深海多立柱半潜浮式钻井生产储油轮概念设计研究

魏跃峰,杨建民,陈 刚,胡志强

(上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海 200240)

深海多立柱半潜浮式钻井生产储油轮概念设计研究

魏跃峰,杨建民,陈 刚,胡志强

(上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海 200240)

浮式钻井生产储油轮(floating,drilling,production,storage and offloading vessel,简称FDPSO)是具备油矿钻探、原油生产以及储备等多功能的海洋平台。对FDPSO概念设计过程做了初步研究,提出深海多立柱半潜FDPSO概念,并对其做了稳性计算、水动力性能分析和系泊系统设计,研究该概念在中国南海海域应用的可行性。

浮式钻井生产储油轮;概念设计;稳性;水动力性能

Abstract:FDPSO isamultifunction floating platform,capableof drilling,production,storage and offloading.Preliminary study on the concept design of FDPSO has beenmade and amulti-column semi-submersible FDPSO concept has been proposed.Stability calculation,hydrodynamic performance analysis and mooring system design have beenmade to validate the feasibility of the concept in the South China Sea.

Key words:FDPSO;concept design;stability;hydrodynamic performance

世界原油总产量的1/4来自海洋,随着人类对能源需求的增加,海上油气开发逐渐向水深500～1 500 m的深水域和水深1 500m以上的超深水域发展[1]。传统的深水(海)油气开采需要两套功能独立的系统,即钻井系统和生产储油系统,这不仅投资巨大,更重要的是生产周期较长。FDPSO是在FPSO基础上配置钻井设备发展而来,既具有FPSO较强的生产储油特点,又具备钻探和完井的功能,降低了投资成本,缩短了生产周期,并且具备井口维修时不停产的特点[2],是近年来快速发展的深水(海)油气开采装备,引起海洋石油界的广泛关注。

目前,全世界已经建成的FDPSO总共有两艘,第一艘是船型FDPSO,由新加坡吉宝船厂将一艘VLCC改造而成,2009年8月在西非海域正式投产[3];第二艘是圆筒型FDPSO(SEVAN DRILLER),由南通中远船务建造,2009年11月交付,服务于墨西哥湾海域。此外,John et al[4]针对西非海域和巴西海域的环境特点,提出了一种半潜型FDPSO概念。这三种型式如图1所示。

船型FDPSO具有储油量大、移动灵活、安装费用低、便于维修与保养等优点,但由于钻井装置的存在,FDPSO不能像FPSO一样具有风标效应,当海洋环境方向变化较频繁时,作业效率较低,且安全性不高。因此,船型FDPSO是否适合在我国南海海域应用,仍在研究之中。圆筒型FDPSO由于其全对称性,作业时不受环境条件方向变化的影响,且建造方便,安装工艺简单,具有较大的可变甲板负载,但由于其水线面面积较大,其垂荡性能不理想,对钻井作业非常不利。半潜型FDPSO由于其水线面面积较小,垂荡固有周期大于波浪周期,运动性能较好。但是,由于其吃水受载重量影响较大,需采用压载水舱来调节吃水变化。半潜型FDPSO运动性能受环境载荷方向影响程度介于船型FDPSO和圆筒型FDPSO之间。

在总结现有FDPSO形式优缺点的基础上,提出了一种新颖的多立柱半潜FDPSO概念,并对该概念进行了稳性计算和水动力性能分析以及系泊系统的设计分析,旨在通过对这三方面的关键性分析,研究这种新颖的FDPSO在我国南海海域适用的可行性。

图1 三种形式的FDPSOFig.1 Three typesof FDPSO

1 FDPSO的主要组成及特点

FDPSO主要由上部甲板模块、船体、钻井模块、定位系统以及立管等组成。

上部甲板模块设有油气生产和污水处理设备、供电供热系统、泥浆循环系统、生产控制系统和生活区、直升机平台等[5]。油气生产设备将原油处理合格后储存于舱内。污水处理设备将生产污水处理后一部分排入海里,一部分作为油田注水的水源。供电供热系统将FDPSO生产过程中分离出来的废气作为燃料进行发电和加热锅炉,锅炉产生的热量供生产流程加热使用。泥浆循环系统位于钻井月池前方,包括泥浆泵、泥浆混合间等,可以连续向钻头提供清洁的泥浆,并对回流的泥浆再处理,使之可以重新利用。生活区为平台上生产操作人员提供办公、生活和休息的场所。直升机平台为海上人员往来和应急之用。

船体部分主要包括储油舱,用于储存处理合格的原油,除此之外,还设有压载水舱、燃油舱、淡水舱、机泵舱、锚链舱以及与生产模块相关的工艺舱等。

钻井模块位于船体中部钻井月池处,由井架、提升、转动、钻杆、隔水管张紧、井控等系统组成。

FDPSO的定位系统可采用动力定位和锚泊定位两种方式。立管包括生产立管和钻井立管两种。

2 FDPSO概念设计

FDPSO是目前世界上最新型的海洋钻采平台,其设计方法还没有直接的规范指导。海洋平台的设计是一个复杂的系统工作,涉及到许多方面的问题,是一个逐步近似,不断调整的过程。参考相关深海平台的设计原理[6-10],结合FDPSO自身的主要特点,提出了FDPSO的设计螺旋曲线,如图2。按照该设计螺旋曲线,提出一种新颖的FDPSO概念,并对其进行了完整稳性和耐波性计算以及系泊方案设计。

2.1 新颖FDPSO的型式及主尺度

结合现有FDPSO平台的特点,提出了一种多立柱半潜FDPSO平台,如图3所示。该半潜式FDPSO下浮体由6个直径完全相同的圆立柱和一个大的圆柱形沉箱组成,平台的浮力由立柱和沉箱提供。沉箱设有储油舱,压载舱等各种舱室。该平台即具有半潜型FDPSO优良的运动性能,又具有圆筒型FDPSO不受浪向影响的优点。为了克服半潜型FDPSO吃水受载重量影响较大的缺点,采用文献[11]中提出的储油方式进行储油,即将石油和水储存在同一个舱室内,由于石油和水密度的不同,石油占据储油舱的上部,而水占据储油舱的下部,当生产时,进入油舱的油将同重量的水,排到甲板上的污水处理模块,经处理确保合格后排出海中,当外输时,输出油的重量由海中的海水进入油舱填补,从而保持该半潜型FDPSO吃水变化很小。该多立柱半潜型FDPSO满足以下设计要求:作业环境为中国南海海域;作业水深1 500 m;储油能力65万bbls;工作年限20年。该多立柱半潜型FDPSO总体布局如图4所示。

图2 FDPSO设计螺旋曲线Fig.2 Design spire of FDPSO

图3 多立柱半潜FDPSO概念Fig.3 Multi-column semi-submersible FDPSO

图4 多立柱半潜型FDPSO总体布局Fig.4 General arrangementofmulti-column semi-submersible FDPSO

依据甲板上各个设备的尺寸及布置,确定甲板尺寸为130m×130m。根据储油能力以及压载舱、淡水舱等各种舱室的舱容,确定沉箱直径100m,高23m,月池直径32 m。考虑到立柱直径对平台稳性以及垂荡自然周期的影响,确定立柱直径20m。根据设计海况分析气隙的结果确定立柱高33m,平台吃水保持在41m。表1给出了FDPSO作业工况下主要模块的重量及重心垂向位置。

表1 平台质量分布Tab.1 Weight distribution of FDPSO

2.2 完整稳性计算

深海浮式平台的稳性在概念上类似于船舶的稳性,但由于平台形状特殊,功能各异,使用工况复杂,长期锚泊在海上受到各种方向风浪的影响,平台稳性同常规船舶相比又有其特殊性[12]。采用NAPA软件对深海多立柱半潜FDPSO进行了完整稳性计算(包括初稳性计算和大倾角稳性计算)。FDPSO平台作业工况下的完整稳性按照CCS《海上移动平台入级与建造规范》(2005版)中对柱稳式平台的相关要求进行校核,计算风速取36m/s(70 kn),校核结果见图5、表2所示。

图5 完整稳性曲线Fig.5 Intact stability curve

表2 完整稳性校核结果Tab.2 Check results of intact stability

2.3 水动力性能分析

FDPSO具有钻井功能,由于钻井作业的要求,平台的运动受到严格的限制。在钻井时,钻杆除受到自身的拉力和旋转的扭矩外,如果平台摇摆,靠近水面的钻杆还要产生弯曲,如果平台漂移,水面和井口处的钻杆也要产生弯曲。平台摇摆和漂移的数值越大,钻杆的弯曲越大,受力越大;钻杆在不断旋转,此应力为交变应力,造成钻杆疲劳破坏。据统计,当平台摇摆角小于2°时,对钻杆寿命无影响,而当摇摆角为5°时,钻杆工作1～2 h就有10%遭到不同程度的破坏。除此之外,较大的摇摆角对钻井工艺操作很不方便[13]。因此,水动力性能分析对FDPSO的概念设计十分重要。

采用三维频域势流理论对FDPSO进行水动力性能分析。流体运动可以由速度势Φ表示,Φ在流体域满足控制方程Laplace方程以及相应的边界条件,从而构成Φ的边界值问题。该边界值问题通过边界元方法,在浮体湿表面上分布源进行求解。求出速度势后可由Bernoulli方程得到作用于浮体表面的波浪力,由平台运动方程可以解出平台六个自由度的运动响应,平台六自由度耦合运动方程:

式中:Mhull表示6×6质量和转动惯量矩阵,μ表示6×6附加质量系数矩阵,λ为6×6辐射阻尼矩阵,Chull代表6×6恢复力系数矩阵,Fwave为6×1一阶波浪力矩阵,x为需要求解的六自由度运动响应[14]。附加质量系数、阻尼以及线性波浪力由WADAM计算。水动力计算模型如图6。

深海多立柱半潜FDPSO垂向运动幅值响应结果见图7。

图7是FDPSO在浪向为0°、30°、60°和90°的垂荡、横摇和纵摇运动幅值响应结果。该多立柱半潜型FDPSO水线面面积较小,垂荡运动固有周期超出了波浪周期范围,在波频运动范围内FDPSO垂荡运动响应较小。另外,横摇和纵摇的幅值响应结果也较小,能够满足平台钻井作业的要求。由于多立柱半潜型FDPSO在结构上的全对称性 ,垂荡运动不受浪向影响 ,并且浪向为 0°、30°、60°、90°时的横摇值分别与浪向为 90°、60°、30°和0°时的纵摇值相同。

图6 深海多立柱半潜FDPSO水动力计算模型Fig.6 Hydrodynamicmodelofmulti-column semi-submersible FDPSO

图7 FDPSO垂向运动幅值响应结果Fig.7 RAO resultsof verticalmotion

2.4 系泊系统设计

FDPSO的定位方式有三种:动力定位、单点锚泊和多点锚泊。根据新颖FDPSO的对称特点,采用多点锚泊方式。根据钻井作业实践总结,浮式钻井平台水平漂移不能超过水深的5%,系泊系统的功能就在于有效地控制平台的水平位移在一个合理的范围内。在设计时系泊系统最大载荷需满足规范要求,API标准规定如下[15]:表3中,安全系数SC表示破断强度与单根系泊缆最大载荷的比值;破坏条件是指极限海况、最危险浪向条件下,载荷最大的单根缆失效时的状况。

为了减轻锚链重量,同时又能够保证足够的刚度,FDPSO的系泊缆一般采用“锚链-钢丝缆-锚链”的组成形式,表4列出了系泊缆的参数。由于该FDPSO的下浮箱是圆柱形,在设计时采用12根系泊缆,分3组,每组4根,同一组内相邻两根系泊缆间夹角5°。图8给出了系泊系统布置的俯视图。

图8 系泊系统布置俯视示意Fig.8 Arrangementofmooring system

表3 API标准规定的锚泊系统Tab.3 APIrecommendations of mooring system

表4 系泊缆参数Tab.4 Mooring line particulars

中国南海荔湾水域百年一遇海洋环境:风速39.0 m/s,表面流速1.95 m/s,波浪采用JONSWAP谱描述,有义波高12.3m,谱峰周期14.6 s,谱峰因子为2。由于该多立柱半潜FDPSO结构上的全对称性,风浪流方向均为180°。采用DNV的SESAM软件的DeepC模块对平台系统进行时域耦合分析,12根锚链张力计算结果如表5。

表5 南海百年一遇海况下系泊缆张力统计结果Tab.5 The statistics of mooring line tension in 100-a storm in South China Sea

2.5 深海多立柱半潜FDPSO运动特征

参考南海半潜式平台981正常钻井作业的工作环境条件:风速23.1 m/s,表面流速0.93 m/s,有义波高6.0m,谱峰周期11.2 s,风、浪、流均为180°。采用DeepC模块对平台进行时域耦合分析。为了尽可能的模拟实际海况,计算时间总长为3 h。

图9描述了深海多立柱半潜FDPSO作业状况下六自由度运动时历。为了比较详细地展示该FDPSO的运动特征,图中时间段选取4 000～8 000 s。从图中可以看出,深海多立柱半潜FDPSO纵荡、横荡和首摇运动中低频慢漂运动占主要成分,而垂荡、横摇和纵摇运动中波频运动明显。深海多立柱半潜FDPSO六自由度运动统计结果如表6。

表6 作业海况下平台运动统计结果Tab.6 Motion statistic of FDPSO in operation condition

从运动计算结果可以看出,平台最大水平运动不超过水深的5%,垂荡运动不超过2m,摇摆最大不超过5°,均满足正常钻井作业要求,因此该系泊系统设计是合理的,并且多立柱半潜FDPSO概念可以应用于中国南海海域。

图9 深海多立柱半潜FDPSO作业状况下六自由度运动时历Fig.9 Pitchmotion in time seriesof FDPSO in operation condition

3 结 语

FDPSO是深海油气开发中的新型设施,对FDPSO概念设计的方法和流程进行初步研究,提出深海多立柱半潜FDPSO概念,并对其进行了稳性计算和水动力性能数值分析以及系泊系统设计,得到如下结论:

1)对深海多立柱半潜FDPSO进行了完整稳性计算,并按照CCS规范中对移动式钻井平台的稳性衡准要求进行校核,该FDPSO概念满足规范中的稳性衡准要求;

2)深海多立柱半潜FDPSO垂荡运动较小,并且不受环境条件方向的变化,满足钻井作业要求;

3)系泊系统设计合理,在该系泊系统下,深海多立柱FDPSO运动幅度满足南海环境条件下钻井和生产作业的要求,因此深海多立柱FDPSO概念在南海海域是可行的;

4)深海多立柱FDPSO水平运动(纵荡、横荡和首摇)中低频慢漂运动占主要成分,垂向运动(垂荡、横摇和首摇)中波频运动明显。

由于目前FDPSO还没有具体的规范和设计方法,此处也只是对其船型概念设计做了初步探讨,有关FDPSO船体与钻井装置耦合的水动力计算、结构分析以及平台安装等很多问题需要进一步解决。

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Research on the concept design for deep-watermulti-column semi-submersible FDPSO

WEIYue-feng,YANGJian-min,CHEN Gang,HU Zhi-qiang
(State Key Laboratory of Ocean Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

P751

A

1005-9865(2011)01-0001-08

2010-07-08

国家科技重大专项资助项目(2008ZX05026-006-01)

魏跃峰(1981-),男,河南禹州人,博士生,主要从事海洋工程水动力性能研究。E-mail:weiyuefeng2005@yahoo.com.cn