浮式鉆井生產(chǎn)儲油輪(FDPSO)水動力性能及概念設(shè)計研究.pdf

1、隨著全球能源需求不斷增加，價格不斷上漲，并且陸上油氣資源日漸枯竭，油氣資源勘探開發(fā)不斷向海洋發(fā)展，并逐漸從淺海、半淺海向深海延伸。中國擁有300多萬平方公里的海域，海底蘊藏著豐富的石油和天然氣資源。目前，近海油氣田的開發(fā)已具有一定規(guī)模，深海油田還尚待開發(fā)，深海油氣開采技術(shù)的突破是海洋油氣開采長期戰(zhàn)略的關(guān)鍵因素。
　　傳統(tǒng)的深海油氣開采需要兩套功能獨立的系統(tǒng)，即鉆井系統(tǒng)和生產(chǎn)儲油系統(tǒng)，這不僅投資巨大，更重要的是生產(chǎn)周期較長。浮式鉆井

2、生產(chǎn)儲油輪（Floating, Drilling, production, storage and offloading vessel，簡稱FDPSO）是具備油礦鉆探、原油生產(chǎn)以及儲備等多功能的海洋平臺。FDPSO是在FPSO基礎(chǔ)上配置鉆井設(shè)備發(fā)展而來，既具有FPSO較強的生產(chǎn)儲油特點，又具備鉆探和完井的功能，降低了投資成本，縮短了生產(chǎn)周期，并且具備井口維修時不停產(chǎn)的特點，是近年來新發(fā)展的深海油氣開采裝備，自上世紀(jì)90年代提出之后，引起

3、海洋石油界的廣泛關(guān)注，有很多研究機(jī)構(gòu)對此開展研究，并逐漸有實船建造。目前，全世界已經(jīng)建成的FDPSO總共有兩艘，第一艘是船型 FDPSO，由新加坡吉寶船廠將一艘VLCC改造而成，2009年8月在西非海域正式投產(chǎn)；第二艘是圓筒型FDPSO, SEVAN DRILLER，由南通中遠(yuǎn)船務(wù)建造，于2010年2月，服務(wù)于巴西海域。
　　FDPSO水動力性能及概念設(shè)計研究是目前海洋工程學(xué)科的前沿課題，也是我國南海油氣開采戰(zhàn)略中的重要課題。本論

4、文以FDPSO水動力性能為主要研究內(nèi)容，通過數(shù)值模擬和模型試驗相結(jié)合的方法，對FDPSO船體水動力性能，定位性能，船體與鉆井裝置耦合水動力性能，以及概念設(shè)計等方面開展研究，旨在掌握FDPSO水動力性能和定位技術(shù)主要特征，為中國開發(fā)利用FDPSO系統(tǒng)提供技術(shù)保障。
　　本文首先采用三維頻域勢流理論方法對FDPSO船體水動力性能進(jìn)行頻域分析，計算了FDPSO船體運動幅值響應(yīng)（Response Amplitude Operator，簡稱

5、RAO），研究了FDPSO船體的水動力性能。FDPSO船體具有月池，月池的存在對FDPSO船體水動力性能影響較大。本文計算了不同月池尺寸、位置和不同船體吃水下, FDPSO船體輻射水動力系數(shù)，一階波浪力和二階平均波浪力，研究了FDPSO船體水動力性能隨月池尺寸、位置和船體吃水的變化規(guī)律。
　　基于卡明斯理論，采用頻域轉(zhuǎn)時域的方法，對FDPSO進(jìn)行船體/系泊纜時域耦合數(shù)值分析。計算了多點系泊和內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊定位下FDPSO船體運動性

6、能和系泊纜的張力特性，研究了FDPSO多點系泊和內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)的定位性能。計算了不同海況、不同浪向下多點系泊和單點系泊 FDPSO船體運動性能，研究了FDPSO多點系泊和單點系泊適應(yīng)的極限海況。計算了FDPSO多點系泊不同系泊纜直徑、單位長度重量和軸向剛度下船體運動和系泊纜動力響應(yīng)，研究了這些因素對系泊纜定位性能的影響。
　　采用模型試驗的方法對船型FDPSO，MPF1000的水動力性能及定位性能開展研究，驗證了數(shù)值計算方法的

7、可靠性，并對FDPSO水動力性能及定位性能進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。模型試驗包括靜水衰減試驗，白噪聲試驗和風(fēng)浪流試驗。靜水衰減試驗測量了船體垂蕩、橫搖和縱搖運動固有周期和阻尼特性；白噪聲試驗獲得了不同浪向下船體六自由度運動幅值響應(yīng)（RAO）；風(fēng)浪流試驗研究了FDPSO多點系泊系統(tǒng)在中國南海海域作業(yè)海況和生存海況，不同風(fēng)浪流方向下的定位特性；風(fēng)浪流試驗還研究了FDPSO內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)在中國南海海域作業(yè)海況和生存海況，不同風(fēng)浪流方向下的定位特

8、性。
　　深海鉆井平臺采用升沉補償裝置補償船體的升沉運動，使鉆柱上下往復(fù)運動幅度減小。目前，液壓式升沉補償系統(tǒng)在浮式鉆井平臺上應(yīng)用較廣。但隨著海上油氣開采不斷向深海推進(jìn)，平臺作業(yè)環(huán)境越來越惡劣，升沉運動幅度越來越劇烈，傳統(tǒng)的液壓式升沉補償裝置已不能滿足深海鉆井作業(yè)的需求。FDPSO所采用的升沉補償系統(tǒng)主要有隱藏式立管浮箱（Sheltered Riser Vessel，簡稱SRV）補償系統(tǒng)和張力腿甲板（Tension Leg Dec

9、k，簡稱TLD）補償系統(tǒng)等。
　　采用模型試驗的方法，對FDPSO船體與SRV耦合的水動力性能開展研究。模型試驗包括白噪聲試驗和風(fēng)浪流試驗。白噪聲試驗測量了FDPSO船體和SRV耦合時，船體和SRV的運動幅值響應(yīng)（RAO）；風(fēng)浪流試驗研究了中國南海海域作業(yè)海況下，F(xiàn)DPSO船體的運動特性和SRV的補償性能，驗證了SRV概念在南海海域應(yīng)用的可行性。采用CFD方法對FDPSO船體和SRV耦合水動力性能開展數(shù)值模擬，研究了SRV補償性能

10、，分析了FDPSO和SRV耦合的流場特性。
　　建立了FDPSO船體和TLD耦合頻域水動力性能分析的數(shù)學(xué)模型，開發(fā)了數(shù)值計算程序，計算了船體與TLD甲板運動幅值響應(yīng)，并研究了不同懸掛重物質(zhì)量、立管剛度和系泊纜剛度對船體和TLD甲板垂蕩運動的影響。建立了FDPSO船體和TLD耦合時域水動力性能分析的數(shù)值模型，計算了中國南海海域作業(yè)海況下船體和TLD甲板六自由度運動特性，系泊纜和立管張力等。為了驗證數(shù)值計算方法的精度，采用模型試驗的方

11、法對FDPSO船體和TLD耦合水動力性能開展研究。模型試驗包括白噪聲試驗和風(fēng)浪流試驗。白噪聲試驗測量了FDPSO船體和TLD耦合時，船體和TLD甲板的運動幅值響應(yīng)（RAO），并和頻域數(shù)值模擬結(jié)果比較，驗證頻域方法的可行性；風(fēng)浪流試驗獲得了中國南海海域作業(yè)海況下，F(xiàn)DPSO船體和TLD甲板的運動性能，并和時域耦合結(jié)果比較，驗證時域方法的準(zhǔn)確性，研究了TLD的補償性能以及TLD概念在南海海域應(yīng)用的可行性。
　　針對中國南海海域環(huán)境條件

12、的特點，提出了一種多立柱半潛 FDPSO概念。在對該概念進(jìn)行穩(wěn)性校核的基礎(chǔ)上，采用模型試驗和數(shù)值計算的方法對其水動力性能和定位性能開展研究。模型試驗包括白噪聲試驗和風(fēng)浪流試驗。白噪聲試驗測量了迎浪、斜浪和橫浪下船體運動幅值響應(yīng)；風(fēng)浪流試驗測量了中國南海海域，作業(yè)海況和生存海況下，多點系泊定位船體運動特性。數(shù)值計算包括頻域水動力性能計算和時域船體/系泊纜耦合數(shù)值分析。頻域水動力性能計算獲得了船體水動力系數(shù)、一階和二階波浪力，以及船體運動幅

13、值響應(yīng)，并和白噪聲模型試驗結(jié)果比較，研究了概念設(shè)計FDPSO船體水動力性能。時域水動力性能分析獲得了中國南海海域作業(yè)海況和生存海況下船體運動特性并和風(fēng)浪流試驗結(jié)果比較，研究了概念設(shè)計FDPSO在中國南海海域的定位特性。
　　綜上所述，本文從FDPSO船體水動力性能、定位性能、船體與鉆井裝置耦合水動力性能及概念設(shè)計等方面著手，提出了合理的數(shù)值計算方法和模型試驗步驟，針對中國南海海域環(huán)境條件，深入研究了FDPSO船體水動力性能，定位性