浮式钻井生产储卸装置运动性能分析

何进辉 张海彬 景宝金

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）



浮式钻井生产储卸装置运动性能分析

何进辉 张海彬 景宝金

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

［摘 要］首先介绍了浮式钻井生产储卸装置（FDPSO）设有月池开口的船型特点，为评估月池开口对FDPSO船体运动性能的影响，设计了不同月池尺寸的方案。采用三维势流理论对不同月池尺寸方案水动力性能进行计算，得到FDPSO船体运动传递函数，总结FDPSO船体横摇和垂荡运动响应随月池尺寸变化的规律，并确定合理的目标FDPSO方案。最后对目标FDPSO方案进行运动性能实例分析，评估目标FDPSO方案的耐波性。

［关键词］浮式钻井生产储卸装置；月池尺寸；运动性能分析

张海彬（1976-），男，博士，研究员，研究方向：海洋工程结构物总体设计。

景宝金（1971-），男，硕士，研究员，研究方向：海洋工程结构物总体设计。

引 言

浮式钻井生产储卸装置（FDPSO，Floating Drilling Production Storage & Offloading）是集油藏钻探、原油生产、储存以及外输等多种功能于一身的新型海洋油气资源开发装备。在传统油气田开发模式中，通常利用钻井平台钻好评价井和生产井之后，再利用生产平台（如FPSO等）装备进行油气开采。FDPSO是在FPSO基础上配置钻井设备发展而成，既具有FPSO较强的生产储油功能，又具备钻探和完井的功能；既降低投资成本，缩短生产周期，又具有井口维修不停产的特点［1］。

为满足钻井功能，必须在FDPSO船体中央设置一个垂向贯穿船体的月池，下部与外界海水相连，腔内有自由液面。对于月池内的流体，存在着两类固有振荡现象：流体沿月池深度方向的“活塞”运动和流体在月池内的“晃荡”运动［2］。合适的月池尺寸可作为被动式减摇水舱，对船体运动性能具有改善作用；反之，不合适的月池尺寸可能会使得月池内液体运动与船体产生共振，船体运动幅度增大［3］。

刘学勤等人［3］曾对一艘作业水深1 500 m的钻井船月池开口对运动性能的影响进行分析，通过有月池和无月池方案对船体横摇固有周期影响对比分析表明，月池开口的存在使该钻井船横摇固有周期减小，横摇固有周期由无月池方案的18.00 s减小为16.43 s。但是，与钻井船排水量约40 000～50 000 t不同，FDPSO为满足储油要求，通常排水量较大（可达到200 000 t），月池体积占排水量比例较小，月池开口对FDPSO运动的影响规律会有所不同。

本文采用三维势流理论，对某型FDPSO不同尺寸月池方案进行水动力性能计算，并与无月池船体运动性能进行对比分析，总结了月池效应对该FDPSO船体运动的横摇、垂荡响应及固有周期的影响规律，进而为确定该FDPSO月池尺寸提供依据。在此基础上，对目标FDPSO方案的运动性能进行短期预报，评估该FDPSO的运动性能。

1　计算基础

1.1坐标系定义

水动力计算参考坐标系如图1所示。该坐标用于定义湿表面模型、质量模型以及运动RAO，原点定于水线面上，波浪从船尾向船首为0°，从右舷向左舷为90°［4］。

图1　水动力计算参考坐标系

1.2计算方案

一般钻井平台上设置的月池尺寸主要根据船型尺度和钻井作业设备而定，需要满足主要钻井设备如防喷器和采油树等设备的起升和下放要求。通常月池宽度方向约为8～10 m，长度方向差异较大，较短的月池长度约为15 m，较长的月池长度约可达到40 m，如“海洋石油981”号。为便于研究不同月池尺寸对FDPSO船型运动性能的影响，同时也基本涵盖钻井作业需求，本文考虑选用3个不同月池尺寸方案，分别为8 m×8 m、12 m×12 m、16 m×16 m。通过3个不同月池尺寸方案水动力性能与无月池船体方案的水动力性能对比分析，总结出月池效应随尺寸变化的规律。不同月池计算方案如图2 -图5所示。曳力、流体的分离或其他原因造成的阻尼，而且很难判断哪些部分因素是横摇阻尼的主要因素［5］。HydroStar是基于势流理论的分析软件，不能直接计算船体横摇运动的阻尼，但其提供临界阻尼系数和阻尼矩阵接口两种方式将横摇阻尼的影响加入计算。其中临界阻尼系数可以根据模型试验、工程经验或者直接数据计算求得；阻尼矩阵的数值可通过半经验公式ITH方法计算求得。ITH方法计算过程比较复杂，文献［6］中有详细阐述，本文不再赘述。

图2　无月池船体方案

图3　8 m×8 m月池方

图4　12 m×12 m月池方案

图5　16 m×16 m月池方案

本文主要研究不同月池尺寸对FDPSO运动性能的影响。为使不同方案运动性能具有可比性，对不同月池尺寸方案取相同的临界阻尼系数，按照一般工程经验，将临界阻尼系数取为3%。

2　月池效应对FDPSO运动性能的影响分析

1.3计算手段

本文的运动性能分析基于BV开发的商用软件HydroStar，它基于三维线性势流理论，能够完整地求解在有限水深和无限水深条件下波浪绕射和辐射的一阶问题，以及浮体有航速或者无航速下的二阶低频波浪载荷传递函数QTF。文中采用HydroStar对上述不同月池方案进行计算，得到船体运动的传递函数，再通过对传递函数的分析，得出月池效应随月池尺寸变化的规律。

1.4横摇阻尼

船体的横摇阻尼成分较为复杂，如摩擦、拖

浮式平台的六自由度的运动响应中，以横摇和垂荡响应对钻井作业影响最大。与纵摇和首摇运动响应相比，横摇运动响应通常幅度较大，特别是横浪作用于船体时，如果横摇运动过大，对平台上设备作业产生严重影响，甚至可能会发生隔水管与月池壁碰撞等事故。过大的垂荡运动响应则会使钻杆上下往复运动，引起井底钻压变化，甚至使钻头脱离井底，影响钻井效率，降低钻头和钻杆寿命。

对于船型浮体，通常横浪时的横摇和垂荡最大。因此，本文主要研究不同月池尺寸方案FDPSO在横浪作用下的运动响应，其传递函数如下页图6和图7所示。

从图6中可以看出，不同月池尺寸对FDPSO的横摇运动响应峰值影响不大，横摇峰值基本都在7.5 °/m左右。但是随着月池尺寸的增大，能量较为集中的谱峰区域整体“左移”，即横摇运动响应固有周期相应减小。与无月池船体相比，3个尺寸的月池开口使船体横摇固有周期减小，月池效应对船体横摇固有周期的影响规律与文献［3］所述一致。不过，由于该FDPSO排水量和水线面较大，月池体积和月池截面积相对较小，月池开口对FDPSO船体横摇固有周期的影响比钻井船小。

图6　不同月池方案船体在横浪作用下横摇运动响应传递函数

图7　不同月池方案船体在横浪作用下垂荡运动响应传递函数

图8　不同月池方案船体在45°斜浪作用下纵摇运动响应传递函数

通常钻井作业海域海况的谱峰周期多分布于10～16 s，位于FDPSO横摇固有周期“左侧”。月池尺寸越大，横摇运动响应谱峰区域向波浪谱峰区域“靠近”，容易形成“共振”，使船体产生较大的横摇运动。因此，为减少横摇运动响应值，不宜设置过大的月池尺寸。

由图7可见，波浪周期在10～32 s的较大范围内。不同月池方案的船体垂荡运动响应基本重合，这是由于FDPSO船型水线面较大，月池截面积较小，对垂荡的影响非常小。波浪周期小于10 s区域垂荡运动响应值出现一定差异，但该区域已经“偏离”垂荡运动响应谱峰区域较远，对垂荡运动响应短期预报值的影响可忽略不计。

由图8可见，不同月池方案对船体纵摇运动响应的影响规律与垂荡一致。各方案纵摇运动响应基本重合，仅在小于10 s区域纵摇运动响应有一定差异，但基本上不影响其短期预报值。

横摇、垂荡及纵摇的运动响应固有周期如表1所示。

表1　不同月池运动响应固有周期

从表1中也可以看出，横摇运动响应固有周期随着月池尺寸的增大而减小，垂荡和纵摇固有周期对月池尺寸的改变并不敏感。

3　目标方案运动性能分析

3.1目标方案

根据上述分析结果显示，在满足钻井设备布置的前提下，采用较小的月池尺寸可以改善横摇运动响应预报值，因此目标FDPSO采用8 m×8 m的月池方案。FDPSO其他主尺度如下：垂线间长252.30 m、型宽48.90 m、型深26.70 m、满载吃水17.80 m、满载排水量约213 000 t。其湿表面模型如图9所示。

图9　目标FDPSO方案湿表面模

3.2短期预报

采用HydroStar对目标FDPSO方案进行水动力分析，获得运动响应的传递函数后，结合FDPSO使用海域的海况资料，采用谱分析方法预报其在不规则波中的短期响应，包括六自由度的运动响应等。

船体运动响应在短期内可看作一个平稳随机过程，其响应谱可表达为：

大量实践表明，船体运动幅值的短期响应服从Rayleigh分布。该分布只有方差σ2一个参数，可由响应谱按下式直接得到：

这样，可获得船体运动短期预报的各种统计值，包括均值、有义值、十一值等。其中，单幅有义值的表达式为：

此外，可进一步求短期响应的最大值。短期响应最大值与有义值的关系为：

式中：n为该变量的短期循环次数，对于3小时，其表达式为：

式中：m0和m2分别为响应谱的零阶和二阶矩。

3.3作业海域环境条件

目标FDPSO方案作业海域为西非，西非海区的环境条件特点是涌浪出现概率较高，涌浪与风生浪并存。以一年一遇回归期的西非海况为作业海况，结果如表2所示。

表2　作业海域工况

当涌浪与风生浪叠加时，需采用采用双峰谱（Ochi-Hubble谱）对其进行描述，其表达式［7］为：

双峰谱分为两部分，一部分为低频部分、另一部分为高频部分，每部分由3个参数表示，共6个参数（H1、Tp1、λ1、H2、Tp2、λ2）。H1为主涌浪的有义波高，H2为风生浪有义波高。Tp1、Tp2分别为两部分的谱峰周期。λ1= 3.00，λ2= 1.54e-0.062H。

3.4FDPSO运动性能预报结果

结合目标FDPSO方案的运动响应传递函数和目标海域海况的波浪谱，可对目标FDPSO运动响应作短期预报。对于钻井作业，运动衡准一般是垂荡小于2.29 m，横摇、纵摇小于4°；对于湿树油气生产作业，运动衡准一般是垂荡小于7.0 m，横摇、纵摇小于15°。目标FDPSO垂荡、横摇及纵摇短期预报值与钻井运动衡准对比如图10所示。

图10　目标FDPSO垂荡、横摇及纵摇短期预报值及衡准对

由图10可见，作业海况下目标FDPSO整体运动性能优良，垂荡最大响应值为3.436 m，横摇最大响应值为8.034°，纵摇最大响应值为1.690°。因此，目标FDPSO运动性能可以在360°范围内满足湿树油气生产作业的运动衡准。对于钻井作业，浪向与船体首向夹角大于45°时，垂荡响应值和横摇响应值超出了钻井作业运动衡准，因此在钻井作业时需要采取首向角限制措施，使船体首向角与浪向角夹角不大于45°。

4　结 论

通过上述计算和分析，可以得出以下结论：

（1）FDPSO船型垂荡和纵摇运动响应对月池尺寸的变化不敏感，其响应峰值和固有周期基本不随月池尺寸变化而变化。

（2）FDPSO船型横摇运动响应峰值对月池尺寸变化不敏感；但其固有周期随着月池尺寸的增大而减小，且更接近一般作业海况波浪谱谱峰周期，较大月池尺寸对横摇运动存在不利影响。

（3）FDPSO排水量和水线面较大，月池开口体积和截面积相对较小，月池开口对FDPSO船体运动性能的影响比钻井船小。

（4）目标FDPSO方案运动短期预报结果显示，目标方案垂荡响应和横摇响应值较小；采用月池尺寸较小的方案是合理的，可以在全浪向下满足湿树油气生产作业的运动要求；但为满足钻井作业时的运动要求，则需采取一定的首向限制措施。

［参考文献］

［1］ 魏跃峰.浮式钻井生产储油轮（FDPSO）水动力性能及概念研究［D］.上海：上海交通大学，2014.

［2］ 康庄.月池流噪声及水动力特性的试验研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2006.

［3］ 刘学勤，张海彬.深水钻井船运动性能分析［J］.船舶，2013（3）：13-15.

［4］ BV. Hydrostar for Experts User Manual［R］. 2010：5.

［5］ 何进辉，张海彬.某单点系泊FPSO运动性能计算分析［J］.船舶，2014（3）：7-13.

［6］ Ikeda Y， Tanaka N， Himeno Y. A Prediction Method for Ship Roll Damping［R］. Report of University of Osaka. 1978.

［7］ 中国船舶工业集团公司.船舶设计实用手册（总体分册）［M］.北京：国防工业出版社，1998.

Motions analysis of floating drilling production storage & offloading

HE Jin-hui ZHANG Hai-bin JING Bao-jin
（Marine Design & Research Institute of China， Shanghai 200011， China）

Abstract：At first， the characteristics of a floating drilling production storage& offloading（FDPSO） with a moonpool in the middle of the hull are introduced. Different moonpool sizes are designed to study the effect of moonpool on the motion of FDPSO. By three-dimensional potential theory， the motion response amplitude operator （RAO） of FDPSO with different moonpool sizes is then calculated to obtain the variation of roll and heave responses with the moonpool size， resulting in a reasonable target scheme of FDPSP. Finally， the motion of the target FDPSO scheme is analyzed for the evaluation of seakeeping performance.

Keywords：floating drilling production storage& offloading （FDPSO）； moonpool size； motions analysis

［中图分类号］U661.32

［文献标志码］A

［文章编号］1001-9855（2016）03-0015-06

［收稿日期］2015-08-24；［修回日期］2015-10-10

［作者简介］何进辉（1986-），男，硕士，工程师，研究方向：海洋工程结构物总体设计。