一种新型干树式半潜平台设计

纪亨腾，冉志煌，叶 伟，李建勋，李国杰，唐修俊，王中念，吴洪武

(1. 深圳深德海洋工程有限公司，广东 深圳 518067; 2. 三一海洋重工研究院，广东 珠海 519055)

一种新型干树式半潜平台设计

纪亨腾1，冉志煌1，叶 伟1，李建勋1，李国杰2，唐修俊2，王中念2，吴洪武2

(1. 深圳深德海洋工程有限公司，广东 深圳 518067; 2. 三一海洋重工研究院，广东 珠海 519055)

开发了一种新型的深吃水干树式半潜生产平台(TCDD-Semi)，该平台可用于中国南海深水区域的油气田开发。它的一个显著特点是立柱的截面形状呈现为渐变形式，而非传统的等截面形式。立柱的底部最大，向上逐渐变小，再结合适当的下浮体设计，能够为平台在服役前期及在位状态时提供足够的浮力以及稳性。最重要的是这种新型立柱的设计能够明显地减小平台在恶劣海况时的垂向运动，从而使在平台上布置具有干式采油树的TTR立管系统成为可能。此外，这种渐变式的立柱设计也有利于减弱平台在流作用下的涡激诱导运动(VIM)。分析结果表明这种渐变式立柱半潜平台可以明显降低平台的垂向运动，也可以在码头组装时提供足够的浮力以及在平台下沉过程中提供足够的稳性。平台优越的垂向运动性能可以使顶部张紧式立管的行程范围限制在10.5 m之内(包括平台偏移、垂荡运动、潮汐影响、海床沉降、热膨胀等因素)。分析结果表明平台的垂荡范围、水平偏移、倾侧角度、上部模块重心处的加速度等可以满足设计要求，证明了这种新型干树式半潜平台的可行性。

浮式平台；半潜式平台；垂荡运动；深吃水；立柱；干式采油树；立管张紧器

与水下采油树的相比，海洋平台采用干式采油树具有可直接监测、控制、干预以及提高碳水化合物油气回收率的优点。另外，进行钻井、完井以及修井操作时采用干式采油树的平台在费用和工程进度上也更有优势。在浮式海洋平台上，目前只有张力腿平台(TLP)和单柱式平台(SPAR)可以采用干式采油树布置，原因是它们在波浪中的垂向运动响应都比较小，但这两种平台在安装水深、有效载荷、上部甲板面积等方面存在明显限制，并且在海上安装时操作复杂、经济性较差。因此，对于深水和超深水海域的钻井和生产项目，有必要开发出一种新型的干树式浮式平台来解决TLP和SPAR平台存在的这些缺陷。根据调查和分析研究，干树式半潜平台是一个具有可行性的替代解决方案。这种平台没有水深限制，可以在码头进行上部模块与船体的合拢和调试，并且能够提供更大的上部甲板面积。

近些年来，干树式半潜平台的概念开发专注于提高立管系统的顺从性以及改善平台在波浪中的运动响应这两方面。Halkyard等[1]开发了一种带有可伸缩垂荡板的深吃水半潜平台，垂荡板的目的是减小垂荡运动。Mungall等[2]提出了一种用于墨西哥湾的干树式半潜生产平台，该平台具有垂直接入式顺应式立管。Zen等[3]给出了一种带有TTR(top tension riser)立管的深吃水干树式半潜平台的解决方案，并指出该平台的垂向运动对项目的可行性和成本控制最为关键。 Muehlner amp; Banumurthy[4]提出了一种新型的具有外伸下浮体的半潜平台(OPS)。该平台的下浮体偏离立柱向外，垂向运动响应较小。Das amp; Zou[5]介绍了一种“成对立柱”式半潜平台(paired-column semi)的概念，和常规的半潜平台进行了一些特征响应的比较后，结果表明这种新型平台的运动特性比较优越。

一般而言，增加半潜平台的吃水是减小平台垂向运动最有效的方法。通常情况下吃水超过45 m的半潜平台的垂向运动和转动较常规浅吃水的半潜平台要小，因此深吃水的半潜平台具有支持TTR立管的可能性。平台建造时，在船厂码头进行船体和上部模块的合拢是最安全和最经济的方法，但一般码头的水深为9.0～10. 5 m ，因此如果在码头进行合拢，合拢时平台船体的吃水就需要限制在此吃水范围内，而同时还须保证浮力足够支持船体和上部模块的重量。对于在位时具有深吃水的常规半潜平台，其船体在码头时要维持如此浅的吃水是很困难的，因为其几何外形此时难以提供足够的浮力。当然，半潜平台的船体和上部模块也可以在近海或者现场进行合拢，但这两种方式都是在离岸的海域进行，严重依赖天气条件以及重型浮吊的工期，增加了项目的风险和费用。

平台船体和上部模块合拢后，半潜平台通常被湿拖或者由运输船运往现场。这两种方法都涉及到船体在服役前期中的压载操作。在压载过程中，浮体的稳性通常会随着吃水的增加以及下浮体地突然下沉而降低。这种现象是深吃水半潜平台的特殊问题，原因在于此种平台的立柱高度大以及所支持的上部模块位置很高。

与常规的半潜平台比较，深吃水半潜平台的立柱要高许多。尽管平台的垂向运动由于下浮体深置于水中得到减小，但加长的立柱容易受到VIM(vortex induced motion)的影响，而VIM运动是平台、系缆以及立管这些结构疲劳损坏的重要原因。此外，VIM诱导的侧向运动使得平台维持在井口位置会更加困难，也增加了立管系统损坏的可能性。Xu[6]、Kyoung等[7]介绍了一种新的船体设计，该设计扩大了立柱的底部。Zou 等[8]提出了一种干树式“成对立柱”半潜式平台的概念。这两种设计都能改善平台在强流下的VIM运动响应。TCDD半潜平台的渐变式立柱设计也能够减小半潜平台的VIM运动响应。

基于上述背景，这里提出了一种新型的深吃水半潜平台TCDD(tapered column deep draft semi-submersible)。该平台的立柱设计区别于常规半潜平台立柱等截面形式，而是在不同吃水处采用不同的截面形式。这种特殊的立柱形式旨在解决半潜式生产平台在码头浅吃水条件下的合拢、服役前期平台的稳性、VIM运动以及垂向运动过大等问题。

为了将TCDD平台的概念应用于干树式生产平台的设计，根据中国南海深水海域的环境条件，采用频域和时域方法着重分析了平台的水动力及运动性能，包括平台的总体运动、最小气隙以及TTR张紧器的最大行程范围等。其中总体运动又包括平台的最大偏移、最大垂荡、最大倾侧等指标。限于篇幅，服役前的分析以及平台的VIM运动分析等不在本文展开。

1 总体设计

1.1设计基础和环境条件

假想的气田位于中国南海的某区块，产量为每年50亿立方米(483.8 MMSCFD)。平台布置区域水深约1 500 m。平台设计成可以布置12根TTR干树式立管(1根钻井立管，11根生产立管/注水立管)和10根回接钢制悬链线立管(SCR)，以及2根输出SCR立管。平台采用分布式系泊系统进行定位。生产出的气液凝聚物将从平台西向的输气SCR立管和输油SCR立管向外输出。

根据平台设计基础，干树式半潜平台应满足表1所列运动性能要求。甲板(上部模块)水平加速度定义在主甲板的高度处。表中“WD”表示水深(Water Depth)，“g”为重力加速度。

表1 设计基础对总体性能的要求Tab. 1 Requirements of global motions in design basis

生产现场的环境条件以全年从东北方向来的风为主，因此除了夏季存在因西南方向来的台风引起的强风和大浪外，波浪的主要方向也是东北方向。全年流的主要方向是西或者西南偏西方向。

对于船体和上部模块结构的设计而言，操作条件为100年非台风环境，极限条件为100年台风环境，参考南海某气田项目，参数如表2中定义。

表2 极限和操作环境条件Tab. 2 Extreme and operating environmental criteria

1.2平台主尺度及重量

TCDD半潜平台的上部模块设两层甲板：下甲板和主甲板。在操作工况时，上部模块的总重量为19 624 t，包括结构重量6 884 t和设备重量12 740 t。

立柱的顶部具有16.75 m的干舷，下甲板的底部距水面21.354 m，主甲板的底部距水面31.354 m。平台主船体的吃水为48.75 m，在操作工况下排水量约65 000 t。下浮体的长度为50.5 m，其横截面的宽度为11.5 m，高度为9 m。下浮体和立柱的连接处有过渡段。当安装完成后，下浮体内充满海水(与海水贯通)，成为永久压载。图1为TCDD半潜平台完整的3D模型图。图2为TCDD平台船体的侧视图，立柱中间为竖直通道。

图1 TCDD半潜平台的3D模型(已有专利)Fig. 1 3D model of TCDD semi-submersible

图2 TCDD半潜平台船体侧视图Fig. 2 Side view of TCDD semi-submersible hull

TCDD半潜平台立柱高度为65.5 m，在最大波浪时负责提供足够的气隙。立柱的截面形状在不同高度处设计成不同，下部立柱(基线到12 m高度处)的正方形截面的边长为25 m，上部立柱(高度32.2～65.5 m)的正方形截面的边长为19 m。在下部与上部立柱的过渡部分(12～32.2 m)，截面的边长逐渐从25 m缩小到19 m。这种几何外形的设计能保证平台在不同吃水状态下具有足够的稳性。在每个立柱的内部，设置8 m × 8 m尺寸的竖直通道。立柱中心线之间的间距为69.5 m。

在每个立柱内部共有6层水平隔壁，它们位于高度距基线0 m(龙骨)到65.5 m (立柱顶)之间。表 3列出了半潜平台主船体的主尺度。表中的工作排水量不包括永久压载(即和海水贯通的压载舱内海水的重量)。

表3 主船体主尺度Tab. 3 Principal dimensions of the hull

1.3系泊系统设计

设计4组共16根绷紧式系泊缆用于平台的定位。系泊缆布置在平台的四个角上，为永久性系泊系统。每根系泊缆具有相同的无挡锚链-聚酯绳-无挡锚链的配置。在主船体的每个角上，4根系缆的上端位于基线上 12 m处。系泊缆关于平台的几何中心对称布置。系泊缆的布置形式参看图3，其组成和特性列于表 4。

对系泊系统进行了独立的时域内的计算分析。在极限环境下，校核了完整状态时系缆的强度；在操作环境下，校核了一缆破断时系缆的强度。结果表明系泊系统的设计是满足API推荐标准的。表 5为系泊系统安全系数分析结果。

表4 系缆组成部分Tab. 4 Mooring line configuration

图3 系泊系统的布置Fig. 3 Mooring system arrangement

表5 系泊系统安全系数Tab. 5 Safety factor of mooring system

2 水动力与总体性能分析

在极限环境和操作环境情况下，采用AQWA软件对平台的总体运动性能进行了时域动态分析，每个工况的时长为3小时，考虑了角度间隔为22.5°的全方向的环境。模拟了作用在上部模块、船体以及系缆上的动态风载荷、流载荷以及波浪载荷。在分析中对 TTR立管和SCR立管也进行了等效模拟。立柱和下浮体的黏性阻尼是船体阻尼的重要来源，因此采用STAR-CCM+ 软件先对作用于它们上的阻力进行了计算，然后等效成Morison 单元的水动力系数，用来更准确地模拟立柱和下浮体上的非线性阻尼。图4为TCDD半潜平台船体的水动力分析面元模型。

首先进行了 TCDD半潜平台、常规的等截面立柱浅吃水半潜平台以及深吃水平台三者垂荡运动RAO曲线之间的对比，对比结果见图5。图中常规的浅吃水半潜平台的吃水为29 m，立柱宽度为23 m。常规的深吃水半潜平台的立柱宽度则和TCDD立柱的直立部分相同。从图中可见，TCDD半潜平台的垂荡响应在20 s以内比较小，RAO曲线的第一个峰值小于0.2 m，且垂荡的固有周期大于20 s。对于中国南海的极限波浪环境，这样的垂荡运动性能是应用干式采油树所期望的。垂荡RAO曲线的比较表明，TCDD平台的立柱设计结合下浮体形状的优化可以提高主船体下部的波浪力消失效果，从而显著地减小平台波频范围内的垂荡响应。

图4 平台船体的面元模型Fig. 4 Panel model of the hull

图5 垂荡RAO曲线的比较Fig. 5 Comparison of heave motion RAOs

图6 CFD计算表面网格Fig. 6 Surface mesh for CFD calculation

图7 CFD计算的典型尾流场Fig. 7 Typical wake flow in CFD calculation

图6和图7为CFD计算分析中的物面网格以及典型尾流场显示，计算结果表明这种新型的立柱形式对VIM运动有明显地抑制作用。这里的总体运动性能分析着重于计算操作环境与极限环境下平台的总体运动、水面与底甲板之间的气隙以及最大的TTR立管张紧器的行程范围。在极限环境条件下，将台风季节时百年一遇的风暴作为设计条件来确定平台的最大运动。在操作环境条件下，采用非台风季节时百年一遇的风暴进行计算，环境条件的具体参数见表2。分析结果总结如下。

2.1最大运动

表6给出了极限环境条件下平台的最大运动结果。平台的最大垂荡范围为5.92 m；最大倾侧角度8.19°；最大水平偏移为水深的 4.67% 。上部模块重心处最大水平加速度0.179g。

表6 极限条件下总体运动汇总Tab. 6 Global motion summary in extreme condition

表7给出了操作环境条件下平台的最大总体运动。平台的最大垂荡范围为1.63 m；最大倾侧角度为3.18°；最大水平偏移为水深的 0.99% ；上部模块重心处最大水平加速度0.052g。

表7 操作条件下总体运动汇总Tab. 7 Global motion summary in operating condition

2.2最小气隙

API RP 2FPS要求平台的气隙在设计环境下考虑非线性因素影响后应该大于0。在分析中，波浪的峰谷不对称性、波浪在立柱附近抬高、平台对环境力的动态响应以及船体和立管、系泊系统的相互作用等非线性因素都得到了考虑。分析结果表明在极限环境下最小气隙为0.84 m(2.74 ft)，发生在-112.5°浪向时底甲板下边缘迎浪处。因此，平台的总体设计满足API 关于最小气隙应不小于0的要求。

图8显示了最危险浪向时最小气隙的等高线图。

2.3TTR张紧器最大行程范围

设计方案中，TCDD半潜平台的TTR 立管采用最大行程范围为10.67 m(35 ft)的上拉式张紧器系统。呈长方形范围内布置的井口中，中间的一根TTR立管为钻井立管，其余11根为生产立管。钻井立管的外径为419 mm，生产立管的外径为244 mm。图 9为TTR立管进口布置图。

图8 最危险浪向时最小气隙等高线图Fig. 8 Minimum airgap contour for most critical case

图9 TTR立管布置Fig. 9 TTRs well bay layout

在张紧器行程范围的计算中，除平台运动的贡献外还考虑了0.61 m的海底沉降的影响、2.15 m的潮汐影响以及0.02 m的热膨胀影响。

表8中列出了计算TTR 张紧器行程范围的4种工况。环境条件为表2中所列。

表8 张紧器行程范围计算的工况Tab. 8 Stroke range load cases

张紧器行程范围的计算按如下步骤进行：

1)潮汐、海床沉降和热膨胀的影响按静态处理。

2)由于环境力作用，包括平均漂移、慢漂以及波频的垂直和水平运动所引起的部分由AQWA DRIFT 软件在时域内全耦合计算。

3)TTR 立管采用AQWA 中的Tether 单元来模拟，准确定义了立管的几何形状、重量、弹性(用于拉伸和弯曲)以及张紧器的刚度。考虑了TTR 本身弹性引起的拉伸、对平台运动动态响应引起的变形以及波浪和流载荷。

4)每根TTR 在极限和操作条件下的向上行程Δs+和向下行程Δs-在16个浪向角上进行计算，角度间隔为22.5°。每个浪向的行程峰值取为10个不同的3小时随机波所产生的时历结果中的最大向上和向下行程的均值。需要注意的是向上和向下行程的最大值可能并不发生在同一个浪向上。

5)对于一缆破断以及一舱破损的情况，最危险的工况由完整状态时的行程结果来确定。向上和向下行程在时域内的计算方法和完整状态时相同。需要注意的是一缆破断情形和一舱破损情形是分开进行的。

(4种工况),

最终的TTR 张紧器行程范围计算结果如下：

1)在船体完整以及操作环境条件下，最大的TTR 张紧器行程范围为4.64 m；

2)在一舱破损以及操作环境条件下，最大的TTR 张紧器行程范围为4.64 m(需要注意的是虽然最后的行程范围和完整状态下相同，但是各自的向上行程和向下行程与船体完整状态时是不同的)；

3)在系泊系统完整以及极限环境条件下，最大的TTR 张紧器行程范围为9.74 m；

4)在一缆破断以及极限环境条件下，最大的TTR 张紧器行程范围为10.09 m。

3 结 语

开发了一种新型的深吃水半潜平台(TCDD)，该平台主船体采用了一种特殊的立柱形式。结合下浮体的优化设计，该型平台不但可以具有优越的水动力运动性能，且兼顾了建造、安装等服务前期的总体性能。采用时域全耦合的计算分析方法对该平台的总体运动性能进行了分析研究，得出如下结论：

1)TCDD平台具有优越的垂向运动性能，且同时保证其它总体运动性能也能满足性能要求，如最小气隙、最大水平偏移、最大平台倾角、上部模块加速度等。目前在用的浮式平台上布置干式采油树的只是TLP和SPAR。制约常规半潜平台采用干式采油树的是平台的垂向运动性能，反映为TTR张紧器的行程范围不能太大，而TCDD平台优越的垂向运动性能使半潜平台上布置干式采油树成为可能。

2)TCDD平台的外形设计可以提供足够浮力，满足码头浅吃水条件下上部模块和主船体的合拢，并且在服役前的压载操作中提供足够的稳性。

3)根据中国南海典型极限环境条件进行计算分析，表明TCDD干树式半潜平台应用于中国南海深水海域是可行的。

4)在总体运动性能分析中，采用CFD方法先得到平台水平和垂直方向的黏性阻力，然后等效成总体水动力分析中Morison单元的水动力系数，为初步设计阶段更准确地模拟半潜平台的黏性阻尼提供了一种新途径。

5)CFD计算分析表明这种变截面立柱形式对深吃水半潜平台船体的VIM运动有明显地抑制作用。

除总体运动性能分析外，对TCDD半潜平台还同时进行了结构计算分析、立管系统计算分析以及疲劳计算分析等工作。针对总体性能分析结果，下一步的工作是根据模型试验结果对理论分析结果进行校核，找出二者之间的差异，进一步完善TCDD半潜平台总体性能的验证。

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A new type of semi-submersible platform with superior global performance for dry-tree application

JI Hengteng1, RAN Zhihuang1, YE Wei1, LI Jianxun1, LI Guojie2, TANG Xiujun2, WANG Zhongnian2, WU Hongwu2

(1. Offshore Tech LLC, Shenzhen 518067, China; 2. SANY Marine Heavy Industry Co., LTD., Zhuhai 519055, China)

A Tapered Column Deep Draft Semi-submersible (TCDD-Semi) concept has been developed for dry tree drilling and production application. The platform is suitable as a host facility for an oil or gas project in deep water area in South China Sea. The new concept features lower hull geometry with gradually varying column cross-section, in contrast to the conventional semi-submersible design with uniform columns. The enlarged lower columns, in combination with properly sized upper columns and pontoons, provide sufficient buoyancy and stability for topside-quayside integration and offshore pre-service operations such as submergence and wet-tow. Most importantly, this new TCDD-Semi concept with tapered columns optimizes the cancelation effect of wave force and is able to reduce the heave motion in harsh environmental condition to such a level that the utilization of top tensioned drilling and production riser system with dry trees is feasible. Additionally, the tapered shape of the columns helps reduce the vortex induced motions (VIM) of the platform in currents. The design analysis results show that the proposed TCDD Semi-submersible platform has superb heave motion performance, sufficient quayside integration buoyancy, and adequate transition stability during pontoon submergence. Its excellent heave motion performance enables the application of top-tensioned riser system with 10.5 m stroke limit, including all contributing factors such as platform offset, heave motion, tide, seabed subsidence, thermal expansion, damaged tank and damaged mooring. In addition, the platform heave motion range, horizontal offset, heel angle, acceleration at topside COG, etc. also meet the requirement of the design basis. It is demonstrated that the use of dry trees on a semi-submersible platform is feasible.

floating platform; semi-submersible; heave motion; deep draft; column; dry tree; riser tensioner

1005-9865(2017)06-0010-09

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.06.002

2017-01-10

广东省引进创新创业团队计划资助项目(2013G058)

纪亨腾(1976-)，男，陕西西安人，博士，从事海洋工程结构物水动力及安装分析工作。E-mail: Hunter.ji@offshoretechllc.com