南海张力腿平台优化选型研究

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卢凌
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1 适合南海油气开发的张力腿平台设计研究杨树耕, 李牧 2 (1. 天津大学建筑工程学院, 天津 ;2. 海洋石油工程股份有限公司, 天津 ) 摘要 : 随着全球海洋石油工业不断向深海发展, 我国南海深水油气开发日益受到关注作为适应深海采油的新型平台张力腿平台在国内外深水油气开发中得到广泛应用本论文运用 DNV 开发的 Sesam 水动力软件 Wadam 计算在南海 1500 米水深环境条件下, 横向比较三种型式张力腿平台的运动响应传递函数及波浪长期预报响应幅值, 分析这三种平台各自的运动性能及优缺点从而为我国向南海深水海域开发油气资源选用何种形式张力腿平台提供一定的选型方案, 进而为我国南海深张力腿平台自主研发和结构型式创新提供一定的帮助关键词 : 海洋工程 ; 张力腿平台 ;SESAM 软件 ; 运动响应 Design of Tension Leg Platform SuitableforSouth China Sea YANG Shugeng 1,LI Mu 2 (1.Tianjin University,Tianjin, , China;2.Offshore oil engineering co., LTD., Tianjin, , China) Abstract: With the rapid development of global offshore oil to the deep sea, the exploitation of South China Sea oil and gas has been paid more attention. Therefore as the new deep-sea oil exploited platform Tension Leg Platform (TLP) in the deep water oil and gas development at home and abroad has been widely used. This paper uses the hydrodynamic calculation software Wadam of DNV Sesam to calculate these three TLP s motion response transfer function and long-term prediction of wave amplitude response in the 1,500 meters deep-water of South China Sea to make analysis of their motion performances and compare their advantages and disadvantages. Therefore, we will afford some references for our country to make research independently in the selection and structure innovation of TLP forms in deep water of South China Sea perfectly. Keywords: ocean engineering, TLP, SESAM, motion response 1 引言张力腿平台在二十世纪八十年代初得到蓬勃发展的, 可以看作是带有张力系泊系统的半潜式平台张力腿平台不仅垂荡运动较小, 而且控制方向的张力对非控制方向的运动具有牵制作用, 所以漂移摇摆的幅度也比一般半潜式平台小, 具有波浪中运动性能好, 抵抗恶劣环境能力强的优点因此成为海洋工业深水采油平台的主要形式 1980 年, 国内首先介绍张力腿平台的概念 [1], 张力腿平台在国外尚处于模型试验阶段 1984 年,HUTTON TLP 在欧洲的北海安装成功, 标志着 TLP 技术付诸应用, 并且在 2000 年前后达到顶峰 ( 如图 1 所示 ) 作者简介 : 杨树耕, 男, 就职于天津大学 ; 联系电话 : , sgyang@tju.edu.cn 1

图 1 TLP 平台应用水深的进展在国外深海油田开发中, 采用干式采油树 TLP 平台有逐渐被采用湿式采油树的水下生产系统代替的趋势但是, 基于国内目前的技术水平, 在南海 1500 米以内水深海域, 采用 TLP 平台仍有广阔的前景 [2] 国内对张力腿平台的研究工作也在不断深入, 但截至目前还没有的张力腿平台建成投产,

1 三种型式张力腿平台计算模型之一是传统型式张力腿平台, 如图 2 所示平台上体共分两层甲板, 分别为上甲板和下甲板这两层甲板之间采用舱壁连接平台下体由 4 根圆柱形截面的立柱及水平浮筒组成在立柱底端由 4 组 12 根系索以张紧状态连接立柱与海底基础计算模型之二是延伸式张力腿平台, 如图 3 所示平台上体共分两层甲板,

2 图 1 TLP 平台应用水深的进展在国外深海油田开发中, 采用干式采油树 TLP 平台有逐渐被采用湿式采油树的水下生产系统代替的趋势但是, 基于国内目前的技术水平, 在南海 1500 米以内水深海域, 采用 TLP 平台仍有广阔的前景 [2] 国内对张力腿平台的研究工作也在不断深入, 但截至目前还没有的张力腿平台建成投产, 希望本文的研究能为我国南海深海张力腿平台的结构型式优选以及自主研发型式创新提供一定的帮助 [3] 2 南海张力腿平台结构选型 2.1 三种型式张力腿平台计算模型之一是传统型式张力腿平台, 如图 2 所示平台上体共分两层甲板, 分别为上甲板和下甲板这两层甲板之间采用舱壁连接平台下体由 4 根圆柱形截面的立柱及水平浮筒组成在立柱底端由 4 组 12 根系索以张紧状态连接立柱与海底基础计算模型之二是延伸式张力腿平台, 如图 3 所示平台上体共分两层甲板, 分别为上甲板和下甲板这两层甲板之间采用舱壁连接平台下体由 4 根圆形截面的立柱及水平浮筒组成, 水平浮筒与立柱之间首尾相接形成环状基座结构 ; 在环状基座的四个边角上, 都有一部分浮筒向外延伸形成矩形悬臂梁悬臂梁的顶端装有张力腿装置, 分别与 4 组共 8 根系索连接计算模型之三是海星式张力腿平台, 如图 4 所示平台上体共分两层甲板, 分别为上甲板和下甲板这两层甲板之间采用舱壁连接平台下体则采用单根圆柱型立柱, 在立柱低端与三个呈 120 放射状的水平浮箱连接在水平延伸部分外沿由 3 组 6 根系索以张紧状态连接立柱与海底基础, 上体与下体之间采用导管架的形式连接图 2 传统式张力腿平台有限元模型 2

图 3 延伸式张力腿平台有限元模型图 4 海星式 (Seastar) 张力腿平台有限元模型 3

流等环境载荷联合作用下会产生相对其他 4 个自由度运动分量较大的水平位移 ( 纵荡和横荡 ), 并且是往复运动的,

本文要比较三种型式张力腿平台的固有运动特性, 故在环境因素中只考虑了波浪载荷对平台运动性能的影响,

3 图 3 延伸式张力腿平台有限元模型图 4 海星式 (Seastar) 张力腿平台有限元模型 3 南海三种型式平台运动性能比较作为顺应式平台的 TLP 在深海环境条件下作业, 其在风浪流等环境载荷联合作用下会产生相对其他 4 个自由度运动分量较大的水平位移 ( 纵荡和横荡 ), 并且是往复运动的, 对稳定作业不利因此, 张力腿平台的设计应力求减少其在波浪等环境载荷作用下的水平运动本文要比较三种型式张力腿平台的固有运动特性, 故在环境因素中只考虑了波浪载荷对平台运动性能的影响, 通过平台响应传递函数及运动长期预报响应的比较分析从而评价或选取出运动性能最好的平台结构型式 3.1 三种型式平台动力响应传递函数下图 5 图 10 分别给出了波浪 0 度入射时, 三种型式张力腿平台六个自由度的传递函数图 5 三种型式平台垂荡传递函数幅值 3

4 图 6 三种型式平台纵摇传递函数幅值比较 (m/m) 比较 (rad/m) 图 7 三种型式平台横摇传递函数幅值图 8 三种型式平台纵荡传递函数幅值比较 (rad/m) 比较 (m/m) 图 9 三种型式平台横荡传递函数幅值 4

图 10 三种型式平台首摇传递函数幅值比较 (m/m) 比较 (rad/m) 3.2 三种型式平台动力响应长期预报采用南海某一海域波浪散点图, 对三种不同型式平台在波浪载荷作用下的运动响应进行了长期预报分析表 1 表 12 分别给出了各个平台六个自由度运动分量响应的长期预报值表 1 给定下三种型式平台的垂荡响应长期预报值 (m) 传统式张力腿平台 1.285E-02 2.359E-02 3.

5 图 10 三种型式平台首摇传递函数幅值比较 (m/m) 比较 (rad/m) 3.2 三种型式平台动力响应长期预报采用南海某一海域波浪散点图, 对三种不同型式平台在波浪载荷作用下的运动响应进行了长期预报分析表 1 表 12 分别给出了各个平台六个自由度运动分量响应的长期预报值表 1 给定下三种型式平台的垂荡响应长期预报值 (m) 传统式张力腿平台 1.285E E E E E-02 延伸式张力腿平台 6.151E E E E E-02 海星式张力腿平台 4.069E E E E E-02 表 2 给定下三种型式平台的垂荡响应长期预报值 (m) 传统式张力腿平台 3.658E E E E E-02 延伸式张力腿平台 1.778E E E E E-02 海星式张力腿平台 1.177E E E E E-02 表 3 给定下三种型式平台的纵摇响应长期预报值 (rad) 传统式张力腿平台 1.431E E E E E-04 延伸式张力腿平台 1.163E E E E E-04 海星式张力腿平台 3.217E E E E E-03 表 4 给定下三种型式平台的纵摇响应长期预报值 (rad) 传统式张力腿平台 4.459E E E E E-04 延伸式张力腿平台 3.699E E E E E-04 海星式张力腿平台 1.023E E E E E-03 5

6 表 5 给定下三种型式平台的横摇响应长期预报值 (rad) 传统式张力腿平台 2.247E E E E E-03 延伸式张力腿平台 1.265E E E E E-04 海星式张力腿平台 4.558E E E E E-03 表 6 给定下三种型式平台的横摇响应长期预报值 (rad) 传统式张力腿平台 7.031E E E E E-04 延伸式张力腿平台 3.804E E E E E-04 海星式张力腿平台 1.359E E E E E-03 浪向角度表 7 给定下三种型式平台的纵荡响应长期预报值 (m) 传统式张力腿平台 7.422E E E E E+00 延伸式张力腿平台 7.002E E E E E+00 海星式张力腿平台 1.190E E E E E+00 表 8 给定下三种型式平台的纵荡响应长期预报值 (m) 传统式张力腿平台 2.721E E E E E+00 延伸式张力腿平台 2.760E E E E E+00 海星式张力腿平台 3.998E E E E E+00 表 9 给定下三种型式平台的横荡响应长期预报值 (m) 传统式张力腿平台 8.304E E E E E+00 延伸式张力腿平台 7.903E E E E E+00 海星式张力腿平台 1.314E E E E E+00 表 10 给定下三种型式平台的横荡响应长期预报值 (m) 传统式张力腿平台 2.867E E E E E+00 延伸式张力腿平台 2.915E E E E E+00 海星式张力腿平台 4.188E E E E E+00 6

7 表 11 给定下三种型式平台的首摇响应长期预报值 (rad) 传统式张力腿平台 6.356E E E E E-02 延伸式张力腿平台 5.177E E E E E-02 海星式张力腿平台 3.918E E E E E-02 表 12 给定下三种型式平台的首摇响应长期预报值 (rad) 传统式张力腿平台 1.889E E E E E-02 延伸式张力腿平台 1.456E E E E E-02 海星式张力腿平台 1.204E E E E E-02 4 结论我国南海深水海域蕴藏着丰富的油气资源及其他矿产资源, 张力腿平台的发展及研究工作备受关注本文采用 DNV 开发的 SESAM/WADAM 水动力模块分析了南海 1500m 水深环境条件下, 三种型式张力腿平台的运动响应传递函数及波浪长期响应预报幅值, 比较了三者的运动性能, 从而为我国南海自主研发深海张力腿平台提供一定的帮助通过本论文所做的工作, 得出以下结论 : (1) 通过研究传统式延伸式及海星式三种张力腿平台的运动性能, 表明在南海 1.5 千米作业水深条件下, 这三种平台六个自由度运动分量的响应幅值均能满足钻井作业对浮式海洋平台摇荡运动的要求 (2) 三种型式张力腿平台六个自由度运动分量的响应幅值中, 平台的水平运动 ( 纵荡和横荡 ) 最显著, 且低频波浪引起的运动响应幅值最大, 并随着频率增大而减小 ; 而其余 4 个自由度运动幅值较小, 说明深海张力腿平台拥有很好的耐波性能 (3) 从运动响应传递函数来看, 延伸式张力腿平台的纵荡运动性能优于传统式张力腿平台从长期响应预报统计结果来看, 在给定较大的情况下, 延伸式张力腿平台的运动性能要优于其他两种平台 ; 在给定情况下, 传统张力腿平台的运动性能略优于其他两种型式平台 (4) 海星式张力腿平台的垂荡及首摇运动性能都优于其他两种型式张力腿平台, 延伸式张力腿平台的垂荡运动性能又优于传统式张力腿平台, 而延伸式张力腿平台的纵横摇运动都优于其他两种型式的张力腿平台 ; 垂荡性能的优劣与其主体结构的重量有关 : 海星式最轻, 延伸式其次, 传统式最重综合考虑结构自重造价成本有效承载率等多种因素, 本文建议我国南海深水自主研发张力腿平台结构型式时, 考虑采用延伸式张力腿平台的结构型式, 或者在此基础上向平台主体重量更轻的方向发展参考文献 [1] 廖谟圣. 世界海洋石油钻井技术装备的发展现状和展望 ( 一 )[J]. 国外地质勘探技术,1980,09: [2] 谢彬, 张爱霞, 段梦兰. 中国南海深水油气田开发工程模式及平台选型 [J]. 石油学报,2007,01: [3] 李牧. 南海张力腿平台优化选型研究 [D]. 天津大学,2010. [4] 陈孝建. 南海延伸式张力腿平台设计研究 [D]. 天津大学,2012. [5] 基于非线性耦合法的张力腿平台研究 [D]. 天津大学,2013. [6] 于书铭. 张力腿平台整体式负压基础沉贯及抗拔过程数值分析 [D]. 天津大学,2008. [7] 邹星. 张力腿平台整体式负压基础设计研究 [D]. 天津大学,

8 [8] 张智, 董艳秋, 唐友刚, 崔毅.1990 年后世界 TLP 平台的发展状况 [J]. 中国海洋平台,2004(2):5-11. [9] 于皓, 周延东, 李欣. 张力腿平台的环境载荷及响应 [J]. 中国造船,2007,11, ( 责任编辑刘蕾 ) 8

Microsoft Word - 11-秦华伟.doc

Microsoft Word - 11-秦华伟.doc 热带海洋学报 JOURNAL OF TROPICAL OCEANOGRAPHY 海洋调查与观测仪器 doi:10.3969/j.issn.1009-5470.2013.01.011 2013 年第 32 卷第 1 期 : 76 80 http://www.jto.ac.cn * 应用于龟山岛热液喷口探寻的散射光式水下浊度仪研