张力腿平台局部节点强度可靠度分析方法

局部节点可靠度分析对张力腿平台(TLP)整体安全性评估具有重要意义。提出了一个TLP平台局部节点可靠度的分析方法,首先对TLP平台整体进行分析,统计局部节点各种失效模式并得到典型失效模式及对应的典型荷载工况;然后应用改进的子模型技术对TLP平台局部节点进行极限承载能力分析,确定了局部节点在典型荷载工况下的极限承载力;对局部节点极限承载力及南海某区域的波浪荷载进行统计分析,得到其概率统计特性;在此基础上计算了TLP平台局部节点对应典型失效模式下的可靠度指标。通过算例分析表明,该TLP平台各节点可靠度指标值均大于3.1;立柱与浮箱连接节点在不同荷载工况下失效模式不同,而立柱与甲板连接节点易发生管交汇处剪切破坏。为TLP平台的安全性评估提供了一种有效的分析方法,具有一定的理论价值及实用价值。     

硬悬挂钻井隔水管涡激振动特性研究

针对深水钻井过程中遭遇强台风,基于安全性考虑要求钻井平台悬挂隔水管提前撤离的问题,采用软件SHEAR7针对HYSY981钻井平台硬悬挂隔水管系统避台风撤离作业过程中,受南海一年一遇海流作用时诱发涡激振动(VIV)的情况,研究航速与悬挂长度对VIV特性的影响。研究表明,浮力块覆盖率越高,隔水管系统张力越小;浮力块分布对隔水管系统VIV响应影响较大,25%交错布置方案VIV响应最弱。隔水管并非越短越好,要综合考虑洋流剖面、隔水管配置和平台航行的影响;在不同悬挂长度及航行条件下的VIV响应,在撤离作业前应尽量避免在高流速区布置浮力单根,撤离作业时应尽量采用顺流而避免平台逆流航向。     

张力腿平台水下丛式井口圆形布局方法研究

张力腿平台(TLP)水下丛式井口布局设计关系到立管服役期间的安全性,是含有丛式井口平台设计过程中考虑的主要因素。根据TLP立管安装、钻井以及防碰等要求,考虑尾流效应对丛式立管的影响,研究水下丛式井口布局设计准则,对丛式井口—立管系统进行碰撞分析以确定水下井口间距阈值,提出水下丛式井口圆形布局方法和相应的布局设计流程。通过算例对计算方法进行了具体运用。研究表明:与目前采用的"等边三角形网格"方法相比,水下丛式井口圆形布局方法可允许水下整体基盘安装位置误差达到水下井口间距阈值的20%,立管的最大倾角可达到0.5°,安装作业窗口增加1倍以上。本方法对水下整体基盘安装位置误差的容错能力强,能有效扩大丛式立管钻井和安装作业窗口,提高丛式立管作业安全性,研究结果可为TLP丛式井口的设计提供参考。     

干树式深吃水半潜平台顶部张紧立管的设计与分析

用于深水油气开发的干树式顶部张紧立管(TTR)系统的载体平台是一种具有渐变式立柱的深吃水半潜钻井/生产平台(TCDD-Semi),该平台为中国南海的深水区域的气田开发而设计。文中介绍了该立管系统的设计与分析,提出了干树式采油立管设计方案,并进行了立管干涉、总体强度、疲劳、立管张紧器行程范围分析与核校。结果表明,立管在强海流中无碰撞,最大冯·米塞斯应力利用系数为0.88(规范要求不大于1.0),最小疲劳寿命89.4 a,大于20 a的设计服役期,张紧器最大行程33.1 ft,小于最大设计值35 ft。可见所述立管系统满足设计功能和工业规范要求,在具有恶劣海况条件的我国南海海域进行生产作业的深吃水半潜平台上设计安装干树式立管系统是可行的。     

南海风暴潮对风场和外围海水敏感性研究

为探索来自西北太平洋台风风暴潮与南海局地生成台风风暴潮不同,本研究在假设两种台风气象条件相同情况下,研究随台风而来外围海水所形成增水对南海沿岸的影响。以0814"黑格比"强台风风暴潮为基础,使用ROMS(regional ocean modeling system)模式进行数值模拟并通过设计对比试验方法进行研究,研究发现在台风登陆时引起的增水最大,最大增水出现在台风路径右侧,其中在沿岸区域,外围海水形成增水约占总增水10%,且大约3 h后出现增水回震现象。同时,设计对比试验,研究来自西北太平洋台风风暴潮对台风路径、台风强度、台风移动速度和流入角等气象条件敏感性,并获得与前人一致的结果。     

台风作用下海上风机基础结构安全评价

海上风机结构在运营期内可能面临极端风浪、地震等荷载作用。因此,极端工况作用下海上风机局部和整体结构反应将成为结构设计以及安全评价的重要参数。采用半整体方法,以桩基泥面最大位移、结构杆件极端承载力以及桩基抗压、抗拔承载力为判定指标,基于塑性可靠度理论,系统研究台风条件下运营期内海上风机基础结构可靠度指标变化规律,得出潜在的基础结构失效模式及相应判定指标。由研究可得,台风条件下运营期内海上风机基础结构各可靠度将显著受到基础冲刷、海生物生长和结构腐蚀的影响,并且结构失效模式将由单一模式破坏发展为多种模式联合失效。     

不同浸没长度下串列双立管涡激振动数值模拟

深海柔性立管涡激振动问题广受关注,其中多立管涡激振动较传统单立管涡激振动更为复杂。使用基于Open FOAM自主开发的深海柔性立管流固耦合求解器viv-FOAM-SJTU,对阶梯流中串列双立管涡激振动展开研究。首先针对阶梯流中串列双立管模型试验工况开展验证计算,下游立管的位移响应以及频率响应与试验结果基本吻合;而后改变立管浸没长度,分别选取浸没长度为0.4L(工况1)、0.55L(工况2)以及0.7L(工况3)的三种工况进行数值计算,其中L为立管长度。数值结果表明:3种浸没长度下,上下游立管的横流向振动均为一阶模态,且工况2和工况3中上下游立管的横流向位移均方根均大于工况1;上下游立管的顺流向主振模态在工况2和工况3中均为二阶,而在工况1中为一阶,且下游立管在工况2和工况3中的顺流向振动均表现出明显的多模态振动特性。     

1949-2017年南海海域热带气旋强度和路径快速变化统计特征

为进一步认识南海地区热带气旋强度和路径快速变化的统计特征，利用中国气象局上海台风研究所整编的1949–2017年的热带气旋最佳路径数据集，统计分析了不同强度等级热带气旋发生强度和路径快速变化的特征。结果表明:(1)由强热带风暴快速加强为台风、以及由台风快速加强为强台风是热带气旋强度快速加强发生频率最多的事件；强度快速加强次数以1次居多，一般不会超过2次；但大部分途经南海的热带气旋出现快速加强时都在南海以外的地区，在南海出现快速加强的概率仅为9.8%。(2)不同强度的热带气旋，其强度的维持时间长短对其强度快速加强有重要影响，一般在该强度的前24 h是快速加强的最佳阶段，当其中心气压下降速度超过?12.0 hPa/(6 h)时容易出现台风级别或以上的强度快速加强，且热带气旋快速加强容易出现在海温偏高地区。(3)南海地区热带气旋路径的偏转主要出现在西行路径中，其中以5°～30°的偏转为最常见，占到全部热带气旋总数的48.65%，不过，按照定义的路径快速转向标准，路径快速转向的概率仅有15.13%。随着热带气旋强度的增强，南海地区发生路径快速转向的频次迅速减少，路径快速转向主要出现在近海岸地区和南海中北部偏东区域。这些结果进一步细化和丰富了对南海地区热带气旋强度和路径快速变化的认识。     

灾害海洋环境下TLP深水张紧式生产立管安全性评估

针对我国南海海域可能出现的超过百年一遇的灾害性海况,结合挪威船级社的DeepC以及ABAQUS软件,通过全系统耦合分析获得张紧式生产立管随TLP平台在灾害海况下的强迫运动,并考虑波浪、流等环境载荷的联合作用,研究TLP张紧式生产立管在灾害海况下的随机结构动力响应。根据广义极值理论对随机结果数据进行拟合后,基于相应规范进行强度分析,完成立管在灾害海洋环境下的安全性评估。     

强台风“卡努”过境期间的风和海浪特征分析

南海北部海域夏季台风活动频繁,对海上生产活动和人民生命财产安全造成极大威胁,由于台风路径的不确定性,其中心附近区域的风浪观测资料十分稀少。中国气象局(China Meteorological Administration, CMA)热带气旋最佳路径数据显示2017年10月强台风“卡努”中心经过南海北部陆坡的SF301浮标,该浮标完整记录了台风过境的风浪数据。利用浮标观测资料,分析了强台风“卡努”过境期间的风和海浪特征。观测结果表明,“卡努”经过浮标时,中心气压为959.9 hPa,风速随时间呈双峰分布,前、后眼壁区的10 min平均风速分别为30.2 m/s和24.9 m/s, 1 s极大风速分别为44.2和38.6 m/s。海浪以风浪为主,观测有效波高和最大波高最大值分别为10.8和14.3 m,滞后最大风速30 min,波向和风向变化趋势一致。台风过境期间,有效波高与海面10 m风速接近线性关系,非台风期间二者呈二次多项式关系。海浪无因次波高和周期呈幂指数关系,无论是台风期间还是非台风期间二者关系十分接近Toba提出的3/2指数律。     

新型深水钻井隔水管悬挂系统设计

南海海域台风频发,对于深水浮式钻井平台,常规避台模式要求回收所有隔水管,但是在深水、超深水海域,这种应对台风的方案有其局限性。据测算,水深超过1 500 m时,台风准备时间(回收所有隔水管、处理井口的作业时间)超过4天,而目前天气预报的水平只能提前4～5天,因此常规避台难度极大,经常会遭遇到还没有起完隔水管,台风已经逼近平台位置的情况,悬挂隔水管成为一种不得不面对的防台避台方案。硬悬挂和软悬挂是目前悬挂隔水管两种常见的模式,由于软悬挂能够补偿和缓解钻井船升沉施加在悬挂隔水管上的动态载荷,因此业内普遍认为软悬挂模式在提高悬挂隔水管对海洋环境的适应能力方面具有一定的优势,但是常规的软悬挂模式作业程序复杂,而且实施过程中存在伸缩节、张力器液缸等相关设备冲程超标的风险。通过对隔水管悬挂状态下横向和轴向的动力响应进行分析,确定了限制隔水管悬挂安全的主要因素,针对隔水管应力超标和转角过大、干涉等风险,设计了一种具有加装扶正器的锥形悬挂短节;针对悬挂隔水管的轴向压缩风险,研制了一种具有补偿功能的隔水管悬挂装置,降低了悬挂隔水管动态载荷产生轴向压缩和动态应力超标的风险。定量评估表明使用新型隔水管悬挂系统,可以将常规的悬挂窗口由不足10年一遇波流环境条件提高到满足100年一遇的波流环境条件,大大提高了悬挂隔水管的安全性。     

基于环境包络线法的深水浮式平台极值响应长期预报

海上结构设计包括对荷载和响应的可靠性评估。对结构进行全面长期响应分析繁琐且费时,故将基于逆一阶可靠性方法的环境包络线进行海上结构概率可靠性分析,对结构的长期响应进行近似估计。在二维标准正态空间中画出与重现期相对应的圆,将圆离散为点后通过Rosenblatt变换转化为环境参数空间中的点来形成闭合的环境包络线。描述海洋环境条件的模型对绘制环境包络线极为重要,基于我国南海荔湾海域40年波浪模拟数据,建立了描述南海波浪的Weibull-Gev条件分布模型,进而绘制南海有效波高—谱峰周期包络线,并与张力腿平台(TLP)系泊张力的长期响应预报结果对比,给出南海海域在波浪作用下应用环境包络线法预报TLP系泊张力的分位数,为未来南海TLP设计中系泊张力预报提供快速估算方法。     

深水钻井隔水管避台撤离动力与长度优化

钻井平台作业过程中遭遇强台风时,可能由于种种原因导致隔水管未被完全回收,平台只能下挂隔水管实施撤离。撤离过程中隔水管受到强烈的海流载荷作用,使平台的撤离航向与航速受到严重限制。提出隔水管避台撤离分析方法,建立软硬两种悬挂模式下撤离隔水管有限元模型,进行不同航向与航速下的隔水管悬挂撤离分析,研究隔水管悬挂撤离作业窗口,并对隔水管悬挂长度进行优化。分析表明,隔水管软悬挂撤离作业窗口较大,推荐平台采用软悬挂模式进行撤离,如不具备软悬挂实施条件,提前回收部分隔水管并将其余部分硬悬挂在平台上进行撤离也是一种可行的方案。     

Feedback control system for blow-out preventer positioning

During the drilling of ultra-deep-water subsea petroleum wells, a blow-out preventer (BOP), a piece of safety equipment, must be assembled on the wellhead. The BOP is suspended using the drilling riser during the wellhead approach operation, and the riser's top end is connected to the floating platform rig. This article presents a feedback control system for the automatic approach of the BOP to the wellhead. Compared to state-of-the-art controls, ours does not require ancillary thrusters installed alongside the riser nor inclination sensors atop of the drilling riser. Additionally, our proposed control embeds a closed-loop dynamic positioning system, thus retaining the characteristics of the original control system and adding an extra closed-loop. This eases implementation of the BOP approach control to an existing platform. To calculate the optimal gains for the BOP controller, we assume a linear system for the riser, including only the pendulum-shape. The simulation is carried out using nonlinear models for both riser and floating platform. We assume an International Towing Tank Conference standard semi-submersible platform, coupled with a 3000-m free-hanging vertical riser for the time-domain simulation. The results show the BOP tracking to be a step-shaped input signal under current and wave loads. A discussion of the performance of feedback control under different environmental loads is also included.     

新型多功能干树储油半潜平台研发

针对凝析油气田开发了一型适应我国南海环境条件的深水多功能干树半潜平台,平台运动性能优良,可实现干树开采、回接水下井口、油气生产处理、凝析油存储、钻修井等功能。平台由上部组块、主船体、细长柔性连接结构、垂荡板、顶张紧式立管(TTR立管)系统、系泊系统构成,结构特点为采用细长柔性连接结构连接主船体与箱型垂荡板。垂荡板采用箱型结构,承受作业吃水压力,可实现平台与箱型垂荡板的整体拖航,平台安装简易,细长柔性连接结构可在位维修或更换。平台立柱内设置储油舱存储天然气凝析油,解决凝析油存储外输问题。平台采用成熟系统系统集成,运动性能优良,海上施工风险可控,未来有望成为一种新的深水油气田开发平台型式。     

TLP干式钻完井技术特点分析

TLP使得干式井口在深水的应用成为可能,与常规的深水开发模式水下井口相比,TLP降低了钻完井作业的难度和费用,尤其在后期修井和调整并作业时,能够大大降低项目的投资,经济效益明显.TLP目前在墨西哥湾、北海及印度尼西亚深水油气田均有采用.目前针对TLP的钻完井设计和作业程序国内开展研究较少,制约了深水油气田开发前期方案设计工作的开展.因此,重点介绍了TLP对钻完井程序的影响;对于不同的平台钻机配置,总结了TLP的钻完井程序;提出了钻完井设计和作业过程中,TLP对回接套管、升沉补偿等问题的要求,分析了与常规深水湿式井口的温度剖面差异,为开展TLP钻完井技术研究和前期方案设计提供参考.     

一种新型干树式半潜平台设计

开发了一种新型的深吃水干树式半潜生产平台(TCDD-Semi),该平台可用于中国南海深水区域的油气田开发。它的一个显著特点是立柱的截面形状呈现为渐变形式,而非传统的等截面形式。立柱的底部最大,向上逐渐变小,再结合适当的下浮体设计,能够为平台在服役前期及在位状态时提供足够的浮力以及稳性。最重要的是这种新型立柱的设计能够明显地减小平台在恶劣海况时的垂向运动,从而使在平台上布置具有干式采油树的TTR立管系统成为可能。此外,这种渐变式的立柱设计也有利于减弱平台在流作用下的涡激诱导运动(VIM)。分析结果表明这种渐变式立柱半潜平台可以明显降低平台的垂向运动,也可以在码头组装时提供足够的浮力以及在平台下沉过程中提供足够的稳性。平台优越的垂向运动性能可以使顶部张紧式立管的行程范围限制在10.5 m之内(包括平台偏移、垂荡运动、潮汐影响、海床沉降、热膨胀等因素)。分析结果表明平台的垂荡范围、水平偏移、倾侧角度、上部模块重心处的加速度等可以满足设计要求,证明了这种新型干树式半潜平台的可行性。