圓筒形超深海半潛式鉆井儲(chǔ)油平臺(tái)運(yùn)動(dòng)特性分析

張永康，沈 翰，戴峰澤，倪 濤，莊建軍

(1.東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 211189;2.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013;3.南通中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，江蘇 南通 226006)

據(jù)統(tǒng)計(jì)全球大于900 m水深的海域蘊(yùn)藏著全球90%以上尚未開(kāi)發(fā)的烴類(lèi)資源，海洋油氣總儲(chǔ)量的44%蘊(yùn)藏在大于2000 m的深水區(qū)［1］，因此，深水半潛式鉆井平臺(tái)將作為未來(lái)深水油氣田開(kāi)發(fā)的重要設(shè)備，深水半潛式鉆井平臺(tái)自產(chǎn)生以來(lái)經(jīng)歷了多次技術(shù)革新，現(xiàn)已是第6代，作業(yè)水深達(dá)3000 m，鉆井深度達(dá)12000 m.根據(jù)國(guó)際上流行的淺海和深海的劃分標(biāo)準(zhǔn)，水深小于500 m為淺海，大于500 m為深海，1500 m以上為超深海，第6代半潛式鉆井平臺(tái)達(dá)到了超深海的工作范圍.目前第6代半潛式鉆井平臺(tái)多采用立柱穩(wěn)定式結(jié)構(gòu)，具有代表性的平臺(tái)是GVA 7500平臺(tái)，SEVAN 650平臺(tái)是全球首座圓筒形結(jié)構(gòu)的超深海半潛式鉆井儲(chǔ)油平臺(tái).

海洋平臺(tái)在深水海域作業(yè)時(shí)受到海風(fēng)、海浪和海流等多種海洋環(huán)境載荷作用，產(chǎn)生橫搖、縱搖和垂蕩等運(yùn)動(dòng)，劇烈的運(yùn)動(dòng)嚴(yán)重影響平臺(tái)作業(yè)，甚至?xí)斐善脚_(tái)傾覆，因此設(shè)計(jì)上就要求平臺(tái)具有穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)特性.國(guó)內(nèi)外已有很多關(guān)于平臺(tái)運(yùn)動(dòng)特性的研究，張威等［2］分別采用頻域分析法與時(shí)域分析法對(duì)南海某立柱穩(wěn)定式深水半潛式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比分析了2種方法在深水半潛式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)預(yù)報(bào)結(jié)果上的異同.S.Wu等［3］對(duì)立柱穩(wěn)定式半潛式平臺(tái)錨泊時(shí)受規(guī)則波作用的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，得到了和模型試驗(yàn)結(jié)果一致的數(shù)值模擬結(jié)果.目前，立柱穩(wěn)定式半潛式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性已有較多研究，但未見(jiàn)有關(guān)圓筒形半潛式平臺(tái)的研究文獻(xiàn).

半潛式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)特性的評(píng)估主要依據(jù)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子，平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子越小，平臺(tái)越穩(wěn)定，J.A.van Santen等［4］推導(dǎo)出了近似計(jì)算半潛式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的方程，B.J.Natvig等［5］用理論方法近似描述了規(guī)則波作用下海上結(jié)構(gòu)物線性和非線性運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，但目前計(jì)算海洋平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子多采用海工專(zhuān)業(yè)軟件，如G.Clauss等［6］為研究水深對(duì)半潛式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響，使用WAMIT軟件對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了模擬.M.A.Jordán等［7］為研究半潛式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，使用ANSYS軟件的AQWA模塊對(duì)平臺(tái)的降階模型進(jìn)行計(jì)算分析.V.L.F.Matos等［8］使用WAMIT對(duì)深吃水半潛式平臺(tái)二階諧振運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析.ANSYS的AQWA模塊主要用于結(jié)構(gòu)流體動(dòng)力學(xué)特征的評(píng)估及相關(guān)分析，它是世界3大船級(jí)社(美國(guó)船級(jí)社、英國(guó)勞氏船級(jí)社、挪威船級(jí)社)計(jì)算三維流體動(dòng)力學(xué)的重要工具［9］.ANSYS Workbench將 ANSYS系列產(chǎn)品融合其中，與CAD系統(tǒng)的實(shí)體及曲面模型具有雙向聯(lián)結(jié)，可大幅降低除錯(cuò)時(shí)間，縮短設(shè)計(jì)與分析流程［10］.ANSYS軟件AQWA模塊的部分功能于ANSYS 12.0版本后進(jìn)入ANSYS Workbench平臺(tái)，并分解為Hydrodynamic Diffraction和Hydrodynamic Time Response的2個(gè)模塊，其中Hydrodynamic Diffraction可用來(lái)計(jì)算海洋平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子.

為研究圓筒形半潛式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性，筆者使用Pro/E軟件對(duì)SEVAN 650平臺(tái)和GVA 7500平臺(tái)建模，將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench程序的Hydrodynamic Diffraction模塊，計(jì)算出2座鉆井平臺(tái)風(fēng)暴自存狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子，進(jìn)而對(duì)比分析2座平臺(tái)風(fēng)暴自存狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)特性.分析結(jié)論對(duì)圓筒形半潛式平臺(tái)的設(shè)計(jì)和深海半潛式鉆井平臺(tái)的結(jié)構(gòu)選型具有參考意義.

1 計(jì)算原理

實(shí)際作業(yè)時(shí)，半潛式海洋平臺(tái)始終受隨機(jī)波浪作用，為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)半潛式平臺(tái)風(fēng)暴自存狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)特性，應(yīng)考慮波浪的隨機(jī)特性，需在線性假定下使用頻域方法計(jì)算平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng).利用疊加原理，只要能知道在某一頻域上，海洋平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)這一頻率輸入的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，就可得到以波浪頻率為自變量，海洋平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)為變量的頻率響應(yīng)函數(shù).為此首先要得到輸入與輸出間的關(guān)系，下面是海洋平臺(tái)運(yùn)動(dòng)輸入(波浪干擾力)和輸出(海洋平臺(tái)某一運(yùn)動(dòng)模態(tài)的運(yùn)動(dòng))間的關(guān)系.海洋平臺(tái)作為一個(gè)剛體，有6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，其運(yùn)動(dòng)方程在頻率域內(nèi)可寫(xiě)為

如果設(shè)海洋平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)x(t)與干擾波浪同為角頻率ω的正弦振蕩，則按照正弦運(yùn)動(dòng)的求導(dǎo)法則，有

將這些關(guān)系式代入式(1)中得

式(7)表示方程中矩陣的元素Kkj(ω)是由與海洋平臺(tái)有關(guān)的質(zhì)量系數(shù)Mkj、附加質(zhì)量系數(shù)Akj(ω)及阻尼系數(shù)δkj(ω)等有關(guān)的參數(shù)組成的，它們均為角頻率的函數(shù);而波浪干擾力系數(shù)Fk(ω)則代表單位振幅的角頻率為ω的規(guī)則波，在第k個(gè)運(yùn)動(dòng)模態(tài)內(nèi)的干擾力(力矩)的幅值，所有量均為復(fù)數(shù)，代表角頻率為 ω的振蕩量的復(fù)數(shù)振幅.方程的解X=［x1x2x3x4x5x6］T為海洋平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)向量，可表示為

第k個(gè)運(yùn)動(dòng)模態(tài)的頻率響應(yīng)函數(shù)為

式中:r為波浪振幅，為單位高度，取為1.

頻率響應(yīng)函數(shù)的模為

即運(yùn)動(dòng)振幅與波浪振幅的比值，將其作為海洋平臺(tái)對(duì)應(yīng)于角頻率ω的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子.

在頻域理論的基礎(chǔ)上，利用ANSYS Workbench的Hydrodynamic Diffraction模塊模擬2座平臺(tái)模型在隨機(jī)波浪作用下的運(yùn)動(dòng)特性，可以得到各平臺(tái)模型在相應(yīng)波浪頻率下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子函數(shù)曲線，通過(guò)對(duì)比分析，對(duì)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行評(píng)價(jià).

2 運(yùn)動(dòng)特性分析

SEVAN 650平臺(tái)如圖1所示，總體采用圓筒形構(gòu)造，下部為雙層底，內(nèi)部建造有鉆井、儲(chǔ)油等功能模塊，主體直徑為85 m，主體高度為36.5 m，雙層底直徑為42 m，雙層底高度為3.5 m，生存狀態(tài)吃水為15 m，生存狀態(tài)排水量為49143 t.GVA 7500平臺(tái)如圖2所示，在形式上采用了雙下浮體、4立柱和箱型甲板結(jié)構(gòu)，并使用大翼型橫撐連接雙下浮體，下立柱尺寸為108.80 m×16.00 m×10.24 m，立柱尺寸為16.80 m×14.40 m×23.76 m，雙下浮體中心線距為62.08 m，生存狀態(tài)吃水為19 m，生存狀態(tài)排水量為47650 t.

圖1 SEVAN 650平臺(tái)

圖2 GVA 7500平臺(tái)

2座平臺(tái)主要性能參數(shù)對(duì)比如表1所示，由于采用圓筒形結(jié)構(gòu)形式，SEVAN 650平臺(tái)與GVA 7500平臺(tái)相比有著更大的存儲(chǔ)能力和承載能力.

表1 SEVAN 650平臺(tái)和GVA 7500平臺(tái)主要性能參數(shù)對(duì)比

只考慮波浪載荷對(duì)平臺(tái)的影響，故簡(jiǎn)化平臺(tái)平均吃水線以上部分，用Pro/E軟件對(duì)平臺(tái)建模.建立右手坐標(biāo)系，其中坐標(biāo)系原點(diǎn)為各平臺(tái)的底面和2豎直對(duì)稱(chēng)面的交點(diǎn)，x軸指向平臺(tái)艏部為正，y軸指向平臺(tái)左舷為正，z軸向上為正.半潛式平臺(tái)有6個(gè)自由度，其運(yùn)動(dòng)形式分為2類(lèi):垂直面運(yùn)動(dòng)(垂蕩、橫搖、縱搖)和水平面運(yùn)動(dòng)(縱蕩、橫蕩、艏搖)，根據(jù)所定義的坐標(biāo)系，平臺(tái)在Oxz平面上的搖擺為縱搖運(yùn)動(dòng)，平臺(tái)在Oyz平面上的搖擺為橫搖運(yùn)動(dòng)，平臺(tái)在Oxy面上的搖擺為艏搖運(yùn)動(dòng)，平臺(tái)沿z軸的上下振蕩為垂蕩運(yùn)動(dòng)，平臺(tái)沿x軸前后振蕩為縱蕩運(yùn)動(dòng)，平臺(tái)沿y軸左右振蕩為橫蕩運(yùn)動(dòng).半潛式平臺(tái)垂向運(yùn)動(dòng)往往比較大，因此減小平臺(tái)的垂向運(yùn)動(dòng)是半潛式平臺(tái)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要方面，其中垂蕩對(duì)半潛平臺(tái)的垂向運(yùn)動(dòng)影響最大，但橫搖和縱搖的影響也不可忽視［11］.因此，垂蕩、橫搖、縱搖這3種運(yùn)動(dòng)對(duì)平臺(tái)風(fēng)暴自存狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)特性影響最大，以下將對(duì)2種平臺(tái)的3種運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子進(jìn)行計(jì)算分析.

選擇我國(guó)南海海況作為模擬參數(shù)，南海平均水深為 1212 m，波浪周期為 3.0 ～12.8 s［12］，其中周期為7.0～12.8 s的波浪對(duì)應(yīng)著風(fēng)暴情況下的海浪.使用ANSYS Workbench的Hydrodynamic Diffraction模塊計(jì)算海洋平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子曲線的主要步驟:

1)在Pro/E軟件中建立模型.

2)進(jìn)入 ANSYS Workbench，將 Hydrodynamic Diffraction模塊拖入Project Schematic中，編輯Geometry，將模型沿水線Slice分為上下2部分.

3)在模型中插入質(zhì)量點(diǎn)，定義相關(guān)參數(shù).

4)網(wǎng)格化模型，得到SEVAN 650有4048個(gè)節(jié)點(diǎn)，4048個(gè)單元，GVA 7500平臺(tái)有2848個(gè)節(jié)點(diǎn)，2848個(gè)單元.

5)定義波浪方向的波浪范圍為-180°至180°，插入的周期數(shù)為7，其中x軸方向波浪為艏浪，y軸方向波浪為橫浪，其他方向?yàn)樾崩?定義波浪頻率的類(lèi)型為周期，范圍從5 s到35 s，間隔周期為1 s.

6)在Solution中定義3項(xiàng)RAOs，對(duì)應(yīng)于平臺(tái)垂蕩、橫搖和縱搖的幅值響應(yīng)，運(yùn)算求解.

圖3為2平臺(tái)垂蕩特性曲線.

圖3 垂蕩特性曲線

從圖3可以看出，波浪方向?yàn)樾崩耍琒EVAN 650平臺(tái)垂蕩響應(yīng)固有周期為15 s，GVA 7500平臺(tái)垂蕩響應(yīng)固有周期為26 s，兩者均大于12.8 s，但GVA 7500的垂蕩響應(yīng)固有周期與SEVAN 650相比更加遠(yuǎn)離最大波浪周期，SEVAN 650平臺(tái)的垂蕩響應(yīng)幅峰值大于GVA 7500平臺(tái).2平臺(tái)在10 s時(shí)響應(yīng)幅值大致相同，10 s之前SEVAN 650平臺(tái)垂蕩響應(yīng)幅值小于GVA 7500平臺(tái)，10 s之后SEVAN 650平臺(tái)垂蕩響應(yīng)幅值大于GVA 7500平臺(tái).

圖4為2平臺(tái)橫搖特性曲線，波浪方向?yàn)闄M浪，SEVAN 650平臺(tái)橫搖響應(yīng)的固有周期為15 s，GVA 7500平臺(tái)的橫搖響應(yīng)固有周期為11 s，SEVAN 650平臺(tái)的橫搖響應(yīng)固有周期值在給定的波浪周期范圍外，GVA 7500平臺(tái)的橫搖響應(yīng)固有周期在給定波浪周期范圍內(nèi)，這會(huì)使GVA 7500平臺(tái)發(fā)生共振，增加傾覆危險(xiǎn)，GVA 7500的最大響應(yīng)幅值低于SEVAN 650的值.在波浪周期為7.0～12.8 s的風(fēng)暴情況下，SEVAN 650平臺(tái)的橫搖響應(yīng)幅值小于GVA 7500平臺(tái).在7.0 s之前SEVAN 650平臺(tái)的橫搖響應(yīng)幅值大于GVA 7500平臺(tái).

圖4 橫搖特性曲線

圖5為2平臺(tái)縱搖特性曲線.

圖5 縱搖特性曲線

從圖5可以看出，波浪方向?yàn)轸祭?，SEVAN 650平臺(tái)縱搖響應(yīng)的固有周期為15 s，GVA 7500平臺(tái)縱搖響應(yīng)固有周期為11 s，SEVAN 650平臺(tái)的縱搖響應(yīng)固有周期值在給定波浪周期范圍外，GVA 7500平臺(tái)的縱搖響應(yīng)固有周期在給定波浪周期范圍內(nèi)，這會(huì)使GVA 7500平臺(tái)發(fā)生共振，增加傾覆危險(xiǎn)，SEVAN 650平臺(tái)的最大響應(yīng)幅值大于GVA 7500平臺(tái)最大響應(yīng)幅值.在波浪周期為7.0～12.8 s的風(fēng)暴情況下，SEVAN 650平臺(tái)的縱搖響應(yīng)幅值小于GVA 7500平臺(tái).在7.0 s之前SEVAN 650平臺(tái)的縱搖響應(yīng)幅值大于GVA 7500平臺(tái).

從圖4，5可以看出，2平臺(tái)的最大縱搖響應(yīng)幅值均小于最大橫搖響應(yīng)幅值.綜合圖3-5的分析，可得表2結(jié)論.

表2 不同海況下2種平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值的比較

在風(fēng)暴自存的情況下GVA 7500平臺(tái)的垂蕩性能比SEVAN 650平臺(tái)穩(wěn)定，而在正常作業(yè)海況下SEVAN 650平臺(tái)比GVA 7500平臺(tái)穩(wěn)定.在風(fēng)暴自存的情況下SEVAN 650平臺(tái)的橫搖和縱搖性能比GVA 7500平臺(tái)穩(wěn)定，而在正常作業(yè)海況下 GVA 7500平臺(tái)比SEVAN 650平臺(tái)穩(wěn)定.

3 結(jié)論

垂蕩對(duì)半潛式平臺(tái)的作業(yè)穩(wěn)定性影響最大，根據(jù)模擬結(jié)果，正常作業(yè)情況下適合選用SEVAN 650平臺(tái).橫搖和縱搖性能不足易造成平臺(tái)傾覆，根據(jù)模擬結(jié)果，風(fēng)暴自存情況下適合選用SEVAN 650平臺(tái)，且SEVAN 650平臺(tái)比GVA 7500平臺(tái)有更大的存儲(chǔ)能力和承載能力.綜合來(lái)看，在我國(guó)南海海況下，SEVAN 650圓筒形半潛式平臺(tái)綜合性能優(yōu)于GVA 7500平臺(tái)，但SEVAN 650平臺(tái)在風(fēng)暴情況下的垂蕩響應(yīng)幅值需要進(jìn)一步減小.

References)

［1］楊 進(jìn)，曹式敬.深水石油鉆井技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.石油鉆采工藝，2008，30(2):10-13.Yang Jin，Cao Shijing.Current situation and developing trend of petroleum drilling technologies in deep water［J］.Oil Drilling ＆ Production Technology，2008，30(2):10-13.(in Chinese)

［2］張 威，馮 瑋，謝 彬.深水半潛式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)預(yù)報(bào)方法的對(duì)比分析［J］.中國(guó)海上油氣，2009，21(1):61-64.Zhang Wei，F(xiàn)eng Wei，Xie Bin.Comparative analysis on forecasting procedures of deepwater semi-submersible platform motion-response［J］.China Offshore Oil and Gas，2009，21(1):61-64.(in chinese)

［3］Wu S，Murray J J，Virk G S.The motions and internal forces of a moored semi-submersible in regular waves［J］.Ocean Engineering，1997，24(7):593-603.

［4］van Santen J A.Approximative formulae for calculating the motions of semi-submersibles［J］.Ocean Engineering，1985，12(3):235-252.

［5］Natvig B J，Pendered J W.Motion response of floating structures to regular waves［J］.Applied Ocean Research，1980，2(3):99-106.

［6］Clauss G，Stempinski F，Dudek M，et al.Water depth influence on wave-structure-interaction［J］.Ocean Engineering，2009，36(17/18):1396-1403.

［7］Jordán M A，Beltrán-Aguedo R.Optimal identification of potential-radiation hydrodynamics for moored floating structures:a new general approach in state space［J］.O-cean Engineering，2005，31(14/15):1859-1914.

［8］Matos V L F，Simos A N，Sphaier S H.Second-order resonant heave，roll and pitch motions of a deep-draft semi-submersible:theoretical and experimental results［J］.Ocean Engineering，2011，38(17/18):2227-2243.

［9］鄧文彬.船舶與海洋工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)的領(lǐng)航員AQWA＆ASAS［J］.中國(guó)制造業(yè)信息化，2006(16):58-59.Deng Wenbin.Shipping and marine engineering product design navigator AQWA ＆ ASAS［J］.Manufacture Information Engineering of China，2006(16):58-59.(in Chinese)

［10］王寶貴，張以都.斜齒輪的參數(shù)化建模及接觸有限元分析［J］.裝備制造技術(shù)，2007(12):37-38.Wang Baogui，Zhang Yidu.Parametric modeling of helical gear and contact analysis with FEA［J］.Equipment Manufacturing Technology，2007(12):37-38.(in Chinese)

［11］曾 志.半潛式平臺(tái)氣隙響應(yīng)的預(yù)報(bào)［D］.上海:上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，2009.

［12］孫東昌，潘 斌.海洋自升式移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，2008.