适用于圆筒型FPSO的多点系泊系统及其设计方法与流程

适用于圆筒型fpso的多点系泊系统及其设计方法
技术领域
1.本发明涉及一种适用于圆筒型fpso的多点系泊系统及其设计方法，属于海洋石油开发技术领域。


背景技术：

2.由于我国海上油气的储量非常丰富，目前我国油气开发勘探的主要战场已由内陆、浅海向深海发展。为了开采深海中的油气，通常需要在深海水面建设一个集深海钻井、油气处理、储油、卸油、发电、供热和生活等功能为一体的油气生产平台，然后再通过管线将油和天然气输送至油船或陆地上的储油罐或储气罐。油气生产平台一般悬浮于深海水面，为了从深海钻井并将钻取的油气运送出来，目前主流的深海油气田开发方案主要有立柱支撑结构的半潜式平台、浮式生产储油卸油装置(floating production storage and offloading,fpso)、spar和张力腿平台，对于不同的海况以及油田开发的不同阶段，这些生产平台在经济上和技术上有不同的适用性。
3.常规的系泊系统主要有锚链-钢缆结构形式系泊系统和聚酯缆为主要成分的系泊系统。锚链-钢缆结构形式系泊系统的造价比较昂贵，特别是超大环境载荷下的系泊系统，这会导致系泊系统成本大幅升高。相较而言聚酯缆为主要成分的系泊系统更加适用于环境载荷更大的海域。
4.中国南海油田的特殊的海况和地形，对于圆筒型fpso的系泊系统要求很高，南海的高流速且时常有台风的特点，圆筒型fpso没有风标效应，所有环境载荷非常大，会造成fpso产生较大的偏移，进而产生较大的系泊张力，并且已经探明的南海油田的水深集中在100m-500m，这种中浅水深下大载荷下浮体的系泊系统设计挑战非常大。同时为了解决聚酯缆不能触底问题，需要在系泊构型中增加系泊浮筒这个构件，进一步加大了系泊系统设计挑战。


技术实现要素：

5.针对上述技术问题，本发明提供一种适用于圆筒型fpso的多点系泊系统及其设计方法，用以解决需要适用较大系泊半径的浮式生产平台系泊系统，可能会出现张力大于规范要求、中浅水深下聚酯缆触底等实际工程问题。
6.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
7.一种适用于圆筒型fpso的多点系泊系统，包括：
8.若干组系泊缆，每组系泊缆包括若干系泊缆绳，每个所述系泊缆绳包括上锚链、下锚链、上聚酯缆、下聚酯缆和浮筒，所述上锚链的上端与浮式生产平台的导缆孔通过平台链连接，所述上锚链的下端与所述上聚酯缆的上端通过安装链连接，所述浮筒的两端分别与所述上聚酯缆的下端、所述下聚酯缆的上端连接，所述下聚酯缆的下端与所述下锚链的上端通过安装链连接，所下锚链的下端连接到入泥点，从而构成所述多点系泊系统。
9.所述的多点系泊系统，优选地，系泊缆的方向根据风浪载荷、海底管线路由、立管
偏移要求、上部模块布置确定。
10.所述的多点系泊系统，优选地，所述多点系泊系统为张紧式系泊系统时，所述系泊缆为三组，每组中的所述系泊缆绳数量至少为3根。
11.所述的多点系泊系统，优选地，每组所述系泊缆之间的夹角为120
°
，组间相邻两根所述系泊缆绳之间的夹角为2
°
。
12.基于上述多点系泊系统，本发明还提供该系统的设计方法，包括如下步骤：
13.初步确定所述系泊缆绳的使用根数及方位；
14.确定所述系泊缆绳的半径、组成部分及各段的属性；
15.进行系泊性能分析，对所述系泊缆绳中各段的属性进行确认。
16.所述的设计方法，优选地，初步确定所述系泊缆绳的使用根数及方位，包括如下步骤：
17.对于圆筒型fpso，张紧式系泊系统采用三组所述系泊缆，每组所述系泊缆绳的数量至少为3根，具体根据分析确定；每组所述系泊缆之间的夹角为120
°
，组间相邻两根所述系泊缆绳之间的夹角为2
°
；
18.收集海洋环境条件，根据风浪载荷、海底管线路由、立管偏移要求、上部模块布置确定系泊缆方向。
19.所述的设计方法，优选地，确定所述系泊缆绳的半径、组成部分及各段的属性，包括如下步骤：
20.收集海洋地质数据，确定锚点的位置；
21.所述系泊缆绳的组成部分包括：上锚链、下锚链、上聚酯缆、下聚酯缆、浮筒以及安装链；
22.确定所述系泊缆绳中各段的长度；
23.收集以往的项目资料，初步确定所述系泊缆绳中各段的属性。
24.所述的设计方法，优选地，进行系泊性能分析，对所述系泊缆绳中各段的属性进行确认，包括如下步骤：
25.利用势流商业软件，对初步选定的系泊系统进行频域-时域计算分析；
26.对频域-时域计算分析结果进行评估；
27.对所述系泊缆绳进行缩尺模型实验，关注所述系泊缆绳张力是否与数值模拟结果匹配；
28.当都满足上述要求时，则说明所述多点系泊系统的选择是合理的。
29.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
30.1、本发明的圆筒型fpso，其具有结构简单，相比与船型fpso单位钢量下的储油效率高且建造成本低，无单点装置后以及无需转塔结构后期维护成本低，无风向要求，对环境载荷方向不敏感，甲板承载能力较高，波浪引起的疲劳载荷小等优点，十分适合孤立油田以及已经到开发中后期阶段的边际油田的二次开发。
31.2、本发明的圆筒型fpso系泊系统设计方法，可在对应中国国内特定的油气田时，结合国内海洋环境以及地质形况，迅速确定系泊系统的设计方案，针对系泊张力、疲劳寿命以及聚酯缆触底等风险点提出了解决方案，提升了平台作业安全性的同时，有效节省了建造和采购成本，也为适用于中国南海海域的新型圆筒型fpso的带浮筒系泊系统的设计提供
了解决方案。
附图说明
32.图1为本发明一实施例提供的适用于圆筒型fpso的多点系泊系统俯视图；
33.图2为本发明一实施例提供的适用于圆筒型fpso的多点系泊系统侧视图；
34.图3为现有技术所提供的多点系泊系统中浮筒的连接示意图；
35.图4为本发明另一实施例提供的多点系泊系统中浮筒的连接示意图；
36.附图标记如下：
37.1-上锚链；2-连接件；3-上聚酯缆；4-浮筒；5-下聚酯缆；6-快速接头；7-下锚链；8-吸力桩；9-聚酯缆；10-浮筒链；11-三角板；12-安装链；13-d型卸扣；14-浮力块；15-螺栓。
具体实施方式
38.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“上”、“下”、“左右”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
40.如图1、2所示，本发明提供一种适用于圆筒型fpso的多点系泊系统，包括：
41.若干组系泊缆，每组系泊缆包括若干系泊缆绳，每个系泊缆绳包括上锚链1、下锚链7、上聚酯缆3、下聚酯缆5和浮筒4，上锚链1的上端与浮式生产平台的导缆孔通过平台链连接，上锚链1的下端与上聚酯缆3的上端通过安装链12连接，浮筒4的两端分别与上聚酯缆3的下端、下聚酯缆5的上端连接，下聚酯缆5的下端与下锚链7的上端通过安装链12连接，所下锚链7的下端连接到入泥点，从而构成多点系泊系统。浮筒4的形式不限于图3、4所示的离线及在线浮筒形式。
42.基于上述多点系泊系统，本发明还提供该系统的设计方法，包括如下步骤：
43.步骤s1：初步确定系泊缆绳的使用根数及方位；
44.步骤s2：确定系泊缆绳的半径、浮筒4位置及大小、组成部分及各段的属性；
45.步骤s3：进行系泊性能分析，对系泊缆绳中各段的属性进行确认。
46.进一步地，步骤s1包括以下步骤：
47.步骤s11：对于圆筒型fpso，聚酯缆张紧式系泊系统常常采用3
×
4的形式(一共三组系泊缆，每组4根)，对于3
×
4的系泊系统，一般采用对称结构，每组系泊缆之间的夹角为120度，组间每根系泊缆绳的夹角为2度，这种情况下，当已知一组系泊缆的方位确定时，就可以得到其余两组系泊缆的方位；
48.步骤s12：收集海洋环境条件，根据中国南海风和浪的极值方向、海底管缆布置、生活楼位置，确定系泊缆方位。
49.进一步地，步骤s2包括以下步骤：
50.步骤s21：收集海洋地质数据，确定锚点的位置，为了保证张力满足要求，张紧式系泊系统的系泊半径通常较大，结合中国南海海域特殊的环境条件和地质情况，300m左右水深的10万吨排水量的圆筒形fpso张紧式系泊系统的系泊半径一般设定在2500m左右；
51.步骤s22：由于系泊半径很长，系泊缆绳的组成部分包括：上锚链1、下锚链7、上聚酯缆3、下聚酯缆5、浮筒4以及安装链12；
52.步骤s23：选取各段的长度时要充分考虑运输船的能力和安装时张紧的需求，一般来说，对于运输船，聚酯缆9的单端长度不应大于1400m，对于平台就位后的张紧阶段，上锚链1的长度最好大于200m；
53.步骤s24：收集以往的项目资料，初步确定系泊缆绳各段成分的属性，注意浮筒4的选型需要满足聚酯缆9不能触底以及系泊系统的张力满足规范要求以及疲劳寿命的相关要求，并且要充分的考虑供货厂家的以往交付业绩。
54.进一步地，步骤s3包括以下步骤：
55.步骤s31：通过势流商业软件，如aqwa，wadam，orcaflex或者simo-riflex等对初步选定的系泊系统进行频域-时域计算分析；
56.步骤s32：对频域-时域计算分析计算结果进行评估，不仅需要考虑系泊系统自身的张力和疲劳要求以及聚酯缆9不能触底的要求，同时也要满足其他专业的要求，如最大偏移能否满足立管的限位要求和锚点处的举升力能否被桩基承受等；通过这些要求不断调整系泊缆绳组分的属性，直到满足所有的要求为止。(如各段长度的分配，各段半径、刚度、破断载荷的选取，浮筒的属性以及浮筒的位置等)。
57.系泊分析过程中，通常对于张紧式系泊而言，张力是第一控制要求，必须放在第一优先级，张力分析需要充分考虑缆绳各段的张力，根据dnv、abs、ccs、bv等船级社相关的要求的安全系数使张力满足要求，对于聚酯缆系泊系统，刚度存在很强的非线性特性，因此需要用dnv、abs或者api的推荐公式计算安装结束后的静态刚度和在作业过程中的动态刚度之间的关系。
58.系泊系统中钢结构的疲劳强度需要充分的考虑钢结构的疲劳包括张力疲劳，涡激运动疲劳以及面外弯曲疲劳，常常使用波浪散步图以得到输入的环境条件，根据时域计算结果，用雨流计算法得到不同幅值和周期下的应力和张力的循环次数，再通过sn或tn曲线进行疲劳寿命的校核。对于聚酯缆9不能触底的要求主要是聚酯缆9和下锚链7之间连接的钢结构触底对聚酯缆9的撞击存在破环聚酯缆9结构的风险，进而导致系泊系统寿命降低。
59.步骤s33：对系泊缆绳进行缩尺模型实验，主要关注系泊缆绳的张力是否能和数值模拟得到的结果匹配；
60.由于系泊系统的系泊半径过长以及水池尺寸的原因，模型实验很难模拟缩尺下的全尺寸系泊系统，常常要对系泊系统做截断处理，因此很难得到有效的疲劳和聚酯缆9触底的数据，但是张力的数据在做和模型实验校准的过程中还是有效的。注意做校准的过程中数值模拟的模型和实验模型的系泊系统参数要保持一致。
61.步骤s34：如果s32步和s33步的要求都可以得到满足，则说明系泊系统的选择是合
理的。以下用具体实施例加以阐述说明。
62.实施例1
63.本实施例提供一种系泊方式，海洋平台的作业水深为313m。下面对其结构进行详细描述。
64.表1为系泊缆绳各段的组成部分
[0065][0066]
该系泊系统一共由8段构成，段1也就是上锚链1的长度根据预张力的需求调整。在本实施例中，系泊系统中上锚链1的预张力为12％的破断载荷，预张力可以根据具体的需求调整，张紧式系泊系统的预张力一般在10％～16％的破断载荷之间。
[0067]
图1为系泊系统布置的俯视图，东北45度方向为风浪载荷最大的方向，设置了一组系泊缆，其余两组系泊缆和该组系泊缆间的夹角为120度，每组系泊缆中缆绳间距为2度。
[0068]
图2为系泊系统的剖面图，具体信息见表1。
[0069]
图3为现有传统浮筒4的连接形式，浮筒4和安装链12由三角板11连接，浮筒4的左右两侧分别设置了7m左右的安装链12(浮筒4的位置在表1的段4正中间)。这种浮筒4的连接形式最为常规普遍，供货厂家多，业绩丰富，但是由于附属构件多，且需要安装链12，导致浮筒4附近的重量增加，降低浮筒4的净浮力。
[0070]
实施例2
[0071]
本实施例提供另外一种系泊方式，下面对其结构进行详细描述。
[0072]
表2为系泊缆绳各段的组成部分
[0073][0074]
本实施例和实施例1的区别在于浮筒4的连接形式，本实施例采用的是在线浮筒，如图4所示，两端聚酯缆9之间可以直接连接浮筒4，不需要安装链12，三角板11等附属构件，可以很大程度上减低浮筒4周围的重量，进而达到更好的浮力效果。图4中所示为构成浮筒4的两块浮力块，聚酯缆9可以从两块浮力块之间穿过，上方两块浮力块与下方浮力块用螺栓15连接，具体连接形式由供货厂家决定。此种在线浮筒对聚酯缆9的编制工艺以及材料属性无特殊要求。
[0075]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。