新型干樹半潛式平臺運動性能研究*

韓旭亮 謝文會 鄧小康 武 旭

(中海油研究總院有限責任公司 北京 100028)

伴隨著中國首個自營深水氣田——陵水17-2氣田的正式投產，中國南海深水油氣開發的大幕已拉開，預計未來南海深水區將有更多大型氣田發現[1-3]。天然氣開發過程中伴隨有一定數量的凝析油，凝析油問題成為深水氣田開發一大技術瓶頸。目前，國際上典型的深水浮式平臺有TLP(張力腿平臺)、SPAR(深吃水立柱式平臺)、SEMI(半潛式平臺)和FPSO(浮式生產儲卸油裝置)。其中SPAR和TLP可用于干樹開采，但SPAR的組塊安裝需動用大型浮吊、無儲油功能，中國也無SPAR船體建造場地，且安裝成本高；TLP應用水深受限，無儲油能力，承載能力有限；SEMI和FPSO/FLNG(浮式液化天然氣裝置)運動性能較差，且僅適用于濕式開采。半潛式生產平臺建造安裝技術難度相對較小，費用相對較低，但由于其垂蕩性能較差，不能用于干式開采。可見，現有的平臺應用于南海油氣田開發，都存在著各自的制約和弊端。

目前，開發具有干樹開采能力的半潛式平臺成為海洋工程界的研究熱點[4-7]。此類平臺要求垂蕩運動性能優良，且具備生產可靠、運維簡單方便、采收率高等特點。為了經濟有效地開發南海深遠海氣田，迫切需要開發一型能適應于中國南海特殊環境條件，能夠存儲、卸載天然氣開采過程中的凝析油，運動性能優良且能夠實現干樹開采，安全性能良好，符合國內現有建造安裝能力并具有自主知識產權的新型浮式平臺。本文針對新設計研發的一種新型干樹半潛式平臺，介紹了該平臺的基本情況及尺寸參數，并基于三維勢流理論，采用時域耦合計算分析方法，采用數值模擬及模型試驗的手段對該平臺總體性能進行對比研究，為適用于中國南海凝析油天然氣田開發的新型干樹半潛式平臺的研發提供參考。

1 平臺簡介

1.1 平臺概況

所設計的新型干樹半潛式平臺以中國南海某大型氣田開發為目標，具有干式采油(氣)、油氣生產處理、鉆修井等功能。該平臺由上部半潛船體、中間伸縮立柱以及下部浮箱組成，通過中間伸縮立柱連接上部與下部結構(圖1)。伸縮立柱采用類似TLP的筋鍵結構，上端和下端采用柔性接頭與結構物連接。下部浮箱為箱型結構，有抑制垂蕩運動的作用。平臺在建造和拖航時，下部浮箱與上部船體貼合在一起，作為整體進行拖航。到達作業油氣田后，通過調節壓載及伸縮立柱將下部浮箱完全下放。該新型平臺與現有典型深水浮式平臺均不相同，沒有現成的工程或規范可供參考，但可采用現有成熟技術對其進行集成，實現自主建造安裝[8]，運動性能優良[9-10]，較TLP和SPAR有明顯優勢。

圖1 新型干樹半潛式平臺示意圖

該平臺采用分布式系泊系統進行永久錨泊定位，設計了12個頂部張緊立管井槽，布置方式為3×4，槽中心間距6 m。平臺功能參數見表1。

表1 新型干樹半潛式平臺功能參數

平臺所處海域環境條件按南海百年一遇環境參數選取，假設風、浪、流均為同向入射，浪向角分別取0°、22.5°和45.0°等3種工況，風、浪、流具體參數見表2。

表2 環境條件參數

1.2 平臺主尺度參數

平臺的上部設置主甲板和生產甲板，需要較大的甲板面積來布置鉆修井設備、油氣處理設備等，其操作質量為18 148 t。平臺在位吃水36 m，下浮箱吃水140 m。平臺作業載況排水量為130 021 t，立柱高度為57 m，在最大波浪時負責提供足夠的氣隙，初始氣隙高度為21 m。立柱中心間距為65 m。平臺主尺度參數見表3。平臺主體質量為72 150 t，主體中心高度30.78 m，橫搖、縱搖、首搖慣性半徑分別為40.6、40.6、42.0 m。平臺下浮箱為箱型結構，當安裝完成后，下浮箱內灌滿海水，成為永久壓載，且下浮箱內外液面壓力相同，不承受水壓力。下浮箱質量為48 083 t，橫搖、縱搖慣性半徑分別為27.5、28.3 m。平臺主體與下浮箱之間共8根伸縮立柱，類似張力腿張力筋腱。伸縮立柱長100 m，結構質量710 t，單根伸縮立柱上端預張力2 103 t(水中)，通過鉸接方式將平臺主體與下浮箱進行連接。

表3 新型干樹半潛式平臺主尺度參數

1.3 系泊系統設計參數

平臺系泊系統為散布式系泊系統，采用“鏈-纜-鏈”形式，由4組、每組4根，共16根相同的深水系泊纜組成。相鄰組系泊纜間的夾角為90°，每組相鄰系泊纜之間的夾角為5°(圖2)。在設計水深1 500 m條件下，導纜孔與錨泊點的水平距離為1 900 m。系泊纜索組成及其屬性參數見表4。系泊系統的預張力為3 240 kN，約為聚酯纜最大破斷力的13.2%。在計算分析時，取聚酯纜高剛度為687 MN(28 MBL)，低剛度為319 MN(13 MBL)，鋼鏈腐蝕速度0.4 mm/a，設計壽命為30年。

圖2 系泊系統布置示意圖

表4 系泊纜屬性參數

1.4 伸縮立柱設計參數

平臺的伸縮立柱采用張力筋腱形式連接上主體和下浮箱，張力筋腱的結構形式為空心鋼管，上下端為直徑較小的連接件，中間為直徑較大的主體。伸縮立柱的主要設計參數有：伸縮立柱的直徑和壁厚、上下連接方式及長度。張力筋腱管的直徑和壁厚主要根據其結構設計而確定，但需要在目前工業界的制造極限范圍內。伸縮立柱共8根，分成4組，每組2根布置在平臺立柱外側。伸縮立柱長100 m、直徑1 066.8 mm、壁厚43.2 mm。上下連接采用柔性連接，旋轉剛度為非線性，等效為156 kN·m/(°)。伸縮立柱的懸掛點及位置布置見圖3及表5。

圖3 伸縮立柱懸掛點示意圖

表5 伸縮立柱懸掛點位置

2 平臺運動性能研究

2.1 數值計算模型

新型干樹半潛式平臺采用伸縮立柱將上部平臺主體和下浮箱通過柔性連接頭相連，兩者之間具有一定的相互運動情形，在建模計算時將上部平臺主體與下浮箱當作多體系統進行計算分析。基于三維勢流理論方法，采用AQWA軟件建立數值模型(圖4)，計算新型干樹半潛式平臺運動性能。模型濕表面網格寬度設置為2 m，時域計算模擬時間為10 800 s，時間步長為0.2 s。

圖4 新型干樹半潛式平臺數值計算模型

2.2 水池試驗模型

為了測試分析新型干樹半潛式平臺的運動響應、系泊系統張力、伸縮立柱張力和角度等，針對不同海況，開展了平臺運動性能的水池模型試驗研究(圖5)。該試驗在上海交通大學海洋深水試驗池完成。該試驗池由水池主體和一個深井組成，可模擬風、浪、流等各種海況。水池長50 m、寬40 m、整體水深10 m。基于波浪水池試驗規范和實驗室設備能力，試驗模型縮尺比選為1∶60。模型試驗結果可驗證理論分析與數值計算的結果，為實際工程項目提供重要的技術參考和依據。

圖5 新型干樹半潛式平臺水池試驗模型

2.3 運動性能分析

新型干樹半潛式平臺與常規SPAR平臺[11]垂蕩運動RAO對比，如圖6所示。

圖6 新型干樹半潛式平臺與常規SPAR平臺垂蕩運動RAO對比

可以看出，新型干樹半潛式平臺運動性能在波浪主要能量周期內表現優良，優于常規SPAR平臺的運動性能。

采用時域耦合計算分析方法，對南海百年一遇環境條件作用下新型干樹半潛式平臺運動響應、系泊系統張力、伸縮立柱張力和角度分別開展了數值模擬結果和模型試驗結果的對比分析。平臺縱蕩、垂蕩和縱搖運動數值模擬與模型試驗結果對比見表6～7，可以看出，數值模擬結果和模型試驗結果吻合較好。由于風、浪、流環境方向與平臺縱蕩方向一致，故平臺的縱蕩運動最大值出現在工況A中，且平臺縱蕩運動性能指標滿足小于10%的水深要求。平臺的垂蕩運動最大值出現在工況B中，試驗值達到了2.31 m，其他工況下垂蕩運動最大值均保持在2.30 m以內，垂蕩運動的標準差保持在0.50 m以下，說明平臺垂蕩運動具有較好的穩定性，滿足垂蕩運動幅值不大于3.5 m的技術指標要求，可以實現平臺干樹采油。相比而言，平臺縱搖運動變化顯著。在工況A中，平臺縱搖運動最大值達到5.56°。系泊系統張力結果對比見表8，可以看出，系泊系統張力數值模擬結果和模型試驗結果吻合度較好，且在環境工況C中，平臺系泊纜頂端張力最大，對應的最小安全系數為2.08，滿足南海百年一遇極限海況的系泊系統要求[12]。

表6 平臺縱蕩、垂蕩運動結果對比

表7 平臺縱搖運動結果對比

表8 系泊系統張力結果對比

表9給出了百年一遇風、浪、流環境條件下，浪向角分別為0°(工況A)、45°(工況B)時伸縮立柱的張力最大值、最小值的對比結果。可以看出，伸縮立柱張力數值模擬結果與模型試驗結果接近。工況A的第3根伸縮立柱張力最大，計算值為42 022 kN；第8根伸縮立柱張力最小，計算值為927 kN；工況C的第2根伸縮立柱張力最大，計算值為44 898 kN；第3根伸縮立柱張力最小，計算值為2 824 kN。伸縮立柱張力值既滿足工業界實際需要,也滿足API RP 2T規范要求[13]。

表9 伸縮立柱張力對比結果

表10給出了百年一遇風、浪、流環境條件下，0°和45°方向的伸縮立柱頂部轉角極值的對比結果，可以看出，伸縮立柱頂部轉角極值結果與模型試驗結果接近。環境工況A的第1根伸縮立柱轉角最大，為13.52°，其余工況轉角均在12°以下。

表10 伸縮立柱最大轉角對比結果

3 結束語

本文介紹了一種新設計研發的新型干樹半潛式平臺，該平臺采用伸縮立柱的柔性連接將上部主體和下部浮箱相連。它是完全自主設計，運動性能優良，可實現干式開采等功能，為深水油氣田開發提供了非常具有競爭力的模式，特別適合于中國南海惡劣海況、凝析油氣田為主及南海管網相對缺乏等特點，具有良好應用前景。為了進一步推動該平臺的工程實際應用，還需要進行持續性研發，需要在新型干樹半潛式平臺關鍵部件設計準則、制造與材料、工程應用技術體系等方面開展大量的研究工作，從而促進南海深水油氣田高效開發。