八角形FDPSO张紧式系泊系统设计与分析

孙 强，董庆辉，彭贵胜，田 天，谢 彬，王世圣，喻西崇，赵晶瑞

(1. 大连船舶重工集团设计研究所有限公司，辽宁 大连 116021 2. 中海油研究总院，北京 100028)

八角形FDPSO张紧式系泊系统设计与分析

孙 强1，董庆辉1，彭贵胜1，田 天1，谢 彬2，王世圣2，喻西崇2，赵晶瑞2

(1. 大连船舶重工集团设计研究所有限公司，辽宁 大连 116021 2. 中海油研究总院，北京 100028)

从船型、环境条件和设计工况考虑，定性地为八角形浮式钻井生产储卸装置(FDPSO)选择等角度分组张紧式系泊系统。以2 000 m水深处环境条件为基础，设计了一套等角度分组张紧式系泊系统，以满足八角形FDPSO的定位要求和系泊线受力要求。与悬链式系统相比，张紧式系泊系统垂向重量小，锚泊半径小，百年一遇海况下一根锚链破损之后FDPSO的水平偏移能够得到有效控制。所提出的系泊系统不但可以满足八角形FDPSO系泊定位的要求，而且可为类似浮体的深水系泊设计提供参考。

系泊系统；浮式钻井生产储卸装置；张紧式系泊；悬链式系泊

0 引 言

浮式生产储卸装置(FPSO)是目前常用的海洋工程装备。它是集成了油品处理、存储和外输功能的海上浮体。但针对油田开发，FPSO缺少油气钻采功能。2000年左右，Halkyard等[1]针对西非和巴西海域环境特点提出了一种半潜式浮式钻井生产储卸装置(FDPSO)概念，在FPSO基础上增加了钻采功能。2009年8月，世界上第一艘FDPSO服役，该船具有140万桶油的储油能力和4万桶的日加工量，目前用于刚果南梅尔善罗丰德区块Azurite油田的开发[2]。2009年11月，Sevan Marine公司设计了首座圆筒形超深水钻探储油平台[3]。目前在研的FDPSO的船型可以归纳为7种，大致分为4大类：大水线面船体，包括圆形、八角形、圆角倒棱台形；小水线船体，半潜式，包括多立柱+圆柱、四立柱+旁通；深吃水浮体，碗型；船型。其中，八角形FDPSO除了满足基本功能要求外还有较高的储油效率，且建造容易、成本低，有良好的经济性[4]。

目前深水海域油气开发尚处于早期，对于油藏情况了解不充分，应当对一些有油气储量的区块进行试生产，进而决定开发模式和规模。这种无基础建设和依托区块的试生产，需要钻采、储油和外输等多项功能的综合实现[5]。八角形FDPSO概念的提出适逢其会，其应用将大大降低油田初期开发费用，及早投产并回收成本。而随着水深的增加，定位系统的作用越发重要。目前海上浮式结构物的定位主要分为动力定位和锚泊定位两种。动力定位属于主动式控制，相较而言能耗较高；锚泊定位属于被动式控制，在投资成本上更具优势。对于FDPSO这种经济型油气田开发装备，锚泊定位系统更加适用。

针对FDPSO锚泊系统的研究，目前处于方案确定阶段，研究的手段主要依赖边界元理论，采用数值分析对系泊方案进行验证。水深、海况条件以及系泊方式的差异，将对系泊方案的确定和验证产生很大的影响。目前学者针对八角形FPSO在渤海浅水边际油田应用进行了探索，设计了八角形浮体适用于浅水无钻井要求的系泊方案[6-7]；针对新型多筒式FDPSO系泊系统进行了研究[8]；针对船型FDPSO单点系泊定位进行了水动力性能和模型试验研究[9]；针对深水八角形FDPSO总体性能进行了分析，采用悬链式小角度分组系泊系统[4]。但对于深水FDPSO采用张紧式系泊系统仍鲜有报道。本文以2 000 m水深处环境条件为基础，针对八角形FDPSO，设计了一套满足生产要求的张紧式系泊系统并进行了分析验证。本项工作可为类似于八角形FDPSO的浮式结构物深水锚泊系统设计提供参考。

1 八角形FDPSO锚泊系统选型研究

八角形FDPSO与船型浮体不同，不具有明显的方向性，因此系泊系统的选择应以多点系泊系统为主。小角度分组式系泊在各个方向上的刚度差异较大，当环境载荷来自于回复刚度较弱的方向时，浮体位移难以保证，而单纯增大刚度又将导致系泊力剧增；等角度式系泊在各个方向上的刚度大致相同，在一根系泊线破损的情况下，刚度的损失相对和缓，平台偏移及系泊力的变化相对较小。考虑到特定海域环境方向的不确定性以及单根系泊线破损工况的考核，等角度分组式系泊系统比小角度分组式系泊系统在系泊性能上更具优势。因此，针对特定海域2 000 m水深八角形FDPSO的锚泊定位，选择等角度分组式多点系泊系统。

悬链式系泊系统属于较为传统的系泊系统，目前应用量较大，较为可靠，但随着水深的增大，其重量产生的垂向载荷增加，限制了其在深水中的应用。张紧式系泊一般与纤维缆结合，通过系泊线变形产生水平回复力，目前多应用于深水浮式结构物系泊定位。半张紧式系泊介于两者之间，与张紧式系泊的主要区别在于系泊线与海底平面的夹角更小。针对特定海域2 000 m水深服役的八角形FDPSO，以满足系泊定位为目标，本文设计一套张紧式系泊系统并进行分析验证。

1.1 系泊设计要求

八角形FDPSO集钻井、储油和外输为一体，对浮式结构物提出了诸多技术要求：为了满足钻井的需求，在作业工况下水平偏移要有效控制，原则上不能超过水深的5%，而在生存工况和破损工况下浮体偏移不应超过水深的10%[4]；为了确保系泊状态下的安全，其系泊线强度在生存工况下应满足强度要求。系泊分析衡准如表1所示。

1.2 环境条件与浮式结构物信息

该八角形FDPSO以2 000 m水深应用为目标。本文采用真实的海域环境条件，环境参数如表2所示。表3列出了八角形FDPSO不同装载状态下的参数信息。

表1 系泊分析衡准Table 1 Criteria of mooring analysis

表2 分析环境参数Table 2 Environmental Parameters

表3 八角形FDPSO不同装载状态下参数Table 3 Octagon FDPSO parameters under different loading conditions

1.3 锚泊系统设计方案

本系泊系统采用张紧式系泊，共设置4组系泊线，每组4条，在水平面方向，系泊线间以22.5°间隔均匀分布，系泊线与海底平面成42°夹角，预张力为4 170 kN。在平台顶端采用R5级锚链，破断载荷为26 100 kN，中间段采用深水系泊用纤维缆，在海底端采用R5级锚链，保证纤维缆部分在触地点以上以避免纤维缆与海底产生磨损。具体参数如表4所示；系泊布置如图1所示。

表4 张紧式系泊系统布置方案Table 4 Arrangement plan of the taut mooring system

图1 张紧式系泊系统布置方案示意图Fig.1 Arrangement sketch of the taut mooring system

2 系泊系统研究方法

研究系泊系统时，主要关注浮式结构物的水平运动。本文采用线性频域分析方法进行系泊系统的分析。针对系泊系统的刚度，采用线性化方式进行简化；浮式结构物在持续稳定输入的外部激励下，将产生与外部激励相同频率的稳态响应运动，采用频域的方法进行分析。

波频周期一般在4～10 s，而低频周期一般在1 min至几分钟不等。由于频率相差较大，因此可以在浮式结构物定常位移基础上分别考虑波频和低频响应，基于ANSYS AQWA进行系泊分析。

2.1 风流载荷确定

风流载荷考虑为定常载荷，分别依照规范中规定的经验公式[10]确定。其中风力Fw公式为

(1)

式中:Fw为风力；ρa为空气密度，15°时可选取1.226 kg/m3；UT,z为平均水面线以上高度z处、T时间跨度内平均风速，一般z取10 m，T取1 min；Cs为浮体形状系数；Ch为浮体高度系数；Aw为浮式结构物在风速方向内的投影面积。流载荷公式为

(2)

式中：Fc为流力；ρw为水密度；CD为拖曳力系数；Ac为浮式结构物在流方向上的投影面积；Vc为流速。

2.2 波浪载荷确定

采用势流理论求解大尺度结构物所遭受的水动力载荷。假设结构物附近的流场是无黏性的，即无旋有势，速度势是空间位置和时间的函数，应满足连续性方程，即速度势Φ(x,y,z,t)必须满足控制方程

2Φ(x,y,z,t)=0.

(3)

式(3)为拉普拉斯方程，它在直角坐标系中的表达式为

(4)

拉普拉斯方程和相应的边界条件都是线性的，可应用叠加原理把速度势加以分解。令速度势为

Φ(x,y,z,t)=ΦI(x,y,z,t)+ΦD(x,y,z,t)+ΦR(x,y,z,t)，

(5)

式中：ΦI(x,y,z,t)为入射势；ΦD(x,y,z,t)为绕射势;ΦR(x,y,z,t)为辐射势。ΦI、ΦD和ΦR各自都满足拉普拉斯方程及边界条件。于是按照线性理论，场内速度势的定解问题可分解成辐射问题和绕射问题来分别求解。通过边界元方法可求得绕射势和辐射势。这样，有了速度势后即可根据伯努利方程求解作用在结构物表面上的水动压力等。

在频域范围内的波频运动运动方程为

(6)

式中：M为结构质量；Ma为水动力附加质量；C为系泊线性化阻尼；K为系统总刚度;F为系统外载荷；X为运动响应。

Sx(ω)=|Hx(ω)|2S(ω),

(7)

式中，Sx(ω)为浮体运动响应；Hx(ω)为传递函数；S(ω)为波谱。

2.3 低频慢漂运动分析

当采用频域法分析浮体低频运动时，激励力可用波漂力谱表示。波漂力谱可依照下式计算：

(8)

式中：S(ω)和S(ω+Ω)分别表示为ω和(ω+Ω)频率的波浪谱；fd(ω)和fd(ω+Ω)分别表示频率为ω和(ω+Ω)的波浪平均漂移力系数。

考虑浮体在特定流体区域内的线动量和角动量，不考虑浮体运动，结合伯努利方程能够得出浮体的平均波浪漂移力：

(9)

系泊浮体在系统固有频率附近能够产生低频慢漂运动，主要由低频二阶力引起。为简化起见，假设结构低频运动方程是线性的，纵荡的运动方程为

(10)

考虑到力学系统是线性的，可以用下式将响应谱和激励谱联系起来：

(11)

(12)

当阻尼很小时，微小的激励将引起较大的响应，从而可见准确评估系统阻尼的关键性。Molin[11]针对锚泊FPSO各种阻尼贡献进行了统计分析：随着有义波高的增大，锚泊系统阻尼占总阻尼的比例大大增加，远超过黏性阻尼和漂移阻尼。因此，本文中忽略黏性阻尼的作用，仅通过拖曳力系数和附加质量系数考虑锚泊系统的阻尼作用。相关的系数如表5所示。

表5 锚泊系统水动力系数Table 5 Hydrodynamic parameters of mooring system

2.4 线性频域分析

浮式结构物在环境载荷的作用下将产生一定的偏移，同时导致系泊系统产生一个与外载荷方向相反的回复力，从而达到浮式结构物系泊定位的目的。在风、流和平均漂移力联合作用下，系泊浮式结构物将产生平均位移，对应图2所示“位移-受力”曲线。

图2 系泊浮式结构物“位移-受力”曲线Fig.2 Offset-force curve of mooring floating structure

,

(13)

式中：Xmean为平均位移;Xw,sig为有义波频位移;Xw,max为最大波频位移;XL,sig为有义低频位移;XL,max为最大低频位移。受力的确定方法与此类似。

3 系泊性能与安全评估

系泊系统的主要功能是将漂浮结构物偏移限定在一定范围之内，保证浮体正常运作。因此，浮式结构物的水平偏移便是评估系泊系统性能的重要参数。系泊系统在限制浮体偏移的同时，需要保证自身的受力小于最小破断力，以免系泊线断开导致系泊系统失效。按照这些原则，基于图3所示ANSYS AQWA水动力分析模型，评估所提出的系泊系统的性能。

3.1 工况设置

八角形FDPSO属于对称结构，而锚链也是对称布置的，因此只考虑33.75°和45°两个入射方向(见图1)。考虑到FDPSO不同的装载状态，分别考虑压载和满载两种情况，具体工况如表6所示。

3.2 系泊系统响应

通过线性频域分析得到的浮体位移和系泊线受力信息如表7和表8所示。

图3 AQWA 水动力分析模型Fig.3 AQWA hydrodynamic model

表6 工况命名列表Table 6 Load case list

表7 浮体位移状态信息Table 7 Offset of the floating structure m

(续表)

通过表7可以得出不同工况下FDPSO的偏移值：破损工况下最大偏移发生在工况8，达到193.87 m，小于要求的200 m；完整作业工况下的最大偏移发生在工况14，达到99.37 m，小于要求的100 m；完整生存工况下的最大偏移发生在工况16，为164.52 m，小于要求的200 m。

表8 系泊线受力状态信息Table 8 Mooring line tension

通过表8可以得出不同工况下FDPSO系泊线的受力值：破损工况下最大张力发生在工况8，安全系数为1.65，大于要求的1.25；完整工况下的最大张力发生在工况16，安全系数为1.89，大于要求的1.67。

3.3 张紧式与悬链式系泊系统性能对比

该设计应用张紧式系泊系统，而目前已有学者针对相同环境条件下同一FDPSO进行了悬链式系泊系统设计和分析[4]，两种方案均采用了16根系泊线。针对两种方案进行参数对比，如表9所示；针对两方案系统响应进行对比，如表10所示。

表9 张紧式与悬链式方案参数对比Table 9 Parameter comparison between taut and catenary mooring systems

张紧式系泊系统的单根系泊线重量明显小于悬链式系泊系统，能够降低由系泊系统重量引起的浮体浮力损失；悬链式系泊设计方案中未提及锚泊半径，依据一般经验，此半径将超过3 000 m，而张紧式系泊系统2 263 m的锚泊半径明显优于悬链式系泊系统的，可为海底管线铺设等提供良好条件。

表10 张紧式与悬链式方案响应对比Table 10 Response Comparison between taut and catenary mooring systems

两种方案都能够达到系泊定位的目的，系泊系统的受力均小于最小破断力，能够保证系泊系统安全。在锚链完整状态下，两种方案的浮体偏移与锚链受力情况差异不大；在锚链破损工况下，悬链式系统设计方案中未提及浮体偏移，从悬链式系泊的原理出发，该偏移量难以控制，预计在400 m左右，而张紧式系泊系统在破损生存工况下的浮体偏移仍控制在200 m以内，破损作业工况下的浮体偏移仍控制在120 m以内。

4 结 语

八角形FDPSO属于概念阶段的新型海洋结构物。本文针对八角形FDPSO在特定海域所采用的系泊系统型式进行了讨论和研究，阐述了载荷确定和慢漂运动分析的理论，应用线性频域的分析方法针对八角形FDPSO张紧式系泊系统性能进行了分析，并与悬链式系泊系统进行对比研究。主要结论如下：

(1) 在完整作业工况下浮体最大偏移为99.37 m，满足100 m的钻井偏移限制；在生存或破损工况下浮体的最大偏移为193.87 m，满足200 m的生产偏移限制；系泊线受力同时能够满足安全系数的要求,因此张紧式系泊系统能够满足特定海域2 000 m水深八角形FDPSO的系泊定位要求。

(2) 等角度分组张紧式系泊系统各个方向刚度相近，考虑的两个角度之间，位移和张力差异不大；由于环境载荷的差异，生存工况下浮体的偏移和张力均大于作业工况；单根锚链发生破损时，系泊系统的刚度有所损失，破损状态下系泊系统的偏移和受力大于完整状态。

(3) 较之悬链式系泊系统，张紧式系泊系统重量更轻，使得同样的FDPSO储油能力增强；张紧式系泊系统锚泊半径更小，节省了海床资源，更加方便油田管道铺设等操作。

(4) 张紧式系泊增大了系泊系统的上拔力，因此需要慎重考虑锚的选择和安装，进行相应的分析。

(5) 针对一根锚链破损的工况，张紧式系泊系统具有有效的系泊定位能力，能够保证浮体偏移在200 m限制范围内，保证了油田生产的安全。

总之，等角度分组张紧式系泊系统可以保证八角形FDPSO在特定海域2 000 m水深处的系泊定位。然而，高强度纤维缆的疲劳性能仍有待进一步研究。八角形FDPSO属于新型海洋工程装备，需要通过模型试验进一步验证等角度分组张紧式系泊方案的可行性。

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TautMooringSystemDesignandAnalysisofOctagonFDPSO

SUN Qiang1, DONG Qing-hui1, PENG Gui-sheng1, TIAN Tian1， XIE Bin2，WANG Shi-sheng2, YU Xi-chong2, ZHAO Jing-rui2

(1.DalianShipbuildingIndustryEngineeringandResearchInstituteCo.,Ltd.,Dalian,Liaoning116021,China;2.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

The existing mooring systems are compared and analyzed with the consideration of vessel shape, environmental condition and design cases. Average-distributed taut mooring system is finally selected for the octagon floating drilling, production, storage and off loading system (FDPSO) in the South China Sea. According to the requirements of station keeping and line forces, an averaged-distributed taut mooring system is designed based on the environmental condition at the depth of 2 000 m in the South China Sea. Compared with the traditional catenary mooring system designed for the same FDPSO, the averaged-distributed taut mooring system reduces the mooring system self-weight and the mooring radius on seabed. In addition, the offset of FDPSO with one mooring line damaged can be efficiently managed under 100-year environmental condition. The proposed mooring system can meet the requirements of octagon FDPSO. Furthermore, the research results will offer references for the mooring design of similar floating structures.

mooring system; floating drilling, production, storage and off loading system (FDPSO); taut mooring; catenary mooring

2015-04-07

国家科技重大专项(2011ZX05026-006-04)

孙强(1986—)，男，硕士，工程师，主要从事海洋工程装备方面的研究。

U656.1+26

A

2095-7297(2015)03-0175-09