论文部分内容阅读
FPSO是FloatingProductionStorageandOffloadingSystem的英文缩写，中文称为浮式生产储卸油装置。随着近年来石油开采的如火如荼，FPSO在解决海上油田的开采和储存问题上越来越受到国内外生产企业和研究机构的重视，发展迅速，广泛应用在世界各地的海上油田中。在世界范围内海上主要产油区，有100多座FPSO浮式生产系统正在投产运行，超过了所有其他浮式生产系统的总和。FPSO是世界海上石油开发的创新技术，其装置投资省、建造周期短、安装费用低、迁移方便、可重复使用，几乎适用于所有水深，是当今世界石油开发的主流方式，在能源消耗与日俱增的今天，FPSO的发展对海洋石油的钻探、开发及生产有着重要的意义。
我国的渤海湾有丰富的油田资源，但其大部分为浅水油田。浅水对FPSO的影响，有一定的特性。环境条件对FPSO的安全性和作业效率有着很大的影响。很多的学者对FPSO进行各方面研究，以使其适用于更多海域，但研究大多数针对深水油田；国内外有关浅水FPSO的研究极少，特别是浅水软刚臂系泊超大型FPSO的数值模拟，由于特殊系泊方式以及船底与海底间的小间隙带来特殊复杂的水动力特性，国内外相关研究报道罕见。对于我国丰富的浅水油田，需要做大量的研究来预报FPSO在浅水中的运动和系泊系统的受力，安全性以及对其性能的优化。应用现有的理论对浅水中FPSO进行研究，对我国近海油田开发具有重要而深远的意义。
本论文为国家863重大专项《渤海大油田勘探开发关键技术》中《浅水超大型浮式生产储油系统关键技术》课题的一部分，主要为软刚臂系泊FPSO在浅水中的应用提供理论依据，采取理论分析，数值计算与模型试验相结合的研究方法，分析研究FPSO在浅水海域百年一遇环境条件下的运动，系泊力及碰底情况，考虑其安全性，稳定性的问题。
首先应用三维势流理论计算FPSO在浅水深单位波高规则波下各个频率浪向的水动力参数，研究FPSO的水动力参数随水深吃水比的变化规律，包括附加质量，阻尼系数，一阶波浪力，二阶平均波浪力等，得到附加质量随着水深吃水比的减小，即船底与海底间隙的减小，呈现增大的趋势，特别是垂荡、横摇和纵摇三个方向的附加质量增大的幅度非常大，因而在浅水环境下，垂荡、横摇和纵摇运动幅度也必将有较大的缓和；阻尼系数随着水深吃水比的减小，总体上为增大趋势，这一规律在低频时尤为明显，而且浅水时的阻尼系数比深水时有明显的增加；一阶波浪力随着吃水的变化，规律不明显；平均波浪漂移力随着吃水的增大，均呈现增加的趋势；水平面内的运动纵荡、横荡和首摇在频域下的运动响应随着水深吃水比的变化较小，而其他三个波频运动横摇纵摇和垂荡则随着水深吃水比的减小而明显减小，这些结果与之后对浅水效应的研究结果相一致。
结合多刚体动力学的分析方法，建立了软刚臂系泊系统的纵向和垂向的动力方程，进行受力分析，并将实验实测得到的运动代入动力方程中计算得到转塔上的系泊力与实验实测的系泊力进行对比，以验证动力方程与计算程序的正确性，二者对比的结果吻合良好，动力分析方法正确，可应用于对系泊系统的模拟。
应用时域模拟的方法，建立运动方程，计算在海洋环境条件下的环境力，并将系泊系统的动力方程与运动方程进耦合和分析，模拟整个系统在环境条件下的运动、系泊力以及在运动中船底与海底的间隙，并将结果与实验得到的数值进行对比，二者吻合良好，因此通过以上方法进行的数值计算，可以用来预报软刚臂系泊FPSO系统在海洋环境条件下运动，其结果可靠，进而对系统在浅水中的特性作进一步的研究，分析浅水中水深吃水比变化时，FPSO的运动及系泊力的变化。得到水深不变时，波频运动随着吃水的增大，即船底与海底的间隙的减小而明显呈减小的趋势，此现象也称作浅水效应，虽然船底与海底的间隙很小，但运动的幅度亦随之减小，因此在水深变浅时并不容易发生碰底的现象。通过浅水效应的应用，可以对FPSO的船型进行优化，适当增大吃水，增大储油量。
针对渤海浅水BZ25-1油田的具体情况，应用以上的分析，以BZ25-1的FPSO为例进行了数值模拟，并在海洋工程国家重点试验水池进行试验研究，详尽研究整个系统在浅水中的水动力响应。BZ25-1的FPSO采用原有的QHD32-6油田FPSO的设计，而是应用到更浅水的海域，但保持原有的吃水不变。为此，研究其安全性及可能性，通过数值模拟计算和模型实验，找到该FPSO的临界吃水，并对其在百年一遇海洋环境条件下的运动、系泊力及是否触底的问题展开分析，研究“改变船型加大吃水”对其运动和触底等安全性的影响，以达到增加储油量，提高经济效益的目的，解决实际问题。为寻找FPSO船底与海底的最小作业间隙，调整FPSO吃水分别为12.34m、13.7m、14.0m、14.2m、14.5m和14.7m，进行了百年一遇环境条件下的研究，得到14.5m吃水可以被认为是该FPSO遭遇百年一遇环境条件时船底与海底将碰未碰的临界点，建议建造时仍可采用原有的设计吃水14.5m，达到增加储油量，但实际操作时在遭遇百年一遇风浪的海况时应该适当减少FPSO的载油量，以确保安全，这样既提高了经济效益，又解决了实际问题。
本论文所获得的结论现已在工程实践中得到应用。渤海BZ25-1油田FPSO的设计正是采纳了浅水效应及得到的一系列研究成果，设计中使用了14.5m的满载吃水，该FPSO正在建造中于2004年6月造成并已投产使用，性况良好。储油量提高常规设计约3万吨。研究结果对推动浮式生产系统这种海洋工程领域的高新技术在我国沿海专属经济区海上油气田上的应用，加速发展我国海洋石油产业，具有重要的现实意义，社会作用显著。