超深水钻井半潜平台流载荷的数值计算与模型试验研究

超深水钻井半潜平台流载荷的数值计算与模型试验研究

1深水半潜平台海洋是一个开发不足的大资源集合。该矿不仅拥有丰富的水资源和生物资源，还拥有极其丰富的油气资源。随着大陆架油气资源的广泛开采,走向深水及超深水已是当今世界海洋油气工业发展的必然趋势。作为战略性资源基地,海洋的开发和利用是我国实施可持续发展战略的必然选择。现在,国际上用于深海勘探钻井的主要装备是半潜平台,从我国现状来看,深海钻采装备还处于开发研究阶段,主要开发半潜平台。深水半潜式平台的主要特点有:抗风浪能力强(抗风100~120节,波高16~32m);甲板面积和可变载荷大(达8kt);适应水深范围广(深达3km);钻机能力强(钻井深度6~10km)。由于半潜式平台的这些优点,在海洋工程中它不仅可用于钻井,其他如生产平台、铺管船、供应船和海上起重船等都可采用。同时,能应用于多井口海底井和较大范围内卫星井的采油是它的另一优点。另外,潜式平台作为生产平台使用时,可使开发者于钻探出石油之后即可迅速转入采油,特别适用于深水下储量较小的石油储层。随着海洋开发逐渐由浅水向深水发展,它的应用将会日渐增多,诸如建立离岸较远的海上工厂、海上电站等,这对防止内陆和沿海的环境污染将有很大的好处。半潜平台靠系泊系统或动力定位系统固定在工作海域进行作业,承受由风、波浪、海流、海冰、水温及气温、潮汐、地震等自然环境引起的载荷。海流载荷是平台强度分析、结构设计与安全评估以及设计动力定位系统中一个非常重要的载荷之一。正确计算海流载荷对结构安全性和确定动力定位系统的推力系统具有重要意义。2计算值的值2.1水中泊系统本例中的平台是双重超深水钻井半潜平台(见图1),设计用于超深水(3~15km)的钻探。该钻井单元的特点是高效率和安全,主要设计用于台风环境里100~500m水深的动力操纵或是在更深的水中连接预先设定的停泊系统。海洋环境主要参数见表1,平台主尺度分别为:总长116.60m,总宽96.70m,双浮体外侧之间宽度78.08m,箱型甲板底部距基线高度34.00m,上甲板距基线高度42.50m,下浮体长度108.80m,下浮体宽度16.00m,下浮体高度10.24m,双浮体中心线之间距离62.08m,立柱长度16.80m,立柱宽度14.40m,立柱导角半径3.20m,立柱中心线纵向间距63.20m,连接翼高度3.2m,连接翼中心长度11.20m,连接翼两端长度16.80m。2.2受流平台的受流能力海流载荷采用模块法进行计算,把整个结构离散成不同的标准构件模块,叠加各组成构件的载荷获得总载荷。因此,计算前要求已知各组成构件的载荷特性,其准确性依赖于对构件载荷特性以及构件之间影响特性的描述。流载荷的计算也可以分为以下几块:①浮筒。浮筒为主要的海流载荷作用部分;②连接翼。连接翼自身的海流载荷可以忽略不计,但是水在流过连接翼后作用在浮筒上的力必然会有所改变,所以应当记入该影响;③立柱。立柱也是较为主要的受流部分。同风载荷一样,流向0°与90°是受流面上因为重叠只有2个立柱的投影面积,而流向在非0°与90°时受流面积大于2个立柱的投影面积,而在45°时约有3个立柱的投影面积在承受流载荷。具体的计算见表2、3。将受流力向x、y2个方向分解,可以得到平台纵向及横向的受流力。同样,可以得到各角度下的受流力,作出相应曲线,如图2所示。同样在获得十年一遇F10及百年一遇F100流载荷数据后,在包络图中将2个载荷进行比较,如图3所示。3模型试验3.1平台模型的制作考虑模型大小、水池尺度、造波机能力、造流设施能力等因素,选定模型缩尺比λ=70。以研究平台设计图纸及相关技术文件为依据,采用有机玻璃等材料制作半潜式钻井平台模型,如图4所示。平台主要参数见表4。3.2力传感器的数据采集平台模型由4根缆绳固定,缆绳一端通过加有一定预张力的弹簧固定于模型平台上,另一端连接拉力传感器后系于固定桩上。鉴于实验室设备有限,以及不同角度模型平台固定的难易程度,本次实验就流向0°,90°,45°进行风流载荷测试与数据采集,并且与理论计算值进行比较。模型布置如图5所示。在固定了模型之后,先将预张力放松,使力传感器处于静水中,将力传感器的数值清零。然后系在模型平台上并加上适当的预张力,模型静止后采集力传感器数据,使得4个力传感器尽可能平均受力。如果有个别传感器受力出现异常,则有可能是传感器出现故障,或是模型固定的角度有问题。在重新固定力传感器后重新采集数据,如果数据恢复正常,则证明传感器性能良好,可以进行下一步实验。实验中采样的频率是25Hz,即25点/s。实验初,应当先在静水中对与张力进行采样,约2min(3000点),并以此作为该流向的基准数值。模拟流达到稳定须经过30min左右,实验序号如表4所示,具体的实验序号操作顺序按操作方便度决定,模型布置如图6、7所示。4误差的影响因素由于水池造风流功能方面以及平台模型布置固定的限制,只能对平台0°,90°,45°时的海流载荷进行试验,并将之与理论计算值进行比较。比较结果如表5所示。试验的结果除了有个别不甚理想之外,其他的都相对较为符合理论计算的结果。这表明经验公式是十分准确的。个别误差较大的数据极有可能是实验室条件的缺乏或是数据采集造成的。对结果进行分析,发现有以下几点现象:(1)流载荷的相对误差较大,经分析有以下几点原因:①流载荷相对较小,相对易受扰动;②造流系统须在整个水池造出匀速流,而池壁干扰较大,使水流不容易形成匀速流。(2)相比0°的情况,海流载荷45°作用在模型上时,误差尤其大。①0°时,受流面近似为矩形,受力均匀,容易准确估算受海流载荷产生的力。45°作用时,由于建筑物侧对来流,受力不再均匀,情况更为复杂,误差也就更大。②0°时,模型只是受到横向或纵向单向的力,而45°时,模型有横向和纵向力共同作用,必然会产生一些扭矩,平台受到4根系缆的拉力方向及大小都会变化,造成比0°与90°时更大的误差。③45°时,系缆绳的布置不如0°方便,由于系缆绳的偏转,会对试验造成很大的影响。5海流外载荷力本文考虑了动力定位过程中平台所受环境外干扰力的受力情况,对动力定位船舶在海上可能受到的海流载荷进行估计。并且通过模型试验,模拟南海非台风状况下十年一遇以及百年一遇的海流载荷。通过力传感器和合理的系缆布置,测得了3组角度下的海流外载荷力,并将之与理论值进行比较分析,互为印证。在研究过程中,发现流的载荷在不同的流向角下,变动相当的大,有改进的空间。本平台浮筒的两端设计为圆柱形,虽然效果不如子弹头的形状能将纵向的阻力减小一半,但也能在很大程度上减小海流的载荷。本文为船舶动力定位研究的前期工作,只是考虑了船舶在无控制力情况下的运动性能,进一步的工作将是