王火平 劉義勇 冒家友 馮麗梅 李龍祥

(中海石油(中國)有限公司深圳分公司深水工程建設(shè)中心 廣東深圳 518067)

南海張力腿平臺(tái)氣隙計(jì)算方法*

王火平 劉義勇 冒家友 馮麗梅 李龍祥

(中海石油(中國)有限公司深圳分公司深水工程建設(shè)中心 廣東深圳 518067)

王火平,劉義勇,冒家友，等.南海張力腿平臺(tái)氣隙計(jì)算方法[J].中國海上油氣，2017,29(2)：142-146.WANG Huoping,LIU Yiyong,MAO Jiayou,et al.Calculating method of the airgap for TLPs in South China Sea[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(2):142-146.

氣隙是張力腿平臺(tái)性能的重要指標(biāo)之一。通過對(duì)張力腿平臺(tái)氣隙設(shè)計(jì)要求及影響因素進(jìn)行分析，給出了張力腿平臺(tái)氣隙預(yù)報(bào)模型。以流花16-2油田為例，結(jié)合張力腿平臺(tái)前端工程設(shè)計(jì)研究項(xiàng)目，采用氣隙簡化估算公式、數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行了氣隙計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，在前期工程設(shè)計(jì)或初步設(shè)計(jì)時(shí)，可采用本文給出的簡化估算公式快速計(jì)算氣隙，對(duì)于最終設(shè)計(jì)氣隙，建議以數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法來確定。本文提出的張力腿平臺(tái)氣隙設(shè)計(jì)方法可為南海今后類似張力腿平臺(tái)設(shè)計(jì)提供借鑒。

張力腿平臺(tái)；氣隙；預(yù)報(bào)模型；氣隙簡化估算；數(shù)值模擬；模型試驗(yàn)

張力腿平臺(tái)(TLP)作為一種典型的深水浮式平臺(tái)，具有運(yùn)動(dòng)性能優(yōu)良、可采用干式采油樹開發(fā)、適用水深范圍廣(300～1 500 m)等優(yōu)點(diǎn)，在國外深海油氣開發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用。目前國外已建成TLP平臺(tái)27座，其中17座位于墨西哥灣。2015年中國海洋石油總公司首次以南海流花16-2油田為應(yīng)用目標(biāo)，完成了TLP前端工程設(shè)計(jì)和研究工作，以探求適應(yīng)南海深水油氣開發(fā)特點(diǎn)的更多深水浮式平臺(tái)技術(shù)。

流花16-2油田地處臺(tái)風(fēng)頻發(fā)的南海北部區(qū)域，如何確保TLP平臺(tái)在惡劣環(huán)境下的安全可靠性是工程設(shè)計(jì)中面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在TLP諸多安全性能指標(biāo)中，氣隙作為衡量平臺(tái)主甲板是否遠(yuǎn)離波浪拍擊區(qū)域的一個(gè)重要指標(biāo)，是TLP設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。目前對(duì)于半潛式平臺(tái)的氣隙預(yù)報(bào)國內(nèi)已經(jīng)有所研究[1-2]，但是對(duì)于TLP這種類型的浮體，氣隙的研究還尚在進(jìn)行且無實(shí)際工程設(shè)計(jì)應(yīng)用。國外對(duì)于浮體結(jié)構(gòu)的氣隙研究主要集中在數(shù)值模擬[3-7]和模型試驗(yàn)[8-10]等方面，對(duì)于在設(shè)計(jì)早期階段如何快速有效地預(yù)報(bào)TLP平臺(tái)氣隙，在工程詳細(xì)設(shè)計(jì)階段如何合理有效地利用模型試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確給出平臺(tái)氣隙，以及在TLP設(shè)計(jì)中可以直接應(yīng)用的具體方法很少涉及。本文結(jié)合南海流花16-2油田TLP前端工程設(shè)計(jì)研究項(xiàng)目，通過對(duì)TLP氣隙設(shè)計(jì)要求進(jìn)行分析，給出了TLP氣隙響應(yīng)的預(yù)報(bào)模型，并采用簡化公式、數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行了氣隙計(jì)算。

1 TLP平臺(tái)氣隙設(shè)計(jì)要求及預(yù)報(bào)模型

1.1 氣隙設(shè)計(jì)要求

TLP由上部組塊和下浮體兩部分組成，其中上部組塊由上部生產(chǎn)設(shè)施模塊、生活樓和鉆井模塊等組成，下浮體由主船體(包括立柱和浮箱)、立管系統(tǒng)、張力腿系統(tǒng)、樁基礎(chǔ)系統(tǒng)等組成。根據(jù)規(guī)范[11-12]TLP氣隙定義為在各種計(jì)算工況下TLP下層甲板大梁底部至最大波峰面之間的垂直距離(圖1)，平臺(tái)下層甲板大梁底部至平均海平面的垂直距離則定義為初始?xì)庀?或最小甲板間隙)。為確保TLP在惡劣環(huán)境條件下安全可靠，平臺(tái)應(yīng)具有足夠的甲板高度。根據(jù)API RP 2T規(guī)范[11]推薦，百年一遇臺(tái)風(fēng)重現(xiàn)期極端工況下平臺(tái)氣隙建議不小于1.5 m，千年一遇臺(tái)風(fēng)重現(xiàn)期生存工況下建議不小于0，但如果出現(xiàn)輕微程度的負(fù)氣隙，需要進(jìn)一步分析證明在千年一遇最大波峰的沖擊下平臺(tái)不會(huì)出現(xiàn)整體失效。

圖1 TLP氣隙定義示意圖Fig .1 Definition of TLP airgap

此外，氣隙滿足規(guī)范要求后也不能有過大的余量，否則會(huì)抬高平臺(tái)的重心位置，增加風(fēng)載荷和風(fēng)矩，進(jìn)而影響TLP的總體性能、張力腿的最小張力和最大張力，使得浮體排水量增大和張力腿尺度增大，平臺(tái)的投資也會(huì)相應(yīng)增加。因此，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)平臺(tái)氣隙十分重要，不僅有利于確保平臺(tái)安全可靠，還可以適當(dāng)降低平臺(tái)造價(jià)。TLP氣隙設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下因素。

1) 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)引起的下沉量。不同于固定平臺(tái)，TLP在惡劣環(huán)境下會(huì)發(fā)生較大偏移而產(chǎn)生下沉或垂向運(yùn)動(dòng)，從而引起甲板相對(duì)于水平面的高程減小，其下沉量隨著平臺(tái)偏移量增加而非線性增加，環(huán)境條件越惡劣，甲板高程減少會(huì)越多。

2) 最大波峰面高度。根據(jù)波浪理論，波浪經(jīng)過漂浮結(jié)構(gòu)時(shí)，最大波峰面高度由非線性波的波峰面高度和爬坡效應(yīng)引起非線性的自由表面升高疊加而成。在極端海況下，入射波表現(xiàn)出較強(qiáng)的非線性特征，極值波浪的波峰和波谷表現(xiàn)出的不對(duì)稱性非常明顯。由于TLP平臺(tái)立柱尺度較大，入射波經(jīng)過立柱時(shí)會(huì)產(chǎn)生輻射繞射作用，從而引起自由表面升高。這種自由表面升高稱為爬坡效應(yīng)，表現(xiàn)為波浪沿平臺(tái)立柱向上爬升，波浪的爬升過程從理論上可解釋為當(dāng)入射波浪沖擊浮體時(shí)，水波的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能同時(shí)波高發(fā)生放大的過程。

3) 其他因素。在確定平臺(tái)氣隙時(shí)，還須考慮風(fēng)暴增水和潮汐(合為高潮水位)以及平臺(tái)壽命期內(nèi)可能發(fā)生的地質(zhì)沉陷和海平面上升引起的水位增加。

1.2 平臺(tái)氣隙預(yù)報(bào)模型

如圖1所示，假定初始?xì)庀稙閆DC，平臺(tái)底部垂向運(yùn)動(dòng)為ZDK，瞬時(shí)波峰面高度為ZF,風(fēng)暴增水和潮汐為ZTD，平臺(tái)壽命期內(nèi)可能發(fā)生的海底沉陷和海平面上升分別為ZSUB和ZSR,某工況下的平臺(tái)甲板底部某點(diǎn)的氣隙Z可通過式(1)求得(波面高是瞬時(shí)概念，應(yīng)表示為ZF(t),相應(yīng)的平臺(tái)下沉和潮汐都是瞬時(shí)概念)

(1)

考慮將平臺(tái)垂向運(yùn)動(dòng)和波峰面高度合并為一項(xiàng)，即ZDK+ZF=ZRC，ZRC稱為相對(duì)波峰面高度，則可將式(1)簡化為

(2)

從式(2)可知，求得平臺(tái)最小氣隙(設(shè)計(jì)氣隙)的關(guān)鍵是要求出平臺(tái)的最大相對(duì)波峰面高度，包括平臺(tái)的瞬時(shí)垂向運(yùn)動(dòng)和波峰面高度，則式(2)可變?yōu)?/p>

(3)

最大相對(duì)波峰面高度是波峰面相對(duì)于平臺(tái)底部某點(diǎn)位置的距離，可通過波峰面高度減去某點(diǎn)的垂向運(yùn)動(dòng)，最終的氣隙可通過初始?xì)庀稖p去相對(duì)的波峰面高度求得。平臺(tái)的垂向運(yùn)動(dòng)和波峰面高度是2個(gè)未知的非線性分量，可通過水動(dòng)力分析求得。業(yè)界現(xiàn)在采用的繞射和輻射分析軟件尚不能準(zhǔn)確計(jì)算波浪的非線性部分，因此在計(jì)算相對(duì)波峰面高度時(shí)須對(duì)波浪的非線性項(xiàng)進(jìn)行修正(即疊加波浪的高階分量)，即

(4)

式(4)中：ZRCmax(1storder)為一階波產(chǎn)生經(jīng)分析數(shù)值軟件擬合后的最大相對(duì)波峰面高度，ηmaxdesign為根據(jù)實(shí)際海況在不同重現(xiàn)期的最大波峰面設(shè)計(jì)值，ηmax(numerical)為在分析軟件模擬得到的一階波浪的最大波峰面，兩者差值為Δη。

2 計(jì)算實(shí)例

TLP氣隙計(jì)算涉及到非線性因素，是一個(gè)非常復(fù)雜的問題。因此計(jì)算TLP氣隙時(shí)一般采用時(shí)域數(shù)值模擬方法，最后結(jié)合模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)平臺(tái)氣隙進(jìn)行適當(dāng)修正。但是在工程設(shè)計(jì)初期或進(jìn)行總體尺度初始規(guī)劃時(shí)，采用必要的簡化方法計(jì)算氣隙能節(jié)省大量的時(shí)間和工程計(jì)算。本文以流花16-2油田TLP前期工程設(shè)計(jì)方案為例介紹TLP氣隙的計(jì)算方法，該平臺(tái)工作水深約為400 m，采用經(jīng)典的四立柱傳統(tǒng)型TLP，設(shè)計(jì)壽命為20 a，設(shè)計(jì)排水量約5.0×104t，上部組塊操作質(zhì)量約1.5×104t，船體質(zhì)量約1.57×104t，布置有8根張力腿和12根頂張式立管，張力腿在泥面位置與樁基礎(chǔ)直接相連，平臺(tái)主尺度及設(shè)計(jì)環(huán)境條件數(shù)據(jù)分別見表1和表2。結(jié)合流花16-2油田及油藏特點(diǎn)，在本研究中不考慮TLP平臺(tái)壽命期內(nèi)可能發(fā)生的海底沉陷和海平面上升。

表1 流花16-2油田TLP平臺(tái)主尺度Table 1 Principal dimensions of the TLP in LH 16-2 oilfield

表2 流花16-2油田TLP平臺(tái)設(shè)計(jì)環(huán)境條件數(shù)據(jù)Table 2 Environmental condition design data for the TLP in LH 16-2 oilfield

2.1 氣隙簡化估算

在前期工程設(shè)計(jì)階段，需要確定平臺(tái)總體尺度，特別是平臺(tái)的高程，借鑒式(1)給出簡化計(jì)算方法可以快速有效地給出最小氣隙的估值:

(5)

式(1)中的瞬時(shí)波峰面高度ZF被αHs代替，該項(xiàng)包含繞輻射作用下的最大波峰面高度Hs以及實(shí)際海況下最大波峰面高度的修正參數(shù)α。不同的海域α?xí)兴煌且话阍谂_(tái)風(fēng)主導(dǎo)的區(qū)域α值建議取1.4～1.5，建議在墨西哥灣取上限值1.5,在中國南海取下限值1.4。與之相對(duì)應(yīng)的公式(5)中的ZDK對(duì)應(yīng)的是平均垂直運(yùn)動(dòng)，傳統(tǒng)四立柱TLP 225°浪支配的工況一般是最小氣隙的關(guān)鍵工況。以流花16-2油田TLP前期設(shè)計(jì)方案為例，利用本文簡化估計(jì)公式，在千年一遇臺(tái)風(fēng)最大浪工況下，取ZDC=29 m,ZDK=2.42 m,α=1.45,Hs=16.5 m,ZTD=2.4 m,ZSUB=0,ZSR=0，最小氣隙為0.255 m。

2.2 氣隙數(shù)值計(jì)算

氣隙數(shù)值計(jì)算主要有2個(gè)關(guān)鍵因素，一是找到平臺(tái)氣隙設(shè)計(jì)的最不利點(diǎn)，二是通過時(shí)域分析方法求得該點(diǎn)的相對(duì)最大波峰面高度。TLP氣隙不利點(diǎn)一般都是在順浪立柱的內(nèi)側(cè)點(diǎn)，圖2給出了流花16-2油田TLP數(shù)值模擬計(jì)算選取的氣隙研究點(diǎn)示意圖。

圖2 流花16-2油田TLP平臺(tái)最不利氣隙點(diǎn)篩選Fig .2 Points of interest for airgap analysis in LH 16-2 oilfield

篩選出氣隙的最不利位置后，通過時(shí)域數(shù)值分析求得TLP平臺(tái)6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)時(shí)程，之后通過韋布爾擬合方法求得可能的數(shù)值分析的最大波峰面高度。圖3中顯示了波面高度的運(yùn)動(dòng)時(shí)程，波面高度是從數(shù)值模擬軟件中得到。波高的時(shí)域曲線一般是通過多個(gè)規(guī)則波的波浪分量疊加得到的，這個(gè)波高指的是平臺(tái)研究對(duì)象正下方那一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波高。

圖3 數(shù)值分析方法得到的流花16-2油田TLP平臺(tái) 最不利點(diǎn)的相對(duì)波峰面高度Fig .3 Maximum relative wave crest derived from numerical analyses of TLP platform in LH 16-2 oilfield 在工程詳細(xì)設(shè)計(jì)階段， TLP平臺(tái)最小氣隙一般都采用時(shí)域數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)相互結(jié)合的方法確定。TLP氣隙計(jì)算數(shù)值模擬以及試驗(yàn)校核方法的基本步驟如下。

1) 定義好各個(gè)感興趣的點(diǎn)后，通過繞輻射軟件得到各個(gè)點(diǎn)波面高度的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)RAO，包括入射、繞射和輻射的線性部分，并篩選出最不利的氣隙位置。

2) 通過時(shí)域運(yùn)動(dòng)分析軟件進(jìn)行平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)分析求得指定點(diǎn)的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)程(波峰面高度和平臺(tái)垂向運(yùn)動(dòng))。之后連同從步驟1)中獲得的RAO進(jìn)行處理，計(jì)算指定點(diǎn)的相對(duì)瞬時(shí)波峰面高度(包括入射波、繞射和輻射的線性部分及平臺(tái)垂向運(yùn)動(dòng))。

3) 通過韋布爾擬合的統(tǒng)計(jì)分析，得到關(guān)鍵點(diǎn)最大相對(duì)波峰面高度和STDV標(biāo)準(zhǔn)差(包含了TLP運(yùn)動(dòng)、一階入射波、繞射和輻射)。

4) 在步驟3)中獲得的只有一階入射波， 其最大波峰和實(shí)際海況取得的最大波峰相比缺少了非線性部分，因此在時(shí)域運(yùn)動(dòng)軟件對(duì)一階入射波進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用實(shí)際海況給予的最大波峰對(duì)在步驟3)中獲得的最大相對(duì)波峰面進(jìn)行修正，然后進(jìn)行下一步的模型試驗(yàn)修正。

5) 模型試驗(yàn)修正，其方法為

(6)

(7)

(8)

式(6)～(8)中：Fcorr為模型試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差修正系數(shù)；Fextreme為模型試驗(yàn)的極值修正系數(shù)；ZRCSTDV為從數(shù)值模擬中獲得的相對(duì)波峰的標(biāo)準(zhǔn)差;RCSTDVmodel為從模型試驗(yàn)結(jié)果得到的統(tǒng)計(jì)值模型標(biāo)準(zhǔn)差；RCSTDVnumerical為從數(shù)值分析得到的統(tǒng)計(jì)值數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)差；RCmaxmodel為從模型試驗(yàn)結(jié)果得到的統(tǒng)計(jì)值模型極值。

平臺(tái)設(shè)計(jì)氣隙經(jīng)模型試驗(yàn)結(jié)果修正后的公式為

(9)

6) 潮位等數(shù)據(jù)修正，得到最終設(shè)計(jì)氣隙數(shù)據(jù)。南海潮差較大，千年一遇最高潮位達(dá)2.4 m，本研究把潮位直接扣除可能略有保守，建議在TLP詳細(xì)設(shè)計(jì)階段對(duì)其敏感性作進(jìn)一步研究。

2.3 氣隙計(jì)算

在流花16-2油田TLP平臺(tái)氣隙實(shí)際計(jì)算時(shí)，分別考慮了百年一遇和千年一遇環(huán)境條件下現(xiàn)行規(guī)范要求的各種分析工況，根據(jù)總體性能分析結(jié)果，225°海浪支配的工況為氣隙計(jì)算的控制工況。為取得TLP平臺(tái)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在國內(nèi)某水池試驗(yàn)進(jìn)行了1∶50比例水動(dòng)力模型試驗(yàn)(圖4)，求得百年一遇和千年一遇225°海浪支配工況的最小氣隙。

圖4 TLP平臺(tái)模型試驗(yàn)Fig .4 TLP model testing

百年一遇和千年一遇臺(tái)風(fēng)225°海浪工況下最小氣隙計(jì)算過程見表3，從表3可知，百年一遇和千年一遇時(shí)最小氣隙分別為2.68 m和-0.82 m，百年一遇的工況滿足API RP 2T(2010)規(guī)范要求；千年一遇時(shí)甲板大梁底部會(huì)遭受波浪砰擊(甲板底部大梁高度為1.5 m)，在詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)須考慮對(duì)甲板大梁進(jìn)行局部加強(qiáng)，以確保平臺(tái)的安全可靠性。

根據(jù)本文提供的簡化公式計(jì)算，千年一遇時(shí)得出的最小氣隙0.255 m，與經(jīng)過時(shí)域數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)修正的最終結(jié)果相差約1 m?？紤]到最小氣隙計(jì)算的復(fù)雜性，該誤差在工程設(shè)計(jì)初期或進(jìn)行總體尺度初始規(guī)劃階段應(yīng)該屬于可接受范圍內(nèi)。

表3 百年一遇和千年一遇臺(tái)風(fēng)225°海浪工況下 最小氣隙計(jì)算過程Table 3 The model test correction factors and the minimum airgap for 100-year and 1000-year return period typhoon under 225° wave dominant condition

3 結(jié)論

在前期工程設(shè)計(jì)或初步設(shè)計(jì)時(shí)，確定TLP平臺(tái)主尺度時(shí)可采用本文給出的簡化公式快速計(jì)算氣隙。由于TLP氣隙預(yù)報(bào)涉及很多復(fù)雜的非線性分析，因此對(duì)于最終設(shè)計(jì)氣隙，建議以數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法來確定。

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(編輯：葉秋敏)

Calculating method of the airgap for TLPs in South China Sea

WANG Huoping LIU Yiyong MAO Jiayou FENG Limei LI Longxiang

(DeepwaterEngineeringandConstructionCenter,ShenzhenBranchofCNOOCCo.Ltd.,Shenzhen,Guangdong518067,China)

Airgap is one of the important parameters for tension leg platforms (TLPs). Based on the investigation of the TLP airgap design criteria and the influencing factors, an airgap prediction model was derived. Combining the front engineering research project, this paper presents a case study carried out for Liuhua 16-2 TLP FEED project in South China Sea, and the airgap was calculated by combining the simplified estimation formula, the numerical analysis, and model tests. The results demonstrate that the simplified method for airgap calculation presented here can be utilized during early or preliminary stage of TLP design; however, for the final design, the model test is highly recommended in conjunction with the numerical calculations. The airgap design methodology presented in this paper can be applied in future TLP projects in South China Sea.

tension leg platform; airgap; prediction mode; airgap simplification estimation; numerical simulation; model test

*國家工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目“500米水深油田生產(chǎn)裝備TLP自主研發(fā)”部分研究成果。

王火平，男，工程師，2004年畢業(yè)于廣東海洋大學(xué)，獲船舶與海洋工程學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)主要從事深水油氣田開發(fā)工程建設(shè)管理工作。地址：廣東省深圳市南山區(qū)后海濱路(深圳灣段)3168號(hào)中海油大廈A座37樓(郵編：518067)。E-mail:wanghp5@cnooc.com.cn

1673-1506(2017)02-0142-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.02.020

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