發(fā)布時(shí)間：2018-03-23 13:41

  本文選題：油氣開(kāi)發(fā)生產(chǎn)平臺(tái)　切入點(diǎn)：張力系泊式水中生產(chǎn)系統(tǒng)　出處：《大連理工大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：隨著海洋油氣資源開(kāi)發(fā)逐步向深海(水深500-1500m)和超深海(水深大于1500m)發(fā)展,各種新型海洋工程結(jié)構(gòu)物不斷涌現(xiàn)。目前,新型海洋工程結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)研究主要集中在浮式海洋平臺(tái)概念的基礎(chǔ)之上。國(guó)際上廣泛應(yīng)用的浮式海洋平臺(tái)類(lèi)型主要有：張力腿平臺(tái)、Spar平臺(tái)、半潛式海洋平臺(tái)、深水鉆井船、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油系統(tǒng)(Floating Production Storage and Offloading system,簡(jiǎn)稱(chēng)FPSO)以及浮式鉆井生產(chǎn)儲(chǔ)卸油系統(tǒng)(FDPSO)等。盡管浮式海洋平臺(tái)被廣泛拓展應(yīng)用于超深海油氣資源的開(kāi)發(fā)活動(dòng),但是面對(duì)具有強(qiáng)風(fēng)和巨浪等多種災(zāi)害性海洋環(huán)境要素特征的超深海,浮式海洋平臺(tái)存在著諸多不足,例如：本體結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大、定位性能要求高、設(shè)計(jì)和施工技術(shù)復(fù)雜以及無(wú)安全有效的避險(xiǎn)技術(shù)等。因此,研究開(kāi)發(fā)新一代的“超深海災(zāi)害性海洋環(huán)境要素適應(yīng)性海洋油氣開(kāi)發(fā)作業(yè)支撐系統(tǒng)”對(duì)于我國(guó)掌握超深海油氣資源勘探開(kāi)發(fā)的前沿技術(shù)和建立具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超深海石油工程裝備體系具有深遠(yuǎn)意義。本文的研究?jī)?nèi)容主要分為以下五個(gè)部分：(1)基于對(duì)超深海災(zāi)害性海洋環(huán)境要素的認(rèn)知和超深海油氣資源開(kāi)發(fā)作業(yè)所遇到的技術(shù)難題,提出一種基于張力系泊式潛沒(méi)浮筒(水中生產(chǎn)作業(yè)平臺(tái))的水中生產(chǎn)系統(tǒng)(Subsurface Tension Leg Production system,簡(jiǎn)稱(chēng)STLP系統(tǒng))新概念,并進(jìn)一步構(gòu)建了基于水面FPSO和STLP系統(tǒng)的超深海油氣生產(chǎn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng),為超深海油氣田開(kāi)發(fā)提供了一種全新的解決方案。在明確STLP系統(tǒng)的功能需求和技術(shù)要求等設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,提出了需要遵循的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,采用交互式的方法開(kāi)展了STLP系統(tǒng)關(guān)鍵構(gòu)件的概念設(shè)計(jì)。概念設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括潛沒(méi)浮筒結(jié)構(gòu)型式的確定、潛沒(méi)浮筒的總布置和主尺度預(yù)估、潛沒(méi)浮筒的重量分布、張力系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)、剛性立管系統(tǒng)設(shè)計(jì)和管線中轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì)等。(2)提出一種新型桁架式海星構(gòu)型的潛沒(méi)浮筒(Truss Seastar Pontoon,簡(jiǎn)稱(chēng)T-SSP),應(yīng)用數(shù)值計(jì)算的方法開(kāi)展T-SSP的水動(dòng)力性能研究,計(jì)算得到了T-SSP的水動(dòng)力系數(shù),并進(jìn)一步開(kāi)展了潛沒(méi)浮筒的水動(dòng)力參數(shù)敏感性分析。研究結(jié)果表明T-SSP橫向拖曳力系數(shù)的確定具有相當(dāng)重要性。(3)建立了潛沒(méi)平臺(tái)(包括T-SSP、采油設(shè)備、系泊系統(tǒng)以及剛性立管系統(tǒng))全耦合的數(shù)值計(jì)算模型,系統(tǒng)地研究了水中生產(chǎn)作業(yè)平臺(tái)的張力系泊系統(tǒng)的定位特性,重點(diǎn)研究了張力系泊纜的初始方位角、預(yù)張力、水深以及流速等因素對(duì)潛沒(méi)浮筒定位性能的影響。研究結(jié)果表明,張力系泊纜的初始方位須垂直于潛沒(méi)浮筒底面,從而在保持T-SSP穩(wěn)定性的前提下,能夠?qū)崿F(xiàn)基于潛沒(méi)平臺(tái)的超深海油氣生產(chǎn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的整體優(yōu)化布局。此外,系統(tǒng)地開(kāi)展了剛性立管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析,包括剛性立管系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析、干涉分析、在位強(qiáng)度分析、屈曲分析以及疲勞損傷計(jì)算分析等,分析結(jié)果表明預(yù)安裝的T-SSP能夠?yàn)槎嗑诼?lián)合生產(chǎn)作業(yè)提供穩(wěn)定可靠的淺水作業(yè)平臺(tái)。(4)基于懸鏈線理論,建立了FPSO與STLP系統(tǒng)之間的柔性跨接管長(zhǎng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。進(jìn)一步地,建立了基于水面FPSO和STLP系統(tǒng)的超深海油氣生產(chǎn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)(包括T-SSP、采油設(shè)備、系泊系統(tǒng)、剛性立管系統(tǒng)、柔性跨接管系統(tǒng)和FPSO)全耦合的數(shù)值計(jì)算模型,系統(tǒng)地研究了不規(guī)則波環(huán)境條件下一階波浪運(yùn)動(dòng)和FPSO極限偏移對(duì)潛沒(méi)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)特性的影響；研究結(jié)果表明,針對(duì)超深海災(zāi)害性海洋環(huán)境要素,STLP系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性。(5)針對(duì)STLP系統(tǒng)在生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中由于潛在的危險(xiǎn)事件而導(dǎo)致的原油泄漏風(fēng)險(xiǎn),建立了STLP系統(tǒng)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的理論框架。在建立STLP系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上,識(shí)別潛在的危險(xiǎn)事件,并建立整體風(fēng)險(xiǎn)模型；基于事故數(shù)據(jù)庫(kù)和專(zhuān)家評(píng)判,對(duì)主要危險(xiǎn)事件的發(fā)生概率和危險(xiǎn)事件發(fā)生后果進(jìn)行了系統(tǒng)地計(jì)算分析,并研究了定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過(guò)程中不確定性的影響；基于已建立的風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則,確立了STLP系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),并提出了降低STLP系統(tǒng)整體風(fēng)險(xiǎn)水平的推薦措施。定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果表明只有水下井口頭泄漏的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)水平位于ALARP (As Low As Reasonable Practicable,簡(jiǎn)稱(chēng)ALARP)區(qū)域,其余危險(xiǎn)事件的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)水平和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)水平均位于可接受風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域,驗(yàn)證了采用新型STLP系統(tǒng)開(kāi)展超深海油氣資源開(kāi)發(fā)作業(yè)所具有的安全性優(yōu)勢(shì)。
[Abstract]:With the development of offshore oil and gas resources gradually to the deep sea (500-1500m water depth) and ultra deep water (water depth greater than 1500m) development, a variety of new ocean engineering structures emerge. At present, a new design of marine structure mainly based on the floating platform. The concept of floating platform type has been widely used in the world mainly include: the tension leg platform, Spar platform, semi submersible platform, deepwater drilling ship, floating production storage and offloading system (Floating Production Storage and Offloading system, referred to as FPSO) and floating drilling production, storage and offloading system (FDPSO). Although the floating platform is widely applied to ultra deep the oil and gas resources development activities, but faced with strong winds and waves and other disasters of marine environment characteristics of Deepwater Floating Offshore platform has many drawbacks, such as: body structure The size is too large, the positioning performance requirements, design and construction technology of complex and non hedging technology is safe and effective. Therefore, the research and development of a new generation of "ultra deepwater disaster marine environment adaptability of offshore oil and gas development operation support system for our master advanced technology ultra deepwater oil and gas exploration and establishment with independent intellectual property rights of the ultra deep petroleum engineering equipment system has far-reaching significance. This paper is divided into five parts as follows: (1) the technical difficulties of ultra deepwater disaster marine environment cognition and ultra deep oil and gas resources development based on operation of a mooring buoy based on submersible (water production platform) water production system (Subsurface Tension Leg Production system, referred to as STLP system) a new concept, and further build a water surface based on FPSO and ST Ultra deepwater oil and gas production and development of the LP system, provides a new solution for ultra deepwater oil and gas field development. Based on the function of STLP system requirements and technical requirements of design, puts forward the design rules to follow, using interactive methods to carry out the conceptual design of the key components of the STLP system. The concept of design content mainly includes the structure of submerged buoy, estimate the total layout and the main scale submerged buoy, the weight distribution of submerged buoy, mooring system design, rigid riser system design and pipeline transit device design. (2) proposed a new truss type submerged buoy Starfish (Truss Seastar Pontoon configuration referred to as T-SSP), the hydrodynamic performance of T-SSP carried out by using a numerical calculation method, the hydrodynamic coefficients of the T-SSP calculation, and further develop the hydrodynamic parameter sensitive submerged buoy Perceptual analysis. The results show that the T-SSP is very important to determine the lateral drag drag coefficient. (3) a submerged platform (including T-SSP, production equipment, mooring system and rigid riser) numerical model coupling, positioning characteristics of tension mooring system is systematically studied in water production industry platform, key study on the mooring line tension initial azimuth angle, tension, influence of water depth and flow rate on the submerged buoy positioning performance. The results show that the initial tension of the mooring cable must be orientation perpendicular to the subduction buoy bottom surface, resulting in the premise of maintaining the stability of T-SSP, to achieve the overall layout optimization of ultra deepwater oil and gas production and development system of submerged platform based. In addition, the system to carry out a rigid vertical pipe system design and analysis, including the rigid riser motion response analysis, interference analysis, in-situ strength Analysis, analysis and calculation of buckling and fatigue damage analysis results show that the pre installed T-SSP can provide a stable and reliable platform operations in shallow water for wellhead joint production operations. (4) based on catenary theory, established between FPSO and STLP system optimization design criterion of flexible jumper length. Further, the establishment of ultra deep the production of oil and gas development system and water FPSO system based on STLP (including T-SSP, production equipment, mooring system, rigid flexible riser system, cross over system and FPSO) numerical model coupling, systematically studied effects of the irregular wave conditions of first-order wave motion and FPSO limit deviation on motion characteristics submersible platform; the results of the study show that, for ultra deepwater disaster elements of the marine environment, the STLP system has good adaptability. (5) according to the STLP system in the production process due to the potential With dangerous event oil spill risk, established the theoretical framework of STLP system. Based on the quantitative risk assessment of risk acceptance criteria of STLP system, identifying the potential hazardous events, and establish the overall risk model; accident database and expert evaluation based on the main risk probability and risk events for the system to calculate and analyze the consequences, and study the impact of quantitative risk assessment in the process of uncertainty; risk acceptance criteria is established based on the established STLP system of the level of risk, and puts forward the measures to reduce the recommended STLP system overall risk level. Quantitative risk assessment results show that only the underwater wellhead leakage environmental risk level located in ALARP (As Low As Reasonable Practicable, referred to as ALARP), other risk events of environmental risk level and economic risk level are to be The risk area is accepted to verify the security advantage of using the new STLP system to carry out the exploitation of the deep sea oil and gas resources.

【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：U674.38

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本文編號(hào)：1653699