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干式井口储油装卸实验

 论文栏目:力学工程发展研究论文     更新时间:2012-10-11 18:03:23   

本文作者:雷 松 岳前进 赵 岩 谢 彬 喻西崇 单位:大连理工大学运载工程与力学学部 中国海洋石油总公司深水工程重点实验室

近几十年,深水海洋平台技术发展迅速,成为全球石油工业的重要前沿阵地。“浮式钻采平台+水下井口/水下生产系统+海底管网”的美国工程模式和“半潜式平台+水下井口/水下生产系统+浮式生产储油卸油装置/浮式储油卸油船(FPSO/FSO)”的巴西工程模式[1]是较为成熟的深水开发模式,这些模式需要至少两套功能独立的设施来完成钻井、生产、储存和外输的作业,耗资巨大、开发周期长,因此集多种功能于一体的浮式钻井生产储油装卸系统(FDPSO)便在海洋工程界呼之欲出。SBM公司提出将张力腿平台(TLP)中运用的具有采油钻井功能的干式井口模块添加到船型FPSO的月池内,使FPSO扩展成为FDPSO,这种概念既利用了FPSO储油量大,甲板可变荷载大的特点,又利用了干式井口作业和维修方便,生产效率高的特点[2―4],易于被工程界所接受。对于这种新型的概念,Pollacketal[5]从耐波性方面对FDSPO的设计进行了水池船模试验来论证方案的可行性,而对干式井口[6]重点要解决的张紧立管系统(TTR)和船体垂直方向的相对运动问题目前还没有相关研究。本文根据新型FDPSO的理论模型,运用半物理仿真的方法设计了中大比尺的实验模型,通过实验对这种新型概念设计的船体和干式井口平台垂直方向上的相对运动问题进行了评估。

1实验方法

有关深水海洋工程结构的水动力实验目前有4种方法[7],小比尺模型实验,原型现场实验,截断实验和混合实验,其主要目的是评估整体结构在环境荷载下的动力性能;而对于FDPSO而言,船体月池内部的干式井口平台的垂向运动性能影响钻井和采油的作业安全,是研究的重点,而船体结构的水动力性能与其他浮式结构并无特殊之处。为此,大连理工大学在实验室搭建了半物理仿真平台[8]来研究干式井口平台的运动性能,其中船体的运动通过计算机仿真平台实现,而干式井口平台则用真实的物理模型,保持系统的动力相似特性。在只考虑船体垂向运动的情况下,根据结构的对称性,将1/4结构作为分析对象,其理论模型如图1所示,弹簧模拟张力立管系统的轴向刚度,刚度大小与原立管的长度L,材料弹性模量E和截面面积A有关,用公式表示为:kEA/L(1)当在浅水(L<300m)中时,一般忽略张力立管的轴向变形,作为刚性体考虑,但从式(1)可以看出当L增大时,张力立管刚度的轴向刚度减小,在深水特别是当L>1000m时,船体在波浪的作用下垂荡运动引起轴向张力的变化应当引起注意。如图1所示的系统,船体位移为x0,干式井口平台位移为x1,配重位移为x2,弹簧刚度为k,干式井口平台质量为m1,配重质量为m2。则系统的动力方程为:若考虑弹簧刚度无限大,则干式井口平台与海底为刚性连接,垂向不会发生相对运动,为理想的动滑轮系统,船体位移x0和配重位移x2,满足关系运用运动方程式相似的分析方法[9],保持原型和模型的惯性力和恢复力相似,即满足tS/mkSS。各部分的相似比可以自由选择,不必局限于严格满足几何相似比,最后制定的模型和原型之间的相似换算关系如表1所示。其中船体垂荡位移x0为实验系统的输入,而干式井口平台位移x1和配重位移x2是实验中需要测量的物理量,和船体垂荡位移具有相同的相似比。

2实验装置

[10]实验装置主要分为4个部分,如图2所示。控制室内的工控机是以一台带有DS1104PPC控制器板的PVI/2GHz的工业控制机作为硬件平台,软件开发平台采用Matlab/Simulink,完成船体运动的数值仿真并转换为数字信号。工控机平台产生的数字信号传入数模转换器,数模转换器与信号处理装置输入端连接,信号处理装置输出端与船体运动台中的电液伺服作动器连接。设计的船体运动台和物理模型如图3所示,船体运动台通过电液伺服作动器的同步运动来模拟船体的垂荡运动,这就可以不受水池实验中几何相似比(1∶50到1∶80)的限制,做到中大比尺,本实验中几何相似比取为1∶25。实际结构中船体运动与干式井口平台的运动是相互耦合的,实验设计中考虑到二者之间的质量相差较大,忽略了井口平台运动对船体运动的影响,利用运动台代替了实际船体结构在真实环境荷载下的动力响应,不但简化了实验设施,而且使实验对象更加明确,力学原理清晰。因此,基于半物理仿真原理建立的实验平台是研究这类海洋工程结构的一种有益尝试。

3实验结果分析

3.1实验工况根据中国南海某海域十年一遇的海洋环境:风速20.8m/s,流速1.3m/s,波浪采用JONSWAP谱,有义波高6.2m,谱峰周期12s,波峰因子取3.3,确定FDPSO正常作业工况下的响应谱如图4,船体响应的能量主要集中在0.06Hz~0.1Hz之间,按简谐激励对实验模型进行加载,由此制定加载的实验工况如表2。

3.2实验结果首先为了验证实验模型的正确性,对实验测量的干式井口平台位移曲线与数值结果进行了对比,如图5所示。数值解是由动力方程式(2)按照逐步积分法求得。从图5可以看出,数值结果和实验结果相互吻合,曲线的周期基本相同;但因数据采集测量仪器的原因,实验结果的波峰处不是很明显,可表3整理了5种工况下干式井口平台位移的振幅结果,可以看出,在船体运动振幅同为5m的情况下,干式井口平台位移振幅随船体运动频率的增大而增大,最大位移响应从0.06Hz时的0.45m增大到0.10Hz时的1.27m;从共振的角度来看,这是因为动力方程式(2)的固有频率为0.27Hz,当激励频率接近固有频率时,振幅增大,因此在这种FDPSO设计时,还应注意干式井口采油系统的共振问题。从对实验结果的分析可以看出,实验采用的理论模型是合理的,说明在深海中立管的轴向变形不可忽略。和传统TLP平台的干式井口采油系统相比,FDPSO通过滑轮系统连接的外部配重为干式井口甲板提供张力,使得干式井口甲板运动和船体运动相对独立,具有自动补偿效果,大大减小了干式井口甲板的运动,利于采油和钻井作业。

4结论

提出新型浮式钻井储油装卸系统的概念设计中船体和干式井口甲板之间的垂直方向的相对运动问题,根据系统的理论模型,运用半物理仿真的方法搭建了模型实验平台,针对南海的真实海况确定的系列实验表明这种FDPSO的设计对船体的垂荡运动具有自动补偿作用,减小了干式井口甲板的运动振幅,有利于采油和钻井作业,具有工程应用的前景。


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