【摘要】：隨著全球?qū)δ茉葱枨蟮牟粩嗉哟?向深海進(jìn)軍已成為海洋石油和天然氣工業(yè)的發(fā)展方向。中國(guó)擁有廣闊的海洋面積,在東南沿海的深海海域,已探明海底蘊(yùn)含著豐富的海洋石油天然氣資源。目前,我國(guó)已基本掌握了淺海石油的開發(fā)技術(shù),而對(duì)水深超過500m以上的深海油氣田的勘探開發(fā)技術(shù)還比較落后,因此突破深海石油開發(fā)裝備的關(guān)鍵技術(shù)成為決定我國(guó)能否成功進(jìn)軍深海的決定性因素。浮式鉆井生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置(Floating Drilling Production Storage and Offloading system,簡(jiǎn)稱FDPSO)是一種新型的海洋開發(fā)裝備,適應(yīng)于深遠(yuǎn)海及邊際油田的開發(fā),具有廣闊的應(yīng)用前景,近年來成為海洋工程界關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)。 FDPSO是在已有開發(fā)裝備的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的,它同時(shí)包含了典型浮式鉆井裝置(如張力腿平臺(tái),立柱式平臺(tái)及半潛式平臺(tái)等)和浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置(FPSO)兩套系統(tǒng)的功能,具有更高的經(jīng)濟(jì)性。不同作業(yè)功能對(duì)浮體的水動(dòng)力性能要求不盡相同,鉆井作業(yè)時(shí)對(duì)浮體水動(dòng)力性能要求較高,因此現(xiàn)有的浮式鉆井裝置的主體結(jié)構(gòu)多由圓柱筒狀,桁架及沉箱等組合而成來減小浮體的受力面積,減小其運(yùn)動(dòng)范圍；而完成對(duì)原油的儲(chǔ)卸則需要較大的存儲(chǔ)空間,因此FPSO多為大型船型浮體,船型浮體受力面積大,運(yùn)動(dòng)性能則較差�？梢�,FDPSO要同時(shí)滿足所有的作業(yè)要求,就必須對(duì)其性能進(jìn)行總體設(shè)計(jì),不能僅對(duì)原有裝置進(jìn)行簡(jiǎn)單組合。目前由于這種新型裝備尚處于概念設(shè)計(jì)階段,沒有固定的結(jié)構(gòu)形式,也沒有設(shè)計(jì)的指導(dǎo)規(guī)范,建造經(jīng)驗(yàn)更加匱乏,國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)正在積極開展相關(guān)的研究工作,促進(jìn)其從概念走向?qū)嶋H工程應(yīng)用。本文根據(jù)SBM公司(Single Buoy Moorings Inc.)提出的一種新型FDPSO的概念,圍繞設(shè)計(jì)中涉及的整體布置,船體的水動(dòng)力性能,特別是其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)TLD (Tension Leg Deck)的動(dòng)力學(xué)問題,進(jìn)行了如下研究工作： (1)闡述FDPSO-TLD概念的基本原理,給出了船體及張力甲板系統(tǒng)的基本布置,并基于勢(shì)流理論對(duì)船體的水動(dòng)力性能進(jìn)行分析,討論了月池尺寸對(duì)船體水動(dòng)力性能的影響,研究了在船體底部增加擋板改善船體水動(dòng)力性能的效果。 (2)建立了船體和TLD系統(tǒng)的垂蕩運(yùn)動(dòng)頻域耦合模型,分析了船體和TLD系統(tǒng)的弱耦合特征；設(shè)計(jì)了TLD系統(tǒng)的中尺度室內(nèi)模型仿真平臺(tái),利用半物理仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)對(duì)TLD系統(tǒng)的動(dòng)力特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,利用該理論模型對(duì)南海海況進(jìn)行仿真分析,驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)的升沉補(bǔ)償作用,但浪向角對(duì)響應(yīng)影響較大,應(yīng)用中需避免橫浪工況。 (3)采用Euler-Bernoulli梁模型對(duì)TLD系統(tǒng)中的立管進(jìn)行模擬,采用微分變換的方法解決了立管在役和自由懸掛兩種狀態(tài)下的模態(tài)的求解問題。該方法可以考慮截面性質(zhì)及軸向張力為空間變量,其控制方程為變系數(shù)四階偏微分方程的情況,簡(jiǎn)單易行。通過算例驗(yàn)證了本方法的有效性；并考察了該數(shù)值算法的收斂速度；分析了立管主要參數(shù)變化對(duì)頻率及振型的影響；結(jié)合工程實(shí)際考察了立管起下水作業(yè)時(shí)在飛濺區(qū)易發(fā)生共振的水深區(qū)域。 (4)基于TLD系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型,提出了隨機(jī)波浪和參數(shù)激勵(lì)共同作用時(shí),TLD系統(tǒng)中立管振動(dòng)的頻域求解方法。考慮立管軸向的參數(shù)激勵(lì)作用時(shí),其控制方程為一個(gè)周期時(shí)變系統(tǒng),無法采用傳統(tǒng)頻域方法進(jìn)行求解。本文結(jié)合虛擬激勵(lì)法對(duì)這種周期時(shí)變系統(tǒng)進(jìn)行頻域求解,并通過Floquet理論對(duì)穩(wěn)定區(qū)域進(jìn)行了分析。通過與Monte-Carlo非線性時(shí)域模擬對(duì)比驗(yàn)證了本文方法的正確性和高效性；研究了參數(shù)激勵(lì)和隨機(jī)波浪作用下立管的響應(yīng)規(guī)律。 (5)采用尾流振子模型對(duì)海流可能引起的立管渦激振動(dòng)進(jìn)行了預(yù)報(bào),研究了參數(shù)激勵(lì)對(duì)渦激振動(dòng)的影響。分析表明參數(shù)激勵(lì)對(duì)渦激振動(dòng)有重要影響,當(dāng)參數(shù)激勵(lì)的升沉幅值和頻率較小時(shí),參數(shù)激勵(lì)可加大渦激振動(dòng)的響應(yīng),并影響響應(yīng)的頻率成分,出現(xiàn)參數(shù)激勵(lì)頻率與渦激頻率之間的和頻和差頻；當(dāng)參數(shù)激勵(lì)中升沉幅值和頻率的較大時(shí),立管的響應(yīng)以參數(shù)激勵(lì)主導(dǎo),擾亂了漩渦脫落的形成,響應(yīng)較之單純渦激振動(dòng)作用時(shí)增大了數(shù)倍,降低了立管的疲勞壽命。 (6)為避免由于FDPSO-TLD外部配重的運(yùn)動(dòng)引起立管軸向張力變化而導(dǎo)致的參數(shù)共振,提出了在船體上安裝主動(dòng)控制絞車以減小張力波動(dòng)幅值的設(shè)計(jì)方案�；赥LD系統(tǒng)升沉方向的動(dòng)力學(xué)模型,通過構(gòu)造出H∞控制器和H∞觀測(cè)器對(duì)立管的軸向動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行主動(dòng)控制,給出了相應(yīng)的頻域和時(shí)域分析方法。數(shù)值仿真表明選取適當(dāng)?shù)目刂茀?shù),該方法能取得較好的控制效果,立管的應(yīng)力均方差顯著降低,且增加控制后可保證立管底端時(shí)刻受拉,降低了立管因受壓而導(dǎo)致的屈曲破壞的可能性。
[Abstract]:......
【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】：2014
【分類號(hào)】：P742

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2279761