深海Spar平台双船浮托安装数值模拟研究

摘要

人类对石油资源的需求日益增加，陆上资源亦日趋枯竭，因此对海上油气资源的勘探及开发迫在眉睫。目前世界各国都在大力发展海上钻井及采油平台技术，争取在即将到来的资源大战中占有有利地位。如何快速、安全、经济的将海上平台安装在指定海域是平台海上施工的一个研究重点。平台的海上安装一般有吊装法和浮托法安装两种，而传统的吊装法安装随着安装费用的提高、上部组块重量的增大以及平台结构的限制，其应用范围越来越受到限制。因此浮托法安装逐渐在海上安装中占据一席之地，并在国内外得到广泛应用。其中，双船浮托安装作为浮托法安装的一种，有着不受平台开口及吃水的限制、可以安装较大组块重量的优点，已然成为了平台海上安装的热点。
　　本文首先介绍了浮托法安装的操作过程，阐述了国内外学者对浮托法安装的研究现状及进展，详细介绍了双船浮托法安装的步骤。其次，参考适合中国南海海域的Cell Spar概念模型，根据使用双船浮托法安装上部组块的过程中重量载荷的转移特点，使用水动力计算软件AQWA建立目标平台在安装中不同阶段的水动力模型。采用三维势流理论，对不同阶段的水动力模型进行了频域分析，得到了卸载过程中浮托驳船和Spar平台的附加质量系数、阻尼系数和运动幅值响应算子(RAO)等水动力参数以及在规则波中的运动特性。然后，在频域分析的基础上，建立双船浮托安装的时域计算模型。使用AQWA-Drift模块模拟浮托驳船、上部模块和平台主体三者以刚接、铰接两种不同连接方式在实际安装海洋环境中的运动。文章分别从驳船、平台间的相对运动对比、刚接铰接时的单个浮体运动响应对比、连接处的接触点受力情况对比和系泊缆的受力对比四个方面分析了Spar平台的上部模块以不同连接方式在双船浮托安装中的运动特性。以上部载荷从浮托驳船转移重量50％到平台主体时为例，通过对刚接、铰接以及环境载荷不同入射方向进行对比，得出通过数值模拟，在浮托安装的此阶段时使用刚性连接方式连接浮托驳船和上部模块最为合适。最后，依据刚性连接的基础，在环境载荷180°入射时，通过改变浮托驳船与平台主体之间的间距、风浪流海洋环境参数等相关参数对浮托安装模型中的平台主体进行了运动响应预报，得到了其运动的变化规律，为以后的研究提供参考依据。
　　本文采用数值模拟的方法研究了深海Cell Spar平台在使用双船浮托法安装过程中的相关问题，探究了不同连接方式对安装的影响，丰富了双船浮托法安装内容，对以后的海上浮托安装的数值计算具有一定的参考价值。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 论文研究的背景和意义

1．2 浮托法安装的发展现状

1．2．1 双船浮托法安装

1．2．2 国外研究现状

1．2．3 国内研究现状

1．3 本论文的研究内容

2 数值计算理论与方法

2．1 三维势流理论

2．1．1 坐标系的定义

2．1．2 速度势

2．2 附加质量系数和阻尼系数

2．3 波浪干扰力

2．3．1 一阶波浪力

2．3．2 二阶波浪力

2．4 频域运动方程

2．5 时域计算理论

2．5．1 频域解的傅氏变换法

2．5．2 时域运动方程

2．5．3 风力和流力

2．6 本章小结

3 频域水动力分析

3．1 基于AQWA的计算模型的建立

3．1．1 Cell Spar平台水动力模型

3．1．2 浮托驳船模型的建立

3．1．3 组块支撑装置(DSU)

3．2 针对深海海上平台双船浮托安装载荷转移特点分析

3．3 频域分析计算结果

3．3．1 附加质量系数和阻尼系数

3．3．2 RAO曲线

3．3．3 一阶波浪激励力

3．3．4 二阶平均波浪力

3．4 本章小结

4 上部模块载荷质量转移时的时域晌应分析

4．1 同一入射方向刚、绞接得浮体相对运动

4．2 刚、绞接对浮体运动的影响

4．3 连接点处的反作用力对比

4．4 系泊张力

4．5 本章小结

5 浮托安装相关参数对比研究

5．1 浮托驳船与平台主体之间间距变化的影响

5．2 环境参数变化对运动特性的影响

5．2．1 不同风速对运动特性的影响

5．2．2 不同流速对运动特性的影响

5．2．3 不同有义波高对运动特性的影响

5．2．4 不同谱峰周期对运动特性的影响

5．3 本章小结

6 总结与展望

6．1 研究工作总结与结论

6．2 工作展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读学位期间发表的学术论文