何進輝 張海彬 景寶金

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

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浮式鉆井生產儲卸裝置運動性能分析

何進輝 張海彬 景寶金

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

［摘 要］首先介紹了浮式鉆井生產儲卸裝置（FDPSO）設有月池開口的船型特點，為評估月池開口對FDPSO船體運動性能的影響，設計了不同月池尺寸的方案。采用三維勢流理論對不同月池尺寸方案水動力性能進行計算，得到FDPSO船體運動傳遞函數，總結FDPSO船體橫搖和垂蕩運動響應隨月池尺寸變化的規(guī)律，并確定合理的目標FDPSO方案。最后對目標FDPSO方案進行運動性能實例分析，評估目標FDPSO方案的耐波性。

［關鍵詞］浮式鉆井生產儲卸裝置；月池尺寸；運動性能分析

張海彬（1976-），男，博士，研究員，研究方向：海洋工程結構物總體設計。

景寶金（1971-），男，碩士，研究員，研究方向：海洋工程結構物總體設計。

引 言

浮式鉆井生產儲卸裝置（FDPSO，Floating Drilling Production Storage & Offloading）是集油藏鉆探、原油生產、儲存以及外輸等多種功能于一身的新型海洋油氣資源開發(fā)裝備。在傳統(tǒng)油氣田開發(fā)模式中，通常利用鉆井平臺鉆好評價井和生產井之后，再利用生產平臺（如FPSO等）裝備進行油氣開采。FDPSO是在FPSO基礎上配置鉆井設備發(fā)展而成，既具有FPSO較強的生產儲油功能，又具備鉆探和完井的功能；既降低投資成本，縮短生產周期，又具有井口維修不停產的特點［1］。

為滿足鉆井功能，必須在FDPSO船體中央設置一個垂向貫穿船體的月池，下部與外界海水相連，腔內有自由液面。對于月池內的流體，存在著兩類固有振蕩現象：流體沿月池深度方向的“活塞”運動和流體在月池內的“晃蕩”運動［2］。合適的月池尺寸可作為被動式減搖水艙，對船體運動性能具有改善作用；反之，不合適的月池尺寸可能會使得月池內液體運動與船體產生共振，船體運動幅度增大［3］。

劉學勤等人［3］曾對一艘作業(yè)水深1 500 m的鉆井船月池開口對運動性能的影響進行分析，通過有月池和無月池方案對船體橫搖固有周期影響對比分析表明，月池開口的存在使該鉆井船橫搖固有周期減小，橫搖固有周期由無月池方案的18.00 s減小為16.43 s。但是，與鉆井船排水量約40 000～50 000 t不同，FDPSO為滿足儲油要求，通常排水量較大（可達到200 000 t），月池體積占排水量比例較小，月池開口對FDPSO運動的影響規(guī)律會有所不同。

本文采用三維勢流理論，對某型FDPSO不同尺寸月池方案進行水動力性能計算，并與無月池船體運動性能進行對比分析，總結了月池效應對該FDPSO船體運動的橫搖、垂蕩響應及固有周期的影響規(guī)律，進而為確定該FDPSO月池尺寸提供依據。在此基礎上，對目標FDPSO方案的運動性能進行短期預報，評估該FDPSO的運動性能。

1　計算基礎

1.1坐標系定義

水動力計算參考坐標系如圖1所示。該坐標用于定義濕表面模型、質量模型以及運動RAO，原點定于水線面上，波浪從船尾向船首為0°，從右舷向左舷為90°［4］。

圖1　水動力計算參考坐標系

1.2計算方案

一般鉆井平臺上設置的月池尺寸主要根據船型尺度和鉆井作業(yè)設備而定，需要滿足主要鉆井設備如防噴器和采油樹等設備的起升和下放要求。通常月池寬度方向約為8～10 m，長度方向差異較大，較短的月池長度約為15 m，較長的月池長度約可達到40 m，如“海洋石油981”號。為便于研究不同月池尺寸對FDPSO船型運動性能的影響，同時也基本涵蓋鉆井作業(yè)需求，本文考慮選用3個不同月池尺寸方案，分別為8 m×8 m、12 m×12 m、16 m×16 m。通過3個不同月池尺寸方案水動力性能與無月池船體方案的水動力性能對比分析，總結出月池效應隨尺寸變化的規(guī)律。不同月池計算方案如圖2 -圖5所示。曳力、流體的分離或其他原因造成的阻尼，而且很難判斷哪些部分因素是橫搖阻尼的主要因素［5］。HydroStar是基于勢流理論的分析軟件，不能直接計算船體橫搖運動的阻尼，但其提供臨界阻尼系數和阻尼矩陣接口兩種方式將橫搖阻尼的影響加入計算。其中臨界阻尼系數可以根據模型試驗、工程經驗或者直接數據計算求得；阻尼矩陣的數值可通過半經驗公式ITH方法計算求得。ITH方法計算過程比較復雜，文獻［6］中有詳細闡述，本文不再贅述。

圖2　無月池船體方案

圖3　8 m×8 m月池方

圖4　12 m×12 m月池方案

圖5　16 m×16 m月池方案

本文主要研究不同月池尺寸對FDPSO運動性能的影響。為使不同方案運動性能具有可比性，對不同月池尺寸方案取相同的臨界阻尼系數，按照一般工程經驗，將臨界阻尼系數取為3%。

2　月池效應對FDPSO運動性能的影響分析

1.3計算手段

本文的運動性能分析基于BV開發(fā)的商用軟件HydroStar，它基于三維線性勢流理論，能夠完整地求解在有限水深和無限水深條件下波浪繞射和輻射的一階問題，以及浮體有航速或者無航速下的二階低頻波浪載荷傳遞函數QTF。文中采用HydroStar對上述不同月池方案進行計算，得到船體運動的傳遞函數，再通過對傳遞函數的分析，得出月池效應隨月池尺寸變化的規(guī)律。

1.4橫搖阻尼

船體的橫搖阻尼成分較為復雜，如摩擦、拖

浮式平臺的六自由度的運動響應中，以橫搖和垂蕩響應對鉆井作業(yè)影響最大。與縱搖和首搖運動響應相比，橫搖運動響應通常幅度較大，特別是橫浪作用于船體時，如果橫搖運動過大，對平臺上設備作業(yè)產生嚴重影響，甚至可能會發(fā)生隔水管與月池壁碰撞等事故。過大的垂蕩運動響應則會使鉆桿上下往復運動，引起井底鉆壓變化，甚至使鉆頭脫離井底，影響鉆井效率，降低鉆頭和鉆桿壽命。

對于船型浮體，通常橫浪時的橫搖和垂蕩最大。因此，本文主要研究不同月池尺寸方案FDPSO在橫浪作用下的運動響應，其傳遞函數如下頁圖6和圖7所示。

從圖6中可以看出，不同月池尺寸對FDPSO的橫搖運動響應峰值影響不大，橫搖峰值基本都在7.5 °/m左右。但是隨著月池尺寸的增大，能量較為集中的譜峰區(qū)域整體“左移”，即橫搖運動響應固有周期相應減小。與無月池船體相比，3個尺寸的月池開口使船體橫搖固有周期減小，月池效應對船體橫搖固有周期的影響規(guī)律與文獻［3］所述一致。不過，由于該FDPSO排水量和水線面較大，月池體積和月池截面積相對較小，月池開口對FDPSO船體橫搖固有周期的影響比鉆井船小。

圖6　不同月池方案船體在橫浪作用下橫搖運動響應傳遞函數

圖7　不同月池方案船體在橫浪作用下垂蕩運動響應傳遞函數

圖8　不同月池方案船體在45°斜浪作用下縱搖運動響應傳遞函數

通常鉆井作業(yè)海域海況的譜峰周期多分布于10～16 s，位于FDPSO橫搖固有周期“左側”。月池尺寸越大，橫搖運動響應譜峰區(qū)域向波浪譜峰區(qū)域“靠近”，容易形成“共振”，使船體產生較大的橫搖運動。因此，為減少橫搖運動響應值，不宜設置過大的月池尺寸。

由圖7可見，波浪周期在10～32 s的較大范圍內。不同月池方案的船體垂蕩運動響應基本重合，這是由于FDPSO船型水線面較大，月池截面積較小，對垂蕩的影響非常小。波浪周期小于10 s區(qū)域垂蕩運動響應值出現一定差異，但該區(qū)域已經“偏離”垂蕩運動響應譜峰區(qū)域較遠，對垂蕩運動響應短期預報值的影響可忽略不計。

由圖8可見，不同月池方案對船體縱搖運動響應的影響規(guī)律與垂蕩一致。各方案縱搖運動響應基本重合，僅在小于10 s區(qū)域縱搖運動響應有一定差異，但基本上不影響其短期預報值。

橫搖、垂蕩及縱搖的運動響應固有周期如表1所示。

表1　不同月池運動響應固有周期

從表1中也可以看出，橫搖運動響應固有周期隨著月池尺寸的增大而減小，垂蕩和縱搖固有周期對月池尺寸的改變并不敏感。

3　目標方案運動性能分析

3.1目標方案

根據上述分析結果顯示，在滿足鉆井設備布置的前提下，采用較小的月池尺寸可以改善橫搖運動響應預報值，因此目標FDPSO采用8 m×8 m的月池方案。FDPSO其他主尺度如下：垂線間長252.30 m、型寬48.90 m、型深26.70 m、滿載吃水17.80 m、滿載排水量約213 000 t。其濕表面模型如圖9所示。

圖9　目標FDPSO方案濕表面模

3.2短期預報

采用HydroStar對目標FDPSO方案進行水動力分析，獲得運動響應的傳遞函數后，結合FDPSO使用海域的海況資料，采用譜分析方法預報其在不規(guī)則波中的短期響應，包括六自由度的運動響應等。

船體運動響應在短期內可看作一個平穩(wěn)隨機過程，其響應譜可表達為：

大量實踐表明，船體運動幅值的短期響應服從Rayleigh分布。該分布只有方差σ2一個參數，可由響應譜按下式直接得到：

這樣，可獲得船體運動短期預報的各種統(tǒng)計值，包括均值、有義值、十一值等。其中，單幅有義值的表達式為：

此外，可進一步求短期響應的最大值。短期響應最大值與有義值的關系為：

式中：n為該變量的短期循環(huán)次數，對于3小時，其表達式為：

式中：m0和m2分別為響應譜的零階和二階矩。

3.3作業(yè)海域環(huán)境條件

目標FDPSO方案作業(yè)海域為西非，西非海區(qū)的環(huán)境條件特點是涌浪出現概率較高，涌浪與風生浪并存。以一年一遇回歸期的西非海況為作業(yè)海況，結果如表2所示。

表2　作業(yè)海域工況

當涌浪與風生浪疊加時，需采用采用雙峰譜（Ochi-Hubble譜）對其進行描述，其表達式［7］為：

雙峰譜分為兩部分，一部分為低頻部分、另一部分為高頻部分，每部分由3個參數表示，共6個參數（H1、Tp1、λ1、H2、Tp2、λ2）。H1為主涌浪的有義波高，H2為風生浪有義波高。Tp1、Tp2分別為兩部分的譜峰周期。λ1= 3.00，λ2= 1.54e-0.062H。

3.4FDPSO運動性能預報結果

結合目標FDPSO方案的運動響應傳遞函數和目標海域海況的波浪譜，可對目標FDPSO運動響應作短期預報。對于鉆井作業(yè)，運動衡準一般是垂蕩小于2.29 m，橫搖、縱搖小于4°；對于濕樹油氣生產作業(yè)，運動衡準一般是垂蕩小于7.0 m，橫搖、縱搖小于15°。目標FDPSO垂蕩、橫搖及縱搖短期預報值與鉆井運動衡準對比如圖10所示。

圖10　目標FDPSO垂蕩、橫搖及縱搖短期預報值及衡準對

由圖10可見，作業(yè)海況下目標FDPSO整體運動性能優(yōu)良，垂蕩最大響應值為3.436 m，橫搖最大響應值為8.034°，縱搖最大響應值為1.690°。因此，目標FDPSO運動性能可以在360°范圍內滿足濕樹油氣生產作業(yè)的運動衡準。對于鉆井作業(yè)，浪向與船體首向夾角大于45°時，垂蕩響應值和橫搖響應值超出了鉆井作業(yè)運動衡準，因此在鉆井作業(yè)時需要采取首向角限制措施，使船體首向角與浪向角夾角不大于45°。

4　結 論

通過上述計算和分析，可以得出以下結論：

（1）FDPSO船型垂蕩和縱搖運動響應對月池尺寸的變化不敏感，其響應峰值和固有周期基本不隨月池尺寸變化而變化。

（2）FDPSO船型橫搖運動響應峰值對月池尺寸變化不敏感；但其固有周期隨著月池尺寸的增大而減小，且更接近一般作業(yè)海況波浪譜譜峰周期，較大月池尺寸對橫搖運動存在不利影響。

（3）FDPSO排水量和水線面較大，月池開口體積和截面積相對較小，月池開口對FDPSO船體運動性能的影響比鉆井船小。

（4）目標FDPSO方案運動短期預報結果顯示，目標方案垂蕩響應和橫搖響應值較??；采用月池尺寸較小的方案是合理的，可以在全浪向下滿足濕樹油氣生產作業(yè)的運動要求；但為滿足鉆井作業(yè)時的運動要求，則需采取一定的首向限制措施。

［參考文獻］

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［3］ 劉學勤，張海彬.深水鉆井船運動性能分析［J］.船舶，2013（3）：13-15.

［4］ BV. Hydrostar for Experts User Manual［R］. 2010：5.

［5］ 何進輝，張海彬.某單點系泊FPSO運動性能計算分析［J］.船舶，2014（3）：7-13.

［6］ Ikeda Y， Tanaka N， Himeno Y. A Prediction Method for Ship Roll Damping［R］. Report of University of Osaka. 1978.

［7］ 中國船舶工業(yè)集團公司.船舶設計實用手冊（總體分冊）［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1998.

Motions analysis of floating drilling production storage & offloading

HE Jin-hui ZHANG Hai-bin JING Bao-jin
（Marine Design & Research Institute of China， Shanghai 200011， China）

Abstract：At first， the characteristics of a floating drilling production storage& offloading（FDPSO） with a moonpool in the middle of the hull are introduced. Different moonpool sizes are designed to study the effect of moonpool on the motion of FDPSO. By three-dimensional potential theory， the motion response amplitude operator （RAO） of FDPSO with different moonpool sizes is then calculated to obtain the variation of roll and heave responses with the moonpool size， resulting in a reasonable target scheme of FDPSP. Finally， the motion of the target FDPSO scheme is analyzed for the evaluation of seakeeping performance.

Keywords：floating drilling production storage& offloading （FDPSO）； moonpool size； motions analysis

［中圖分類號］U661.32

［文獻標志碼］A

［文章編號］1001-9855（2016）03-0015-06

［收稿日期］2015-08-24；［修回日期］2015-10-10

［作者簡介］何進輝（1986-），男，碩士，工程師，研究方向：海洋工程結構物總體設計。