大型浮体浅水效应技术与应用

1、中海油研究总院 范模 苏州 2013年9月 20132013年年( (第四届第四届) )海洋石油工程技术年会海洋石油工程技术年会 2 2 2 目目 录录 中海油研究总院 3 3 3 技术背景技术背景 背景情况： l2000年，在蓬莱19-3油田开发的30万吨旧油轮改装方案中，一次模型 试验时发现的，浮体随水深变浅时，其运动状态改变了，垂向运动变 小，水平运动变大的现象； l2002年11月，申请国家863“渤海大油田勘探开发关键技术”中的“浅 水超大型浮式生产储油系统关键技术 ”研究课题； l2004年10月课题验收，取得重大技术突破，从理论分析、数值模拟和 模型试验研究上找到了规律，得到船底

2、至海底间隙的临界值，总结了 “大型浮体浅水效应”的FPSO主尺度设计的方法； l成果应用在了“海洋石油113”和“海洋石油117”FPSO的主尺度设计 上，解决了渤海浅水中应用大型FPSO的实际问题。 中海油研究总院 4 4 4 目目 录录 中海油研究总院 5 5 5 大型浮体浅水效应技术研究大型浮体浅水效应技术研究 基本原理： H/TH/T H为水深，T为浮体吃水； 常规理论认为：当=1.3，船舶吃水参数设计应小心，当心船舶碰底 。我们试验结果表明，船底距离海底距离可以更加小，不会发生触底， 浮体垂向运动减少，水平运动加大；当吃水越接近水深时，垂向运动越 明显，相当于有一个“水垫”作用；存在

3、一个似碰而非碰的临界值。 中海油研究总院 6 6 6 大型浮体浅水效应技术研究大型浮体浅水效应技术研究 h/d 1.01.11.21.31.41.51.61.71.8 1 2 3 4 5 6 7 8 Heave Roll Pitch / h/d 12345 T (s) 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Measured Calculated 当水深吃水比值从1.3减少1.1时，横 摇、纵摇与垂荡的附加质量分别增加 了3.3倍、5.3倍和5.7倍。 随着水深减小，横摇固有周期比深水 增大20%41%。 中海油研究总院 7 7 7 大型浮体浅水效应技术研究大型浮体浅水效应技术研

4、究 (rad/s) 0.00.51.01.52.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 h/d=1.10h/d=1.15h/d=1.24 h/d=1.38h/d=1.66 4444 / 随着水深吃水比值降为1.15时， 横摇阻尼系数增大约2.3倍。 浅水 深水 随着水深减小，水平系泊力增 加约40%。 中海油研究总院 8 8 8 大型浮体浅水效应技术研究大型浮体浅水效应技术研究 大型浮体浅水效应主要研究结论： l浮体横摇的固有周期随浮体底至海底距离的减小加大； l随着浮体底至海底距离减小，浮体的垂向运动幅度减小，但水 平方向的运动加大； l对于被系泊浮体，其系泊力比常规水深增大；

5、 l浮体阻尼、附加质量等水动力参数发生很大变化，常规数值不 可参考使用； l大型浮体浅水效应主要是浮体底部的水压力作用； l水深吃水比值可小于1.3（=1.11.25），存在一个临界值。 中海油研究总院 9 9 9 大型浮体浅水效应技术研究大型浮体浅水效应技术研究 2002年上海交大模型试验 2011年荷兰MARIN水池试验 模型试验结果： l2002年，应用大型浮体浅水 效应成果确定“海洋石油 113”设计吃水为14.5m； l2011年，在荷兰MARIN水池 试验中，没有发生触底情况 ，说明吃水参数设计合理； l系泊力由800吨提高到1300 吨。 中海油研究总院 10 1010 目目 录

6、录 中海油研究总院 11 11 中海油研究总院 大型浮体主尺 度优化 “大型浮体浅水效应”应用思路 预报浅水环境 下的系泊力 预报浮体的波 浪载荷 获得了大型浮体在浅水下的运动 响应及水动力特性变化规律： 粘性、附加质量、阻尼 波频运动、一阶波浪力 慢漂运动、慢漂力 动压力 应用案例应用案例 12 12 中海油研究总院 FPSOFPSO主尺度优化设计原则：主尺度优化设计原则： l加大FPSO吃水、加大型深、加大船宽和缩小船长（三个加大， 一个缩小）；提高装载体积、提高耐波性、改善总纵弯矩； lFPSO船体钢料重量WH与船长L、船宽B与型深D的关系： WH=kL1.83B0.75D0.5 其中其

7、中: k=0.00965 l用“大型浮体浅水效应”方法设计FPSO主尺度，装载能力可提 高69%。 应用案例应用案例 13 13 中海油研究总院 一、“海洋石油113”FPSO主尺度设计： l按传统 H/T1.3 概念，其FPSO吃水应该是12.33m，这个吃水只能 是1213万吨级的FPSO； l将“海洋石油113”FPSO满载设计吃水做到14.5m，突破了传统的 H/T1.3 的概念 1.15； l载重量提高了约3万吨。 应用案例应用案例 14 14 中海油研究总院 水面 20万吨重的浮体 “大型浮体浅水效应”示意图 本专利成功地将20万吨重的大型浮体用于世界 2.2 m 14.5 m 1

8、6.7 m 海底 水面 海底 16.7 m 14.5 m 水面 2.2 m 水面 海底 “海洋石油113”侧视图 “海洋石油113”船体剖面图 传统观念：水深/吃水1.3 浮体底部距离海底仅2.2m，在百年一遇的狂风 浅水效应新概念：水深/吃水=1.15 应用新概念优化浮体尺度： 节省钢材3000吨 增加3万吨储油量 水深最浅海域。 巨浪作用下船体不会撞击海底。 水面 20万吨重的浮体 “大型浮体浅水效应”示意图 本专利成功地将20万吨重的大型浮体用于世界 2.2 m 14.5 m 16.7 m 海底 水面 海底 16.7 m 14.5 m 水面 2.2 m 水面 海底 “海洋石油113”侧视

9、图 “海洋石油113”船体剖面图 传统观念：水深/吃水1.3 浮体底部距离海底仅2.2m，在百年一遇的狂风 浅水效应新概念：水深/吃水=1.15 应用新概念优化浮体尺度： 节省钢材3000吨 增加3万吨储油量 水深最浅海域。 巨浪作用下船体不会撞击海底。 “海洋石油113”侧视图 “海洋石油113”横剖面图 “海洋石油113”浅水效应原理图 一、“海洋石油113”FPSO主尺度设计： 应用案例应用案例 15 15 中海油研究总院 二、“海洋石油117”FPSO主尺度设计： l在蓬莱19-3油田的30万吨级FPSO的主尺度设计上，外方接受了中方 的建议方案：增大船宽与型深尺度，缩小船长尺度； l30万吨FPSO主尺度演变过程： 船长（m） 323 313 -3.2% 船宽（m） 54.3 63 16% 型深（m） 26.2 32.5 24% 吃水（m） 20.5 20 -2.5% 应用案例应用案例 16 16 中海油研究总院 “海洋石油113”16万吨级FPSO 2004年8月投产 “海洋石油117”30万吨级FPSO 2009年5月投产 应用案例应用案例 17 17 中海油研究总院中海油研究总院 主要技