圆筒形FWPSO在中国南海环境条件的适应性分析

刘 波

(海洋石油工程股份有限公司 天津 300451)

近年来，圆筒形浮式结构物包括钻井船以及圆筒形FPSO在海洋油气开发工程领域得到了较多关注[1-4]。圆筒形浮式结构为筒形对称结构，其下船体部分为增大直径延伸结构(本文简称阻尼板)，作用是增加运动时附加质量与阻尼，抵消恶劣环境条件下作用在筒体的波浪力，提高自身耐波性。圆筒形浮式平台概念结合了传统半潜式平台与SPAR的优点，同时与船型FPSO相比，省却了转塔与滑环，降低了设施的整体造价。圆筒形对称布置使结构更紧凑，避免了船型FPSO细长结构造成柔性总纵变形，其优越的运动性能及船体整体较大的刚度大大降低了上部设备对浮体运动及变形的适应要求。圆筒形浮式设施可以根据功能需求集钻修井、生产与储油等多功能于一体，比半潜式平台及TLP具有更大的存储空间。与SPAR相比较，圆筒形浮式设施可以在船台与船坞建造，且可以整装后拖航就位安装，建造安装更简易。

圆筒形浮式结构通常需要采用多点系泊系统，也可以采用多点系泊与动力定位系统组合。相对于单点系泊船型FPSO，圆筒形浮式结构需要抵抗更大的环境载荷，通常选用聚酯缆作为系泊材料的张紧式系泊。

由于圆筒形浮式结构物具有上述优点，且其集钻修井、生产、储油和外输于一体，可以大大降低油气田尤其是缺少周边依托平台管线等设施的边际油田的开发成本。因此，圆筒形浮式结构是否适用于中国南海深水油气田的开发，成为近年国内海洋工程界关注的热点。本文以专为中国南海某油田研发的具有修井功能的圆筒形FWPSO为研究对象，分析其作业及生存环境条件下的运动响应，并与水池试验结果进行了对比。同时将圆筒形FWPSO的运动特性与在中国南海作业的船型FPSO以及半潜生产平台的运动特性进行了对比，结果表明圆筒形FWPSO结构形式具有良好的耐波性，作业及生产工况均能满足安全要求。

1 圆筒形FWPSO概况

1.1 目标油田开发方案

南海某油田水深330 m，共3个区块，区块一为老油田，区块二、三为新油田。拟采用具有修井、生产、储油和外输功能于一体的圆筒形FWPSO，结合水下设施进行油田整体开发。圆筒形FWPSO设置在区块二上方，在生产期间可以对其覆盖的16口油井进行修井作业，区块一与区块三的物流通过管线回输至圆筒形FWPSO，整个油田开发方案布置如图1所示。

图1 南海某油田开发方案布置示意图Fig.1 Development layout of one oilfield in the South China Sea

1.2 FWPSO设计参数

为南海某油田所设计的FWPSO具有生产、存储、修井以及外输的功能，其储油能力为16.7×104m3，总体形式如图2所示，主尺度如表1所示。

图2 南海某油田FWPSO总体形式Fig.2 Integrated structure of the FWPSO for one oilfield in the South China Sea

表1 南海某油田 FWPSO尺度参数Table 1 Scale parameters of the FWPSO for one oilfield in the South China Sea

FWPSO采用多点系泊系统进行定位，系泊系统共3组，组间夹角为120°，每组4根锚缆，每根锚缆之间夹角为2°。锚缆由锚链与聚酯缆组合构成，锚缆详细参数见表2。

表2 南海某油田FWPSO锚泊系统锚缆参数Table 2 Parameters of mooring anchor cable of the FWPSO for one oilfield in the South China Sea

聚酯缆特性参考API[5]，刚度采用ABS推荐方法进行模拟[6]，用于计算FWPSO位移的刚度为3.63×105kN·m，用于计算锚缆载荷的刚度为6.43×105kN·m。百年一遇环境条件下，满载吃水系泊系统整体刚度如图3所示，0°表示一组缆的上风向刚度，180°表示一组缆的下风向刚度。

图3 南海某油田FWPSO锚泊系统水平刚度Fig.3 Horizontal stiffness of mooring system for FWPSO for one oilfield in the South China Sea

1.3 FWPSO设计环境条件

FWPSO生存设计工况为百年一遇台风环境，作业工况为一年一遇的非台风环境，详细环境条件见表3。

表3 南海某油田FWPSO设计环境条件Table 3 Design environment condition of FWPSO for one oilfield in the South China Sea

2 圆筒形FWPSO在南海环境下的运动响应数值分析

2.1 数值计算方法及模型建立

采用三维势流理论分析FWPSO 自由状态下的水动力性能和系泊状态下风、浪、流联合作用下的运动特性和系泊缆张力。采用势流理论进行计算时作以下假设：浮体在波浪中运动时，边界层不发生明显分离，波浪的惯性力和绕射力是主要分量。一般地，引入2个基本假定：①流体是不可压缩的理想流体，其表面张力效应可忽略不计；②运动无旋。这样可采用速度势的方法来求解浮体在波浪中的运动。采用DNV SESAM软件HydroD模块[7]进行FWPSO水动力分析以及运动预报，采用DeepC[8]模块进行时域耦合系泊系统数值分析。运动分析的湿表面模型如图4所示。

图4 南海某油田FWPSO水动力分析用湿表面模型Fig.4 Wet surface model for hydrodynamic analysis of FWPSO for one oilfield in the South China Sea

2.2 数值计算结果分析

对于FWPSO系泊系统，修井作业工况要满足钻修井作业的限位需求，生存工况要满足立管对FWPSO的限位能力需求，锚泊系统的强度通常由生存工况控制。规范要求修井作业钻杆在水下井口位置偏转角度须小于5°，本项目对应的FWPSO水平位移量约为28.80 m，模拟分析结果为22.97 m，对应钻杆偏移角度为3.98°，小于规范要求的偏移角度，表明FWPSO可以满足钻修井作业的需求。生存工况下为保证柔性立管在位安全，工程上通常按照20%水深来限制浮式设施的水平运动幅值，本项目限制值约为66.0 m，计算结果为52.4 m，表明立管满足规范中对浮体水平运动幅值的要求，可以保证立管在生存工况下的使用安全。系泊系统强度由生存工况控制，锚缆完整工况与单根锚缆破断工况的最低安全系数分别为1.67与1.25，本项目计算的安全系数分别为1.69与1.44，均满足规范要求。

2.3 数值计算结果与水池试验结果对比

为验证数值计算结果的可靠性，开展了生存工况下锚链完整状态的水池试验。数值计算与水池试验对应的FWPSO位移与锚缆张力结果对比如图5所示，可以看出数值分析所得位移结果比水池试验所得结果偏大约7%，锚缆最大张力结果比水池试验结果偏大约2%，两者之间偏差较小，说明数值分析结果可靠。

图5 南海某油田FWPSO数值分析与水池试验所得位移与锚缆张力结果对比Fig.5 Results comparison of displacement and cable tension obtained by numerical analysis and pool test of FWPSO for one oilfield in the South China Sea

3 圆筒形FWPSO与中国南海在役浮式设施性能对比

为进一步比较几种典型的浮式结构物在中国南海环境条件下的运动性能，本文选取了服役于南海的船型FPSO[9]和半潜式生产平台作为比较对象，二者的尺寸参数分别见表4、5。选用相同环境条件下的生存工况与作业工况，对船型FPSO、半潜式生产平台和圆筒形FWPSO等3种浮体进行运动响应分析。对于海洋工程应用的浮式结构物，横摇与垂荡运动性能直接影响到设备设施的使用安全，因此重点比较浮体的横摇与垂荡运动。

表4 服役于南海的船型FPSO尺度参数Table 4 Scale parameters of one FPSO severing in the South China Sea

表5 服役于南海的半潜式生产平台主尺度Table 5 Scale parameters of one semi-submersible production platform severing in the South China Sea

3种浮式结构物的典型运动RAO分别如图6、7所示。对于3种浮式结构物运动的模拟分析，横摇与垂荡的阻尼均按照各自相应的模型试验数值进行设定，圆筒形FWPSO选用的阻尼为约5%的临界阻尼，船型FPSO选用的阻尼为约6%的临界阻尼，半潜式生产平台选用的阻尼为约7%的临界阻尼。从图6可以看出，船型FPSO横摇运动RAO峰值最大，半潜式生产平台与圆筒形FWPSO运动RAO峰值相当，圆筒形FWPSO横摇固有周期最大。从图7可以看出，3种浮式结构物的垂荡运动峰值相当，半潜式平台与圆筒形FWPSO的垂荡周期要比船型FPSO大很多。

图6 FWPSO与南海在役的船型FPSO、半潜式平台横摇运动RAO对比Fig.6 Rolling RAO comparison of FWPSO and FPSO,semi-submersible production platform serving in the South China Sea

图7 FWPSO与南海在役的船型FPSO、半潜式平台垂荡运动RAO对比Fig.7 Heaving RAO comparison of FWPSO and FPSO,semi-submersible production platform serving in the South China Sea

3种浮式结构物在设计环境条件下的横摇与垂荡响应对比如表6所示。对于横摇响应，作业工况下，圆筒形FWPSO横摇响应最小，半潜式生产平台与船型FPSO横摇响应相近；生存工况下，圆筒形FWPSO横摇响应最小，半潜式生产平台次之，船型FPSO最大。对于垂荡响应，作业工况下，圆筒形FWPSO垂荡响应最小，半潜式生产平台次之；生存工况下，半潜式生产平台垂荡响应最小，圆筒形FWSO次之，船型FPSO最大。可见，圆筒形FWPSO具有与半潜式生产平台相当的运动性能，比船型FPSO性能明显优越。

表6 FWPSO与南海在役的FPSO、半潜式平台运动响应对比Table 6 Motion response of FWPSO,FPSO and semi-submersible production platform serving in the South China Sea

4 结论及建议

针对圆筒形FWPSO的运动响应数值模拟、水池试验以及和南海在役的船型FPSO、半潜式生产平台的运动性能对比结果表明：采用聚酯缆的多点系泊系统能够对圆筒形FWPSO进行安全限位，在作业工况下的限位能力可以满足钻修井的要求，生存工况下能够保证生产立管的在位安全，系泊系统的强度符合船级社安全要求；圆筒形FWPSO拥有与具备钻修井功能的半潜式生产平台相当的运动性能，且FWPSO作业工况下的垂荡与横摇均比半潜式生产平台的性能更好，采用FWPSO进行钻修井作业是可行的，且在作业工况与生存工况下的运动性能均优于船型FPSO。因此，圆筒形FWPSO的系泊系统与运动性能均具备中国南海使用的适用性。

由于圆筒形FWPSO设置上省却了转塔与滑环，降低了设施的整体造价，同时可集钻修井、生产与储油等多功能于一体，比半潜式生产平台、TLP具有更大的存储空间，比SPAR建造安装简易，因此建议我国海洋工程界加快圆筒形浮式设施的研发，力争早日在中国南海实现工程应用。