劉 波

(海洋石油工程股份有限公司 天津 300451)

近年來(lái)，圓筒形浮式結(jié)構(gòu)物包括鉆井船以及圓筒形FPSO在海洋油氣開(kāi)發(fā)工程領(lǐng)域得到了較多關(guān)注[1-4]。圓筒形浮式結(jié)構(gòu)為筒形對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其下船體部分為增大直徑延伸結(jié)構(gòu)(本文簡(jiǎn)稱阻尼板)，作用是增加運(yùn)動(dòng)時(shí)附加質(zhì)量與阻尼，抵消惡劣環(huán)境條件下作用在筒體的波浪力，提高自身耐波性。圓筒形浮式平臺(tái)概念結(jié)合了傳統(tǒng)半潛式平臺(tái)與SPAR的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)與船型FPSO相比，省卻了轉(zhuǎn)塔與滑環(huán)，降低了設(shè)施的整體造價(jià)。圓筒形對(duì)稱布置使結(jié)構(gòu)更緊湊，避免了船型FPSO細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)造成柔性總縱變形，其優(yōu)越的運(yùn)動(dòng)性能及船體整體較大的剛度大大降低了上部設(shè)備對(duì)浮體運(yùn)動(dòng)及變形的適應(yīng)要求。圓筒形浮式設(shè)施可以根據(jù)功能需求集鉆修井、生產(chǎn)與儲(chǔ)油等多功能于一體，比半潛式平臺(tái)及TLP具有更大的存儲(chǔ)空間。與SPAR相比較，圓筒形浮式設(shè)施可以在船臺(tái)與船塢建造，且可以整裝后拖航就位安裝，建造安裝更簡(jiǎn)易。

圓筒形浮式結(jié)構(gòu)通常需要采用多點(diǎn)系泊系統(tǒng)，也可以采用多點(diǎn)系泊與動(dòng)力定位系統(tǒng)組合。相對(duì)于單點(diǎn)系泊船型FPSO，圓筒形浮式結(jié)構(gòu)需要抵抗更大的環(huán)境載荷，通常選用聚酯纜作為系泊材料的張緊式系泊。

由于圓筒形浮式結(jié)構(gòu)物具有上述優(yōu)點(diǎn)，且其集鉆修井、生產(chǎn)、儲(chǔ)油和外輸于一體，可以大大降低油氣田尤其是缺少周邊依托平臺(tái)管線等設(shè)施的邊際油田的開(kāi)發(fā)成本。因此，圓筒形浮式結(jié)構(gòu)是否適用于中國(guó)南海深水油氣田的開(kāi)發(fā)，成為近年國(guó)內(nèi)海洋工程界關(guān)注的熱點(diǎn)。本文以專為中國(guó)南海某油田研發(fā)的具有修井功能的圓筒形FWPSO為研究對(duì)象，分析其作業(yè)及生存環(huán)境條件下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，并與水池試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。同時(shí)將圓筒形FWPSO的運(yùn)動(dòng)特性與在中國(guó)南海作業(yè)的船型FPSO以及半潛生產(chǎn)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明圓筒形FWPSO結(jié)構(gòu)形式具有良好的耐波性，作業(yè)及生產(chǎn)工況均能滿足安全要求。

1 圓筒形FWPSO概況

1.1 目標(biāo)油田開(kāi)發(fā)方案

南海某油田水深330 m，共3個(gè)區(qū)塊，區(qū)塊一為老油田，區(qū)塊二、三為新油田。擬采用具有修井、生產(chǎn)、儲(chǔ)油和外輸功能于一體的圓筒形FWPSO，結(jié)合水下設(shè)施進(jìn)行油田整體開(kāi)發(fā)。圓筒形FWPSO設(shè)置在區(qū)塊二上方，在生產(chǎn)期間可以對(duì)其覆蓋的16口油井進(jìn)行修井作業(yè)，區(qū)塊一與區(qū)塊三的物流通過(guò)管線回輸至圓筒形FWPSO，整個(gè)油田開(kāi)發(fā)方案布置如圖1所示。

圖1 南海某油田開(kāi)發(fā)方案布置示意圖Fig.1 Development layout of one oilfield in the South China Sea

1.2 FWPSO設(shè)計(jì)參數(shù)

為南海某油田所設(shè)計(jì)的FWPSO具有生產(chǎn)、存儲(chǔ)、修井以及外輸?shù)墓δ?，其?chǔ)油能力為16.7×104m3，總體形式如圖2所示，主尺度如表1所示。

圖2 南海某油田FWPSO總體形式Fig.2 Integrated structure of the FWPSO for one oilfield in the South China Sea

表1 南海某油田 FWPSO尺度參數(shù)Table 1 Scale parameters of the FWPSO for one oilfield in the South China Sea

FWPSO采用多點(diǎn)系泊系統(tǒng)進(jìn)行定位，系泊系統(tǒng)共3組，組間夾角為120°，每組4根錨纜，每根錨纜之間夾角為2°。錨纜由錨鏈與聚酯纜組合構(gòu)成，錨纜詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 南海某油田FWPSO錨泊系統(tǒng)錨纜參數(shù)Table 2 Parameters of mooring anchor cable of the FWPSO for one oilfield in the South China Sea

聚酯纜特性參考API[5]，剛度采用ABS推薦方法進(jìn)行模擬[6]，用于計(jì)算FWPSO位移的剛度為3.63×105kN·m，用于計(jì)算錨纜載荷的剛度為6.43×105kN·m。百年一遇環(huán)境條件下，滿載吃水系泊系統(tǒng)整體剛度如圖3所示，0°表示一組纜的上風(fēng)向剛度，180°表示一組纜的下風(fēng)向剛度。

圖3 南海某油田FWPSO錨泊系統(tǒng)水平剛度Fig.3 Horizontal stiffness of mooring system for FWPSO for one oilfield in the South China Sea

1.3 FWPSO設(shè)計(jì)環(huán)境條件

FWPSO生存設(shè)計(jì)工況為百年一遇臺(tái)風(fēng)環(huán)境，作業(yè)工況為一年一遇的非臺(tái)風(fēng)環(huán)境，詳細(xì)環(huán)境條件見(jiàn)表3。

表3 南海某油田FWPSO設(shè)計(jì)環(huán)境條件Table 3 Design environment condition of FWPSO for one oilfield in the South China Sea

2 圓筒形FWPSO在南海環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)值分析

2.1 數(shù)值計(jì)算方法及模型建立

采用三維勢(shì)流理論分析FWPSO 自由狀態(tài)下的水動(dòng)力性能和系泊狀態(tài)下風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下的運(yùn)動(dòng)特性和系泊纜張力。采用勢(shì)流理論進(jìn)行計(jì)算時(shí)作以下假設(shè)：浮體在波浪中運(yùn)動(dòng)時(shí)，邊界層不發(fā)生明顯分離，波浪的慣性力和繞射力是主要分量。一般地，引入2個(gè)基本假定：①流體是不可壓縮的理想流體，其表面張力效應(yīng)可忽略不計(jì)；②運(yùn)動(dòng)無(wú)旋。這樣可采用速度勢(shì)的方法來(lái)求解浮體在波浪中的運(yùn)動(dòng)。采用DNV SESAM軟件HydroD模塊[7]進(jìn)行FWPSO水動(dòng)力分析以及運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)，采用DeepC[8]模塊進(jìn)行時(shí)域耦合系泊系統(tǒng)數(shù)值分析。運(yùn)動(dòng)分析的濕表面模型如圖4所示。

圖4 南海某油田FWPSO水動(dòng)力分析用濕表面模型Fig.4 Wet surface model for hydrodynamic analysis of FWPSO for one oilfield in the South China Sea

2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)于FWPSO系泊系統(tǒng)，修井作業(yè)工況要滿足鉆修井作業(yè)的限位需求，生存工況要滿足立管對(duì)FWPSO的限位能力需求，錨泊系統(tǒng)的強(qiáng)度通常由生存工況控制。規(guī)范要求修井作業(yè)鉆桿在水下井口位置偏轉(zhuǎn)角度須小于5°，本項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的FWPSO水平位移量約為28.80 m，模擬分析結(jié)果為22.97 m，對(duì)應(yīng)鉆桿偏移角度為3.98°，小于規(guī)范要求的偏移角度，表明FWPSO可以滿足鉆修井作業(yè)的需求。生存工況下為保證柔性立管在位安全，工程上通常按照20%水深來(lái)限制浮式設(shè)施的水平運(yùn)動(dòng)幅值，本項(xiàng)目限制值約為66.0 m，計(jì)算結(jié)果為52.4 m，表明立管滿足規(guī)范中對(duì)浮體水平運(yùn)動(dòng)幅值的要求，可以保證立管在生存工況下的使用安全。系泊系統(tǒng)強(qiáng)度由生存工況控制，錨纜完整工況與單根錨纜破斷工況的最低安全系數(shù)分別為1.67與1.25，本項(xiàng)目計(jì)算的安全系數(shù)分別為1.69與1.44，均滿足規(guī)范要求。

2.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與水池試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性，開(kāi)展了生存工況下錨鏈完整狀態(tài)的水池試驗(yàn)。數(shù)值計(jì)算與水池試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的FWPSO位移與錨纜張力結(jié)果對(duì)比如圖5所示，可以看出數(shù)值分析所得位移結(jié)果比水池試驗(yàn)所得結(jié)果偏大約7%，錨纜最大張力結(jié)果比水池試驗(yàn)結(jié)果偏大約2%，兩者之間偏差較小，說(shuō)明數(shù)值分析結(jié)果可靠。

圖5 南海某油田FWPSO數(shù)值分析與水池試驗(yàn)所得位移與錨纜張力結(jié)果對(duì)比Fig.5 Results comparison of displacement and cable tension obtained by numerical analysis and pool test of FWPSO for one oilfield in the South China Sea

3 圓筒形FWPSO與中國(guó)南海在役浮式設(shè)施性能對(duì)比

為進(jìn)一步比較幾種典型的浮式結(jié)構(gòu)物在中國(guó)南海環(huán)境條件下的運(yùn)動(dòng)性能，本文選取了服役于南海的船型FPSO[9]和半潛式生產(chǎn)平臺(tái)作為比較對(duì)象，二者的尺寸參數(shù)分別見(jiàn)表4、5。選用相同環(huán)境條件下的生存工況與作業(yè)工況，對(duì)船型FPSO、半潛式生產(chǎn)平臺(tái)和圓筒形FWPSO等3種浮體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析。對(duì)于海洋工程應(yīng)用的浮式結(jié)構(gòu)物，橫搖與垂蕩運(yùn)動(dòng)性能直接影響到設(shè)備設(shè)施的使用安全，因此重點(diǎn)比較浮體的橫搖與垂蕩運(yùn)動(dòng)。

表4 服役于南海的船型FPSO尺度參數(shù)Table 4 Scale parameters of one FPSO severing in the South China Sea

表5 服役于南海的半潛式生產(chǎn)平臺(tái)主尺度Table 5 Scale parameters of one semi-submersible production platform severing in the South China Sea

3種浮式結(jié)構(gòu)物的典型運(yùn)動(dòng)RAO分別如圖6、7所示。對(duì)于3種浮式結(jié)構(gòu)物運(yùn)動(dòng)的模擬分析，橫搖與垂蕩的阻尼均按照各自相應(yīng)的模型試驗(yàn)數(shù)值進(jìn)行設(shè)定，圓筒形FWPSO選用的阻尼為約5%的臨界阻尼，船型FPSO選用的阻尼為約6%的臨界阻尼，半潛式生產(chǎn)平臺(tái)選用的阻尼為約7%的臨界阻尼。從圖6可以看出，船型FPSO橫搖運(yùn)動(dòng)RAO峰值最大，半潛式生產(chǎn)平臺(tái)與圓筒形FWPSO運(yùn)動(dòng)RAO峰值相當(dāng)，圓筒形FWPSO橫搖固有周期最大。從圖7可以看出，3種浮式結(jié)構(gòu)物的垂蕩運(yùn)動(dòng)峰值相當(dāng)，半潛式平臺(tái)與圓筒形FWPSO的垂蕩周期要比船型FPSO大很多。

圖6 FWPSO與南海在役的船型FPSO、半潛式平臺(tái)橫搖運(yùn)動(dòng)RAO對(duì)比Fig.6 Rolling RAO comparison of FWPSO and FPSO,semi-submersible production platform serving in the South China Sea

圖7 FWPSO與南海在役的船型FPSO、半潛式平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)RAO對(duì)比Fig.7 Heaving RAO comparison of FWPSO and FPSO,semi-submersible production platform serving in the South China Sea

3種浮式結(jié)構(gòu)物在設(shè)計(jì)環(huán)境條件下的橫搖與垂蕩響應(yīng)對(duì)比如表6所示。對(duì)于橫搖響應(yīng)，作業(yè)工況下，圓筒形FWPSO橫搖響應(yīng)最小，半潛式生產(chǎn)平臺(tái)與船型FPSO橫搖響應(yīng)相近；生存工況下，圓筒形FWPSO橫搖響應(yīng)最小，半潛式生產(chǎn)平臺(tái)次之，船型FPSO最大。對(duì)于垂蕩響應(yīng)，作業(yè)工況下，圓筒形FWPSO垂蕩響應(yīng)最小，半潛式生產(chǎn)平臺(tái)次之；生存工況下，半潛式生產(chǎn)平臺(tái)垂蕩響應(yīng)最小，圓筒形FWSO次之，船型FPSO最大?？梢?jiàn)，圓筒形FWPSO具有與半潛式生產(chǎn)平臺(tái)相當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)性能，比船型FPSO性能明顯優(yōu)越。

表6 FWPSO與南海在役的FPSO、半潛式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)對(duì)比Table 6 Motion response of FWPSO,FPSO and semi-submersible production platform serving in the South China Sea

4 結(jié)論及建議

針對(duì)圓筒形FWPSO的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)值模擬、水池試驗(yàn)以及和南海在役的船型FPSO、半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)性能對(duì)比結(jié)果表明：采用聚酯纜的多點(diǎn)系泊系統(tǒng)能夠?qū)A筒形FWPSO進(jìn)行安全限位，在作業(yè)工況下的限位能力可以滿足鉆修井的要求，生存工況下能夠保證生產(chǎn)立管的在位安全，系泊系統(tǒng)的強(qiáng)度符合船級(jí)社安全要求；圓筒形FWPSO擁有與具備鉆修井功能的半潛式生產(chǎn)平臺(tái)相當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)性能，且FWPSO作業(yè)工況下的垂蕩與橫搖均比半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的性能更好，采用FWPSO進(jìn)行鉆修井作業(yè)是可行的，且在作業(yè)工況與生存工況下的運(yùn)動(dòng)性能均優(yōu)于船型FPSO。因此，圓筒形FWPSO的系泊系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)性能均具備中國(guó)南海使用的適用性。

由于圓筒形FWPSO設(shè)置上省卻了轉(zhuǎn)塔與滑環(huán)，降低了設(shè)施的整體造價(jià)，同時(shí)可集鉆修井、生產(chǎn)與儲(chǔ)油等多功能于一體，比半潛式生產(chǎn)平臺(tái)、TLP具有更大的存儲(chǔ)空間，比SPAR建造安裝簡(jiǎn)易，因此建議我國(guó)海洋工程界加快圓筒形浮式設(shè)施的研發(fā)，力爭(zhēng)早日在中國(guó)南海實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。