基于内转塔系泊系统的浮筒设计与研究

刘念　张艳云　刘瀚昱　石彦文　李应刚

摘 要：本文主要介绍一种应用于内转塔系泊系统的新式浮筒，用于辅助采油船采油管系的近海面分离，有提高工作效率，保护采油管系和减少环境污染的作用。

关键词：钻井采油船；内转塔系泊系统；浮筒

目前来看，极地资源愈来愈重要，大型石油公司也越来越倾向于使用拥有先进钻探能力和更高灵活性的钻井船来进行钻探作业。但是当采油船在遇到紧急状况时需要采取分离作业，目前采取的是在海底将隔水管与防喷器直接断开的方式，耗时长，钻井液泄露至海水中，污染严重，复位困难。本文主要介绍一种应用在内转塔系泊系统中的新型浮筒，这种新型浮筒可实现立管近海面分离，解决上述问题。

1 浮筒结构设计

浮筒整体结构如1图所示

①浮筒采用圆台状外形，相较于圆筒型，具有与转塔连接更为牢固，分离后在水下运动响应小，保持位置能力强的优势。

②设有多个舱室，每个舱室均设有密封阀门，可智能控制進水排水，用于控制浮筒的浮浅状态。浮筒第一层舱室采用拱型舱底，保持浮筒内部的水密状态。

③浮筒舱壁与管系直接接触处均设有密封圈，以保证系统水密性。

④浮筒内部设有GPS，消息声纳系统及摄像头，能够长距离精确定位和控制。配合锚链连接器及转塔分离器及可做到浮筒的快速释放及重连。

⑤第一层舱室中设有夹持装置，如图2所示，用于固定隔水管及钻杆，配合顶驱装置进行钻井管系的分离操作。

2 浮筒可行性研究

2.1 浮筒结构研究

分析分离之后浮筒，主要是要确认浮筒的尺寸。首先计算立管湿重G：

G=G总-G排

其中，G总为立管总重，G排为立管排开水的重量。可得G=20000kN。

根据工程经验

G排=F浮×107=k·G×107

其中G排为浮筒排开水的重量，G浮为浮筒所受的浮力，k=0.875。

求得G排=25000kN，则V=2500m3。

研究不同浮筒模型的最大应力、最大应变、最大位移以及拖曳力的变化规律，得出不同情况下，浮筒抵抗外力的变化曲线，从而确定最佳的浮筒高度与外径比值范围。[2]

经计算得，当h/D1大于3/4以后幅度迅速的减小，最大应力、最大位移、最大应变趋于稳定。故取最佳的浮筒高度与外径比值为3/4。

当浮筒高度为定值时，d1/D1不同时，浮筒受水下运动响应大小会不同。多次计算得，当d1/D1=1/2时，水下运动响应最小，浮筒保持位置能力最强。

故最终计算得d1=10m，D1=20m，h=15m。

2.2 立管结构分析

分离之后，立管所受的力主要来自浮筒对其的轴向载荷以及水流的横向载荷。对于水流载荷，根据莫里森方程，可求得单位长度载荷：

2.4 浮筒水动力响应仿真分析

Aqwa是一款功能强大的水动力学分析计算软件，在许多海洋工程结构物流体动力学分析、系泊系统计算等领域得到广泛应用，十分适于此项目的模拟仿真。

本项目组应用此软件，对分离后的水下部分进行模拟仿真，如图2所示。

进行动态仿真后，得出浮筒及钻井杆的位移偏移量，如图3所示，和钻杆受力，如图4所示。

故可得出结论，此新式浮筒在与内转塔系泊系统分离后，与钻井杆保持方位的能力很强，钻杆受力在限定限度内，能较好的保护分离后的钻井采油管系，可满足工作需求。

参考文献：

[1]吴刚，张东江.极地船舶技术最新动向[J].中国船检，2015（03）：97-101.

[2]刘佳宁.自由站立式管浮力筒结构设计与分析[D].哈尔滨工程大学，2011.

[3]徐栋.冰载荷作用下极区船舶强度校核研究[D].上海交通大学，2014.