新型深吃水多立柱平臺的水動力與運(yùn)動響應(yīng)研究.pdf

1、近年來，隨著全球化發(fā)展對能源需求的加劇，深水油氣開發(fā)得到了快速的發(fā)展。浮式平臺作為深海水域重要的鉆井采油裝備，其相關(guān)問題成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。目前，國際上廣泛應(yīng)用的浮式平臺類型有：半潛式平臺、張力腿TLP平臺和Spar平臺等。盡管這些平臺已經(jīng)在深水油氣田的開發(fā)中扮演了重要的角色，但同時也存在著一些不足，例如：傳統(tǒng)半潛式平臺的水動力性能較一般、TLP平臺造價和建造難度對水深敏感以及Spar平臺特征尺寸大對船塢要求高等。因此，開發(fā)新型深水浮

2、式平臺，進(jìn)一步的改進(jìn)或改良其性能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。此外，對于深水浮式平臺，作為其最關(guān)鍵的科學(xué)問題之一——水動力與運(yùn)動性能仍需要進(jìn)一步的研究。本文在對各類深水浮式平臺進(jìn)行總結(jié)、分析和比較的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的浮式平臺概念——Deep Draft Multi-Spar（DDMS），為深水油氣開發(fā)裝備提供了一種新的解決方案。論文對DDMS平臺進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)、頻域內(nèi)水動力與運(yùn)動響應(yīng)分析、時域內(nèi)主體、系泊索和立管全耦合的運(yùn)動響應(yīng)分析、垂蕩和

3、縱搖耦合的馬修不穩(wěn)定性分析以及DDMS平臺物理縮尺模型實(shí)驗(yàn)等。主要內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　(1)采用交互式的方法概念設(shè)計(jì)了一座工作水深1500m，排水量近7萬噸的DDMS平臺。概念設(shè)計(jì)主要包括平臺的總體布置、主體尺寸估計(jì)、系泊系統(tǒng)布置、立管系統(tǒng)布置、平臺重量控制、穩(wěn)定性驗(yàn)算和運(yùn)動性能驗(yàn)算等。另外，分析和獲得了平臺結(jié)構(gòu)特征參數(shù)與平臺穩(wěn)性、水動力及運(yùn)動性能之間的相互關(guān)系。
　　(2)在頻域求解了DDMS平臺和Truss Sp

4、ar的一階水動力信息，并比較了兩種平臺的耐波性。在運(yùn)動響應(yīng)計(jì)算中采用了數(shù)值迭代的方法來處理粘滯阻尼等非線性項(xiàng)，并著重分析了垂蕩板和平臺主體產(chǎn)生的粘滯阻尼對浮式平臺運(yùn)動性能的影響。分析結(jié)果表明垂蕩板能非常有效地降低平臺垂蕩響應(yīng)；平臺主體產(chǎn)生的粘滯阻尼對于縱蕩低頻動力響應(yīng)有明顯的抑制作用。由于自然周期增大，DDMS平臺的垂蕩運(yùn)動性能進(jìn)一步提升，明顯優(yōu)于Truss Spar平臺，適用于多種不同海況條件。
　　(3)建立了時域內(nèi)平臺主體、

5、系泊系統(tǒng)和立管系統(tǒng)全耦合的數(shù)值預(yù)報模型。對非耦合、系泊索耦合和全耦合三種不同的數(shù)值模型進(jìn)行了自由衰減測試和風(fēng)浪流聯(lián)合作用測試。通過這些測試，比較和分析了系泊索和立管對浮式平臺總體響應(yīng)的影響及其耦合效應(yīng)。研究結(jié)果清楚地顯示來自垂蕩板和系泊索的阻尼能夠減小平臺垂蕩方向的動力響應(yīng)特別是縱蕩方向的低頻運(yùn)動。在考慮系泊索動力響應(yīng)的全耦合分析中，波頻部分的系泊索張力占主要部分；對于考慮系泊索靜力的非耦合分析中，低頻部分的張力起到了控制作用。

6、　　(4)建立了垂蕩和縱搖耦合的運(yùn)動方程，嚴(yán)格考慮了平臺水線面積、穩(wěn)性高度和排水體積隨平臺運(yùn)動的變化關(guān)系。在規(guī)則波和隨機(jī)波作用下分析了DDMS平臺的馬修不穩(wěn)定性并著重討論了阻尼對不穩(wěn)定的發(fā)生起到的抑制作用。分析結(jié)果顯示，垂蕩板和系泊索對于抵抗馬修不穩(wěn)定的發(fā)生扮演了重要的角色。數(shù)值模擬的結(jié)果還很清晰地說明馬修不穩(wěn)定的發(fā)生來源于耦合運(yùn)動之間能量的相互傳遞和轉(zhuǎn)化。
　　(5)在波浪水槽中進(jìn)行了物理縮尺模型實(shí)驗(yàn)，獲得了DDMS平臺水動力和