王天英，王樹青

(1. 中石化勝利石油工程有限公司 鉆井工藝研究院，山東 東營 257000; 2. 中國海洋大學 工程學院，山東 青島 266100)

隨著陸上與近海石油資源的日益枯竭，深海資源的開發(fā)成為各國能源領域爭奪的焦點，而深水油氣田的開發(fā)依賴浮式平臺等深水海洋工程裝備。與張力腿平臺(TLP)和立柱式平臺(SPAR)相比較，半潛式平臺具有穩(wěn)性良好、抗風浪能力強、甲板面積大、可變載荷大、適用水深范圍廣等優(yōu)點，是世界上應用最廣泛且最具發(fā)展前途的浮式海洋油氣勘探開發(fā)裝備之一[1]。但傳統(tǒng)的半潛式平臺存在一些不足，如平臺重心相對較高，使得平臺的穩(wěn)性儲備不大；功能不夠全面，尤其是儲油能力不足；垂蕩運動幅度較大，無法支持干式采油樹，導致鉆采作業(yè)操作成本高，作業(yè)效率低等。

針對傳統(tǒng)式半潛平臺的不足，近年來出現(xiàn)了一系列新型半潛式平臺概念[2-7]。典型的有美國FloaTEC公司提出的桁架式半潛平臺(truss semi)和可伸展吃水半潛式平臺(ESEMI)，法國Technip公司提出的展開式半潛式平臺(EDP)，美國SBM Atlantia公司開發(fā)的斜立柱半潛式平臺(FourStar semi)，Mansour和Huang提出的自由懸掛固體壓載艙半潛式平臺(FHS semi)，Atkins公司研發(fā)的成對立柱式半潛平臺概念 (paired-column semi)。這些新型平臺的主要設計目標是減小平臺的垂蕩運動[1]，以使在平臺上布置具有干式采油樹的頂張力立管(TTR)系統(tǒng)成為可能。模型試驗研究發(fā)現(xiàn)，新型半潛式平臺的垂蕩幅值響應算子(RAO)值比傳統(tǒng)半潛式平臺低20%～25%[4]。雖然新型平臺和新的設計技術使傳統(tǒng)半潛式平臺的垂蕩運動性能得到有效改善，但新的問題也隨之而來[1]，如使用長立柱和深吃水引起的渦激振動，縱/橫搖固有周期減小導致的運動性能降低，新結構帶來的結構安全性挑戰(zhàn)，長立柱使得船體碼頭安裝和托航運輸困難，深吃水導致平臺成本急劇上升等。

另外，隨著海洋油氣開發(fā)規(guī)模的不斷擴大，海洋油氣勘探開發(fā)的主戰(zhàn)場已經轉向深海。地質油藏的不確定性和傳統(tǒng)深海油氣開發(fā)設施的高造價決定了深海油氣田開發(fā)的高風險性，尤其在當前油價長期持續(xù)低迷的國際大環(huán)境下，最大限度地提高平臺利用率是有效降低深海油氣勘探開發(fā)成本的關鍵措施。為此，使用多功能平臺已經成為深海油田開發(fā)的最佳選擇。

現(xiàn)有技術的整合是新型海洋工程裝備研發(fā)的一個重要方向。為此，通過克服現(xiàn)有半潛式平臺的不足，并結合自升式平臺甲板可以自由升降的優(yōu)點[8]，研發(fā)了一種自升式半潛多功能平臺[9](jackup combined semisubmersible multifunction platform，簡稱為JCSM)。該平臺可適應干式采油、濕式采油和干濕組合式采油等不同采油模式，同時具有鉆井、早期生產、修井、油氣處理與油氣儲運等多種功能，為未來海洋油氣田開發(fā)提供了一種新的低成本全壽命解決方案。為了驗證JCSM平臺概念的先進性，使用一個工程算例，分析對比了傳統(tǒng)半潛式平臺與JCSM平臺的穩(wěn)性性能與運動性能。

1 JCSM平臺研發(fā)理論基礎

1.1 穩(wěn)性的影響因素

增加穩(wěn)性是增強浮式平臺抗風暴能力，保證平臺安全性的重要一環(huán)。深海惡劣且復雜的海洋環(huán)境條件，要求半潛式平臺安全性能更高，抗風暴能力更強，因此設計時應盡量保障平臺具有較高的安全與穩(wěn)性裕度。

根據(jù)船舶靜水力學理論可知，有很多方法可以用來改進浮體穩(wěn)性。例如，增加浮體的總寬，可以增大浮體的入水和出水楔體的靜矩以及水線面橫向慣性矩，增大浮體的靜穩(wěn)性臂和初穩(wěn)性高，從而提高浮體的穩(wěn)性；盡量加大浮體的型深或適當降低重心，從而獲得更大的靜穩(wěn)性臂、極限靜傾角和穩(wěn)距值，對于改善浮體的穩(wěn)性也非常有效；此外，把水線以上的剖線設計成適當外飄的形狀，可以使大傾角時的回復力矩明顯增大，從而使浮體穩(wěn)性更加優(yōu)良[10]。

1.2 垂蕩運動的影響因素

水動力性能是衡量平臺性能優(yōu)劣的主要指標之一，不僅直接關系到平臺能否安全，而且影響平臺的作業(yè)效率及油田的經濟效益。由于傳統(tǒng)半潛式平臺的垂蕩固有周期在波浪能量集中的周期范圍附近，所以垂蕩運動幅值較大，需要增加升沉補償系統(tǒng)才能達到鉆井操作要求，也不能滿足干式井口對頂張力立管的運動要求。干式井口具有經濟實用、操作和維護方便等優(yōu)越性，只能安裝在垂蕩運動較小的浮式平臺上，因此，如何減小平臺垂蕩運動成為新型平臺能否采用干式井口的關鍵。

忽略垂蕩響應與其它方向上運動的耦合效應，半潛式平臺的垂蕩運動方程可以寫為[11]：

(1)

假設平臺中心處自由液面升高為ζ=ζαsinωt，k為小量，zm為下浮體幾何中心距水線的高度。通過分析計算得到垂蕩位移為：

(2)

式中：B為下浮體的寬度，k為波數(shù)，ωn為垂蕩運動固有頻率。

由式(1)和式(2)可知，平臺垂蕩運動的幅值與波面升高成正比，且隨著zm和B的增大，垂蕩幅值減小。

垂蕩固有周期的公式為：

(3)

由式(3)可知，垂蕩固有周期的主要影響因素為水線面面積和垂蕩附加質量。水線面面積越小，垂蕩附加質量越大，則平臺的垂蕩固有周期越大。另外，增加平臺質量也可以增大垂蕩固有周期，這可通過增大平臺尺度或增加密度大的配重實現(xiàn)，具體設計時需綜合考慮影響因素。

從以上的分析可以看出，在一定海洋環(huán)境條件下，平臺吃水、水線面面積、垂蕩附加質量以及下浮體的寬度是影響平臺垂蕩響應的主要參數(shù)。增加系統(tǒng)的阻尼，增加垂蕩固有周期使之遠離波浪能量范圍，以及減小垂蕩激勵力等均可有效減小平臺垂蕩波頻運動。另外，新型平臺將通過對主體各個細節(jié)的仔細設計來改善平臺的垂蕩性能。例如，把通常垂直的浮體側邊改為相對于浮體中軸線傾斜設計，有助于增大浮體的垂蕩繞射阻尼，從而減小平臺所受垂蕩激勵力，降低垂蕩運動[11]。

1.3 橫搖運動的影響因素

除垂蕩運動外，平臺縱搖與橫搖也是平臺操作性的重要指標。搖動幅值過大會影響生產設施的正常操作、生產原油的質量及人員的居住環(huán)境。

因為浮體在水平面上關于對稱軸對稱，所以這里只研究橫搖的情況。橫搖固有周期的公式為[12]：

(4)

式中：Tn4為橫搖固有周期，Ix為浮體總的橫搖慣性矩，V為排水體積，h為橫穩(wěn)性高，r44是橫搖慣性半徑，A44為橫搖附加質量。

根據(jù)式(4)，對于給定排水量的浮體，有兩個增大橫搖固有周期，改善橫搖運動的方法：增大橫搖慣性矩或減小初穩(wěn)性高。其中，初穩(wěn)性高的作用尤其明顯[12]。但是，減小初穩(wěn)性高又與穩(wěn)性要求相矛盾。因此，設計中有必要運用多學科協(xié)同優(yōu)化原理[13]，統(tǒng)籌調整影響浮體性能的主要設計變量，使浮體既獲得優(yōu)良的穩(wěn)性性能，滿足平臺的抗風暴能力，又具有良好的水動力性能，滿足平臺的操作性要求。

2 JCSM平臺概念及其優(yōu)點

2.1 JCSM平臺概述

針對現(xiàn)有半潛式平臺存在的不足，在對平臺運動性能、穩(wěn)性以及儲油能力等性能指標的影響因素進行詳細地理論分析的基礎上，將自升式平臺與半潛式平臺概念的優(yōu)勢結合在一起，并以平臺綜合性能的提升為目標進行浮體結構的細節(jié)優(yōu)化，提出了一種新穎的自升式半潛多功能平臺，并已獲得國家專利授權[14]。圖1即為所研發(fā)新型平臺JCSM的一個實施例的技術方案。

圖1 JCSM平臺概念示意Fig. 1 Conceptual diagram of JCSM

如圖1所示，自升式半潛多功能平臺包括甲板、浮體和自升式樁腿三部分。其中，甲板為箱體結構的箱型甲板，箱型甲板內部分設多個設備艙室，箱型甲板中央預設有月池；浮體包括1個環(huán)形浮箱(下浮體)和4個或6個對稱布設在環(huán)形浮箱上方外周的外斜立柱；自升式樁腿采用透空桁架結構，起到支撐甲板并且連接浮體的作用。

環(huán)形浮箱的橫截面為方形倒圓角或矩形倒圓角，其外立面上均設有浮箱外伸翼，內部設有包括壓載艙、儲油艙、生產功能艙室、鉆井設備艙室和泵艙。環(huán)形浮箱的部分壓載艙采用永久固定壓載方式，艙內填充重物，保證平臺的浮心高于重心。環(huán)形浮箱的中央預設有中央井，且環(huán)形浮箱的中央井與箱型甲板月池的幾何中心在同一條垂直線上。立柱沿環(huán)形浮箱幾何中心的垂向軸線向外傾斜，且立柱之間通過連接筋相互連接。外斜立柱為中空密封結構，其橫截面為圓形或正多邊形倒圓角，立柱的內部空間分割為若干個水密艙室，立柱的外表面固定連接有螺旋形側板。

平臺根據(jù)工作海域的環(huán)境條件和水深，可選擇錨泊定位、動力定位或組合定位等方式進行定位。

2.2 JCSM平臺的優(yōu)點

多個部件的設計特點與設計細節(jié)的改善使得JCSM平臺具有諸多優(yōu)點，詳述如下。

2.2.1 自升式樁腿

自升式樁腿設計解除了常規(guī)半潛式平臺設計中立柱與上部甲板的強耦合作用[15]。JCSM平臺的甲板由自升式樁腿支撐，不與浮體直接接觸，克服了立柱尺寸和間距對甲板設計的影響。設計者可自行定義甲板尺寸，使甲板面積和形狀設計更好地滿足甲板工藝模塊的操作流程要求，提高平臺作業(yè)效率和上部設施布置的安全性。同樣，上部組塊對浮體設計的限制也較小，立柱尺寸和間距、浮箱的尺寸和形狀等都可進行大范圍的優(yōu)化，從而改善平臺的穩(wěn)性性能和水動力性能。這樣，上部甲板和立柱可以相對獨立地進行設計，更容易實現(xiàn)平臺總體性能的最優(yōu)化設計。

根據(jù)海洋環(huán)境條件和工況及載況的不同，通過甲板與自升式樁腿之間的升降裝置，甲板可以沿自升式樁腿升降，以合理調節(jié)甲板至浮箱之間的樁腿長度，并結合浮箱壓載量的增減，從而達到最優(yōu)化平臺重心高度、排水量、慣性矩和水線面面積的目的，使平臺更好地適應不同海域的作業(yè)條件。

自升式樁腿采用透空桁架結構，可以顯著減少鋼材用量；在海流流速較大的海域，減小水平拖曳力，從而減小平臺運動幅度與系泊力；而且，還可以減小波浪沿樁腿的爬升，有效改善平臺氣隙性能。

拖航或移位作業(yè)時，將甲板沿自升式樁腿下降至靠近環(huán)形浮箱，可盡量降低平臺重心，減小受風面積，提高平臺的拖航穩(wěn)性。到達預定井位后，再將甲板升至半潛吃水的目標位置，然后安裝立管，進行作業(yè)。大大降低了海上安裝的周期和費用。拖航時的JCSM平臺如圖2所示。

2.2.2 外斜立柱

綜上，教堂廣場區(qū)域作為中心區(qū)的廣場空間處于視線聚集性較低的區(qū)域，空間吸引到達的交通潛力較小.而實際調研結果也明顯反應出：雖然天主教堂特殊的文化底蘊吸引游客前來游覽，但當游客來到教堂廣場區(qū)域時，視線集中于教堂之上，在拍照參觀之后一般選擇離開廣場，或在教堂東部的樹蔭下休憩.位于中心區(qū)域的廣場卻常常被人忽視，空間利用率較低.

立柱的外斜設計能夠改善穩(wěn)性、縱/橫搖和垂蕩運動性能，減小渦激振動和降低波浪爬升高度。外斜側面使得水線面處立柱間距較大，因而平臺的水線面慣性矩較大，從而可獲得較大的初穩(wěn)性高度和回復力矩，減小平臺縱/橫搖運動以及系泊系統(tǒng)的受力；相對于浮體中軸線傾斜的立柱增大了浮體的輻射阻尼，增大垂蕩固有周期，進而降低浮體的垂向運動；有效增強浮體繞流的三維效應，抑制渦激振動的產生，減少平臺、系纜、立管等結構的疲勞損壞；減小立柱內側邊波浪的相互干擾和疊加效應，降低波浪爬升高度。

2.2.3 帶外伸翼的環(huán)形浮箱

JCSM平臺的下浮體為寬大的箱形結構，其尖角處設計為倒圓角，可減小波浪的拖曳力。環(huán)形浮箱中的部分壓載艙采用永久固定壓載方式，艙內填充鐵礦砂或其它重物，可顯著降低平臺的重心，保證平臺在任何時刻浮心高于重心，另外配置壓載水艙，用于調節(jié)平臺吃水深度使其達到設計吃水位置，使平臺在服役期間保持較深的吃水狀態(tài)以減小垂蕩激勵力。不僅實現(xiàn)平臺在海洋環(huán)境中的無條件穩(wěn)定，而且密度大的配重增大了垂蕩固有周期，改善了平臺的垂蕩運動性能，克服了傳統(tǒng)半潛式平臺垂蕩幅度大的固有缺陷，從而可以在平臺上配置干式采油系統(tǒng)。

環(huán)形浮箱在外斜立柱的外側有所延伸，形成浮箱外伸翼。浮箱外伸翼增大了艙室容積、排水量和儲油量，使得JCSM平臺較其它新型深吃水半潛平臺吃水深度小而排水量大，不需大型浮吊配合，即可實現(xiàn)海上的簡便安裝。平臺可在碼頭靠泊狀態(tài)下將上部甲板與下部浮體通過樁腿進行整體組裝和調試。

浮箱外伸翼還可兼起到垂蕩板功能，改善平臺的橫/縱搖和垂蕩運動性能。另外，通過內部艙室優(yōu)化設計，將排水量分隔在合理的位置，可以獲得比同等排水量的傳統(tǒng)半潛式平臺更高的附加質量。浮箱外伸翼還增加了可變載荷，使平臺滿足平臺遠海、深水或超深水長時期作業(yè)的自持能力要求。

而且，環(huán)形浮箱作為平臺的整體支撐結構，使平臺下部結構成為一個整體框架結構，將單根立柱遭受的載荷傳遞給平臺整體結構，從而提高平臺整體強度，有效抵抗作用于平臺的環(huán)境載荷；同時，環(huán)形浮箱結構還可有效傳遞由于波浪和平臺不平衡裝載造成的各立柱之間的相互作用力。因此，平臺具有很好的整體結構剛度和強度，可有效降低平臺連接節(jié)點的疲勞熱點應力，減少疲勞破壞，降低焊接、建造工藝難度，改善平臺整體結構的疲勞壽命，提高平臺適應惡劣海洋環(huán)境的能力。

JCSM平臺外形對稱，結構簡潔，設計和建造難度小，尤其適合模塊化設計和建造，從而縮短設計建造工期，降低成本。

3 JCSM平臺總體性能與運動性能分析

3.1 數(shù)值計算模型

JCSM平臺與相應的傳統(tǒng)型半潛平臺和新型深吃水半潛平臺的主要主尺度參數(shù)見表1。上層甲板采用尺寸為90 m×90 m×8 m(長×寬×高)的矩形結構，甲板中間留有橫截面為9 m×42 m的細長型月池，以方便雙鉆井設備通行。上層建筑主要參考已有半潛式平臺的可受風構件，對其加以簡化用于穩(wěn)性計算。立柱尺寸為12 m×12 m×38 m(長×寬×高)，側邊倒角為3 m。立柱的傾斜角度為與z軸正方向成30°夾角。自升式樁腿為橫截面3 m×3 m，高度29 m的桁架結構。下浮箱的內、外邊長分別為60 m和100 m，內、外倒角分別為4 m和5 m，高度為8 m。生存工況下平臺吃水22 m，平臺質量為65 157 t，重心位置為(0 m, 0 m, 22 m)，轉動半徑分別為Rx=44 m，Ry=44 m，Rz=42 m。JCSM平臺的3D模型如圖3所示。

(續(xù)表)

圖3 JCSM平臺的3D模型Fig. 3 3D model of JCSM

3.2 穩(wěn)性

通過固定轉軸法[18]計算了生存工況下JCSM平臺的完整穩(wěn)性，風速為51.5 m/s。生存工況下，將甲板沿自升式樁腿盡量降低，以盡量增大JCSM平臺的穩(wěn)性裕量。圖4為計算所得的完整穩(wěn)性曲線。初穩(wěn)性高為5.12 m，說明平臺有很大的穩(wěn)性儲備；從0°至進水角范圍內的面積比為4.63倍，遠大于移動平臺規(guī)范要求[19]；從正浮至第二交點的所有角度范圍內，復原力臂均為正值。因此，大傾角穩(wěn)性的各項指標表明，JCSM平臺具有很大的穩(wěn)性儲備，在極端海洋環(huán)境條件下安全性優(yōu)良。

圖4 風傾力矩與回復力矩曲線Fig. 4 Heeling moment and restoring moment curve

3.3 垂蕩與橫搖

采用SESAM軟件，通過勢流邊界元方法對平臺整體進行頻域水動力計算，得到自由漂浮狀態(tài)下JCSM平臺6個自由度運動的水動力系數(shù)數(shù)據(jù)庫，包括附加質量系數(shù)、勢流阻尼、運動響應RAO曲線等。JCSM平臺與具有相近浮體特征參數(shù)的傳統(tǒng)半潛式平臺浮體模型的垂蕩運動和橫搖運動RAO曲線對比分析如圖5和圖6所示。

圖5 垂蕩運動RAO曲線Fig. 5 RAO curve of heave motion

圖6 橫搖運動RAO曲線Fig. 6 RAO curve of roll motion

從圖5可知，傳統(tǒng)半潛平臺的垂蕩響應在波浪能量集中范圍內發(fā)生了劇烈變化，而新型深吃水半潛平臺和JCSM在20 s以內的垂蕩運動幅值都比較小且平緩。深吃水半潛平臺與傳統(tǒng)半潛平臺的垂蕩響應峰值相近，約2 m，而JCSM的垂蕩響應峰值明顯小于深吃水半潛平臺與傳統(tǒng)半潛平臺，且JCSM在5～25 s波浪能量集中的周期范圍內，垂蕩響應更加穩(wěn)定和緩，其第一個峰值在28 s處約0.8 m，第二個峰值在39 s處約1.5 m。傳統(tǒng)半潛平臺的垂蕩固有周期為18 s，深吃水半潛平臺的垂蕩固有周期為22 s，JCSM平臺的垂蕩固有周期為39 s。傳統(tǒng)半潛平臺的垂蕩固有周期與波浪譜周期17 s比較接近，容易引起共振響應；深吃水半潛平臺和JCSM平臺的垂蕩固有周期都能遠離最大波浪周期；而JCSM平臺的垂蕩固有周期與現(xiàn)有新型深吃水半潛平臺相比則更加遠離最大波浪周期，處于波浪能量作用范圍之外。垂蕩RAO曲線的對比分析表明，JCSM平臺能顯著改善平臺波頻范圍內的垂蕩運動性能。

從圖6可知，傳統(tǒng)半潛平臺的橫搖響應在波浪能量集中范圍內發(fā)生了劇烈變化，而新型深吃水半潛平臺和JCSM在20 s以內波頻附近的橫搖運動幅值都比較小且平緩。傳統(tǒng)半潛平臺的橫搖響應峰值為1.5°，深吃水半潛平臺為2.3°，JCSM為1.2°?？芍?，深吃水半潛平臺的橫搖最大，操作性能變差；而JCSM的橫搖響應峰值明顯小于深吃水半潛平臺與傳統(tǒng)半潛平臺，且JCSM在5～25 s波浪能量集中的周期范圍內，橫搖響應更加穩(wěn)定和緩，其第一個峰值在10 s處約0.5°，第二個峰值在54 s處約1.2°。傳統(tǒng)半潛平臺的橫搖固有周期為16 s，深吃水半潛平臺的橫搖固有周期為40 s，JCSM平臺的橫搖固有周期為53 s。傳統(tǒng)半潛平臺的橫搖固有周期與波浪譜周期17 s比較接近，存在共振傾覆風險；深吃水半潛平臺和JCSM平臺的橫搖固有周期都能遠離最大波浪周期，遠遠離開了波浪能量作用的范圍。橫搖RAO曲線的對比分析表明，JCSM平臺能顯著改善平臺波頻范圍內的橫搖運動性能。

4 結 語

以技術性、安全性和經濟性優(yōu)越為目標研發(fā)了一種新型半潛式平臺JCSM。所研發(fā)的新型平臺充分利用自升式樁腿的長度調節(jié)功能和由外斜立柱與環(huán)形浮箱共同組成的浮體壓載功能，可根據(jù)工況和海洋環(huán)境條件的不同靈活調節(jié)平臺重心。所研發(fā)的新型平臺穩(wěn)性裕度大，水動力性能優(yōu)越，能夠支持干式采油樹，可變載荷大，儲油能力強，結構型式簡潔，整體結構強度好，建造和安裝的難度降低，同時具有鉆井、修井、采油、生產處理等多重功能，作業(yè)效率高，可用于深水油氣田開發(fā)的整個壽命過程中。平臺綜合性能和利用率的提高可大大降低油田整體開發(fā)成本，獲得較高的油田開發(fā)經濟效益。和常規(guī)的半潛式平臺的穩(wěn)性、垂蕩運動響應和橫搖運動響應進行了詳細比較，結果表明，所研發(fā)的新型平臺JCSM的運動特性優(yōu)越。

JCSM平臺拓展了常規(guī)半潛式平臺的應用范圍，是一種深水油氣田開發(fā)的低成本、全生命周期解決方案，可適應深水復雜環(huán)境條件下的作業(yè)要求，具有重要的工業(yè)化應用價值。在后續(xù)的研究中，為了驗證這種新穎的半潛式平臺在我國南海海域的適用性，仍需對該概念進行穩(wěn)性、時歷運動響應、系泊系統(tǒng)設計以及物理模型試驗等一系列關鍵技術的研究。另外，頻域運動性能分析也發(fā)現(xiàn)，JCSM平臺具有明顯的低頻運動特性，可能給系泊設計帶來挑戰(zhàn)，需要進一步研究。