楊 光， 劉旭平， 楊小龍， 董寶輝， 毛程亮

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300461)

0 引 言

隨著海上油氣勘探和開(kāi)采技術(shù)不斷進(jìn)步，海洋油氣生產(chǎn)設(shè)施的可適應(yīng)水深不斷增加。深水海洋浮式生產(chǎn)設(shè)施常用的定位方式為系泊定位系統(tǒng)和動(dòng)力定位系統(tǒng)。系泊系統(tǒng)具有投資相對(duì)較少、使用可靠性較高、經(jīng)驗(yàn)相對(duì)成熟的優(yōu)勢(shì)，是業(yè)界優(yōu)先考慮的定位系統(tǒng)，并廣泛應(yīng)用于深水海洋浮式平臺(tái)。深水系泊系統(tǒng)在整個(gè)工程投資中占比較大，是深水海洋浮式平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)的研究重點(diǎn)。

深水海洋浮式平臺(tái)服役期一般為25 a，其間可能遭遇惡劣海況，系泊系統(tǒng)是其生存的重要保證。深水系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作可分為數(shù)值設(shè)計(jì)和模型驗(yàn)證兩大塊。國(guó)際通用的計(jì)算軟件可計(jì)算海洋平臺(tái)在特定海況下的運(yùn)動(dòng)和受力情況，并且大多數(shù)情況的計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果比較吻合。工業(yè)界認(rèn)為設(shè)計(jì)方案需要通過(guò)物理模型的驗(yàn)證才較為可靠，并以此作為最終設(shè)計(jì)、建造的依據(jù)[1]。

1 水深截?cái)嗄Ｐ驮囼?yàn)方法

面對(duì)海洋平臺(tái)作業(yè)水深的不斷增加，在現(xiàn)有水池尺度確定的情況下，若按照全水深模擬深水作業(yè)海況，則選用的縮尺比會(huì)較小，試驗(yàn)結(jié)果的精度難以保證。為避免縮尺比過(guò)小帶來(lái)的弊端，一般可選取水深截?cái)嗄Ｐ驮囼?yàn)方法。

早期發(fā)展的被動(dòng)式混合模型試驗(yàn)僅進(jìn)行水深截?cái)嘞到y(tǒng)的等效設(shè)計(jì)和水深截?cái)嗟哪Ｐ驮囼?yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果直接預(yù)測(cè)實(shí)際海洋平臺(tái)的水動(dòng)力性能。但是，若水深急劇增加，則水深截?cái)嗯c全水深的差別越來(lái)越大，試驗(yàn)結(jié)果不一定可靠。為盡可能減小差異，國(guó)際拖曳水池會(huì)議(ITTC)提出在截?cái)嗄Ｐ驮囼?yàn)的基礎(chǔ)上，采用時(shí)域耦合數(shù)值計(jì)算軟件，引入后處理數(shù)值計(jì)算過(guò)程，包括數(shù)值重構(gòu)計(jì)算和數(shù)值外推計(jì)算[2]。水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)設(shè)計(jì)流程

2 水深截?cái)嗄Ｐ蛥?shù)

2.1 目標(biāo)平臺(tái)、環(huán)境條件及系泊系統(tǒng)

以某深水海洋半潛式鉆井平臺(tái)為例，環(huán)境水深為1 500 m。表1為該平臺(tái)的主要環(huán)境參數(shù)。船型為雙浮體、四立柱、箱型封閉式平臺(tái)，對(duì)稱于中縱剖面及中橫剖面。平臺(tái)主尺度：主船體為74.42 m×74.42 m×8.60 m；立柱為17.40 m×17.40 m×21.46 m；浮箱為114.00 m×20.12 m×8.54 m；浮箱間距為58.60 m；主甲板高度為38.60 m；井架為70.00 m。

表1 某半潛式平臺(tái)主要環(huán)境參數(shù)

該平臺(tái)全水深系泊系統(tǒng)采用12根組合式錨索，錨纜采用鏈-纜-鏈組合形式，預(yù)張力為1.5 MN。與平臺(tái)連接段為直徑84 mm的R5有檔錨鏈，中間段為直徑89 mm的鋼絲繩，與錨連接段同樣為直徑84 mm的R5有檔錨鏈。全水深錨纜主要參數(shù)如表2所示。系泊布置及環(huán)境力方向如圖2所示。

表2 全水深錨纜主要參數(shù)

圖2 系泊布置及環(huán)境力方向

2.2 600 m等效水深截?cái)嗟南挡丛O(shè)計(jì)

綜合考慮水池模型試驗(yàn)的縮尺比定為1︰60，水深截?cái)酁?0 m，相應(yīng)于目標(biāo)平臺(tái)水深截?cái)酁?00 m的模型試驗(yàn)。根據(jù)相應(yīng)等效截?cái)嘣瓌t[3]，得到等效水深截?cái)噱^纜參數(shù)，如表3所示。

表3 600 m等效水深截?cái)噱^纜參數(shù)

3 數(shù)值計(jì)算分析

3.1 數(shù)值重構(gòu)的計(jì)算模型

對(duì)于深水系泊系統(tǒng)計(jì)算分析，已有一些較成熟的專業(yè)軟件可應(yīng)用。由挪威船級(jí)社(DNV)出品的船舶與海洋結(jié)構(gòu)物分析軟件SESAM功能強(qiáng)大，HydroD模塊可用于平臺(tái)水動(dòng)力的分析模擬，Deep C模塊專門(mén)針對(duì)平臺(tái)及錨系的耦合問(wèn)題進(jìn)行求解，被證明分析結(jié)果可信度較高[4]。采用該軟件作為計(jì)算分析工具。

應(yīng)用軟件建立目標(biāo)平臺(tái)在600 m工作水深下的水動(dòng)力模型(見(jiàn)圖3)，包括平臺(tái)的濕表面模型和質(zhì)量模型。通過(guò)軟件求解得到平臺(tái)在單位波高下的頻域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和附加質(zhì)量、阻尼系數(shù)等水動(dòng)力參數(shù)。根據(jù)頻域分析結(jié)果，通過(guò)系泊纜數(shù)值模擬，以截?cái)嗄Ｐ退卦囼?yàn)特征值作為調(diào)整目標(biāo)，調(diào)整目標(biāo)平臺(tái)或系泊纜的水動(dòng)力參數(shù)，反復(fù)試算，最終使目標(biāo)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)和受力等數(shù)值重構(gòu)的計(jì)算結(jié)果與截?cái)嘣囼?yàn)結(jié)果基本一致。圖4為水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)模型。

圖3 目標(biāo)平臺(tái)600 m工作水深的水動(dòng)力模型

圖4 水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)模型

3.2 截?cái)嗄Ｐ驮囼?yàn)與數(shù)值重構(gòu)對(duì)比分析

應(yīng)用軟件對(duì)目標(biāo)平臺(tái)的水動(dòng)力模型進(jìn)行求解，求得平臺(tái)在單位波高下的頻域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和附加質(zhì)量、阻尼系數(shù)等水動(dòng)力參數(shù)。利用頻域分析結(jié)果對(duì)目標(biāo)平臺(tái)及其系泊系統(tǒng)進(jìn)行非線性時(shí)域耦合分析。圖5和圖6為目標(biāo)平臺(tái)在作業(yè)工況和生存工況下180°環(huán)境力方向主要運(yùn)動(dòng)響應(yīng)(縱蕩、垂蕩、縱搖)的對(duì)比數(shù)據(jù)。由圖5和圖6可知：截?cái)嘣囼?yàn)與數(shù)值重構(gòu)模型的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)趨勢(shì)及幅值吻合較好；在波頻范圍內(nèi)，垂蕩運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)峰值出現(xiàn)在21.0 s左右；縱搖運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)幅值較小，峰值出現(xiàn)在12.0 s左右。

圖5 在作業(yè)工況下180°環(huán)境力方向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

圖6 在生存工況下180°環(huán)境力方向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

圖7和圖8分別為目標(biāo)平臺(tái)在作業(yè)工況和生存工況下180°環(huán)境力方向系泊系統(tǒng)的水平回復(fù)力特性曲線。

圖7 在作業(yè)工況下180°環(huán)境力方向系泊系統(tǒng)的水平回復(fù)力特性曲線

圖8 在生存工況下180°環(huán)境力方向系泊系統(tǒng)的水平回復(fù)力特性曲線

由圖7和圖8可知：在作業(yè)工況下，當(dāng)水平回復(fù)力小于5 000 kN時(shí)3組系統(tǒng)的水平位移相近，當(dāng)水平回復(fù)力超過(guò)5 000 kN時(shí)全水深的水平位移稍大；類似規(guī)律也出現(xiàn)在生存工況下。

表4為目標(biāo)平臺(tái)在作業(yè)工況下截?cái)嘣囼?yàn)與數(shù)值重構(gòu)的縱蕩、橫蕩、垂蕩等3個(gè)主要運(yùn)動(dòng)的固有周期和阻尼系數(shù)，數(shù)據(jù)顯示截?cái)嘣囼?yàn)與數(shù)值重構(gòu)的系泊系統(tǒng)固有周期比較吻合。

表4 在作業(yè)工況下平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的固有周期和阻尼系數(shù)

表5列出目標(biāo)平臺(tái)在作業(yè)工況下各環(huán)境力方向(180°、135°、90°)截?cái)嘣囼?yàn)與數(shù)值重構(gòu)的水平位移數(shù)據(jù)。平臺(tái)位移的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)值大多吻合，但90°環(huán)境力方向縱蕩和180°環(huán)境力方向橫蕩的計(jì)算結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果小很多，原因在于在試驗(yàn)時(shí)風(fēng)浪流方向可能存在少許偏差。

表5 在作業(yè)工況下平臺(tái)各環(huán)境力方向的水平位移數(shù)據(jù)

表6列出目標(biāo)平臺(tái)在生存工況下各環(huán)境力方向(180°、135°、90°)受力最大錨纜的受力數(shù)據(jù)。計(jì)算結(jié)果的平均值和最大值均與試驗(yàn)結(jié)果吻合，標(biāo)準(zhǔn)差與試驗(yàn)結(jié)果大多吻合。

表6 在生存工況下平臺(tái)各環(huán)境力方向受力最大錨纜的受力數(shù)據(jù)

對(duì)目標(biāo)平臺(tái)水動(dòng)力特性、系泊系統(tǒng)回復(fù)力特性、目標(biāo)平臺(tái)位移和受力進(jìn)行分析比較，數(shù)值重構(gòu)計(jì)算結(jié)果與截?cái)嘣囼?yàn)測(cè)量結(jié)果基本一致，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的水動(dòng)力參數(shù)可用于全水深系統(tǒng)的數(shù)值外推。

3.3 全水深數(shù)值外推計(jì)算結(jié)果

全水深系統(tǒng)的數(shù)值外推基本考慮：在水深截?cái)嗄Ｐ驮囼?yàn)與數(shù)值重構(gòu)的數(shù)值對(duì)比結(jié)果基本一致的前

提下，采用同樣的時(shí)域分析軟件建立全水深的平臺(tái)和系泊纜模型，輸入校正過(guò)的水動(dòng)力參數(shù)。已得到全水深數(shù)值結(jié)果目標(biāo)平臺(tái)全水深系統(tǒng)的數(shù)值外插計(jì)算與水深截?cái)嘞到y(tǒng)的數(shù)值重構(gòu)類似，也使用DNV的SESAM軟件，采用耦合分析方法。全水深計(jì)算結(jié)果如表7和表8所示。在作業(yè)工況下、180°環(huán)境力方向上平臺(tái)水平偏移最大，為74.6 m，與作業(yè)水深的偏移比為4.97%；在135°環(huán)境力方向上系泊纜受力達(dá)到最大，為3 387.45 kN，安全因數(shù)為2.48。水平偏移與系泊纜最大受力均滿足美國(guó)石油協(xié)會(huì)(API)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定[5]。在生存工況下、135°環(huán)境力方向上系泊纜受力最大，為3 779.59 kN，安全因數(shù)為2.23，滿足API規(guī)范的相關(guān)規(guī)定[5]。

表7 在作業(yè)工況下位移和系泊纜受力數(shù)據(jù)

表8 在生存工況下系泊纜受力數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

以工作水深為1 500 m的某深水海洋半潛式鉆井平臺(tái)為目標(biāo)平臺(tái)，根據(jù)其600 m等效水深截?cái)嘣囼?yàn)結(jié)果，對(duì)其進(jìn)行數(shù)值重構(gòu)對(duì)比分析，驗(yàn)證水動(dòng)力參數(shù)，對(duì)其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估，結(jié)論如下：

(1) 600 m等效水深截?cái)嗫奢^好地模擬1 500 m全水深系泊系統(tǒng)的水動(dòng)力特性，如回復(fù)力剛度、固有周期等。

(2) 通過(guò)調(diào)整水動(dòng)力參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)值重構(gòu)計(jì)算結(jié)果與截?cái)嘣囼?yàn)結(jié)果基本一致。

(3) 經(jīng)數(shù)值重構(gòu)得到的水動(dòng)力參數(shù)可作為深水海洋浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)及系泊系統(tǒng)計(jì)算分析的依據(jù)。

(4) 基于等效水深截?cái)嗟南挡聪到y(tǒng)設(shè)計(jì)方法滿足工程要求，可用于深水系泊系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)。