大型多功能深海浮式基地概念设计及水动力分析

张 良 李勇跃 李 鹏 柴 婷 王 涛

（上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前言

我国拥有的深海油气资源十分丰富，特别是我国南海海域具有丰富的油气资源和天然气水合物资源，石油地质储量为230～300亿吨，占我国油气总资源量的三分之一，其中70%蕴藏于深海区。但是我国海洋油气勘探开发业务起步晚，深海油气开发技术与国外先进技术存在很大的差距。目前，我国海洋油气资源开发还主要集中于200 m水深以内的海域。深水钻探的最大水深只有505 m，已开发深海油气田的最大水深只有333 m，铺管最大水深只有300 m，可以说我国深水油气勘探开发的装备和技术都很欠缺甚至是空白。深水区域特殊的自然环境和复杂的油气储存条件将使我国深水油气开发在钻探、开发工程、建造等方面面临诸多技术难题，技术上的巨大差距是我国深水油气田开发面临的最大挑战。

1 深海开发现状

目前，深海油气开发主要是先采用深水钻井船、半潜式钻井平台等钻井平台钻井，钻完井之后，再采用张力腿平台（TLP）、单柱式平台（SPAR）、浮式生产储油卸油船（FPSO）、浮式液化天然气船（FLNG）等进行油气处理和外输，钻井和采油是分开进行的。油田的开发需要经历勘测、钻探、修井、生产等多道工序，每道工序都需专门的平台来完成，因此为完成一处油田的开采生产，需要建造多艘平台进行工作，频繁的工序交接，导致整个海上油田开发周期长、所租用深海装备多、效率较低、耗资巨大、时间节点很难保证。针对这一问题，海洋工程界提出了浮式钻井生产储油卸油船（FDPSO），以解决钻井采油等工艺的不连续性，提高油田开发效率，减少开发成本。

2009年8月，世界上第一艘FDPSO在西非海域正式投产，掀起了FDPSO由概念研究到实际工程应用的新篇章。2010年2月，世界上第二艘FDPSO用于巴西海域［1-2］。但这两艘FDPSO均用于环境条件相对温和的海域，而我国南海环境条件特殊，平均水深1 000 m以上，夏季有强热带风暴，冬季有季风，还有内波、海底沙脊沙坡等，使得在恶劣海况下，深水油气开发工程设计、建造、施工面临更大的挑战。

随着海上石油开采和运输的发展，海上溢油事故也不断发生，每年全世界因油船事故溢油大约40万t。2010年美国墨西哥湾油田溢油事故、2010年大连海边油库火灾事故以及2011年渤海湾漏油事故的发生，都造成了重大财产损失［3］。海上油品的泄漏不仅造成了经济损失，更对人类生存环境造成重大的灾难。现有的海洋钻井平台均没有溢油回收功能，需要其他具有溢油回收功能的海洋工程船帮助其清理海上溢油。对于深海油气，当发生溢油时相关溢油船无法及时到达，不利于溢油发生早期阶段的溢油处理。一旦海上溢油在深海扩散开来，将造成溢油污染局面失控，错失溢油清理最佳时机。

节能减排是当前各行各业普遍关注的热点，低碳经济已经成为全球共识，而传统的采油平台在开采原油过程中会产生大量的伴生气（天然气），除少部分用作海上平台的燃料、封缸气、吹扫气，大部分伴生气均通过火炬系统燃烧处理，导致伴生气不能物尽其用，能源白白浪费，同时增加全球碳排放，加剧全球“温室效应”。其次，随着深海石油开发以及深海远洋捕捞的进行，深海作业的工程船和渔船越来越多，由于航程远，作业时间长，船舶本身所带燃料有限，如果消耗的燃油得不到及时补充就需返航，无法长期稳定的工作，影响工作效率，增加运营成本。此外，深海环境恶劣，海洋环境复杂，又远离大陆，一旦遭遇风暴天气，船只遇险，从陆地派遣救助船去深海救助困难，无法有效保护海上人民安全和财产安全。另外，深海渔业资源丰富，生物多样性种类齐全，海流波浪变化多样，而开发深海，必须对深海全面深入了解。目前深海研究只局限于科考船临时在深海待一段时间进行考察，缺乏长期有效对深海的直接观测和实时研究。

因此，对现有技术的海洋平台结构以及工艺流程和功能进行改造和改良，以满足深海开发的需要也势在必行。

2 大型多功能深海浮式基地概念设计

2.1 大型多功能深海浮式基地主要组成及特点

大型多功能深海浮式基地（简称“基地”）是以海上钻井采油为主要功能，兼顾能源供给、物资中转、海上避难救助、科考科研于一体的大型浮式结构。该“基地”由平台主体和半岛结构组成，见图1。“基地”主体及半岛结构主尺度见表1。平台主体为主要的作业区域，为基地提供浮力和舱容，平台主体共分为“一中心六区域”。“一中心”是指在平台中心区域设置月池，安放井架等钻井设备。通过中心钻井区域，可完成“基地”钻勘探井、生产井以及修井等功能。“六区域”是指以基地钻井区域为中心，将基地主甲板钻井区域周围分为6个区域，分别为钻采物资堆放区、原油处理输送区、LNG处理输送区、太阳能发电站区、蔬菜养殖区以及人员居住区（兼深海科考中心及深海救助中心）。平台主体周围共有6个半岛结构。半岛结构采用模块拼接方法，工作空间可根据对应功能区的需要进行变换。每个模块内部配有海上漂浮物回收装备。半岛结构机动灵活，既可以与主体结构相连作为码头，又可分离成环保作业模块。

图1 大型多功能深海浮式基地总布置图

表1 主体及半岛结构主尺度

在日常工作状态下，半岛结构作为船只系泊码头，过往船只添加燃料、躲避风浪时可以系泊在半岛结构上，同时每个模块内部的海上漂浮物回收装备能定时处理浮油和海上垃圾。在油田发生溢油事件时，半岛结构可分离成各模块，模块配备上动力系统将转变为环保装置，第一时间赶往事发海域处理溢油事件。

“基地”设置了太阳能发电区域，以及风能发电站（如图1所示），利用深海丰富的太阳能、风能等可再生能源，为“基地”提供本身运转所需要的能源，打造“绿色基地”，建设绿色环保的深海油气田开发模式。

由于“基地”所处深海，远离大陆，人员生活补给很困难，因此，在基地上设置了蔬菜养殖区，可为远海工作的人员长期提供可持续培养的绿色蔬菜，尽可能达到自给自足，减少外界资源供给次数，可保障在极端恶劣环境下的生存性，解决深远海后勤补给困难问题。

2.2 水动力性能分析

“基地”具有钻井功能。由于钻井作业的要求，平台的运动受到严格限制。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，靠近水面的钻杆会产生弯曲，如果平台漂移，水面和井口处的钻杆也会产生弯曲。平台摇摆和漂移的幅度越大，钻杆的弯曲越大，受力也越大；钻杆在不断旋转，此应力为交变应力，易造成钻杆疲劳破坏。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%左右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［4］。因此，水动力性能分析对“基地”的概念设计十分重要。

采用三维频域势流理论对“基地”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水动力/力矩，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见式（1）：

式中：［M］——6×6质量和转动惯量矩阵；

［△M］——6×6附加质量系数矩阵；

［λ］——6×6辐射阻尼矩阵；

［Fwave］——6×1一阶波浪力矩阵；

［C］——6×6恢复力系数矩阵；

［x］——六自由度运动响应

附加质量系数、阻尼以及一阶波浪力由水动力势流理论计算。水动力计算模型见图2。计算出的“基地”垂荡及纵摇运动响应幅值算子（RAO）结果见图3及图4。主要海工作业海域百年一遇重现期波浪资料［5］见表 2。

图2 大型多功能深海浮式基地水动力计算模型

图3 “基地”垂荡运动响应幅值算子结果

图4 “基地”纵摇运动响应幅值算子结果

表2 各大海域百年一遇重现期波浪资料

由于“基地”主体为轴对称模型，所以本文只给出了浪向为0°时垂荡及纵摇运动响应幅值结果。通过图3可以看出，垂荡运动固有频率（固有周期约22.8 s）不在南海波频能量集中的范围，避开了南海百年一遇大浪的谱峰周期。另外，通过图4可以看出，纵摇运动固有频率（固有周期约31.4 s）也不在南海波频能量集中的范围，避开了南海百年一遇大浪的谱峰周期。

采用ITTC谱进行短期预报，得到各大海域百年一遇重现期波浪下纵摇及垂荡单幅有义值，见表3。在南海百年一遇大浪下“基地”纵摇单幅有义值为0.31°，垂荡单幅有义值为1.58 m，在南海波频运动范围内“基地”纵摇运动响应较小，“基地”运动性能优良，能够满足钻井作业的要求（摇摆角＜2°）。由于“基地”在结构上的全对称性，摇摆运动不受浪向影响，从而极大减小了浪向对“基地”钻井作业的影响。

表3 各大海域百年一遇重现期波浪下纵摇及垂荡单幅有义值

此外，将“基地”的运动响应结果与墨西哥湾、北海、巴西以及西非的波浪资料做对比，可以发现“基地”的垂荡及纵摇固有周期均避开了各大海域百年一遇有义波高所对应的谱峰周期，且各大海域百年一遇重现期波浪下纵摇及垂荡单幅有义值均较小，“基地”运动性能优良，在全球主要产油海域也有一定的适用性。

3 结语

我国海洋油气资源开发向南海发展已成必然趋势，高度重视并积极开展适合于南海的深海平台技术的研究是一个具有前瞻性和迫切性的重要课题。大型多功能深海浮式基地是深海油气开发中的新型设施。本文针对深海开发所存在的一些问题，结合我国南海开发的需要，创造性地提出了大型多功能深海浮式基地概念，将其从传统海洋油气开采装备，变为以油气开采为核心，围绕深海渔业航运、科考、岛礁开发等多行业联动发展的综合性装备，实现了深海开发各行业之间的资源整合和互补。为解决深海开发中存在的问题，加大深海海洋开发力度提供了一个可借鉴的方案。

本文通过对传统海洋平台的结构形式进行创新设计以及水动力分析，得出如下结论：

1）在功能上，“基地”能进行天然气分离储存卸载，解决了油田伴生气浪费问题。

2）采用圆形主体结构，“基地”对风浪流方向不敏感，主体抗风暴能力强，所以适应海域广。

3）“基地”主体水线面较大，常规穿梭油轮来提油时，储卸油工况对平台的吃水影响较小。