深海半潜式平台初步设计中的若干关键问题研究

摘要

辽阔的海洋蕴藏着丰富的资源，随着世界油气需求的增加，海底油气的开采向水深450～1500米的深水域和水深1500米以上的超深水域发展。随着水深的增加，传统的导管架和重力式等平台由于自重和成本的大幅度增大而不适合深水开发，因此适于深海作业的钻采生产系统成为了研究的热点。 目前适用于深海油气钻采生产的平台型式主要有：张力腿平台、Spar和半潜式平台。与其它两种平台相比，半潜式平台具有相对总投资小，更大的甲板空间和甲板可变载荷，更强的生产能力，更大的工作水深范围，易于改造并具备钻井、修井、生产等多种工作功能，无需海上安装，全球全天候的工作能力和自存能力等优点。考虑投资成本、工作水深范围、井口数目、服务年限和工作地域等因素，半潜式平台将是满足深海作业的更佳的选择。随着油气开采向深海进军，半潜式平台进入了新的发展阶段，世界各国的公司和研究机构投入了大量的资金进行第六代半潜式平台的研发。 在目前新一代半潜式平台繁荣发展的背景条件下，本论文对深海半潜式平台的发展趋势作详细分析，对深海半潜式平台初步设计中的一些问题进行了研究。 本论文的主要工作包括以下几个方面： 1、对半潜式平台的发展过程、新一代半潜式平台的发展趋势和特点进行了介绍，综述了与半潜式平台初步设计有关的若干方面的研究现状和研究成果。 2、以一第六代半潜式平台为母型，设计了四种常用的半潜式平台型式模型，通过波浪中的垂荡性能、完整稳性、拖航阻力和船体钢料重量等几方面的比较分析，选取合适的深海半潜式平台型式。 3、根据二维切片理论求解平台的水动力系数，综合考虑经济性和波浪上的运动性能，建立了深海半潜式平台的多目标优化模型。进行正交设计，研究各设计变量对目标函数的影响程度。考虑到水动力系数计算和运动方程的非线性，采用多目标优化遗传算法一改进的非劣解排序遗传算法进行优化设计，得到多目标优化问题的Pareto解。从结果中选取三个具有代表性的方案进行分析，认为经过优化设计，平台的固有周期都远离常规波浪的周期，都具有良好的运动性能。通过对比，认为平台的运动性能有进一步改善的可能，但超过一定范围时，其改善的效果很小，反而会使成本急剧加大，优化意义不大。并选择了居中的一个方案作为初步设计结果。 4、采用三维势流理论，对所设计半潜式平台在波浪中的运动响应和所受的波浪载荷进行详细的计算分析，并采用P-M波谱进行了短期和长期预报。所得频域计算结果可用于系泊设计的分析计算。 5、通过模型试验测量平台在规则波中的垂荡运动响应及三个位置的气隙，验证了计算方法的可靠性。 6、在深水中，悬链线系泊系统已经不适用，张紧式系泊系统逐渐成为主要的系泊方式。为了克服传统的链索系泊缆在深水系泊应用中重量过大的问题，提高平台的可变载荷，对于新型的合成系泊缆的研究也应运而生，目前各种合成系泊缆如尼龙、聚酯绳等已广泛应用于深水系泊。本论文概述了张紧式系泊系统目前的研究方向和设计方法，设计了钢丝绳-聚酯绳-钢丝绳三段式系泊缆，并对九种不同布置方式的张紧式系泊系统进行静力分析，研究在2500米水深的超深水条件下，系泊缆的布置方式对系泊系统的回复力性能的影响程度，以及系泊缆在设计环境条件下的张力变化规律。 7、采用时域分析方法，将平台在波浪中的运动响应频域结果转化到时域，考虑各种非线性的影响和系泊缆的动力特性分析，使预报更加可靠。引入风、浪、流的联合作用，采用耦合分析的方法，综合考虑半潜式平台和系泊系统的相互作用，得到作业工况和自存工况情况下波浪载荷、平台运动和系泊缆张力的各种时历结果。在对各种时历结果进行处理后，可得到各种结果的谱密度和Weibull概率分布，为深海系泊系统的设计和分析提供参考。 本论文对深海半潜式平台的型式选择、方案优化设计、水动力性能理论计算与试验、运动长短期预报、系泊系统初步设计、系泊平台耦合时域分析等方面的内容进行了研究，得到了相应的研究结果，对超深水半潜式平台的初步设计具有重要参考价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2国内外深海半潜式平台发展状况

1.3半潜式平台研究现状

1.3.1半潜式平台型式的优化

1.3.2半潜式平台水动力性能研究

1.3.3系泊系统设计与性能研究

1.3.4模型试验研究

1.4本论文主要工作及创新点

参考文献

第二章典型深海半潜式平台型式比较研究

2.1半潜式平台型式特征

2.2新一代半潜式平台的发展趋势及主要型式

2.3四种半潜式平台型式比较研究

2.3.1运动性能比较研究

2.3.2完整稳性比较研究

2.3.3拖航阻力比较研究

2.3.4船体钢料重量比较研究

2.4本章小结

参考文献

第三章深海半潜式平台多目标优化设计

3.1半潜式平台优化设计工作回顾

3.2深海半潜式平台多目标优化问题的提出

3.2.1船体钢料重量

3.2.2半潜式平台在规则波浪中的运动响应

3.2.3半潜式平台在不规则海浪上的运动

3.2.4优化数学模型

3.2.5正交试验设计

3.3改进的非劣解排序遗传算法(NSGA-II)

3.4优化结果与分析

3.5本章小结

参考文献

第四章深海半潜式平台运动响应研究

4.1半潜式平台在波浪中的运动响应

4.1.1三维势流理论

4.1.2运动方程

4.1.3二阶波浪力

4.1.4计算模型

4.1.5计算结果

4.2半潜式平台响应短期预报

4.3半潜式平台响应长期预报

4.4本章小结

参考文献

第五章半潜式平台运动性能模型试验

5.1试验目的

5.2相似法则及试验模型

5.3环境条件及模拟

5.4试验结果分析

5.5本章小结

参考文献

第六章深海半潜式平台系泊系统设计研究

6.1两种主要的系泊系统

6.2合成系泊缆

6.3系泊缆的分布型式

6.4系泊系统分析方法

6.4.1静力分析

6.4.2准静定分析

6.4.3动力分析

6.4.4规范里的一些规定

6.5深海系泊系统静力设计

6.5.1静力分析方法

6.5.2环境载荷

6.5.3坐标系及系泊缆布置

6.5.4系泊缆设计

6.5.5结果及分析

6.6本章小结

参考文献

第七章深海系泊半潜式平台时域耦合分析

7.1时域模拟法

7.2半潜式平台时域运动方程

7.3系泊缆动力计算

7.4系泊平台耦合分析

7.5系泊平台时域耦合分析结果

7.5.1波浪时历结果

7.5.2半潜式平台运动时域模拟结果

7.5.3系泊缆张力计算结果

7.6本章小结

参考文献

第八章总结与展望

8.1本论文主要工作总结

8.2进一步的研究方向及展望

攻读博士学位期间发表和录用的学术论文

致谢