發(fā)布時間：2020-05-16 10:09

【摘要】：海洋蘊藏著豐富的資源,對海洋油氣資源的開發(fā)和利用逐漸向深水甚至超深水區(qū)發(fā)展。為了保證海洋平臺等長期在海上作業(yè)的浮式結(jié)構(gòu)物在大多數(shù)海洋環(huán)境作用下可以正常工作并抵御各種海洋環(huán)境荷載,準確模擬系泊系統(tǒng)的運動時間歷程和可靠性分析顯得非常重要。本文應(yīng)用邊界元方法和Morison公式對浮式結(jié)構(gòu)物進行水動力分析,應(yīng)用幾何非線性有限元方法計算系泊纜索張力,并在時域內(nèi)對浮式結(jié)構(gòu)物及其系泊纜索進行了耦合分析。無論淺水域還是深水域都會產(chǎn)生波群,其對海工結(jié)構(gòu)物尤其是系泊浮體具有較強的破壞力,會在結(jié)構(gòu)物自身頻率附近產(chǎn)生共振,對結(jié)構(gòu)物造成嚴重的威肋、或破壞。本文數(shù)值模擬了具有不同群性的波浪歷程,并對波群作用下浮式結(jié)構(gòu)物與其系泊系統(tǒng)進行了耦合動力分析。 本文基于勢流理論,應(yīng)用三維分布源法求解邊界積分方程,采用滿足自由水面條件和海底條件的Green函數(shù),只需在物體表面劃分網(wǎng)格；同時利用對稱性減少了計算量,縮短了計算時間；采用擴展的邊界積分方程法消除了頻域計算中的不規(guī)則頻率問題；根據(jù)Cummins的理論,通過快速傅立葉變換,將頻域計算結(jié)果變換到時域,得到浮體在波浪中的時域運動方程。 在深水或超深水環(huán)境下,系泊纜索的慣性和阻尼會對上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大影響,同時系泊纜索在大變形、大預(yù)張力條件下,纜索變形的非線性效應(yīng)不能忽略,本文基于全量的拉格朗日表述和兩節(jié)點的等參索單元,應(yīng)用幾何非線性有限元方法和Newmark方法建立了纜索動力分析的數(shù)值模型。應(yīng)用該模型系統(tǒng)地考察了纜索材料、水深、頂端激勵幅值、頂端激勵頻率、初張力和頂角等因素對纜索動張力的影響。 建立了聯(lián)合應(yīng)用邊界元方法／莫里森公式和幾何非線性有限元方法等對風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下深海系泊系統(tǒng)進行耦合動力響應(yīng)分析的計算模式。針對不同海洋環(huán)境作用下的深海系泊系統(tǒng),深入研究了水深、波高、周期、譜峰因子、流速、風(fēng)速以及不同風(fēng)、浪、流入射方向等對浮式結(jié)構(gòu)物運動響應(yīng)及其系泊纜索張力的影響。 首次研究了波浪群性對深海浮式系泊系統(tǒng)的影響。天然海浪經(jīng)常出現(xiàn)一連串波高超過某一臨界值的波構(gòu)成,即所謂“群”,海浪群性是海浪場的一種重要特性。要判明海浪群性的大小,僅以海浪頻譜為依據(jù)是不夠的,波包線是描述海浪群性的重要工具,海浪群性的大小和波包譜的形狀是密不可分的。實測的波面資料可通過Hilbert變換得波包線,進而可得波包譜。給定波浪要素,群高參數(shù)GFH和群長參數(shù)GLF后即可結(jié)合頻譜和波包譜準確的模擬出具有不同群性的海浪。本文對不同群性的海浪作用下浮式結(jié)構(gòu)物與其系泊系統(tǒng)進行了耦合動力分析,研究了群性參數(shù)的不同取值對波面、浮式結(jié)構(gòu)物的運動響應(yīng)以及系泊纜索張力的影響。
【圖文】：

未探明油氣儲量。新增原油產(chǎn)量中海上石油占50%。20世紀70年代末期，國外的油氣勘探開始挺進深水領(lǐng)域。20世紀80年代中期以來，隨著科學(xué)技術(shù)的進步，世界各國對能源的需求不斷增長，但陸地上和淺海區(qū)油氣田的發(fā)現(xiàn)難度增大，人們的目光很自然地投向了深水區(qū)，尤其是當(dāng)巴西的坎波斯(CamPs)盆地發(fā)現(xiàn)了 AlbacoraMarlin等大型油氣田之后，深水勘探更是不斷升溫，現(xiàn)已成為最熱的勘探領(lǐng)域。目前，世界上除了已形成的南美巴西、墨西哥灣和西非3個勘探熱點外，大西洋兩岸的英國、挪威、加拿大、南非、摩洛哥、毛里塔尼亞、納米比亞和阿根廷，地中海沿岸的埃及、以色列和土耳其，亞太地區(qū)的印度、印度尼西亞、澳大利亞和新西蘭等國家也都在積極開展深水區(qū)油氣田的勘探和開發(fā)，勘探領(lǐng)域已從水深300米的陸坡區(qū)擴展到了3000米的深水區(qū)。截至2009年，全球深海石油的產(chǎn)量只占到了7%左右，如圖 1.1，根據(jù)來自《世界深水報告》的資料預(yù)測，未來44%的油氣儲量將來自深水海域，而現(xiàn)在己開發(fā)的僅占3%，可見其潛力是巨大的。未來海洋勘探開發(fā)需求增長較快的地區(qū)主要集中在西非、巴西墨西哥灣和亞太地區(qū)。以巴西為例，巴西國內(nèi)探明海上油氣儲量為16億噸油當(dāng)量，其中300一500米水深占56%，水深超過1500米的占23%。

我國石油對外依賴度已經(jīng)達到50%以上，能源安全己經(jīng)引起國家高度重視。根據(jù)第三次石油資源評價結(jié)果，我國石油資源量為1072.7億噸，其中海洋石油資源量246億噸，占全國石油資源總量的23%;海洋天然氣資源量為16萬億立方米，占總量的30%。但由于受深海裝備技術(shù)和勘探能力不足影響，我國海洋石油探明程度為12%，海洋天然氣探明程度為n%，遠低于世界73%的平均水平。我國南海蘊藏著豐富的油氣資源和天然氣水合物資源，，石油地質(zhì)儲量約為230億一300億噸，占我國油氣總資源量的三分之一，其中70%蘊藏于深海區(qū)域。南海北部的“可燃冰”儲量達到我國陸上石油總量的一半左右，據(jù)測定，1立方米“可燃冰”可釋放出200立方米甲烷氣體，其能量密度是煤的10倍，常規(guī)天然氣的2至5倍。南海領(lǐng)域周邊國家每年從南海開采走的石油是1.5個大慶的產(chǎn)量，如圖1.2。中國目前還沒有深海鉆井平臺，即2500一3000米的第六代全自動定位的鉆井平臺。新出的“十二五”規(guī)劃將海洋工程裝備納入其中，定名為((’’十二五”期間海洋工程裝備發(fā)展規(guī)劃》，期間將會有兩或三個深水油氣田要建成投產(chǎn)，總投資浦超過2500一3000億元人民幣，2015年南海深水區(qū)總產(chǎn)量2500萬噸油當(dāng)量，2020年5000萬噸油當(dāng)量，相當(dāng)于一個大慶油田。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：P75

【參考文獻】

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本文編號：2666573