开题报告-中深水半潜式钻井平台系泊方案设计与参数优化研究.doc
中深水半潜式钻井平台系泊方案设计与参数优化研究说明书带开题
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深水
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中深水半潜式钻井平台系泊方案设计与参数优化研究说明书带开题,深水,半潜式,钻井平台,系泊,方案设计,参数,优化,研究,说明书,开题
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一、选题依据课题来源、选题依据和背景情况；课题研究目的、学术价值或实际应用价值课题来源、选题依据和背景情况目前，石油、天然气等化石能源与人们的生活密不可分，但随着陆上资源的日益枯竭，人们不得不把解决能源需求的目光投向海上。就我国的目前情况而言，石油的需求量日益增大，2003年中国石油消费超过日本成为世界第二大石油消费国，消费量达2.74亿吨；2015年我国石油消费量已突破5亿吨，对外依存度高达60%，因此石油的开采已成为了我国经济安全和发展的一个非常重要的问题。我国陆上油气田从上世纪开采至今，大多已具有近50年的开采历史，油田已接近最大开采程度，开采成本较高，产量也很难提高，因此人们渐渐的把能源战略的选择方向放在海上。2012年，党的十八大会议提出海洋强国战略，提高海洋资源开发能力，发展海洋经济，保护海洋生态环境，坚决维护国家海洋权益，建设海洋强国。 我国海域广袤，自然环境优美，资源丰富。目前已初步探得我国海域有30个左右的沉积盆地，石油储量可观，盆地面积达70万平方千米。上世纪60年代，中国开始对海洋石油进行自主勘探开发，目前已取得一些重要技术突破和成果。中国黄海、渤海、东海和南海具探测均有油气，渤海埕岛油田已成为北方重要的能源生产基地。东海由于和日本存在海上争端，石油开发和探测阻力较大。南海地区根据现有资料推测石油储量约230亿300亿吨，约占我国总资源的1/3，具有非常大的开采潜力。我国海洋石油储量大，但我国海洋石油开发起步较晚，海洋装备与国外相比仍比较落后，目前我国海洋石油开采多数还局限在近海，采用传统的固定式平台。但随着海洋石油开发，向深海进军已是大势所趋，传统的固定式平台难易在深海环境条件下作业，浮式平台成为不可或缺的装备，目前浮式平台主要有张力腿平台、Spar平台、FPSO和半潜式平台。张力腿平台由张力筋腱张力提供回复力，具有升沉运动小的特点，适用于干式采油树，但随着水深的增加，张力筋腱自身重力不断增大，使得张力腿平台的适用水深受到限制；Spar平台由于本身构造等原因，不适用于浅水和大型的整装油田，一般用于深水边际油田的开发；FPSO为浮式生产储油船，其可变荷载大，抗风能力强，适用水深范围广，可转移重复利用等优点；半潜式平台甲板面积较大，由系泊系统提供回复力，稳性较好，几乎不受水深限制，适用范围广，但其升沉运动使得半潜平台很难采用干式采油树。系泊系统是深海浮式建筑物不可缺少的组成部分。在海上工作的浮式建筑物不可避免会遇到随机环境风浪流甚至冰的荷载作用，从而使其在工作位置产生偏离，因此浮式结构物一般都配备相应的系泊系统使其具有良好定位能力，以保持仪器设备等运行环境的需要。不同的浮式结构物在不同工作海域需有不同的系泊方案，如何设计一个安全又使平台具有良好定位和保持能力的系泊系统就变得尤为重要。课题研究的目的、学术价值：（1） 通过本毕业设计，对系泊系统设计的流程及包含的内容有大致的了解，能够对半潜平台进行合理的系泊系统设计。（2） 对系泊缆索的力学分析有初步的学习和认识，对系泊缆索的静力学分析和动力学分析做出合理的比较，锻炼学生分析问题的能力。（3） 掌握专业软件，熟练使用分析工具，帮助对系泊设计研究和验证。二、文献综述国内外研究现状、发展动态；查阅的主要文献国内外的研究现状、发展动态：半潜式平台具有相对投资少，适用水深范围广，甲板面积大，可变甲板荷载范围广，生产能力强，无需在海上安装，安装周期短，可以长期工作等优点。目前半潜平台主要由上部组块、立柱、浮箱组成。上部组块是必要的生产设备，对于钻井平台，上部组块主要有井架，钻井设备和生活组块等组成，生产平台则有采油树（对于深吃水的半潜平台采用干式采油）、油气处理系统，生活组块等等组成，一些生产平台也会有井架存在，目的是为了修井方便或由钻井平台改造而来；平台与浮箱连接的立柱，剖面较小，具有小水面的特点，平台工作时，浮箱沉于水面以下，由于立柱具有较小的水线面，平台工作时受到波浪作用的荷载较小，运动响应较小，立柱与立柱之间的距离不仅使得甲板面积宽广，而且使得半潜平台具有较好的稳性；浮箱用于提供上部平台，系泊，立管预张力等所需的浮力，浮箱体积较大，具有良好的压载系统，使得半潜平台具有范围较广的可变甲板荷载，浮箱提供的浮力使得平台与水面保持一定的气隙，避免甲板上浪，从而影响平台作业，；同时，由于波浪作用在半潜平台时，尤其是当波浪与半潜平台尺寸接近时，会使两浮箱向内或向外运动，从而在立柱与平台之间产生较大弯矩，一般在浮箱之间有必要的连接撑杆。平台整体宽度较大，具有良好的稳性，使得其具有良好钻井和生产能力。目前半潜式平台已发展至第七代，作业水深在3000米左右，钻井深度已达10000米，现今的半潜平台一般配备有动力定位系统，具有一定的自航能力；设计要求愈加严格从以往的极端环境重现期一百年，逐渐提高到二百年，在一些情况下甚至要求可以抵抗千年一遇的极端环境；结构形式逐渐趋于简单化和大型化，半潜平台由以往的三角形，六边形，五边形等变为现在固定矩形形式，立柱的个数也从以往的八立柱，六立柱、四立柱变为现在单一的四立柱，立柱的截面形式多为圆形或圆角方形；撑杆的数目也由以前1420根变为现在的24根，有些半潜平台甚至取消了撑杆，这些改变减少了节点的数量，从而降低了平台的疲劳破坏的风险，方便建造，降低了生产周期和建造费用；半潜平台主体采用高强钢，降低了结构本身的自重和生产成本，提高了甲板可变荷载与结构自重比，排水量与结构自重比。“海洋石油981”平台是我国自主设计建造的第六代深水半潜式钻井平台，由中国海洋石油总公司全额投资建造，耗资60亿元，按照南海恶劣海况设计，可抵御重现期200年一遇的极端海况，最大作业水深达3000米，最大钻井深度达10000米，平台自重3万吨，承重能力12.5万吨，可变甲板荷载9000吨，配备DP3动力定位系统，刻在南海、东南亚、西非等深水海域作业，设计使用寿命30年。目前“海洋石油981”已完成陵水18-1-1、陵水17-2、陵水25-1、流花29-2-1、荔湾3-11井等处钻井作业，2015年在孟加拉湾海域钻井，完井深度达5030米，顺利完成首次海外深水井钻井作业。半潜式平台从投资成本，施工周期，适应水深，工作地域以及工作年限等因素考虑都是比较好的选择。半潜平台主要有以下特点：（1）半潜式平台的波浪运动响应较小，作业稳定性好。半潜式平台工作时，浮箱下沉，水面与立柱接触，半潜式平台的立柱水线面小，使得其受到波浪作用较小；立柱之间的间隔较大，使得其钻井作业稳定，加之与半潜平台相匹配的系泊系统和动力定位系统，使得半潜平台具有全天候作业的能力。（2）半潜式平台的适用工作水深范围广。半潜式平台属于浮式结构物，不同于固定式导管架平台，其作业水深的增大不会带来造价的剧增，因此工作适用的水深较广。目前第七代半潜式钻井平台工作水深已达4000米，钻井深度达15000米。（3）半潜式平台具有较大的甲板面积和可变甲板荷载。较大的甲板面积使得钻井作业更为稳定安全，较大的可变甲板荷载使得半潜式平台具有更强的钻井作业能力，目前半潜式平台的可变甲板荷载可达10000吨。（4）半潜式平台具有可移动性。现今的半潜式平台一般具有动力定位系统，因此平台具有一定的自航能力。半潜式钻井平台在一个井口位钻井完毕，即可自航或拖航到另一井口位，作业高效。半潜式平台由于其较优良的性能，使得半潜平台的应用也日趋广泛，半潜式平台不仅可以用于钻井采油等用途，还可以做铺管船、起重船使用。近年来，为防止内陆和沿海的环境污染，更是提出了利用半潜平台建立离岸较远的海上电场、海上核电站等，有些新的概念也得以提出运用，如用半潜平台建造人工岛等。使得半潜式平台在加大海洋资源利用和海洋环境开发上都有非常重要的意义。半潜式平台在工作时，其浮心低于重心，在风浪流作用下，自身不具有恢复力矩，因此半潜平台的工作保障离不开系泊系统。目前用于海上浮式建筑物的系泊系统多样，按照系泊方式可分为悬链线系泊、悬链线锚腿系泊、单锚腿系泊、张力腿系泊和系缆桩-缓冲系泊等；按在水中链态情况可以分为悬链式系泊、半张紧式系泊和张紧式系泊；按系泊力的提供方式分为被动式系泊、动力定位系统和推进器辅助系泊系统。被动式系泊是最为传统的系泊方式，通常采用锚链或系泊缆绳将浮体与海底连接，由锚链和系泊缆来提供相应的回复力；动力定位系统是一种自动控制的系泊系统，当浮式结构物在波浪等荷载作用产生运动时，控制系统根据运动的大小，使推进器产生一定大小和方向的推力，从而使浮式结构物保持定位；推进器辅助系泊系统是在传统的被动系泊的基础上配备相应动力推进器来使浮式结构物定位的系泊方式。按系泊点的个数又可分为单点系泊和分布式系泊，单点系泊系统常用于FPSO，单点系泊系统通过内转塔，外转塔或者浮筒将FPSO系于一点，此时FPSO在外部环境的作用下，可绕该点转动，从而具有“风向标”的作用，使得船首方向始终沿着浪流方向，从而减少FPSO对荷载的响应。分布式系泊一般用于张力腿平台、Spar平台和半潜平台。一般来说，选用什么样的系泊方式应根据系泊力的大小、水深、缆绳的长度、海底地形等来确定。浮式结构物工作环境在浅海，采用锚链构成的悬链式系泊系统，但当水深增加，锚链构成的系泊系统的重量和造价不断增加，因此在水深超过1000米，悬链式系泊不再适用。深水浮式结构的系泊系统，目前大多采用具有预张力的复合缆系泊，具有比较好的经济性能，拖运施工可行，更适合深海平台的应用。目前系缆的材料主要有四种1：全锚链系泊；采用全钢缆的半张紧式系泊；采用尼龙缆的张紧式系泊；采用复合材料系泊缆系泊，如：锚链-钢缆-锚链；锚链-尼龙缆-锚链。半潜式平台采用分布式系泊，系泊系统主要由四部分组成：导缆器、系泊缆、起链机和锚组成所示。系泊缆绳上端与平台主体的导缆器相连，下端连接锚，用起链机来控制系泊缆的预张力。导缆器一般位于半潜平台的浮心位置的水平面上，已获得较大的回复力矩，锚根据海底的地质地貌情况，可选择抓力锚、桩基或者吸力锚，使系泊缆绳固定于海底。半潜式平台可采用悬链式系泊，也可采用张紧式或半张紧式系泊，这和半潜平台工作的水深有关。悬链线式系泊主要由锚链和系泊缆索组成，回复力主要是靠系泊缆索的自重提供，通常情况下悬链线式系泊会有一部分躺底段，当平台发生运动后，水下缆索的形态会发生相应的变化，给结构物提供的回复力也会发生变化；张紧式系泊一般采用复合缆进行系泊，回复力主要靠系泊缆发生形变提供，系泊缆工作一定时间会发生一定量的蠕变，因此需每隔一段时间通过绞轮机适当收缆，在海底没有所谓的躺底段，与悬链式系泊相比，张紧式系泊所用缆索密度小，便于运输，同时系泊半经较小，缆绳短，更适用于深海系泊。为了保障浮式结构物的安全和保障海上施工的进行，正确有效的进行海洋系泊系统计算分析至关重要。从材料属性上来看，系泊缆索是一个完全挠性构件，只能承受拉力，不能承受弯矩和剪力，在海洋波浪荷载下会产生明显的动力响应。为了进行有效准确的分析，国内外众多专家对此进行了大量的研究。按照对系泊缆索单元是否考虑惯性力，将系泊系统的研究方法分为两类：静力学分析法和动力学分析方法。静力学分析方法在设计初级阶段被广泛应用，静力分析与动力分析相比较，静力分析简单有效，耗时较短，且具有一定的精度。它可以近似模拟系泊系统所受的恒定荷载条件，如结构物的偏移、恒定海流的影响等，但静力分析时，建立的静力平衡方程没有考虑与加速度相关的惯性力项等非定常项的影响，尤其当外荷载的频率与系泊系统的频率接近时，结构对外荷载的响应将变得格外显著。静力学分析方法主要包括悬链线法和分段外推法。悬链线法是最早提出的一种数学模型，悬链线法模型在推导时假定缆索在拉力作用下的伸长可以忽略，即不考虑缆索的弹性变形影响，同时，假定缆索的自重较大，相比流的作用力可以忽略不计。正是由于悬链线法在推导过程中引入了过多的假设，使得它的模型本身存在局限性，它很难研究考虑流速存在以及动态刚度变化等情况时的影响，但它求解方便，速度较快，并能保持一定的精度，可以有效地应用于初步设计阶段，能够研究系泊缆索的内外受力以及位置形态2。分段外推法是基于悬链线法推导基础上考虑流荷载和弹性变形的一种方法，它可以适用于有躺底端的悬链线系泊分析，也可用于无躺底端的张紧式系泊的分析，同时，可以考虑海底斜坡地形，有浮筒情况以及多种材料系泊缆的静力分析问题。目前采用静力分析方法相对动力分析方法，简单有效，API规范3推荐在系泊系统初步设计时可采用拟静力分析的方法进行分析，最终设计阶段采用多种方法结合的方法进行分析。Reba和Hebert4利用悬链线理论分析了系泊缆张力与位移之间的关系；R.J.Smith et al 5研究了系泊系统两成分系泊缆索的悬链线方程，采用Lagrange方法进行迭代求解，将锚泊线的弹性考虑成单位质量的不定性，并介绍了相关的四种求解方法；Y.T. Chai et al6基于悬链线公式研究了三维部分着地和完全悬垂的多条锚泊线问题,所研究的方法可以处理有斜坡情况下与海床的相互影响，结果具有一般性。余龙和谭家华7对复合型系泊缆索进行研究，提出了适合多点系泊系统的分析方法。闫俊等8针对由三段浮容重、刚度和长度都不相同的链索和浮筒组合而成的复合锚链系统，应用分段外推法进行静力分析，研究结果为深水悬链式锚泊系统设计提供了一些参考。动力学分析方法目前比较成熟的研究方法主要是集中质量法和细长杆理论模型。集中质量法是将水下缆索这种细长的挠性构件视为有限个弹簧质量单元，这些单元在节点位置以铰接的方式连接，不考虑系泊缆索的弯曲和扭转刚度，流等外力荷载作用于单元的节点上，在此基础上，根据达朗贝尔原理得到各个节点的运动微分方程，来模拟整个系泊缆索的特性。目前集中质量法广泛应运于拖曳缆索和系泊锚链的动力性能分析。Huang Shan9通过集中质量法研究提出了三维系泊缆动力分析模型，准确的模拟了系泊缆应力突变状态；程楠10采用三维集中质量法建立了深海系缆模型，计算系缆的构型和张力，研究了深海Spar平台系泊缆索张力的突变规律，得到了一些有意义的结论；王磊11基于集中质量法模拟了浮标锚投放以及工作时缆索的受力情况，对于海洋观测技术提供了借鉴；刘远传12基于三维集中质量法在OpenFOAM工具箱，开发了船舶与海洋工程CFD求解器naoe-FOAM-SJTU,并详细阐述了三维集中质量法的数值分析方法；目前较为广泛使用的Orcaflex系泊系统专业计算软件，正是基于集中质量法编制的13。细长杆理论假定构件可以具有任意形状，并且构件是可变形的，最初该模型是由Garrett在经典细长杆理论基础上提出的，最初细长杆理论假定构件变形前后微段弧长不变即具有不可伸长的特性14,而后Mullarkey在Garrett理论的基础上，进一步发展细长杆理论，考虑了细长杆微段的伸长特性。基于可伸长的细长杆理论，Ma and Webster开发了三维整体坐标系下的海洋挠性构件数值分析程序CABLE3D，不过该程序并没有考虑海底对于系泊缆索的摩擦效应15。其后Chen and Zhang 在不可拉伸弹性细杆理论上，并考虑海底边界条件对系泊缆索的摩擦，推出了Modified Cable3D 程序16。目前细长杆理论日趋成熟，众多学者利用该理论解决一系列的问题，马刚17基于弹性细杆理论对深海立管和系泊线动力学模型进行了研究，解决了悬链线模型中动态刚度问题以及结构极端细长引起的几何非线性问题；唐友刚，张若瑜等18采用细长杆理论模型很好的模拟深海聚酯缆的力学性能，得到了深海系泊缆的动张力变化规律和力学特性；Ormberg and Larsen 基于细长杆理论对内转塔式FPSO的动力耦合进行了分析，介绍了耦合分析和不耦合分析对运动响应的影响19。细长杆模型是在三维笛卡尔整体坐标系下建立的，可以对任意空间形状的构建进行分析，分析简便，具有较广的应用前景。参考文献：1 向溢，谭家华 码头系泊船舶缆绳张力的混沌解法J,武汉理工大学学报2 余龙，谭家华 深水中悬链线锚泊系统设计研究进展中国海洋平台2004.6 24-283 API Recommended Practice 2SK Third Edition for Design and Analysis of station keeping Systems for Floating Structures. OCT 20054 Korkut M Dand Hebert E J, Some Notes on static Anchor chin curves. OTC 1160,1970.45 Russell J Smith, Colin J Mac Farlane. Statics of a three component mooring lineJ.Ocean Engineering,2001(28):8996 Chai Y T , Varyani K S , Barltrop N D P . Semi-analytical quasi-static formulation for three-dimensional partially grounded mooring system problemsJ.Ocean Engineering,2002(29):627-6497 余华 谭家华 基于准静定方法的多成分锚泊线优化 海洋工程2005 23（1）：69-738 闫俊 乔东生 欧进萍，深水悬链锚泊线串联浮筒系泊静力特性分析，第十六届中国海洋工程学术讨论会论文集，2013.89 S. Huang and D. Vassalos, Snap Loading of Marine Cables C, Proceedings of the Fourth (1994) International Offshore and Polar Engineering Conference, Osaka, Japan, International Offshore and Polar Engineers, 1994.Vol.11:3043110 程楠，集中质量法在深海系泊冲击张力计算中的应用研究，中国硕士学位论文11 王磊，单点系泊系统的动力学研究，中国硕士学术论文12 刘远传，浮式结构物系泊系统数值分析模块naoeFOAM-ms开发，中国硕士学位论文13 Orcina. Ltd Orcaflex Manu, 200514 Garret.D.L. Dynamic analysis of slender rods, Journal of Energy Resources Technology, Transaction of ASME, 1982, 104:302-307P15 Ma W, Webster W C, An Analytical Approach to Cable Dynamics Theory and User Manual:SEA GRANT PROJECT R/OE-26,199416 Chen X, Zhang J, Iranib P J A M. Dynamic analysis of mooring lines with inserted Springs. Applied Ocean Research,2002,23(5)17 马刚，基于弹性细杆理论的深海立管和系泊线动力学模型研究，中国硕士学位论文18 唐友刚，张若瑜，刘利琴，胡楠，深海系泊系统动张力有限元计算，海洋工程2009.11 1017P19 H. Ormberg, K. Larsen, Coupled analysis of floater motion and mooring dynamics for a turret-moored ship. Applied Ocean Research 20(1998)55-67三、研究内容1 学术构想与思路；主要研究内容及拟解决的关键问题（或技术）学术构思与思路主要如下：对半潜式钻井平台进行系泊系统设计，需要有明确的半潜平台模型，首先根据已有平台在SESAM软件的GeniE模块中进行建模，依据API规范，选取合理的环境参数，在SESAM软件中的HydroD模块中计算相应的水动力参数，以这些水动力参数作为输入，利用SESAM软件中DeepC模块进行耦合动力学分析，结合API规范，进行强度校核和定位校核，给出合理的系泊设计方案，然后改变系泊缆索的位置参数，进行一定的优化。通过学习现有的研究理论，基于静力分析和动力分析方法，对系泊缆索进行研究，并以SESAM软件中某一缆索的顶端节点位移时程作为已知边界条件，进行张力分析，并与SESAM软件计算的结果进行对比。主要研究内容及拟解决的问题：（1） 依靠SESAM软件进行系泊系统设计和强度分析。在SESAM软件的GE模块中，建立水动力计算模型，生成T*.FEM文件，该文件包含半潜式钻井水动力计算所需的几何信息；在HydroD模块中计算结构物的波浪荷载和运动相应，生成相应的G*.sif文件，该文件包含有结构物的重量、附加质量、流力和风力系数，一阶波浪诱导运动的传递函数和波浪漂流力系数数据；在DeepC模块中进行系泊与结构物的耦合动力分析，提取关键点的张力和位移时程信息，验算系泊系统强度是否满足要求，验算平台的水平偏移能否满足钻井作业要求。（2） 系泊系统缆索属于挠性构件，不能承受剪力和弯矩，调研现今的系泊缆的分析理论，包括静力学分析理论和动力学分析理论，对一条系泊缆索做数值模拟，模拟的结果与SESAM软件计算的结果作对比，验证数值方法的正确性。2 拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析研究方法：（1） 查阅文献，查阅现今系泊缆索的分析理论，为数值模拟程序的编写做准备；查阅系泊系统设计规范，包括环境条件的选取、分析方法、校核方法等，为验证系泊系统的合理性提供评判标准。（2） 借助SESAM软件专业的分析工具，计算系泊系统的指标数据，与设计规范对比，验证系泊系统设计的合理性。（3） 基于MATLAB软件语言，对系泊缆索的数学模型进行求解，在利用SESAM软件来验证编写程序的正确性。技术路线：主要分为以下几个步骤：（1） 查阅文献，掌握和了解系泊系统设计所需的必要数据和判断标准。（2） 总结现今系泊系统的分析理论，并编写相应的程序，进行简单的数值算例验证。（3） 根据查找得到的数据，给出初步的系泊设计方案，利用SESAM软件对系泊设计方案进行计算，并与文献设计的标
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