方向?yàn)闁|北方向。流的方向與這兩者基本不具備相關(guān)性。采用JONSWAP譜模擬實(shí)際不規(guī)則波浪，考慮到外輸油輪的作業(yè)概率與環(huán)境條件的方向分布，確定用于外輸作業(yè)分析的環(huán)境條件為：波浪有義波高(Hs)為3.0 m；對應(yīng)譜峰周期(Tp)為9.3 s，波浪譜峰因子取1.4；風(fēng)速(Vw)為13.0 m/s；表面流速(Vc)為0.6 m/s。表8給出了外輸作業(yè)的不同計算工況參數(shù)。假定油輪有拖輪輔助進(jìn)行作業(yè)，拖輪拉力為200 kN，作用方向沿著船體在環(huán)境條件作用下的平均艏向，作業(yè)點(diǎn)為船艉甲板系纜位置，使其不至于因合力方向突然變化而導(dǎo)致油輪與目標(biāo)儲油平臺發(fā)生碰撞。

表8 計算工況參數(shù)

3 數(shù)值計算與分析

采用WAMIT軟件計算由新型干樹半潛平臺和油輪組成的多浮體相互作用的水動力。采用Orcina開發(fā)的Orcaflex動態(tài)分析軟件建立多體外輸耦合系統(tǒng)模型，主要包括：新型干樹半潛平臺、系泊系統(tǒng)、油輪、外輸系泊纜系統(tǒng)。根據(jù)各個計算工況分別對油輪抵達(dá)和油輪駛離進(jìn)行時域耦合分析，每個計算工況進(jìn)行5個不同隨機(jī)波浪種子的時域數(shù)值模擬，取其計算平均值，得到各個計算工況下外輸油輪艏搖運(yùn)動響應(yīng)和外輸系泊纜張力響應(yīng)的計算結(jié)果。

表9給出了外輸油輪抵達(dá)、駛離工況下油輪艏搖運(yùn)動響應(yīng)與外輸系泊纜張力響應(yīng)的計算結(jié)果。可以看出，在工況D時，外輸油輪的艏搖運(yùn)動較為劇烈，最大運(yùn)動幅值為5°。外輸系泊纜在風(fēng)、浪、流共線的工況A最大，最大張力695.6 kN，對應(yīng)安全系數(shù)3.7，能夠滿足規(guī)范要求。在工況B和工況D時，外輸油輪的艏搖運(yùn)動較為劇烈，最大運(yùn)動幅值在5.5°。外輸系泊纜在風(fēng)、浪、流共線的工況A最大，最大張力為668.6 kN，對應(yīng)安全系數(shù)3.9，能夠滿足規(guī)范要求。

表9 油輪抵達(dá)、駛離工況計算結(jié)果

4 結(jié)論

以新型干樹半潛平臺和油輪組成的多體外輸耦合系統(tǒng)為研究對象，采用時域耦合動力響應(yīng)方法分別對油輪抵達(dá)和油輪駛離半潛平臺的外輸作業(yè)進(jìn)行計算分析，探討了不同工況下外輸油輪艏搖運(yùn)動響應(yīng)和外輸系泊纜張力響應(yīng)。研究結(jié)果表明，外輸油輪的艏搖運(yùn)動響應(yīng)在非共線工況較為劇烈，而外輸系泊纜在共線工況最大，對應(yīng)安全系數(shù)能夠滿足規(guī)范要求。該外輸油輪方案可以有效、安全實(shí)現(xiàn)新型干樹半潛平臺凝析油外輸。